Осапуняване – процес на производство на сапун с ултразвук

Осапуняването е химичният процес на производство на сапун. Това е реакцията, при която суровината от мазнини или масла (триглицериди) реагира с алкален реагент, за да се образува сапун. Ултразвуковата обработка подобрява междуфазната катализа, което води до повишена скорост на реакцията и по-пълно превръщане, и предотвратява прекомерната употреба на основни реагенти като калиев хидроксид (KOH) или натриев хидроксид (NaOH). Алкалната хидролиза, инициирана с ултразвук, може лесно да се внедри в промишленото производство на сапун. Ултразвуковите реактори за осапуняване осигуряват по-голям обем на продукцията за по-кратко време без използване на катализатор или с намалени количества на използвания катализатор.

Осапуняване, подпомагано с ултразвук

Изследвания на ултразвуковото осапуняване

Различни научни изследвания показват, че ултразвуковата обработка подпомага осапуняването на триглицериди до сапун. Ултразвуковото осапуняване ускорява превръщането и повишава неговата степен, като същевременно намалява или избягва употребата на катализатор. Това прави ултразвуковото осапуняване високоефективен производствен метод.

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

Mercantili и съавт. (2013) изследват въздействието на ултразвуковата обработка върху алкалната хидролиза на триглицериди, известна като осапуняване. Те използват ултразвукова обработка за иницииране на алкалната хидролиза на слънчогледово масло. Като алкална основа е използван калиев хидроксид (KOH). Показано е, че ултразвукът е ефективен източник на енергия за иницииране и протичане на реакцията, че висок добив на реакцията е постижим само за 15 min общо подаване на енергия при работа при температурата на околната среда и че по време на реакцията не се образуват откриваеми странични продукти. Сравнението между ултразвукова вана и ултразвуков апарат със сонда показва, че ултразвуковата сонда е по-добрата техника. Изследването демонстрира, че ултразвуковото осапуняване осигурява добра степен на превръщане без необходимост от излишък на алкална основа или междуфазна катализа.

Алкална хидролиза на триацилглицерол

Междуфазна реакция за осапуняване, подпомагана с ултразвук

Bhatkhande и съавт. (1998) показват, че растителни масла като соевото масло могат да бъдат ефективно осапунени чрез ултразвукова обработка с използване на воден разтвор на KOH и различни катализатори на междуфазен пренос (PTC) при стайна температура. Степента на осапуняване е изследвана, като осапунителното число е използвано като референтен показател. Чрез ултразвукова обработка и разбъркване са извършени оптимизации на различни параметри като време, избор на катализатори на междуфазен пренос, количество на използвания катализатор, количество KOH и количество вода. За изследване на ефекта на ултразвука осапуняването е проведено и при 35ºC при различни условия, а именно разбъркване, ултразвукова обработка, разбъркване и ултразвукова обработка, както и нагряване при 100ºC. Установено е, че хетерогенното осапуняване на различни растителни масла в система течност–течност с използване на воден разтвор на KOH/CTAB се ускорява значително при 35ºC при ултразвукова обработка и разбъркване.

Високопроизводителни 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 апарати със сонда на Hielscher могат да се използват в партиден и проточен режим. Всички важни параметри на процеса – амплитуда, налягане, температура – могат да бъдат прецизно контролирани и осигуряват възпроизводими резултати.
Цифровата система за управление автоматично записва параметрите на процеса и ги съхранява на вградената SD карта. Предварителните настройки и дистанционното управление чрез браузър правят процеса на ултразвукова обработка много лесен и удобен за потребителя.
При много сонохимични реакции трябва да се поддържа определена температура, затова контролът на температурата е важен. Цифровите ултразвукови апарати на Hielscher са оборудвани с термодвойка и система за контрол на температурата. Проточната клетка с риза позволява отвеждане на топлината.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при голямо натоварване и в среда с високи изисквания.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Осапуняване на растителни масла с воден разтвор на алкална основа, катализирано чрез PTC и подпомагано с ултразвук. Ultrasonics Sonochemistry, том 5, брой 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ултразвуково иницииране на алкалната хидролиза на триглицериди (осапуняване) без фазова катализа. Journal of Surfactant and Detergents, том 17, брой 1, Jan 2014. 133–141.

