Zmýdelnění – výroba mýdla pomocí ultrazvuku

Zmýdelnění je chemický proces výroby mýdla. Jde o reakci, při níž surovina v podobě tuků nebo olejů (triglyceridů) reaguje s alkalickým reaktantem za vzniku mýdla. Ultrazvuková sonikace zlepšuje katalýzu fázového přenosu, což vede ke zvýšení rychlosti reakce a k úplnější konverzi, a zabraňuje nadměrnému použití zásaditých činidel, jako je hydroxid draselný (KOH) nebo hydroxid sodný (NaOH). Ultrazvukem iniciovanou alkalickou hydrolýzu lze snadno zavést do komerční výroby mýdla. Ultrazvukové reaktory pro zmýdelnění dosahují vyšší produkce za kratší dobu bez použití jakéhokoli katalyzátoru nebo se sníženým množstvím použitého katalyzátoru.

Zmýdelnění podporované ultrazvukem

Případové studie ultrazvukového zmýdelnění

Různé výzkumné studie ukázaly, že sonikace podporuje zmýdelnění triglyceridů na mýdlo. Ultrazvukové zmýdelnění urychluje a zvyšuje konverzi a zároveň šetří katalyzátor nebo umožňuje jeho použití zcela vynechat. Díky tomu je ultrazvukové zmýdelnění vysoce účinnou výrobní metodou.

Ultrazvuková iniciace alkalické hydrolýzy triglyceridů (zmýdelnění) bez fázového katalyzátoru

Mercantili et al. (2013) zkoumali účinky ultrazvukové sonikace na alkalickou hydrolýzu triglyceridů, známou jako zmýdelnění. K iniciaci alkalické hydrolýzy slunečnicového oleje použili sonikaci. Jako alkalická báze byl použit hydroxid draselný (KOH). Bylo prokázáno, že ultrazvuk je účinným zdrojem energie pro iniciaci a průběh reakce, že vysokého výtěžku reakce lze dosáhnout za pouhých 15 min celkového působení výkonu při práci za okolní teploty a že během reakce nevznikají žádné detekovatelné vedlejší produkty. Srovnání ultrazvukové lázně a ultrazvukového sonikátoru sondového typu ukazuje, že ultrazvuková sonda je lepší technikou. Studie dokazuje, že ultrazvukové zmýdelnění vede k dobré konverzi bez nutnosti nadbytku alkálie nebo katalýzy fázového přenosu.

Alkalická hydrolýza triacylglycerolu

Ultrazvukem podporovaná reakce fázového přenosu pro zmýdelnění

Bhatkhande et al. (1998) ukázali, že rostlinné oleje, jako je sójový olej, lze pomocí sonikace účinně zmýdelnit vodným KOH a různými PTC za pokojové teploty. Rozsah zmýdelnění byl zkoumán s použitím čísla zmýdelnění jako reference. Za použití sonikace a míchání byla provedena optimalizace různých parametrů, jako je doba, výběr katalyzátorů fázového přenosu, množství použitého katalyzátoru, množství KOH a množství vody. Za účelem studia účinku ultrazvuku bylo zmýdelnění provedeno také při 35ºC za různých podmínek, konkrétně při míchání, sonikaci, míchání a sonikaci a při zahřívání na 100ºC. Bylo zjištěno, že heterogenní zmýdelnění různých rostlinných olejů ve fázi kapalina-kapalina pomocí vodného KOH/CTAB bylo při 35ºC za sonikace a míchání výrazně urychleno.

Vysoce výkonné sonikátory

Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro laboratoře, pilotní provoz a průmyslovou výrobu. Robustní a spolehlivé sonikátory se používají pro různé sonochemické reakce, jako je zmýdelnění. Sonikátory Hielscher sondového typu lze používat v dávkovém i průtokovém (inline) režimu. Všechny důležité procesní parametry – amplitudu, tlak, teplotu – lze přesně řídit, což zajišťuje reprodukovatelné výsledky.
Digitální řízení automaticky zaznamenává procesní parametry a ukládá je na integrovanou SD kartu. Přednastavení a vzdálené ovládání přes prohlížeč činí proces sonikace velmi jednoduchým a uživatelsky přívětivým.
U mnoha sonochemických reakcí je nutné udržovat určitou teplotu, proto je regulace teploty důležitá. Digitální sonikátory Hielscher jsou vybaveny termočlánkem a regulací teploty. Průtokové cely s temperačním pláštěm umožňují odvod tepla.
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje nepřetržitý provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultrasound assisted PTC catalyzed saponification of vegetable oils using aqueous alkali. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultrasonic Initiation of the Alkaline Hydrolysis of Triglycerides (Saponification) Without Phase Catalysis. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

