Осапуняване – Процес на производство на сапун с ултразвук

Осапуняването е химичен процес на производство на сапун. Това е реакцията, при която суровината от мазнини или масла (триглицериди) реагира с алкален реагент, за да образува сапун. Ултразвукът подобрява катализата на фазовия трансфер, което води до повишена скорост на реакцията, по-пълно преобразуване и избягва прекомерната употреба на основни реагенти като калиев хидроксид (KOH) или натриев хидроксид (NaOH). Ултразвуково инициираната алкална хидролиза може лесно да се приложи в търговското производство на сапун. Ултразвуковите реактори за осапуняване произвеждат по-висока мощност за по-кратко време, без да се използва катализатор или да се намаляват количествата на използвания катализатор.

Ултразвуково насърчавано осапуняване

Казуси за ултразвуково осапуняване

Различни изследвания показват, че ултразвукът насърчава осапуняването на триглицеридите в сапун. Ултразвуковото осапуняване ускорява и увеличава преобразуването, като същевременно спестява или избягва използването на катализатор. Това прави ултразвуковото осапуняване високоефективен производствен метод.

Ултразвуково иницииране на алкалната хидролиза на триглицеридите (осапуняване) без фазов катализатор

Mercantili et al. (2013) изследват ефектите на ултразвука върху алкалната хидролиза на триглицеридите, известна като осапуняване. Те използват ултразвук, за да инициират алкалната хидролиза на слънчогледовото масло. Калиев хидроксид (KOH) е използван като алкална основа. Доказано е, че ултразвукът е ефективен като източник на енергия за иницииране и задвижване на реакцията, че високият добив на реакцията е постижим само за 15 минути от общото приложение на мощността при работа при стайна температура и че по време на реакцията не се генерират откриваеми странични продукти. Сравнението на ултразвукова вана и ултрасонокатор от тип сонда показва, че ултразвуковата сонда е по-добрата техника. Проучването показва, че ултразвуковото осапуняване дава добро преобразуване без необходимост от излишък на алкали или катализа за пренос на фази.

Алкална хидролиза на триацилглицерол

Ултразвуково насърчавана реакция на фазов трансфер за осапуняване

Bhatkhande et al. (1998) показват, че ултразвукът на растителни масла като соево масло може ефективно да се осапунява с помощта на воден KOH и различни PTC при стайна температура. Степента на осапуняване е проучена, като се използва стойността на омиляне като ориентир. С помощта на ултразвук и разбъркване бяха извършени оптимизации на различни параметри като време, избор на катализатори за фазов трансфер, количество използван катализатор, количество KOH и количество вода. За да се проучи ефектът от ултразвука, осапуняването също се извършва при 35ºC при различни условия, а именно разбъркване, ултразвук, разбъркване и ултразвук и нагряване при 100ºC. Установено е, че хетерогенното осапуняване на течно-течна фаза на различни растителни масла с помощта на воден KOH/CTAB се ускорява значително при 35ºC при ултразвук и разбъркване.

Високоефективни ултразвукови апарати

Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводително ултразвуково оборудване за лабораторно, пилотно и промишлено производство. Здравите и надеждни ултразвукови апарати се използват за различни сонохимични реакции като осапуняване. Ултразвуковите ултразвукови апарати на Hielscher могат да се използват в партиден и вграден режим. Всички важни параметри на процеса – амплитуда, налягане, температура – могат да бъдат прецизно контролирани и да гарантират възпроизводими резултати.
Цифровото управление автоматично записва параметрите на процеса и ги съхранява на вградената SD-карта. Предварителните настройки и дистанционното управление на браузъра правят процеса на ултразвук много прост и лесен за използване.
За много сонохимични реакции трябва да се поддържа определена температура, така че контролът на температурата е важен. Цифровите ултразвукови апарати на Hielsher се предлагат с термодвойка и контрол на температурата. Проточната клетка с кожух позволява разсейване на топлината.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

• Бхатханде, Б.С.; Самант, Шринивас Д. (1998): Ултразвуково подпомаган PTC катализира осапуняването на растителни масла с помощта на водни алкали. Ултразвукова сонохимия том 5, брой 1, 1998 г. 7-12.
• Меркантили, Лора; Сеймъс, Франк Дейвис; Higson, P. J. (2014): Ултразвуково иницииране на алкалната хидролиза на триглицеридите (осапуняване) без фазова катализа. Списание за повърхностноактивни вещества и детергенти том 17, издание 1, януари 2014 г. 133-141.

