Σαπωνοποίηση – Διαδικασία παρασκευής σαπουνιού με υπερήχους

Η σαπωνοποίηση είναι η χημική διαδικασία παρασκευής σαπουνιού. Είναι η αντίδραση στην οποία η πρώτη ύλη λιπών ή ελαίων (τριγλυκερίδια) αντιδρά με ένα αλκαλικό αντιδραστήριο για να σχηματίσει σαπούνι. Υπερήχους βελτιώνει την κατάλυση μεταφοράς φάσης με αποτέλεσμα την αυξημένη ταχύτητα αντίδρασης, πληρέστερη μετατροπή και αποφεύγει την υπερβολική χρήση αντιδραστηρίων βάσης όπως υδροξείδιο του καλίου (KOH) ή υδροξείδιο του νατρίου (NaOH). Η αλκαλική υδρόλυση που ξεκίνησε με υπερήχους μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί στην εμπορική κατασκευή σαπουνιού. Οι υπερηχητικοί αντιδραστήρες για σαπωνοποίηση παράγουν υψηλότερη παραγωγή σε μικρότερο χρονικό διάστημα χωρίς τη χρήση καταλύτη ή τη μείωση των ποσοτήτων καταλύτη που χρησιμοποιείται.

Υπερήχων προωθείται σαπωνοποίηση

Μελέτες περιπτώσεων σαπωνοποίησης υπερήχων

Διάφορες ερευνητικές μελέτες έχουν δείξει ότι υπερήχηση προωθεί τη σαπωνοποίηση των τριγλυκεριδίων σε σαπούνι. Υπερήχων σαπωνοποίηση επιταχύνει και αυξάνει τη μετατροπή ενώ σώζει ή αποφεύγει τη χρήση του καταλύτη. Αυτό καθιστά υπερήχων σαπωνοποίηση μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδο παραγωγής.

Υπερήχων έναρξη της αλκαλικής υδρόλυσης των τριγλυκεριδίων (σαπωνοποίηση) χωρίς καταλύτη φάσης

Mercantili et al. (2013) μελέτησε τις επιδράσεις της υπερήχων στην αλκαλική υδρόλυση των τριγλυκεριδίων, γνωστή ως σαπωνοποίηση. Χρησιμοποίησαν υπερήχους για να ξεκινήσουν την αλκαλική υδρόλυση του ηλιελαίου. Το υδροξείδιο του καλίου (KOH) χρησιμοποιήθηκε ως αλκαλική βάση. Αποδείχθηκε ότι ο υπέρηχος είναι αποτελεσματικός ως πηγή ενέργειας για την έναρξη και την οδήγηση της αντίδρασης, ότι μια υψηλή απόδοση αντίδρασης είναι εφικτή σε μόλις 15 λεπτά εφαρμογής συνολικής ισχύος ενώ εργάζεστε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και ότι δεν παράγονται ανιχνεύσιμα υποπροϊόντα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η σύγκριση ενός λουτρού υπερήχων και ενός υπερηχητικού τύπου καθετήρα δείχνει ότι ο υπερηχητικός καθετήρας είναι η ανώτερη τεχνική. Η μελέτη δείχνει ότι η υπερηχητική σαπωνοποίηση αποδίδει σε μια καλή μετατροπή χωρίς την ανάγκη για περίσσεια αλκαλίων ή κατάλυση μεταφοράς φάσης.

Αλκαλική υδρόλυση τριακυλογλυκερόλης

Υπερήχων προωθείται αντίδραση μεταφοράς φάσης για σαπωνοποίηση

Οι Bhatkhande et al. (1998) έδειξαν ότι η υπερήχηση φυτικών ελαίων όπως το σογιέλαιο θα μπορούσε να σαπωνοποιηθεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας υδατικό KOH και διαφορετικά PTC σε θερμοκρασία δωματίου. Η έκταση της σαπωνοποίησης μελετήθηκε χρησιμοποιώντας την τιμή σαπωνοποίησης ως αναφορά. Βελτιστοποιήσεις διαφόρων παραμέτρων όπως ο χρόνος, η επιλογή των καταλυτών μεταφοράς φάσης, η ποσότητα του καταλύτη που χρησιμοποιήθηκε, η ποσότητα του KOH και η ποσότητα του νερού πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας υπερήχους και ανάδευση. Για να μελετηθεί η επίδραση του υπερήχου, η σαπωνοποίηση πραγματοποιήθηκε επίσης στους 35ºC υπό διαφορετικές συνθήκες, δηλαδή ανάδευση, υπερήχηση, ανάδευση και υπερήχηση και θέρμανση στους 100ºC. Διαπιστώθηκε ότι η ετερογενής σαπωνοποίηση υγρής-υγρής φάσης διαφορετικών φυτικών ελαίων χρησιμοποιώντας υδατικό KOH / CTAB επιταχύνθηκε σημαντικά στους 35ºC υπό υπερήχους και ανάδευση.