Fakta, která stojí za to znát

Sonochemie

Výkonový ultrazvuk se používá v chemických procesech, jako je syntéza a katalýza (nazývané také sonosyntéza, resp. sonokatalýza), za účelem iniciace a intenzifikace reakce. Různé aplikace ultrazvukového ozařování v organické syntéze byly do hloubky prozkoumány a vyvinuty pro průmyslovou výrobu. Sonochemické úpravy mohou zvýšit rychlost reakce, výtěžek a selektivitu požadovaných produktů za výrazně mírnějších podmínek. Díky tomu je ultrazvukové ošetření účinnou a ekologickou technikou zpracování. Katalýza fázového přenosu (PTC) podporovaná ultrazvukem je prokazatelně drasticky účinnější a efektivnější metodou pro organické reakce ve srovnání se stejnou reakcí za podmínek bez ultrazvuku. Například Cannizarrova reakce katalyzovaná katalýzou fázového přenosu podporovanou ultrazvukem je výrazně urychlena, což vede k rychlé konverzi. Dalším významným příkladem je transesterifikace triglyceridů (tj. rostlinných olejů, živočišných tuků) a methanolu za přítomnosti KOH jako katalyzátoru a výkonového ultrazvuku. Ultrazvuková transesterifikace poskytuje vysoce kvalitní bionaftu vyrobenou rychlou konverzí ve velmi účinném a ekonomickém procesu.

Ultrazvuková extrakce je založena na akustické kavitaci a jejích hydrodynamických smykových silách

Zmýdelnění

Zmýdelnění popisuje chemickou reakci, při níž vzniká mýdlo. V procesu zmýdelnění se rostlinné oleje nebo živočišné tuky přeměňují na soli mastných kyselin – „mýdlo“ – a glycerol, což je alkohol. Reakce vyžaduje roztok alkalické báze (např. NaOH nebo KOH) ve vodě a také teplo k iniciaci reakce.
Reakční kroky zmýdelnění jsou následující:

1. Nukleofilní atak esterů mastných kyselin hydroxidem
2. Odstranění odstupující skupiny
3. Deprotonace

Reakce zmýdelnění se komerčně využívá k výrobě mýdel a maziv.
Zatímco tvrdé mýdlo z hydroxidu sodného a měkké mýdlo z hydroxidu draselného se používají k běžnému čištění, existují také speciální mýdla vyráběná s použitím jiných hydroxidů kovů. Například lithná a vápenatá mýdla se používají jako plastická maziva. Existují také „komplexní mýdla“ sestávající ze směsi kovových mýdel.

Hydrolýza

Hydrolýza zahrnuje reakci organické látky s vodou za vzniku dvou nebo více nových látek a obvykle znamená štěpení chemických vazeb adicí vody. Estery lze reakcí s vodou a bází štěpit zpět na karboxylovou kyselinu a alkohol. Mýdlo se vyrábí hydrolýzou esterů tuku nebo oleje.

Alkalická báze

Pro zmýdelnění olejů a tuků jsou nutné alkalické zásadité reaktanty (louhy). Triglyceridy reagují s bází – hydroxidem sodným nebo draselným – za vzniku glycerolu a soli mastné kyseliny, tzv. „mýdla“. Hydroxid draselný je anorganická sloučenina se vzorcem KOH a běžně se nazývá draselný louh. Hydroxid sodný (NaOH) je další prototypickou silnou bází. Při použití hydroxidu sodného vzniká tvrdé mýdlo, zatímco použití hydroxidu draselného vede k měkkému mýdlu.

Reaktant vs. činidlo

Reaktant je látka, která se v chemické reakci spotřebuje neboli zreaguje. Ve srovnání s činidlem je reaktant zapotřebí ve větším množství. Činidlo je látka, která se používá k iniciaci reakce, k podpoře reakce a v reakci se spotřebovává, na rozdíl od katalyzátorů, které se v reakci nespotřebovávají.

