Saponifikacija – Proces izrade sapuna sa ultrazvukom

Saponifikacija je hemijski proces pravljenja sapuna. To je reakcija u kojoj sirovi materijal masti ili ulja (trigliceridi) reagiraju s alkalnim reaktantom kako bi se formirao sapun. Ultrazvučna obrada poboljšava katalizu faznog prijenosa što rezultira povećanom brzinom reakcije, potpunijom konverzijom i izbjegava prekomjernu upotrebu baznih reagensa kao što su kalijev hidroksid (KOH) ili natrijum hidroksid (NaOH). Ultrazvučna alkalna hidroliza može se lako implementirati u komercijalnu proizvodnju sapuna. Ultrazvučni reaktori za saponifikaciju proizvode veći učinak u kraćem vremenu bez upotrebe ikakvog katalizatora ili smanjenja količine katalizatora.

Ultrazvučno promovirana saponifikacija

Studije slučaja ultrazvučnog saponifikacije

Razne istraživačke studije su pokazale da sonikacija potiče saponifikaciju triglicerida u sapun. Ultrazvučno saponifikacija ubrzava i povećava konverziju uz uštedu ili izbjegavanje upotrebe katalizatora. Ovo čini ultrazvučnu saponifikaciju visoko efikasnom metodom proizvodnje.

Ultrazvučno iniciranje alkalne hidrolize triglicerida (saponifikacija) bez faznog katalizatora

Mercantili et al. (2013) proučavali su efekte ultrazvučne obrade na alkalnu hidrolizu triglicerida, poznatu kao saponifikacija. Koristili su sonikaciju da započnu alkalnu hidrolizu suncokretovog ulja. Kao alkalna baza korišćen je kalijum hidroksid (KOH). Pokazalo se da je ultrazvuk efikasan kao izvor energije za iniciranje i pokretanje reakcije, da se visok prinos reakcije postiže za samo 15 minuta ukupne primjene snage dok se radi na temperaturi okoline i da se nusprodukti koji se mogu detektirati ne stvaraju tokom reakcija. Poređenje ultrazvučne kupke i ultrasonokatora tipa sonde pokazuje da je ultrazvučna sonda superiorna tehnika. Studija pokazuje da ultrazvučna saponifikacija daje dobru konverziju bez potrebe za katalizom za alkalne ili fazne prijenose.

Alkalna hidroliza triacilglicerola

Ultrazvučno promovirana reakcija prijenosa faze za saponifikaciju

Bhatkhande et al. (1998) su pokazali da se sonikacija biljnih ulja kao što je sojino ulje može efikasno saponificirati korištenjem vodenog KOH i različitih PTC-a na sobnoj temperaturi. Stepen saponifikacije je proučavan koristeći vrijednost saponifikacije kao referencu. Optimizacije različitih parametara kao što su vrijeme, odabir katalizatora faznog prijenosa, količina upotrijebljenog katalizatora, količina KOH i količina vode provedene su uz pomoć ultrazvuka i miješanja. Da bi se proučio učinak ultrazvuka, saponifikacija je također provedena na 35ºC pod različitim uvjetima, naime miješanje, sonikacija, miješanje i sonikacija, te zagrijavanje na 100ºC. Utvrđeno je da je heterogena tečno-tečna faza saponifikacije različitih biljnih ulja korištenjem vodenog KOH/CTAB-a značajno ubrzana na 35ºC uz sonikaciju i miješanje.

Ultrasonikatori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučnu opremu visokih performansi za laboratorijsku, pilotsku i industrijsku proizvodnju. Robusni i pouzdani ultrasonikatori se koriste za različite sonohemijske reakcije kao što je saponifikacija. Hielscher-ovi ultrasonikatori tipa sonde mogu se koristiti u batch i inline modu. Svi važni parametri procesa – amplituda, pritisak, temperatura – mogu se precizno kontrolisati i osigurati ponovljive rezultate.
Digitalna kontrola automatski snima parametre procesa i pohranjuje ih na integriranu SD karticu. Prethodne postavke i daljinska kontrola preglednika čine proces ultrazvuka vrlo jednostavnim i lakim za korištenje.
Za mnoge sonohemijske reakcije mora se održavati određena temperatura, pa je kontrola temperature važna. Hielscherovi digitalni ultrasonikatori dolaze s termo-parom i kontrolom temperature. Protočna ćelija sa omotačem omogućava odvođenje toplote.
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

• Bhatkhande, BS; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultrazvukom potpomognuta PTC katalizirana saponifikacija biljnih ulja korištenjem vodene alkalije. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, broj 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, PJ (2014): Ultrazvučno pokretanje alkalne hidrolize triglicerida (saponifikacija) bez fazne katalize. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, broj 1, januar 2014. 133-141.

