Forsæbning – sæbefremstilling med ultralyd

Forsæbning er den kemiske proces ved sæbefremstilling. Det er den reaktion, hvor råmaterialet af fedtstoffer eller olier (triglycerider) reagerer med en alkalisk reaktant for at danne sæbe. Ultralydsbehandling forbedrer faseoverførselskatalysen, hvilket øger reaktionshastigheden, giver en mere fuldstændig omdannelse og undgår overdreven brug af basiske reagenser såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NaOH). Den ultralydsinitierede alkaliske hydrolyse kan nemt implementeres i kommerciel sæbefremstilling. Ultralydsreaktorer til forsæbning giver en større produktion på kortere tid enten helt uden katalysator eller med reducerede mængder katalysator.

Forsæbning fremmet af ultralyd

Casestudier af forsæbning med ultralyd

Forskellige forskningsstudier har vist, at sonikering fremmer forsæbningen af triglycerider til sæbe. Forsæbning med ultralyd fremskynder omdannelsen og øger omdannelsesgraden, samtidig med at brugen af katalysator reduceres eller undgås. Dette gør forsæbning med ultralyd til en yderst effektiv produktionsmetode.

Ultralydsinitiering af alkalisk hydrolyse af triglycerider (forsæbning) uden fasekatalysator

Mercantili et al. (2013) undersøgte virkningerne af ultralydsbehandling på alkalisk hydrolyse af triglycerider, kendt som forsæbning. De anvendte sonikering til at initiere den alkaliske hydrolyse af solsikkeolie. Kaliumhydroxid (KOH) blev anvendt som alkalisk base. Det blev vist, at ultralyd er effektiv som energikilde til at initiere og drive reaktionen, at et højt reaktionsudbytte kan opnås med kun 15 min samlet energitilførsel ved omgivelsestemperatur, og at der ikke dannes påviselige biprodukter under reaktionen. Sammenligningen af et ultralydsbad og et ultralydsapparat med sonde viser, at ultralydssonden er den overlegne teknik. Studiet viser, at forsæbning med ultralyd giver en god omdannelsesgrad uden behov for overskydende alkali eller faseoverførselskatalyse.

Alkalisk hydrolyse af triacylglycerol

Faseoverførselsreaktion til forsæbning fremmet af ultralyd

Bhatkhande et al. (1998) viste, at vegetabilske olier såsom sojaolie effektivt kunne forsæbes ved sonikering med vandig KOH og forskellige faseoverførselskatalysatorer (PTC’er) ved stuetemperatur. Forsæbningsgraden blev undersøgt med forsæbningstallet som reference. Forskellige parametre såsom tid, valg af faseoverførselskatalysatorer, anvendt katalysatormængde, KOH-mængde og vandmængde blev optimeret ved hjælp af sonikering og omrøring. For at undersøge virkningen af ultralyd blev forsæbningen også udført ved 35ºC under forskellige betingelser, nemlig omrøring, sonikering, omrøring og sonikering samt opvarmning ved 100ºC. Det blev konstateret, at den heterogene forsæbning af forskellige vegetabilske olier i væske-væske-faser med vandig KOH/CTAB blev fremskyndet betydeligt ved 35ºC under sonikering og omrøring.

Højtydende ultralydsapparater

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsudstyr til laboratorier, pilotproduktion og industriel produktion. De robuste og pålidelige ultralydsapparater anvendes til forskellige sonokemiske reaktioner såsom forsæbning. Hielschers ultralydsapparater med sonde kan anvendes til batch- og inlinebehandling. Alle vigtige procesparametre – amplitude, tryk, temperatur – kan styres præcist og sikrer reproducerbare resultater.
Den digitale styring registrerer automatisk procesparametrene og gemmer dem på det integrerede SD-kort. Forudindstillinger og fjernstyring via browser gør sonikeringsprocessen meget enkel og brugervenlig.
Ved mange sonokemiske reaktioner skal en bestemt temperatur opretholdes, så temperaturstyring er vigtig. Hielschers digitale ultralydsapparater leveres med et termoelement og temperaturstyring. Flowceller med kappe muliggør varmeafledning.
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift under høj belastning og i krævende miljøer.
Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

• 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.