Υπερήχων υψηλής απόδοσης

Hielscher Υπέρηχοι προμήθειες υψηλής απόδοσης υπερήχων εξοπλισμού για εργαστήριο, πιλοτική και βιομηχανική παραγωγή. Οι ισχυροί και αξιόπιστοι υπερήχων χρησιμοποιούνται για διάφορες sonochemical αντιδράσεις όπως η σαπωνοποίηση. Υπερήχων τύπου καθετήρα Hielscher μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παρτίδα και inline λειτουργία. Όλες οι σημαντικές παράμετροι της διαδικασίας – πλάτος, πίεση, θερμοκρασία – μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια και να εξασφαλίσει αναπαραγώγιμα αποτελέσματα.
Ο ψηφιακός έλεγχος καταγράφει αυτόματα τις παραμέτρους της διαδικασίας και τις αποθηκεύει στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Οι προ-ρυθμίσεις και ο απομακρυσμένος έλεγχος του προγράμματος περιήγησης καθιστούν τη διαδικασία υπερήχων πολύ απλή και φιλική προς το χρήστη.
Για πολλές sonochemical αντιδράσεις πρέπει να διατηρηθεί μια ορισμένη θερμοκρασία, οπότε ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι σημαντικός. Οι ψηφιακοί υπερήχων της Hielscher έρχονται με θερμο-ζευγάρι και έλεγχο θερμοκρασίας. Η κυψέλη ροής με επένδυση επιτρέπει την απαγωγή θερμότητας.
Η ευρωστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:

• Bhatkhande, BS; Samant, Shriniwas D. (1998): Υπερηχογράφημα υποβοηθούμενη PTC καταλύει τη σαπωνοποίηση φυτικών ελαίων χρησιμοποιώντας υδατικά αλκάλια. Υπερήχων Sonochemistry Vol. 5, Τεύχος 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Υπερήχων έναρξη της αλκαλικής υδρόλυσης των τριγλυκεριδίων (σαπωνοποίηση) χωρίς κατάλυση φάσης. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Ιαν 2014. 133-141.

Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε

Ηχοχημεία

Ο υπέρηχος ισχύος εφαρμόζεται σε χημικές διεργασίες όπως η σύνθεση και η κατάλυση (που ονομάζεται επίσης sono-σύνθεση και sono-κατάλυση, αντίστοιχα) προκειμένου να ξεκινήσει και να εντείνει την αντίδραση. Διάφορες εφαρμογές της υπερηχητικής ακτινοβολίας στην οργανική σύνθεση έχουν διερευνηθεί σε βάθος και αναπτυχθεί για τη βιομηχανική παραγωγή. Οι ηχοχημικές επεξεργασίες μπορούν να αυξήσουν το ρυθμό αντίδρασης, την απόδοση και την επιλεκτικότητα των επιθυμητών προϊόντων υπό σημαντικά ηπιότερες συνθήκες. Αυτό καθιστά τη θεραπεία με υπερήχους μια αποτελεσματική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική επεξεργασίας. Η υπερηχητικά υποβοηθούμενη κατάλυση μεταφοράς φάσης (PTC) αποδεικνύεται ότι είναι μια δραστικά πιο αποδοτική και αποτελεσματική μέθοδος για οργανικές αντιδράσεις σε σύγκριση με την ίδια αντίδραση σε κατάσταση σιωπής. Για παράδειγμα, η αντίδραση Cannizarro που καταλύεται από μια υπερηχητικά υποβοηθούμενη κατάλυση μεταφοράς φάσης επιταχύνεται σημαντικά με αποτέλεσμα μια ταχεία μετατροπή. Ένα άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η μετεστεροποίηση τριγλυκεριδίων (δηλαδή φυτικών ελαίων, ζωικών λιπών) και μεθανόλης παρουσία KOH ως καταλύτη και υπερήχων ισχύος. Η υπερηχητική μετεστεροποίηση αποδίδει σε υψηλής ποιότητας βιοντίζελ που παράγεται σε ταχεία μετατροπή και μια πολύ αποτελεσματική, οικονομική διαδικασία.

