Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallverseifung

  • Die Verseifung ist eine weit verbreitete chemische Reaktion zur Herstellung von Seife aus Ölen oder Fetten und einer Basis.
  • Die Ultraschallbildung intensiviert die Verseifungsreaktion, was zu einer schnelleren Reaktion und einer vollständigeren Umwandlung führt.
  • Durch die Vermeidung des übermäßigen Einsatzes von Katalysatoren und als energieeffizientes Verarbeitungsverfahren ist die Ultraschallbehandlung eine umweltfreundliche Verarbeitungstechnik.

Ultraschallgesteuerte Verseifung

Die Verseifung ist der chemische Prozess der Seifenherstellung. Es ist die Reaktion, bei der der Rohstoff von Fetten oder Ölen (Triglyceride) mit einem alkalischen Reaktionspartner reagiert, um Seife zu bilden. Die Ultraschalltechnik fördert die Phasentransferkatalyse, was zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit und einer vollständigeren Umwandlung führt und den übermäßigen Einsatz von Basisreagenzien wie Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) verhindert. Die ultraschallinitiierte alkalische Hydrolyse kann problemlos in der kommerziellen Seifenherstellung eingesetzt werden, um in kürzerer Zeit eine höhere Leistung zu erzielen, ohne dass ein Katalysator verwendet wird oder die Menge des verwendeten Katalysators reduziert wird.

Die Vorteile der Ultraschallverseifung

  • Schnellere Reaktion
  • Höhere Konversion
  • Keine übermäßige Verwendung von Basisreagenzien
  • Kein übermäßiger Einsatz von Katalysatoren
  • Umfassendere Reaktion
  • Green Process

Fallstudien zur Ultraschallverseifung

Verschiedene Forschungsstudien haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung die Verseifung von Triglyceriden in Seife fördert. Die Ultraschallverseifung beschleunigt und erhöht die Umwandlung und spart oder vermeidet den Einsatz von Katalysatoren. Dies macht die Ultraschallverseifung zu einem hocheffizienten Produktionsverfahren.

UIP2000hdT - 2kW Ultraschallgerät für die Flüssigkeitsverarbeitung.

UIP2000hdT (2kW) zur Verseifung

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Ultraschallauslösung der alkalischen Hydrolyse von Triglyceriden (Verseifung) ohne Phasenkatalysator

UP400St Ultraschallgenerator 400 Watt für die ChargenbeschallungMercantili et al. (2013) untersuchten die Auswirkungen des Ultraschalls auf die alkalische Hydrolyse von Triglyceriden, die so genannte Verseifung. Mit Hilfe der Ultraschallbehandlung wurde die alkalische Hydrolyse von Sonnenblumenöl eingeleitet. Als Alkalibase wurde Kaliumhydroxid (KOH) verwendet. Es wurde gezeigt, dass Ultraschall als Energiequelle zur Initiierung und Steuerung der Reaktion wirksam ist, dass eine hohe Reaktionsausbeute in nur 15 Minuten Gesamtleistungsaufnahme bei Umgebungstemperatur erreichbar ist und dass während der Reaktion keine nachweisbaren Nebenprodukte entstehen. Der Vergleich eines Ultraschallbades mit einem sondenartigen Ultraschallgerät zeigt, dass die Ultraschallsonde die überlegene Technik ist. Die Studie zeigt, dass die Ultraschallverseifung bei einer guten Umwandlung ohne übermäßige Alkali- oder Phasentransferkatalyse auskommt.

Die Ultraschallseifung ist ein grüner sonochemischer Prozess, der die Reaktion beschleunigt und die Umwandlung verbessert.

Alkalische Hydrolyse von Triacylglycerin

Ultraschallfördernde Phasentransferreaktion für die Verseifung

Bhatkhande et al. (1998) zeigten, dass die Ultraschallbehandlung von Pflanzenölen wie Sojaöl mit wässrigem KOH und verschiedenen PTCs bei Raumtemperatur effizient verseift werden kann. Das Ausmaß der Verseifung wurde anhand des Verseifungswertes als Referenz untersucht. Optimierungen verschiedener Parameter wie Zeit, Auswahl der Phasentransferkatalysatoren, Menge des verwendeten Katalysators, Menge des KOH und Menge des Wassers wurden durch Ultraschall und Rühren durchgeführt. Um die Wirkung des Ultraschalls zu untersuchen, wurde die Verseifung auch bei 35ºC unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, nämlich Rühren, Beschallen, Rühren und Beschallen und Erhitzen bei 100ºC. Es wurde festgestellt, dass die heterogene Flüssig-Flüssig-Phasen-Verseifung verschiedener Pflanzenöle mit wässrigem KOH/CTAB unter Ultraschall und Rühren bei 35ºC signifikant beschleunigt wurde.