Činjenice koje vrijedi znati

Sonochemistry

Snažni ultrazvuk se primjenjuje na kemijske procese kao što su sinteza i kataliza (takođe nazvane sono-sinteza i sono-kataliza, respektivno) kako bi se pokrenula i intenzivirala reakcija. Različite primjene ultrazvučnog zračenja u organskoj sintezi su detaljno istražene i razvijene za industrijsku proizvodnju. Sonohemijski tretmani mogu povećati brzinu reakcije, prinos i selektivnost željenih proizvoda pod znatno blažim uslovima. Ovo čini ultrazvučni tretman efikasnom i ekološki prihvatljivom tehnikom obrade. Ultrazvučno potpomognuta kataliza faznog transfera (PTC) dokazano je drastično efikasnija i efektivnija metoda za organske reakcije u poređenju sa istom reakcijom u uslovima tišine. Na primjer, Cannizarro reakcija katalizirana katalizom faznog prijenosa uz pomoć ultrazvuka značajno je ubrzana što rezultira brzom konverzijom. Drugi istaknuti primjer je transesterifikacija triglicerida (tj. biljna ulja, životinjske masti) i metanola u prisustvu KOH kao katalizatora i ultrazvuka. Ultrazvučna transesterifikacija daje visokokvalitetni biodizel proizveden u brzoj konverziji i vrlo efikasnom, ekonomičnom procesu.

Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na akustičnoj kavitaciji i njenim hidrodinamičkim silama smicanja

Saponifikacija

Saponifikacija opisuje hemijsku reakciju koja proizvodi sapun. U procesu saponifikacije, biljna ulja ili životinjske masti se pretvaraju u soli masnih kiselina – "sapun" – i glicerol, koji je alkohol. Reakcija zahtijeva otopinu alkalne baze (npr. NaOH ili KOH) u vodi i zagrijavanje da bi se reakcija pokrenula.
Koraci reakcije saponifikacije su sljedeći:

1. Nukleofilni napad estera masnih kiselina hidroksidom
2. Uklanjanje grupe
3. Deprotonacija

Reakcija saponifikacije se komercijalno koristi za proizvodnju sapuna i maziva.
Dok se tvrdi sapun natrijum hidroksid i meki sapun sa kalijum hidroksidom koriste za svakodnevno čišćenje, postoje i specijalni sapuni koji se proizvode pomoću drugih metalnih hidroksida. Na primjer, litijumski sapuni i kalcijum sapuni se koriste kao masti za podmazivanje. Postoje također “kompleksni sapuni” koji se sastoji od mješavine metalnih sapuna.

hidroliza

Hidroliza uključuje reakciju organske kemikalije s vodom kako bi se formirale dvije ili više novih tvari i obično znači cijepanje kemijskih veza dodavanjem vode. Esteri se mogu ponovo cijepati u karboksilnu kiselinu i alkohol reakcijom s vodom i bazom. Sapun se proizvodi hidrolizom estera masti ili ulja.

Alkalna baza

Reaktanti alkalne baze (lužine) su potrebni za saponifikaciju ulja i masti. Trigliceridi reaguju sa bazom – natrijum ili kalijum hidroksid – kako bi se proizveo glicerol i sol masnih kiselina, takozvani “sapun”. Kalijum hidroksid je neorgansko jedinjenje sa formulom KOH i obično se naziva kaustična potaša. Natrijum hidroksid (NaOH) je još jedna prototipična jaka baza. Kada se koristi natrijum hidroksid, nastaje tvrdi sapun, dok upotreba kalijum hidroksida rezultira mekim sapunom.

Reaktant protiv reagensa

Reaktant je tvar koja se troši ili troši u kemijskoj reakciji. U poređenju sa reagensom, reaktant je potreban u većim količinama. Reagens je tvar koja se koristi za iniciranje reakcije, za podršku reakciji i koja se troši u reakciji, za razliku od katalizatora koji se ne troše u reakciji.