Η εκχύλιση με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση και τις υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης

Σαπωνοποίηση

Η σαπωνοποίηση περιγράφει τη χημική αντίδραση που παράγει σαπούνι. Στη διαδικασία σαπωνοποίησης, τα φυτικά έλαια ή τα ζωικά λίπη μετατρέπονται σε άλατα λιπαρών οξέων – Το "σαπούνι" – και γλυκερόλη, η οποία είναι αλκοόλ. Η αντίδραση απαιτεί ένα διάλυμα αλκαλικής βάσης (π.χ. NaOH ή KOH) σε νερό και επίσης θερμότητα για να ξεκινήσει η αντίδραση.
Τα στάδια αντίδρασης της σαπωνοποίησης είναι τα εξής:

1. Πυρηνόφιλη επίθεση των εστέρων λιπαρών οξέων από το υδροξείδιο
2. Αποχώρηση από την κατάργηση ομάδας
3. Αποπρωτονίωση

Η αντίδραση σαπωνοποίησης χρησιμοποιείται εμπορικά για την παραγωγή σαπουνιών και λιπαντικών.
Ενώ το σκληρό σαπούνι υδροξειδίου του νατρίου και το μαλακό σαπούνι υδροξειδίου του καλίου χρησιμοποιούνται για καθημερινό καθαρισμό, υπάρχουν επίσης ειδικά σαπούνια που παράγονται χρησιμοποιώντας άλλα μεταλλικά υδροξείδια. Για παράδειγμα, τα σαπούνια λιθίου και τα σαπούνια ασβεστίου χρησιμοποιούνται ως λιπαντικά γράσα. Υπάρχουν επίσης “σύνθετα σαπούνια” που αποτελείται από ένα μείγμα μεταλλικών σαπουνιών.

υδρόλυση

Η υδρόλυση περιλαμβάνει την αντίδραση μιας οργανικής χημικής ουσίας με νερό για να σχηματίσει δύο ή περισσότερες νέες ουσίες και συνήθως σημαίνει τη διάσπαση των χημικών δεσμών με την προσθήκη νερού. Οι εστέρες μπορούν να διασπαστούν πίσω σε καρβοξυλικό οξύ και αλκοόλη με αντίδραση με νερό και βάση. Το σαπούνι παράγεται από την υδρόλυση των εστέρων του λίπους ή του ελαίου.

Αλκαλική βάση

Αλκαλικά αντιδραστήρια βάσης (αλισίβα) απαιτούνται για τη σαπωνοποίηση ελαίων και λιπών. Τα τριγλυκερίδια αντιδρούν με μια βάση – υδροξείδιο του νατρίου ή του καλίου – Προκειμένου να παραχθεί γλυκερόλη και άλας λιπαρών οξέων, το λεγόμενο "σαπούνι". Το υδροξείδιο του καλίου είναι μια ανόργανη ένωση με τον τύπο KOH και συνήθως ονομάζεται καυστική ποτάσα. Το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) είναι μια άλλη πρωτότυπη ισχυρή βάση. Όταν χρησιμοποιείται υδροξείδιο του νατρίου, παράγεται ένα σκληρό σαπούνι, ενώ η χρήση υδροξειδίου του καλίου έχει ως αποτέλεσμα ένα μαλακό σαπούνι.

Αντιδραστήριο vs αντιδραστήριο

Ένα αντιδραστήριο είναι μια ουσία που καταναλώνεται ή καταναλώνεται σε μια χημική αντίδραση. Σε σύγκριση με ένα αντιδραστήριο, απαιτείται ένα αντιδραστήριο σε μεγαλύτερες ποσότητες. Ένα αντιδραστήριο είναι μια ουσία που χρησιμοποιείται για να ξεκινήσει μια αντίδραση, να υποστηρίξει την αντίδραση και καταναλώνεται σε μια αντίδραση, σε αντίθεση με τους καταλύτες που δεν καταναλώνονται σε μια αντίδραση.

