Forsæbning – Sæbefremstillingsproces med ultralyd

Forsæbning er den kemiske proces til sæbefremstilling. Det er den reaktion, hvor råmaterialet af fedtstoffer eller olier (triglycerider) reagerer med en alkalireaktant for at danne sæbe. Ultralydbehandling forbedrer faseoverførselskatalysen, hvilket resulterer i øget reaktionshastighed, mere fuldstændig konvertering og undgår overdreven brug af basereagenser såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NaOH). Den ultralydsinitierede alkaliske hydrolyse kan let implementeres i kommerciel sæbefremstilling. Ultralydsreaktorer til forsæbning producerer højere output på kortere tid uden at bruge nogen katalysator eller reducere mængden af anvendt katalysator.

Ultralydsfremmet forsabning

Casestudier af ultralydsforsæbning

Forskellige forskningsundersøgelser har vist, at sonikering fremmer forsæbning af triglycerider til sæbe. Ultralydsforsæbning fremskynder og øger konverteringen, samtidig med at brugen af katalysator spares eller undgås. Dette gør ultralydsforsæbning til en meget effektiv produktionsmetode.

Ultralydsinitiering af alkalisk hydrolyse af triglycerider (forsæbning) uden fasekatalysator

Mercantili et al. (2013) undersøgte virkningerne af ultralydbehandling på den alkaliske hydrolyse af triglycerider, kendt som forsæbning. De brugte sonikering til at starte den alkaliske hydrolyse af solsikkeolie. Kaliumhydroxid (KOH) blev brugt som alkalibase. Det blev vist, at ultralyd er effektiv som strømkilde til at starte og drive reaktionen, at et højt reaktionsudbytte kan opnås på kun 15 minutter af den samlede effektpåføring under arbejde ved omgivelsestemperatur, og at der ikke genereres påviselige biprodukter under reaktionen. Sammenligningen af et ultralydsbad og en sonde-type ultralydssensor viser, at ultralydssonden er den overlegne teknik. Undersøgelsen viser, at ultralydsforsæbning giver i en god omdannelse uden behov for overskydende alkali eller faseoverførselskatalyse.

Alkalisk hydrolyse af triacylglycerol

Ultralydsfremmet faseoverførselsreaktion til forsæbning

Bhatkhande et al. (1998) viste, at sonikering af vegetabilske olier såsom sojaolie effektivt kunne forsæbes ved hjælp af vandig KOH og forskellige PTC'er ved stuetemperatur. Omfanget af forsæbning blev undersøgt ved hjælp af forsæbningsværdien som reference. Optimeringer af forskellige parametre såsom tid, valg af faseoverførselskatalysatorer, mængde af anvendt katalysator, mængde KOH og mængde vand blev udført ved hjælp af sonikering og omrøring. For at studere effekten af ultralyd blev forsæbningen også udført ved 35 ° C under forskellige forhold, nemlig omrøring, sonikering, omrøring og sonikering og opvarmning ved 100 ° C. Det blev konstateret, at den heterogene væske-væskefaseforsæbning af forskellige vegetabilske olier ved hjælp af vandig KOH / CTAB blev signifikant accelereret ved 35 ° C under sonikering og omrøring.

Højtydende ultralydapparater

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsudstyr til laboratorie-, pilot- og industriel produktion. De robuste og pålidelige ultralydapparater bruges til forskellige sonokemiske reaktioner såsom forsæbning. Hielschers sonde-type ultralydapparater kan bruges i batch- og inline-tilstand. Alle vigtige procesparametre – amplitude, tryk, temperatur – kan styres præcist og sikre reproducerbare resultater.
Den digitale styring registrerer automatisk procesparametrene og gemmer dem på det integrerede SD-kort. Forudindstillinger og fjernstyring af browseren gør sonikeringsprocessen meget enkel og brugervenlig.
For mange sonokemiske reaktioner skal en vis temperatur opretholdes, så temperaturkontrol er vigtig. Hielschers digitale ultralydapparater leveres med et termoelement og temperaturkontrol. Kappet flowcelle giver mulighed for varmeafledning.
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og krævende miljøer.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultralydsassisteret PTC katalyserede forsæbning af vegetabilske olier ved hjælp af vandig alkali. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, udgave 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultralydsinitiering af alkalisk hydrolyse af triglycerider (forsæbning) uden fasekatalyse. Tidsskrift for overfladeaktivt middel og rengøringsmidler Vol. 17, udgave 1, januar 2014. 133-141.