Факти, които си струва да знаете

Сонохимия

Мощният ултразвук се прилага за химични процеси като синтез и катализа (наричани съответно соно-синтез и соно-катализа), за да се инициира и засили реакцията. Различни приложения на ултразвуковото облъчване в органичния синтез са задълбочено проучени и разработени за промишлено производство. Сонохимичните обработки могат да увеличат скоростта на реакция, добива и селективността на желаните продукти при значително по-меки условия. Това прави ултразвуковата обработка ефективна и екологична техника за обработка. Доказано е, че ултразвуково подпомаганата фазова трансферна катализа (PTC) е драстично по-ефективен и ефективен метод за органични реакции в сравнение със същата реакция в състояние на тишина. Например, реакцията на Канисаро, катализирана от ултразвуков катализа за фазов трансфер, се ускорява значително, което води до бързо преобразуване. Друг ярък пример е трансестерификацията на триглицериди (т.е. растителни масла, животински мазнини) и метанол в присъствието на KOH като катализатор и мощен ултразвук. Ултразвуковата трансестерификация дава висококачествен биодизел, произведен при бързо преобразуване и много ефективен и икономичен процес.

Ултразвуковата екстракция се основава на акустична кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване

Осапуняване

Осапуняването описва химическата реакция, при която се произвежда сапун. В процеса на осапуняване растителните масла или животинските мазнини се превръщат в соли на мастни киселини – "Сапунът" – и глицерол, който е алкохол. Реакцията изисква разтвор на алкална основа (напр. NaOH или KOH) във вода, а също и топлина, за да започне реакцията.
Стъпките на реакция на осапуняване са следните:

1. Нуклеофилна атака на естерите на мастните киселини от хидроксида
2. Премахване на напускане на група
3. Депротониране

Реакцията на осапуняване се използва в търговската мрежа за производство на сапуни и смазочни материали.
Докато твърдият сапун с натриев хидроксид и мекият сапун с калиев хидроксид се използват за ежедневно почистване, има и специални сапуни, произведени с помощта на други метални хидроксиди. Например литиевите сапуни и калциевите сапуни се използват като смазочни греси. Има също “Сложни сапуни” състоящ се от смес от метални сапуни.

хидролиза

Хидролизата включва реакцията на органичен химикал с вода за образуване на две или повече нови вещества и обикновено означава разцепване на химичните връзки чрез добавяне на вода. Естерите могат да бъдат разцепени обратно в карбоксилна киселина и алкохол чрез реакция с вода и основа. Сапунът се произвежда чрез хидролиза на естерите на мазнините или маслото.

Алкална основа

Алкални основни реагенти (луга) са необходими за осапуняване на масла и мазнини. Триглицеридите реагират с основа – натриев или калиев хидроксид – За да се произведе глицерол и сол на мастни киселини, така наречения "сапун". Калиевият хидроксид е неорганично съединение с формула KOH и обикновено се нарича разяждащ поташ. Натриевият хидроксид (NaOH) е друга прототипна силна основа. Когато се използва натриев хидроксид, се получава твърд сапун, докато използването на калиев хидроксид води до мек сапун.

Реагент срещу реагент

Реагентът е вещество, което се използва или консумира в химическа реакция. В сравнение с реагента, реагентът е необходим в по-големи количества. Реагентът е вещество, което се използва за иницииране на реакция, за подпомагане на реакцията и се консумира в реакция, за разлика от катализаторите, които не се консумират в реакция.

