Sposób otrzymywania naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych DES
ZESPÓŁ AUTORSKI
Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
- Marcin Banach - kierownik zespołu
- Olga Długosz
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Nasze rozwiązanie pozwala przenieść uniwersalne materiały jakimi są rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (uważane za rozpuszczalniki wykazujące właściwości jakich nie wykazują ani rozpuszczalniki organiczne, ani rozpuszczalniki na bazie wody) z laboratorium do przemysłu. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) należą do grupy cieczy o wyjątkowych właściwościach. Ich aplikacyjność z roku na rok gwałtownie wzrasta, a obszary w których znajdują zastosowanie obejmują medycynę, optykę, produkcję i oczyszczanie, farmację i wiele innych. Mimo ogromnego potencjału jakimi charakteryzują się te rozpuszczalniki, metody ich otrzymywania się energochłonne i czasochłonne, co ogranicza ich potencjał wdrażania. Nasz wynalazek rozwiązuje ten problem. Poprzez zawracanie niewielkiego udziału gotowego produktu, który jest w postaci cieczy, możliwe jest wykorzystanie bardzo efektywnych ultradźwięków w procesie otrzymywania DES. Tak wprowadzona energia przyspiesza reakcję, dzięki czemu również w sposób ciągły otrzymujemy gotowe produkty. Co istotne mimo bazowania na substratach stałych, wprowadzamy do procesu ciecz (nasz produkt) czyli bazujemy tylko na tych surowcach, które powinny znaleźć się w produkcie! W ten sposób otrzymujemy cenne rozpuszczalniki o wysokiej jakości, niczym nie zanieczyszczone. Dzięki naszemu rozwiązaniu, nie ma potrzeby go oczyszczać, gdyż wszystkie surowce i związki dodawane do procesu tworzą produkt, a w dodatku w krótszym czasie i przy niższym zużyciu energii.
ISTOTA WYNALAZKU
Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania rozpuszczalników głęboko eutektycznych z wykorzystaniem energii ultradźwięków w procesie okresowym oraz ciągłym.
Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) należą do grupy cieczy o wyjątkowych właściwościach, których nie posiadają zarówno rozpuszczalniki organiczne jak i woda. Związki te zostały odkryte w 2006 roku i przez ostatnie 15 lat znalazły zastosowanie w medycynie, nanotechnologii, elektronice, przy syntezie materiałów, w farmacji przy rozpuszczaniu leków, w syntezie związków organicznych, ekstrakcji związków aktywnych z produktów naturalnych, w procesach elektrodepozycji metali, w procesach oczyszczania biodiesla i wiele innych. Ponadto DES wykazują szereg właściwości, które umożliwiają ich stosowanie w szerszej skali, w tym: biodegradowalność, nietoksyczność, szeroki zakres ciekłości, niska wrażliwość na wilgoć, wysoka stabilność termiczna, łatwość przechowywania, niższa w porównaniu do wielu rozpuszczalników cena.
Jednym z głównych ograniczeń stosowania rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest energochłonny i czasochłonny proces otrzymywania. Procesy produkcji DES bazują na konwencjonalnym podgrzewaniu do temperatury 65-90oC składników przy stałym mieszaniu. Reagentami do otrzymywania NDES w znacznej mierze są materiały w postaci stałej, przez co proces łączenia komponentów trwa kilka godzin. Dodatkowo, konieczne jest bardzo dokładne mieszanie reagentów, przez co zmiana skali z kilku gramów na kilkadziesiąt gramów produktów jest niezwykle utrudniona.
W związku z podanymi ograniczeniami oraz ogromnym potencjałem aplikacyjnym materiałów opracowaliśmy rozwiązanie pozwalające na zwiększenie skali produkcji tych cennych rozpuszczalników, w którym możliwe jest zastosowanie efektywnego energetycznie źródła energii ultradźwięków. Ultradźwięki są szczególnie atrakcyjne w kontekście zasad Zielonej Chemii, ponieważ może umożliwić znaczne skrócenie czasu reakcji oraz zwiększenie skali produkcji, a tym samym obniżyć koszt produkcji rozpuszczalników. Największym ograniczeniem było połączenie zastosowania substratów o stałym stanie skupienia z ultradźwiękami. Mimo wielu zalet jakie stosowanie ultradźwięków posiada, ograniczeniem stosowania tego źródła energii jest fakt, że ultradźwięki działają w płynach, a to znaczyło, że działanie na materiały proszkowe ultradźwiękami nie pozwoli otrzymać produktu.
W naszym rozwiązaniu wprowadziliśmy zawracanie niewielkiej części gotowego produktu, będącego cieczą, co stworzyło świetne warunki do zapoczątkowania reakcji, rozchodzenia się ultradźwięków, stopniowe rozpuszczanie surowców proszkowych i w konsekwencji otrzymywanie produktu! Dzięki tak prostemu, chociaż nieoczywistemu rozwiązaniu, nie ma konieczności wprowadzania dodatkowych komponentów i zmiany składu materiałów. Połączenie procesu recyrkulacji z zastosowaniem ultradźwięków umożliwia otrzymanie szerokiej gamy DES w czasie znacząco krótszym, w porównaniu do konwencjonalnych procesów ich otrzymywania, często rozpuszczalników, które możliwe są do otrzymania jedyne przez ich stopniowe konwencjonalne czasochłonne ogrzewanie. Dodatkowo mimo wprowadzenie procesu ultradźwięków możliwe jest otrzymanie DES bazującego tylko na składnikach w stanie stałym, a nie tych występujących jako ciecz (w temp. pokojowej). Przedstawione rozwiązanie jest pierwszym krokiem w kierunku otrzymywania DES na szeroką skalę, ułatwiając ich wykorzystywanie w wielu gałęziach przemysłu.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Przedstawione rozwiązanie umożliwia wdrożenie technologii otrzymywania wielofunkcyjnych uniwersalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych zarówno przez małe i średnie przedsiębiorstwa, jak i duże firmy zajmujące się produkcją oraz modyfikacją materiałów zarówno nieorganicznych jak i organicznych. Zastosowania DESów z roku na rok rosną, zastępując m.in. ciecze jonowe, które mimo ciekawych właściwości są bardzo drogimi rozpuszczalnikami. Jednym z niewielu ograniczeń przez szerokim stosowaniem DES jest opracowanie metody ich otrzymywania w zwiększonej skali. Nasz wynalazek rozwiązuje podany problem i umożliwia wykorzystanie efektywnego źródła energii do otrzymywania z jednej strony w dużo krótszym czasie (z kilku godzin do poniżej 15min), przy jednocześnie zwiększeniu skali do dla firm jest niezwykle istotne. Instalacja składa się z sonikatora z naczyniem reakcyjnym, podajnika materiałów sypkich oraz jednej pompy, a sam układ reakcyjny zajmuje niewiele miejsca.