Værd at vide

Sonokemi

Ultralyd med høj effekt anvendes til kemiske processer såsom syntese og katalyse (også kaldet henholdsvis sonosyntese og sonokatalyse) for at initiere og intensivere reaktionen. Forskellige anvendelser af ultralydsbestråling i organisk syntese er blevet grundigt undersøgt og udviklet til industriel produktion. Sonokemiske behandlinger kan øge reaktionshastigheden, udbyttet og selektiviteten for de ønskede produkter under betydeligt mildere betingelser. Dette gør ultralydsbehandling til en effektiv og miljøvenlig behandlingsteknik. Ultralydsassisteret faseoverførselskatalyse (PTC) har vist sig at være en drastisk mere effektiv og virkningsfuld metode til organiske reaktioner sammenlignet med den samme reaktion under betingelser uden ultralyd. For eksempel fremskyndes Cannizarro-reaktionen, katalyseret ved ultralydsassisteret faseoverførselskatalyse, betydeligt, hvilket resulterer i en hurtig omdannelse. Et andet fremtrædende eksempel er transesterificering af triglycerider (dvs. vegetabilske olier og animalske fedtstoffer) og methanol i nærvær af KOH som katalysator og ultralyd med høj effekt. Transesterificering med ultralyd giver biodiesel af høj kvalitet, fremstillet ved en hurtig omdannelse og en meget effektiv, økonomisk proces.

Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter

Forsæbning

Forsæbning beskriver den kemiske reaktion, der danner sæbe. I forsæbningsprocessen omdannes vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer til fedtsyresalte – ”sæben” – og glycerol, som er en alkohol. Reaktionen kræver en opløsning af en alkalisk base (f.eks. NaOH eller KOH) i vand samt varme for at initiere reaktionen.
Reaktionstrinnene i forsæbning er følgende:

1. Nukleofilt angreb på fedtsyreesterne fra hydroxid
2. Fraspaltning af den udtrædende gruppe
3. Deprotonering

Forsæbningsreaktionen anvendes kommercielt til fremstilling af sæber og smøremidler.
Mens hård sæbe fremstillet med natriumhydroxid og blød sæbe fremstillet med kaliumhydroxid anvendes til daglig rengøring, fremstilles der også særlige sæber med andre metalhydroxider. For eksempel anvendes lithiumsæber og calciumsæber som smørefedt. Der findes også ”komplekse sæber”, som består af en blanding af metalsæber.

Hydrolyse

Hydrolyse indebærer, at et organisk kemisk stof reagerer med vand og danner 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 esterne i fedt eller olie.

Alkalisk base

Alkaliske basereaktanter (lud) er nødvendige til forsæbning af olier og fedtstoffer. Triglyceriderne bringes til at reagere med en base – natriumhydroxid eller kaliumhydroxid – for at danne glycerol og et fedtsyresalt, den såkaldte ”sæbe”. Kaliumhydroxid er en uorganisk forbindelse med formlen KOH og kaldes almindeligvis kaustisk kali. Natriumhydroxid (NaOH) er en anden typisk stærk base. Når natriumhydroxid anvendes, dannes en hård sæbe, mens brugen af kaliumhydroxid giver en blød sæbe.