Fakta, der er værd at vide

Sonokemi

Power ultralyd anvendes til kemiske processer såsom syntese og katalyse (også kaldet henholdsvis sono-syntese og sono-katalyse) for at initiere og intensivere reaktionen. Forskellige anvendelser af ultralydbestråling i organisk syntese er blevet grundigt undersøgt og udviklet til industriel produktion. Sonokemiske behandlinger kan øge reaktionshastigheden, udbyttet og selektiviteten af ønskede produkter under betydeligt mildere forhold. Dette gør ultralydsbehandlingen til en effektiv og miljøvenlig behandlingsteknik. Ultralydassisteret faseoverførselskatalyse (PTC) har vist sig at være en drastisk mere effektiv metode til organiske reaktioner sammenlignet med den samme reaktion ved stilhed. For eksempel fremskyndes Cannizarro-reaktionen katalyseret af en ultralydassisteret faseoverførselskatalyse betydeligt, hvilket resulterer i en hurtig konvertering. Et andet fremtrædende eksempel er transesterificering af triglycerider (dvs. vegetabilske olier, animalsk fedt) og methanol i nærvær af KOH som katalysator og effekt ultralyd. Ultralydstransesterificeringen giver i biodiesel af høj kvalitet produceret i en hurtig konvertering og en meget effektiv, økonomisk proces.

Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter

Forsæbning

Forbåbning beskriver den kemiske reaktion, der producerer sæbe. I forsæbningsprocessen omdannes vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer til fedtsyresalte – "sæben" – og glycerol, som er en alkohol. Reaktionen kræver en opløsning af en alkalibase (f.eks. NaOH eller KOH) i vand og også varme for at starte reaktionen.
Reaktionstrinene for forsæbning er følgende:

1. Nukleofilt angreb af fedtsyreesterne af hydroxidet
2. Fjernelse af forlader gruppe
3. Deprotonation

Forsæbningsreaktionen bruges kommercielt til fremstilling af sæber og smøremidler.
Mens natriumhydroxid hård sæbe og kaliumhydroxid blød sæbe bruges til daglig rengøring, er der også specielle sæber produceret ved hjælp af andre metalhydroxider. For eksempel bruges lithiumsæber og calciumsæber som smørefedt. Der er også “komplekse sæber” bestående af en blanding af metalliske sæber.

hydrolyse

Hydrolyse involverer reaktionen af et organisk kemikalie med vand for at danne to eller flere nye stoffer og betyder normalt spaltning af kemiske bindinger ved tilsætning af vand. Estere kan spaltes tilbage til en carboxylsyre og en alkohol ved reaktion med vand og en base. Sæbe fremstilles ved hydrolyse af estere af fedt eller olie.

Alkalisk base

Alkaliske basereaktanter (lud) er nødvendige til forsæbning af olier og fedtstoffer. Triglyceriderne reageres med en base – natrium- eller kaliumhydroxid – for at producere glycerol og et fedtsyresalt, den såkaldte "sæbe". Kaliumhydroxid er en uorganisk forbindelse med formlen KOH, og kaldes almindeligvis kaustisk kaliumchlorid. Natriumhydroxid (NaOH) er en anden prototypisk stærk base. Når der anvendes natriumhydroxid, produceres en hård sæbe, mens brugen af kaliumhydroxid resulterer i en blød sæbe.

Reaktant vs reagens

En reaktant er et stof, der bruges op eller forbruges i en kemisk reaktion. I sammenligning med et reagens kræves en reaktant i større mængder. Et reagens er et stof, der bruges til at starte en reaktion, til at understøtte reaktionen og forbruges i en reaktion, i modsætning til katalysatorer, der ikke forbruges i en reaktion.