Zmýdelnění – často kladené otázky

• Co je proces zmýdelnění? Zmýdelnění je chemický proces, při kterém tuky nebo oleje reagují s alkálií (obvykle hydroxidem sodným) za vzniku mýdla a glycerolu. Tato reakce zahrnuje hydrolýzu triglyceridů na soli mastných kyselin a glycerol.
• O jaký typ reakce se při zmýdelnění jedná? Zmýdelnění je typ hydrolytické reakce, při níž jsou esterové vazby v tucích nebo olejích štěpeny alkálií.
• Proč se nazývá zmýdelnění? Je pojmenováno podle svého konečného produktu, mýdla, a podle své schopnosti vytvářet mýdlo hydrolýzou esterových vazeb v triglyceridech.
• Jaký je účel zmýdelnění? Hlavním účelem je výroba mýdla, povrchově aktivní látky široce používané k čištění a mytí.
• Je zmýdelnění hydrolýza? Ano, zmýdelnění je specifický typ hydrolýzy zahrnující rozklad tuků nebo olejů alkálií na glycerol a soli mastných kyselin (mýdlo).
• Jaký je mechanismus zmýdelnění? Zahrnuje nukleofilní atak hydroxidových iontů na karbonylový uhlík esterové vazby v triglyceridech, což vede ke vzniku alkoholu (glycerolu) a mýdla.
• Proč je pro zmýdelnění důležité míchání? Účinné míchání zajišťuje důkladný kontakt mezi reaktanty a podporuje úplnější a rovnoměrnější reakci, což je zásadní pro dosažení optimálních výtěžků. Ultrazvukové mixéry Hielscher mohou tento proces zlepšit díky intenzivní kavitaci a smykovým silám.
• Jaký je příklad zmýdelnění? Příkladem zmýdelnění je míchání hydroxidu sodného s kokosovým olejem za použití ultrazvukového reaktoru Hielscher za vzniku mýdla a glycerolu.
• Co je hlavním produktem zmýdelnění? Hlavními produkty jsou mýdlo (sodné nebo draselné soli mastných kyselin) a glycerol.
• Proč je číslo zmýdelnění důležité? Číslo zmýdelnění udává množství alkálie potřebné ke zmýdelnění daného množství tuku nebo oleje a pomáhá určit molekulovou hmotnost mastných kyselin, které obsahuje.
• Je zmýdelnění vratné? Za běžných podmínek není zmýdelnění vratné vzhledem ke stabilní povaze vzniklého mýdla.
• Co je opakem zmýdelnění? Opačným procesem je esterifikace, při níž voda a alkoholy reagují s karboxylovými kyselinami za vzniku esterů a vody.
• Vyžaduje zmýdelnění teplo? Ačkoli to není nutné, teplo může proces zmýdelnění urychlit zvýšením pohybu molekul a rychlosti reakce.
• Je zmýdelnění exotermní, nebo endotermní? Zmýdelnění je exotermní reakce, při jejímž průběhu se uvolňuje teplo.
• Je zmýdelnění zásadité, nebo kyselé? Jde o zásaditou reakci, protože zahrnuje působení báze (alkálie) na ester (tuk/olej).
• Jak zmýdelnění zastavit? Přidáním kyseliny k neutralizaci alkálie se reakce zastaví, čímž se proces zmýdelnění účinně ukončí.
• Co se děje po zmýdelnění? Po úplném proběhnutí reakce se směs obvykle skládá z mýdla a glycerolu, které mohou být v závislosti na zamýšleném použití dále čištěny nebo zpracovány.
• Je zmýdelnění přirozené? Ano, k přirozenému zmýdelnění může docházet, když se tuk dostane do kontaktu s kovy alkalických zemin v určitých geologických prostředích, nebo když dávné národy při tradičních metodách výroby mýdla míchaly živočišné tuky s popelem.
• Proč se při zmýdelnění používá olivový olej? Olivový olej je při zmýdelnění oblíbený díky vysokému obsahu kyseliny olejové, z níž vzniká jemné, hydratační mýdlo s dobrými čisticími vlastnostmi a stabilní pěnou.
• Jak přeměnit tuk na mýdlo? Tuky se přeměňují na mýdlo zmýdelněním, a to zahříváním se silným alkalickým roztokem, obvykle hydroxidem sodným, který rozkládá tuk na soli mastných kyselin (mýdlo) a glycerol.
• Který olej má vysoké číslo zmýdelnění? Kokosový olej má vysoké číslo zmýdelnění, což ukazuje na vyšší podíl menších molekul mastných kyselin, díky čemuž je velmi reaktivní s alkálií za vzniku mýdla.
• Co se děje s oleji během zmýdelnění? Během zmýdelnění jsou oleje alkálií hydrolyzovány na glycerol a soli mastných kyselin, přičemž posledně jmenované tvoří mýdlo.
• Jaký tuk je pro mýdlo nejlepší? Lůj (hovězí tuk) a kokosový olej jsou považovány za jedny z nejlepších tuků pro výrobu mýdla díky svým pěnotvorným a zpevňujícím vlastnostem ve výsledném mýdle.
• Jak zmýdelnit oleje bez louhu? Zmýdelnění olejů bez louhu není při tradiční výrobě mýdla možné; čisticí prostředky podobné mýdlu však lze vyrobit pomocí povrchově aktivních látek a emulgátorů namísto zmýdelnění na bázi louhu.