Reaktant kontra reagens

En reaktant er et stof, der opbruges eller forbruges i en kemisk reaktion. Sammenlignet med et reagens kræves en reaktant i større mængder. Et reagens er et stof, der anvendes til at initiere en reaktion og understøtte reaktionen, og som 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 et alkali (normalt natriumhydroxid) og danner sæbe og glycerol. Denne reaktion indebærer hydrolyse af triglycerider til fedtsyresalte og glycerol.
• Hvilken type reaktion er forsæbning? Forsæbning er en type hydrolysereaktion, hvor esterbindinger i fedtstoffer eller olier spaltes af et alkali.
• Hvorfor kaldes det forsæbning? Det er opkaldt efter sit slutprodukt, sæbe, og sin evne til at danne sæbe gennem hydrolyse af esterbindinger i triglycerider.
• Hvad er formålet med forsæbning? Det primære formål er at fremstille sæbe, et overfladeaktivt stof, der anvendes bredt til rengøring og vask.
• Er forsæbning hydrolyse? Ja, forsæbning er en specifik type hydrolyse, der indebærer nedbrydning af fedtstoffer eller olier med et alkali til glycerol og fedtsyresalte (sæbe).
• Hvad er mekanismen bag forsæbning? Den indebærer hydroxidioners nukleofile angreb på carbonylcarbonatomet i esterbindingen i triglycerider, hvilket fører til dannelse af alkohol (glycerol) og sæbe.
• Hvorfor er blanding vigtig ved forsæbning? Effektiv blanding sikrer grundig kontakt mellem reaktanterne og fremmer en mere fuldstændig og ensartet reaktion, hvilket er afgørende for at opnå optimale udbytter. Hielschers ultralydsblandere kan forbedre denne proces gennem intens kavitation og forskydningskræfter.
• Hvad er et eksempel på forsæbning? Blanding af natriumhydroxid med kokosolie i nærvær af en ultralydsreaktor fra Hielscher for at danne sæbe og glycerol er et eksempel på forsæbning.
• Hvad er hovedproduktet ved forsæbning? Hovedprodukterne er sæbe (natrium- eller kaliumsalte af fedtsyrer) og glycerol.
• Hvorfor er forsæbningstallet vigtigt? Forsæbningstallet angiver den mængde alkali, der er nødvendig for at forsæbe en given mængde fedt eller olie, og hjælper med at bestemme molekylvægten af de fedtsyrer, som fedtet eller olien indeholder.
• Er forsæbning reversibel? Under typiske betingelser er forsæbning ikke reversibel på grund af den dannede sæbes stabilitet.
• Hvad er det modsatte af forsæbning? Esterificering, hvor vand og alkoholer reagerer med carboxylsyrer og danner estere og vand, er den omvendte proces.
• Kræver forsæbning varme? Selvom varme ikke er nødvendig, kan den fremskynde forsæbningsprocessen ved at øge molekylernes bevægelse og reaktionshastigheden.
• Er forsæbning eksoterm eller endoterm? Forsæbning er en eksoterm reaktion, som frigiver varme, mens den forløber.
• Er forsæbning basisk eller sur? Det er en basisk reaktion, da den indebærer, at en base (alkali) virker på en ester (fedt/olie).
• Hvordan stopper man forsæbning? Tilsætning af en syre for at neutralisere alkaliet stopper reaktionen og bringer dermed effektivt forsæbningsprocessen til ophør.
• 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 miljøer, eller når folk i oldtiden blandede animalske fedtstoffer med aske ved traditionelle metoder til sæbefremstilling.
• Hvorfor anvendes olivenolie til forsæbning? Olivenolie foretrækkes til forsæbning på grund af sit høje indhold af oliesyre, som giver en mild, fugtgivende sæbe med gode rensende egenskaber og et stabilt skum.
• Hvordan omdanner man fedt til sæbe? Fedtstoffer omdannes til sæbe gennem forsæbning ved at opvarme dem med en stærk alkalisk opløsning, typisk natriumhydroxid, som nedbryder fedtet til fedtsyresalte (sæbe) og glycerol.
• Hvilken olie har et højt forsæbningstal? Kokosolie har et højt forsæbningstal, hvilket angiver en højere andel af mindre fedtsyremolekyler og gør den meget reaktiv over for alkali til dannelse af sæbe.
• Hvad sker der med olier under forsæbning? Under forsæbning hydrolyseres olier af alkaliet til glycerol og fedtsyresalte, hvor sidstnævnte danner sæben.
• Hvad er det bedste fedt til sæbe? Talg (oksefedt) og kokosolie anses for at være blandt de bedste fedtstoffer til sæbefremstilling på grund af deres skumdannende og hærdende egenskaber i det færdige sæbeprodukt.
• Hvordan forsæber man olier uden lud? Forsæbning af olier uden lud er ikke mulig ved traditionel sæbefremstilling; dog kan sæbelignende rensemidler fremstilles med overfladeaktive stoffer og emulgatorer i stedet for ludbaseret forsæbning.