Hochleistungs-Ultraschallindikatoren

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallgeräte für die Labor-, Pilot- und Industrieproduktion. Die robusten und zuverlässigen Ultraschallgeräte werden für verschiedene sonochemische Reaktionen wie z.B. Verseifung eingesetzt. Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher können im Batch- und Inline-Modus eingesetzt werden. Alle wichtigen Prozessparameter – Amplitude, Druck, Temperatur – kann präzise gesteuert werden und sorgt für reproduzierbare Ergebnisse.
Colored touch display of the new hdT series of Hielscher's industrial ultrasonicatorsDie digitale Steuerung erfasst automatisch die Prozessparameter und speichert diese auf der integrierten SD-Karte. Voreinstellungen und die Browser-Fernsteuerung machen den Sondierungsprozess sehr einfach und benutzerfreundlich.
Für viele sonochemische Reaktionen muss eine bestimmte Temperatur eingehalten werden, daher ist die Temperaturkontrolle wichtig. Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher sind mit einem Thermoelement und einer Temperaturregelung ausgestattet. Die ummantelte Durchflusszelle ermöglicht eine Wärmeabfuhr.
Die Robustheit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter Heavy-Duty-Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0.2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur

  • Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultraschallunterstützte PTC-katalysierte Verseifung von Pflanzenölen mit wässrigem Alkali. Ultraschall-Sonochemie Vol. 5, Ausgabe 1, 1998. 7-12.
  • Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultraschallauslösung der alkalischen Hydrolyse von Triglyceriden (Verseifung) ohne Phasenkatalyse. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Ausgabe 1, Jan 2014. 133-141.


Wissenswertes

Sonochemie

Der Leistungsultraschall wird bei chemischen Prozessen wie Synthese und Katalyse (auch Sonosynthese bzw. Sonokatalyse genannt) eingesetzt, um die Reaktion einzuleiten und zu intensivieren. Verschiedene Anwendungen der Ultraschall-Bestrahlung in der organischen Synthese wurden eingehend untersucht und für die industrielle Produktion entwickelt. Sonochemische Behandlungen können die Reaktionsgeschwindigkeit, Ausbeute und Selektivität der gewünschten Produkte unter deutlich milderen Bedingungen erhöhen. Dies macht die Ultraschallbehandlung zu einer effektiven und umweltfreundlichen Verarbeitungstechnik. Die ultraschallunterstützte Phasentransferkatalyse (PTC) hat sich als eine drastisch effizientere und effektivere Methode für organische Reaktionen erwiesen, als die gleiche Reaktion im Ruhezustand. So wird beispielsweise die Cannizarro-Reaktion, die durch eine ultraschallunterstützte Phasentransferkatalyse katalysiert wird, deutlich beschleunigt, was zu einer schnellen Umwandlung führt. Ein weiteres prominentes Beispiel ist die Umesterung von Triglyceriden (d.h. pflanzlichen Ölen, tierischen Fetten) und Methanol in Gegenwart von KOH als Katalysator und Leistungsultraschall. Die Ultraschallumesterung ergibt hochwertigen Biodiesel, der in einer schnellen Umwandlung und einem sehr effizienten, wirtschaftlichen Verfahren hergestellt wird.

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Verseifung

Die Verseifung beschreibt die chemische Reaktion, bei der Seife entsteht. Bei der Verseifung werden pflanzliche Öle oder tierische Fette in Fettsäuresalze umgewandelt. – die "Seife" – und Glycerin, das ein Alkohol ist. Die Reaktion erfordert eine Lösung einer Alkalibase (z.B. NaOH oder KOH) in Wasser und auch Wärme, um die Reaktion einzuleiten.
Die Reaktionsschritte der Verseifung sind die folgenden:

  1. Nucleophiler Angriff der Fettsäureester durch das Hydroxid
  2. Gruppenentfernung verlassen
  3. Deprotonierung

Die Verseifungsreaktion wird kommerziell zur Herstellung von Seifen und Schmierstoffen eingesetzt.
Während Natriumhydroxid-Hartseife und Kaliumhydroxid-Schmierseife für die tägliche Reinigung verwendet werden, gibt es auch spezielle Seifen, die mit anderen Metallhydroxiden hergestellt werden. So werden beispielsweise Lithiumseifen und Kalziumseifen als Schmierfette eingesetzt. Es gibt auch „komplexe Seifen“ bestehend aus einer Mischung von Metallseifen.

Hydrolyse

Bei der Hydrolyse wird eine organische Chemikalie mit Wasser zu zwei oder mehr neuen Substanzen umgesetzt und bedeutet in der Regel die Spaltung von chemischen Bindungen durch Zugabe von Wasser. Ester können durch Reaktion mit Wasser und einer Base wieder in eine Carbonsäure und einen Alkohol gespalten werden. Seife wird durch die Hydrolyse der Ester von Fett oder Öl hergestellt.

Alkalische Basis

Für die Verseifung von Ölen und Fetten werden alkalische Basisreaktanden (Laugen) benötigt. Die Triglyceride werden mit einer Base umgesetzt. – Natrium- oder Kaliumhydroxid – um Glycerin und ein Fettsäuresalz, die sogenannte "Seife", herzustellen. Kaliumhydroxid ist eine anorganische Verbindung mit der Formel KOH und wird allgemein als Kalilauge bezeichnet. Natriumhydroxid (NaOH) ist eine weitere prototypische starke Basis. Bei der Verwendung von Natriumhydroxid wird eine Hartseife hergestellt, während die Verwendung von Kaliumhydroxid zu einer Schmierseife führt.

Reaktionsmittel vs. Reagenz

Ein Reaktant ist eine Substanz, die bei einer chemischen Reaktion verbraucht oder verbraucht wird. Im Vergleich zu einem Reagenz wird ein Reaktant in größeren Mengen benötigt. Ein Reagenz ist eine Substanz, die verwendet wird, um eine Reaktion einzuleiten, die Reaktion zu unterstützen und die in einer Reaktion verbraucht wird, im Gegensatz zu Katalysatoren, die nicht in einer Reaktion verbraucht werden.