Forsæbning – Ofte stillede spørgsmål

• Hvad er forsæbningsprocessen? Forsæbning er den kemiske proces, hvor fedtstoffer eller olier reagerer med en alkali (normalt natriumhydroxid) for at producere sæbe og glycerol. Denne reaktion involverer hydrolyse af triglycerider til fedtsyresalte og glycerol.
• Hvilken type reaktion er forsæbning? Forsæbning er en type hydrolysereaktion, hvor esterbindinger i fedtstoffer eller olier nedbrydes af en alkali.
• Hvorfor kaldes det forsæbning? Det er opkaldt efter dets slutprodukt, sæbe, og dets evne til at skabe sæbe gennem hydrolyse af esterbindinger i triglycerider.
• Hvad er formålet med forsæbning? Det primære formål er at producere sæbe, et overfladeaktivt stof, der bruges i vid udstrækning til rengøring og vask.
• Er forsæbning hydrolyse? Ja, forsæbning er en specifik type hydrolyse, der involverer nedbrydning af fedtstoffer eller olier med en alkali til glycerol og fedtsyresalte (sæbe).
• Hvad er forsæbningsmekanismen? Det involverer det nukleofile angreb af hydroxiditioner på carbonylcarbonet i esterbindingen i triglycerider, hvilket fører til dannelse af alkohol (glycerol) og sæbe.
• Hvorfor er blanding vigtig for forsæbning? Effektiv blanding sikrer grundig kontakt mellem reaktanterne, hvilket fremmer en mere komplet og ensartet reaktion, hvilket er afgørende for at opnå optimale udbytter. Hielscher ultralydsblandere kan forbedre denne proces gennem intens kavitation og forskydningskræfter.
• Hvad er et forsæbningseksempel? Blanding af natriumhydroxid med kokosolie i nærvær af en Hielscher ultralydsreaktor til fremstilling af sæbe og glycerol eksemplificerer forsæbning.
• Hvad er hovedproduktet af forsæbning? De vigtigste produkter er sæbe (natrium- eller kaliumsalte af fedtsyrer) og glycerol.
• Hvorfor er forsæbningsværdi vigtig? Forsæbningsværdien angiver den mængde alkali, der er nødvendig for at forsæbe en given mængde fedt eller olie, hvilket hjælper med at bestemme molekylvægten af de fedtsyrer, den indeholder.
• Er forsæbning reversibel? Under typiske forhold er forsæbning ikke reversibel på grund af den dannede sæbes stabile karakter.
• Hvad er det modsatte af forsæbning? Esterificering, hvor vand og alkoholer reagerer med carboxylsyrer for at danne estere og vand, er den omvendte proces.
• Kræver forsæbning varme? Selvom det ikke er nødvendigt, kan varme fremskynde forsæbningsprocessen ved at øge molekylær bevægelse og reaktionshastighed.
• Er forsæbning eksoterm eller endoterm? Forsæbning er en eksoterm reaktion, der frigiver varme, når den skrider frem.
• Er forsæbning basisk eller sur? Det er en grundlæggende reaktion, da den involverer virkningen af en base (alkali) på en ester (fedt/olie).
• Hvordan stopper du forsæbning? Tilsætning af en syre for at neutralisere alkalien stopper reaktionen og stopper effektivt forsæbningsprocessen.
• Hvad sker der efter forsæbning? Efter fuldstændig reaktion består blandingen normalt af sæbe og glycerol, som kan renses eller behandles yderligere afhængigt af den tilsigtede anvendelse.
• Er forsæbning naturlig? Ja, naturlig forsæbning kan forekomme, når fedt kommer i kontakt med jordalkalimetaller i visse geologiske omgivelser, eller når oldtidens folk blandede animalsk fedt med aske i traditionelle sæbefremstillingsmetoder.
• Hvorfor bruges olivenolie til forsæbning? Olivenolie foretrækkes i forsæbning på grund af dets rige indhold af oliesyre, som giver en mild, fugtgivende sæbe med gode rensende egenskaber og et stabilt skum.
• Hvordan omdannes fedt til sæbe? Fedtstoffer omdannes til sæbe gennem forsæbning ved at opvarme dem med en stærk alkaliopløsning, typisk natriumhydroxid, som nedbryder fedtsyren til fedtsyresalte (sæbe) og glycerol.
• Hvilken olie har høj forsæbningsværdi? Kokosolie har en høj forsæbningsværdi, hvilket indikerer en højere andel af mindre fedtsyremolekyler, hvilket gør den meget reaktiv med alkali til at producere sæbe.
• Hvad sker der med olier under forsæbning? Under forsæbning hydrolyseres olier af alkalien til glycerol- og fedtsyresalte, sidstnævnte danner sæben.
• Hvad er det bedste fedt til sæbe? Talg (oksekødsfedt) og kokosolie betragtes som nogle af de bedste fedtstoffer til sæbefremstilling på grund af deres skummende og hærdende egenskaber i det endelige sæbeprodukt.
• Hvordan forsæber man olier uden lud? Forblødning af olier uden lud er ikke mulig til traditionel sæbefremstilling; sæbelignende rensemidler kan dog fremstilles ved hjælp af overfladeaktive stoffer og emulgatorer i stedet for ludbaseret forsæbning.