Осапуняване – Често задавани въпроси

• Какъв е процесът на осапуняване? Осапуняването е химичен процес, при който мазнините или маслата реагират с алкали (обикновено натриев хидроксид), за да произведат сапун и глицерол. Тази реакция включва хидролиза на триглицеридите в соли на мастни киселини и глицерол.
• Какъв тип реакция е осапуняването? Осапуняването е вид реакция на хидролиза, при която естерните връзки в мазнините или маслата се разграждат от алкали.
• Защо се нарича осапуняване? Той е кръстен на крайния си продукт, сапун, и способността му да създава сапун чрез хидролиза на естерните връзки в триглицеридите.
• Каква е целта на осапуняването? Основната цел е да се произвежда сапун, повърхностноактивно вещество, използвано широко за почистване и измиване.
• Хидролиза ли е осапуняването? Да, осапуняването е специфичен вид хидролиза, включваща разлагане на мазнини или масла от алкали на глицерол и соли на мастни киселини (сапун).
• Какъв е механизмът на осапуняване? Тя включва нуклеофилна атака на хидроксидни йони върху карбонилния въглерод на естерната връзка в триглицеридите, което води до образуването на алкохол (глицерол) и сапун.
• Защо смесването е важно за осапуняването? Ефективното смесване осигурява цялостен контакт между реагентите, насърчавайки по-пълна и равномерна реакция, която е от решаващо значение за постигане на оптимални добиви. Ултразвуковите смесители на Hielscher могат да подобрят този процес чрез интензивни сили на кавитация и срязване.
• Какво е пример за осапуняване? Смесването на натриев хидроксид с кокосово масло в присъствието на ултразвуков реактор на Hielscher за производство на сапун и глицерол е пример за осапуняване.
• Кой е основният продукт на осапуняването? Основните продукти са сапун (натриеви или калиеви соли на мастни киселини) и глицерол.
• Защо стойността на осапуняването е важна? Стойността на осапуняване показва количеството алкали, необходимо за осапуняване на дадено количество мазнина или масло, като помага да се определи молекулното тегло на мастните киселини, които съдържа.
• Обратимо ли е осапуняването? При типични условия осапуняването не е обратимо поради стабилния характер на образувания сапун.
• Какво е обратното на осапуняването? Естерификацията, при която водата и алкохолите реагират с карбоксилни киселини, за да образуват естери и вода, е обратният процес.
• Осапуняването изисква ли топлина? Въпреки че не е необходима, топлината може да ускори процеса на осапуняване чрез увеличаване на молекулярното движение и скоростта на реакцията.
• Осапуняването екзотермично ли е или ендотермично? Осапуняването е екзотермична реакция, отделяща топлина, докато протича.
• Осапуняването основно ли е или киселинно? Това е основна реакция, тъй като включва действието на основа (алкали) върху естер (мазнини/масло).
• Как да спрете осапуняването? Добавянето на киселина за неутрализиране на алкалите спира реакцията, като ефективно спира процеса на осапуняване.
• Какво се случва след осапуняването? След пълна реакция сместа обикновено се състои от сапун и глицерол, които могат да бъдат пречистени или обработени допълнително в зависимост от предназначението.
• Естествено ли е осапуняването? Да, естественото осапуняване може да възникне, когато мазнините влязат в контакт с алкалоземни метали в определени геоложки условия или когато древните народи смесват животински мазнини с пепел при традиционните методи за производство на сапун.
• Защо зехтинът се използва за осапуняване? Зехтинът е предпочитан при осапуняване поради богатото си съдържание на олеинова киселина, което дава мек, овлажняващ сапун с добри почистващи свойства и стабилна пяна.
• Как да превърнем мазнините в сапун? Мазнините се превръщат в сапун чрез осапуняване чрез нагряването им със силен алкален разтвор, обикновено натриев хидроксид, който разгражда мазнините до соли на мастни киселини (сапун) и глицерол.
• Кое масло има висока стойност за осапуняване? Кокосовото масло има висока стойност на осапуняване, което показва по-висок дял на по-малки молекули мастни киселини, което го прави много реактивен с алкали за производство на сапун.
• Какво се случва с маслата по време на осапуняване? По време на осапуняването маслата се хидролизират от алкала в глицерол и соли на мастни киселини, като последните образуват сапуна.
• Коя е най-добрата мазнина за сапун? Лой (телешка мазнина) и кокосовото масло се считат за едни от най-добрите мазнини за приготвяне на сапун поради техните пенообразуващи и втвърдяващи свойства в крайния сапунен продукт.
• Как да осапуним масла без луга? Осапуняването на масла без луга не е възможно за традиционното производство на сапун; Въпреки това, сапунените почистващи препарати могат да бъдат направени с помощта на повърхностноактивни вещества и емулгатори вместо осапуняване на основата на луга.