Saponifikacija – Često Postavljena Pitanja

• Šta je proces saponifikacije? Saponifikacija je hemijski proces u kojem masti ili ulja reagiraju s alkalijom (obično natrijum hidroksidom) kako bi se proizveo sapun i glicerol. Ova reakcija uključuje hidrolizu triglicerida u soli masnih kiselina i glicerol.
• Koja je vrsta reakcije saponifikacija? Saponifikacija je vrsta reakcije hidrolize u kojoj se esterske veze u mastima ili uljima razgrađuju alkalijom.
• Zašto se to zove saponifikacija? Ime je dobio po svom krajnjem proizvodu, sapunu, i njegovoj sposobnosti da stvara sapun hidrolizom esterskih veza u trigliceridima.
• Koja je svrha saponifikacije? Primarna svrha je proizvodnja sapuna, surfaktanta koji se široko koristi za čišćenje i pranje.
• Da li je saponifikacija hidroliza? Da, saponifikacija je specifična vrsta hidrolize koja uključuje razgradnju masti ili ulja pomoću alkalija na glicerol i soli masnih kiselina (sapun).
• Koji je mehanizam saponifikacije? Uključuje nukleofilni napad hidroksidnih jona na karbonil ugljik esterske veze u trigliceridima, što dovodi do stvaranja alkohola (glicerola) i sapuna.
• Zašto je miješanje važno za saponifikaciju? Efikasno miješanje osigurava potpuni kontakt između reaktanata, promovišući potpuniju i ujednačeniju reakciju, ključnu za postizanje optimalnih prinosa. Hielscher ultrazvučni mikseri mogu poboljšati ovaj proces kroz intenzivnu kavitaciju i smične sile.
• Šta je primjer saponifikacije? Miješanje natrijevog hidroksida s kokosovim uljem u prisutnosti Hielscher ultrazvučnog reaktora za proizvodnju sapuna i glicerola predstavlja primjer saponifikacije.
• Koji je glavni proizvod saponifikacije? Glavni proizvodi su sapun (natrijeve ili kalijeve soli masnih kiselina) i glicerol.
• Zašto je važna vrijednost saponifikacije? Vrijednost saponifikacije pokazuje količinu lužine potrebne za saponificiranje određene količine masti ili ulja, pomažući u određivanju molekularne težine masnih kiselina koje sadrži.
• Da li je saponifikacija reverzibilna? U tipičnim uslovima, saponifikacija nije reverzibilna zbog stabilne prirode formiranog sapuna.
• Šta je suprotno od saponifikacije? Esterifikacija, gdje voda i alkoholi reagiraju s karboksilnim kiselinama dajući estre i vodu, je obrnut proces.
• Da li saponifikacija zahtijeva toplinu? Iako nije potrebna, toplina može ubrzati proces saponifikacije povećanjem molekularnog kretanja i brzine reakcije.
• Da li je saponifikacija egzotermna ili endotermna? Saponifikacija je egzotermna reakcija koja oslobađa toplinu dok se odvija.
• Da li je saponifikacija bazična ili kisela? To je osnovna reakcija, jer uključuje djelovanje baze (alkalije) na ester (mast/ulje).
• Kako zaustaviti saponifikaciju? Dodavanje kiseline za neutralizaciju lužine zaustavlja reakciju, efektivno zaustavljajući proces saponifikacije.
• Šta se dešava nakon saponifikacije? Nakon potpune reakcije, mješavina se obično sastoji od sapuna i glicerola, koji se mogu prečistiti ili dalje obraditi ovisno o namjeni.
• Da li je saponifikacija prirodna? Da, prirodna saponifikacija se može dogoditi kada mast dođe u kontakt sa zemnoalkalnim metalima u određenim geološkim okruženjima ili kada su stari narodi miješali životinjske masti s pepelom u tradicionalnim metodama pravljenja sapuna.
• Zašto se maslinovo ulje koristi u saponifikaciji? Maslinovo ulje je omiljeno u saponifikaciji zbog bogatog sadržaja oleinske kiseline, koja daje blagi, hidratantni sapun s dobrim svojstvima čišćenja i stabilnom pjenom.
• Kako mast pretvoriti u sapun? Masti se pretvaraju u sapun saponifikacijom zagrijavanjem sa jakim alkalnim rastvorom, obično natrijum hidroksidom, koji razlaže masnoću u soli masnih kiselina (sapun) i glicerol.
• Koje ulje ima visoku vrijednost saponifikacije? Kokosovo ulje ima visoku vrijednost saponifikacije, što ukazuje na veći udio manjih molekula masnih kiselina, što ga čini vrlo reaktivnim s alkalijama za proizvodnju sapuna.
• Šta se dešava sa uljima tokom saponifikacije? Tokom saponifikacije, ulja se hidroliziraju od strane alkalija u glicerol i soli masnih kiselina, pri čemu potonje formiraju sapun.
• Koja je najbolja mast za sapun? Loj (goveđa mast) i kokosovo ulje smatraju se jednim od najboljih masti za pravljenje sapuna zbog svojih svojstava pjene i stvrdnjavanja u finalnom proizvodu sapuna.
• Kako saponificirati ulja bez lužine? Saponifična ulja bez lužine nisu moguća za tradicionalno pravljenje sapuna; međutim, sredstva za čišćenje nalik sapunu mogu se napraviti korištenjem surfaktanata i emulgatora umjesto saponifikacije na bazi lužine.