Полезни факти

Сонохимия

Мощният ултразвук се прилага при химични процеси като синтез и катализа (наричани съответно соносинтез и сонокатализа), за да се инициира и интензифицира реакцията. Различни приложения на ултразвуковото облъчване в органичния синтез са задълбочено изследвани и разработени за промишлено производство. Сонохимичните обработки могат да повишат скоростта на реакцията, добива и селективността спрямо желаните продукти при значително по-меки условия. Това прави ултразвуковата обработка ефективна и екологична техника за обработка. Доказано е, че междуфазната катализа (PTC), подпомагана с ултразвук, е драстично по-ефективен и по-резултатен метод за органични реакции в сравнение със същата реакция без ултразвук. Например реакцията на Cannizarro, катализирана чрез междуфазна катализа, подпомагана с ултразвук, се ускорява значително, което води до бързо превръщане. 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 чрез бързо превръщане и много ефективен, икономичен процес.

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

Осапуняване

Осапуняването описва химичната реакция, при която се получава сапун. При процеса на осапуняване растителните масла или животинските мазнини се превръщат в соли на мастни киселини – „сапуна“ – и глицерол, който е алкохол. Реакцията изисква разтвор на алкална основа (напр. NaOH или KOH) във вода, както и топлина за иницииране на реакцията.
Етапите на реакцията на осапуняване са следните:

1. Нуклеофилна атака на хидроксидния йон върху естерите на мастните киселини
2. Отделяне на напускащата група
3. Депротониране

Реакцията на осапуняване се използва в промишлеността за производство на сапуни и смазочни материали.
Докато твърдият сапун, получен с натриев хидроксид, и мекият сапун, получен с калиев хидроксид, се използват за ежедневно почистване, съществуват и специални сапуни, произведени с други метални хидроксиди. Например литиевите и калциевите сапуни се използват като смазочни греси. Съществуват и „комплексни сапуни“, състоящи се от смес от метални сапуни.

Хидролиза

Хидролизата включва реакцията на органично химично съединение с вода, при която се образуват две или повече нови вещества, и обикновено означава разкъсване на химични връзки чрез добавяне на вода. Естерите могат да бъдат разцепени обратно до карбоксилна киселина и алкохол чрез реакция с вода и основа. Сапунът се получава чрез хидролиза на естерите в мазнините или маслата.

Алкална основа

За осапуняването на масла и мазнини са необходими алкални основи като реагенти (луги). Триглицеридите реагират с основа – натриев или калиев хидроксид – за получаване на глицерол и сол на мастна киселина, така наречения „сапун“. Калиевият хидроксид е неорганично съединение с формула KOH и обикновено се нарича калиева основа. Натриевият хидроксид (NaOH) е друга типична силна основа. При използване на натриев хидроксид се получава твърд сапун, докато използването на калиев хидроксид води до получаване на мек сапун.

Реактант и реагент

Реактантът е вещество, което се изразходва или консумира при химична реакция. В сравнение с реагента реактантът е необходим в по-големи количества. Реагентът е вещество, което се използва за иницииране на реакция, за подпомагане на реакцията и се изразходва при реакция, за разлика от катализаторите, които не се изразходват при реакция.

Осапуняване – често задавани въпроси

• Какво представлява процесът на осапуняване? Осапуняването е химичният процес, при който мазнини или масла реагират с алкална основа (обикновено натриев хидроксид), за да се получат сапун и глицерол. Тази реакция включва хидролиза на триглицериди до 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 разкъсват под действието на алкална основа.
• Защо се нарича осапуняване? Наименованието идва от крайния продукт, сапуна, и способността на процеса да образува сапун чрез хидролиза на естерните връзки в триглицеридите.
• Каква е целта на осапуняването? Основната цел е производството на сапун, повърхностноактивно вещество, широко използвано за почистване и измиване.
• Осапуняването хидролиза ли е? Да, осапуняването е специфичен вид хидролиза, включващ разграждането на мазнини или масла от алкална основа до глицерол и соли на мастни киселини (сапун).
• Какъв е механизмът на осапуняване? Той включва нуклеофилна атака на хидроксидни йони върху карбонилния въглероден атом на естерната връзка в триглицеридите, което води до образуването на алкохол (глицерол) и сапун.
• Защо смесването е важно за осапуняването? Ефективното смесване осигурява пълен контакт между реагиращите вещества, като подпомага 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 интензивна кавитация и сили на срязване.
• Какъв е примерът за осапуняване? Смесването на натриев хидроксид с кокосово масло в присъствието на ултразвуков реактор на Hielscher за получаване 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 осапунителното число е важно? Осапунителното число показва количеството алкална основа, необходимо за осапуняване на дадено количество мазнина или масло, като помага да се определи молекулната маса на съдържащите се в него мастни киселини.
• Обратимо ли е осапуняването? При обичайни условия осапуняването не е обратимо поради стабилността на образувания сапун.
• Кой е обратният процес на осапуняването? Естерификацията, при която вода и алкохоли реагират с карбоксилни киселини, за да образуват естери и вода, е обратният процес.
• Изисква ли осапуняването топлина? Въпреки че не е необходима, топлината може да ускори процеса на осапуняване, като увеличи движението на молекулите и скоростта на реакцията.
• Осапуняването екзотермично или ендотермично е? Осапуняването е екзотермична реакция, която отделя топлина при протичането си.
• Осапуняването основна или киселинна реакция е? То е основна реакция, тъй като включва действието на основа (алкална основа) върху естер (мазнина/масло).
• Как се спира осапуняването? Добавянето на киселина за неутрализиране на алкалната основа спира реакцията, като ефективно прекратява процеса на осапуняване.
• Какво се случва след осапуняването? След пълното протичане на реакцията сместа обикновено се състои от сапун и глицерол, които могат да бъдат пречистени или допълнително обработени в зависимост от предназначението им.
• Естествен процес ли е осапуняването? Да, естествено осапуняване може да настъпи, когато мазнина влезе в контакт с алкалоземни метали при определени геоложки условия или когато древните народи са смесвали животински мазнини с пепел при традиционни методи за производство на сапун.
• Защо зехтинът се използва при осапуняване? Зехтинът е предпочитан при осапуняване поради богатото си съдържание на олеинова киселина, която дава мек, овлажняващ сапун с добри почистващи свойства и стабилна пяна.
• Как да превърнем мазнината в сапун? Мазнините се превръщат в сапун чрез осапуняване, като се нагряват с разтвор на силна алкална основа, обикновено натриев хидроксид, който разгражда мазнината до соли на мастни киселини (сапун) и глицерол.
• Кое масло има високо осапунително число? Кокосовото масло има високо осапунително число, което показва по-висок дял на по-малки молекули на мастни киселини и го прави много реактивно спрямо алкална основа за получаване на сапун.
• Какво се случва с маслата при осапуняване? При осапуняване маслата се хидролизират от алкалната основа до глицерол и соли на мастни киселини, като последните образуват сапуна.
• Коя е най-добрата мазнина за сапун? Лойта (говежда мазнина) и кокосовото масло се смятат за едни от най-добрите мазнини за производство на сапун поради свойствата им да осигуряват пенообразуване и втвърдяване на крайния сапунен продукт.
• Как да осапуним масла без луга? Осапуняването на масла без луга не е възможно при традиционното производство на сапун; въпреки това подобни на сапун почистващи средства могат да се произвеждат с повърхностноактивни вещества и емулгатори вместо чрез осапуняване с луга.