Σαπωνοποίηση – Συχνές Ερωτήσεις

• Ποια είναι η διαδικασία σαπωνοποίησης; Η σαπωνοποίηση είναι η χημική διαδικασία κατά την οποία τα λίπη ή τα έλαια αντιδρούν με ένα αλκάλιο (συνήθως υδροξείδιο του νατρίου) για την παραγωγή σαπουνιού και γλυκερόλης. Αυτή η αντίδραση περιλαμβάνει υδρόλυση τριγλυκεριδίων σε άλατα λιπαρών οξέων και γλυκερόλη.
• Τι είδους αντίδραση είναι η σαπωνοποίηση; Η σαπωνοποίηση είναι ένας τύπος αντίδρασης υδρόλυσης όπου οι δεσμοί εστέρα σε λίπη ή έλαια διασπώνται από ένα αλκάλιο.
• Γιατί ονομάζεται σαπωνοποίηση; Πήρε το όνομά του από το τελικό προϊόν του, το σαπούνι, και την ικανότητά του να δημιουργεί σαπούνι μέσω της υδρόλυσης των δεσμών εστέρα στα τριγλυκερίδια.
• Ποιος είναι ο σκοπός της σαπωνοποίησης; Ο πρωταρχικός σκοπός είναι η παραγωγή σαπουνιού, μιας επιφανειοδραστικής ουσίας που χρησιμοποιείται ευρέως για τον καθαρισμό και το πλύσιμο.
• Είναι υδρόλυση σαπωνοποίησης; Ναι, η σαπωνοποίηση είναι ένας ειδικός τύπος υδρόλυσης που περιλαμβάνει την αποσύνθεση λιπών ή ελαίων από ένα αλκάλιο σε γλυκερόλη και άλατα λιπαρών οξέων (σαπούνι).
• Ποιος είναι ο μηχανισμός της σαπωνοποίησης; Περιλαμβάνει την πυρηνόφιλη επίθεση ιόντων υδροξειδίου στον καρβονυλικό άνθρακα του δεσμού εστέρα στα τριγλυκερίδια, οδηγώντας στο σχηματισμό αλκοόλης (γλυκερόλης) και σαπουνιού.
• Γιατί η ανάμειξη είναι σημαντική για τη σαπωνοποίηση; Η αποτελεσματική ανάμιξη εξασφαλίζει πλήρη επαφή μεταξύ των αντιδρώντων, προωθώντας μια πληρέστερη και ομοιόμορφη αντίδραση, ζωτικής σημασίας για την επίτευξη βέλτιστων αποδόσεων. Hielscher υπερήχων μίξερ μπορεί να ενισχύσει αυτή τη διαδικασία μέσω έντονη σπηλαίωση και δυνάμεις διάτμησης.
• Τι είναι ένα παράδειγμα σαπωνοποίησης; Η ανάμειξη υδροξειδίου του νατρίου με λάδι καρύδας παρουσία ενός υπερηχητικού αντιδραστήρα Hielscher για την παραγωγή σαπουνιού και γλυκερόλης αποτελεί παράδειγμα σαπωνοποίησης.
• Ποιο είναι το κύριο προϊόν της σαπωνοποίησης; Τα κύρια προϊόντα είναι σαπούνι (άλατα νατρίου ή καλίου λιπαρών οξέων) και γλυκερόλη.
• Γιατί είναι σημαντική η αξία της σαπωνοποίησης; Η τιμή σαπωνοποίησης υποδεικνύει την ποσότητα αλκαλίων που απαιτείται για τη σαπωνοποίηση μιας δεδομένης ποσότητας λίπους ή ελαίου, βοηθώντας στον προσδιορισμό του μοριακού βάρους των λιπαρών οξέων που περιέχει.
• Είναι αναστρέψιμη η σαπωνοποίηση; Υπό τυπικές συνθήκες, η σαπωνοποίηση δεν είναι αναστρέψιμη λόγω της σταθερής φύσης του σαπουνιού που σχηματίζεται.
• Ποιο είναι το αντίθετο της σαπωνοποίησης; Η εστεροποίηση, όπου το νερό και οι αλκοόλες αντιδρούν με καρβοξυλικά οξέα για να σχηματίσουν εστέρες και νερό, είναι η αντίστροφη διαδικασία.
• Η σαπωνοποίηση απαιτεί θερμότητα; Αν και δεν απαιτείται, η θερμότητα μπορεί να επιταχύνει τη διαδικασία σαπωνοποίησης αυξάνοντας τη μοριακή κίνηση και την ταχύτητα αντίδρασης.
• Είναι η σαπωνοποίηση εξώθερμη ή ενδοθερμική; Η σαπωνοποίηση είναι μια εξώθερμη αντίδραση, απελευθερώνοντας θερμότητα καθώς προχωρά.
• Είναι η σαπωνοποίηση βασική ή όξινη; Είναι μια βασική αντίδραση, καθώς περιλαμβάνει τη δράση μιας βάσης (αλκάλια) σε έναν εστέρα (λίπος / έλαιο).
• Πώς σταματάτε τη σαπωνοποίηση; Η προσθήκη ενός οξέος για την εξουδετέρωση των αλκαλίων σταματά την αντίδραση, σταματώντας αποτελεσματικά τη διαδικασία σαπωνοποίησης.
• Τι συμβαίνει μετά τη σαπωνοποίηση; Μετά από πλήρη αντίδραση, το μείγμα αποτελείται συνήθως από σαπούνι και γλυκερόλη, τα οποία μπορούν να καθαριστούν ή να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση.
• Είναι φυσική η σαπωνοποίηση; Ναι, η φυσική σαπωνοποίηση μπορεί να συμβεί όταν το λίπος έρχεται σε επαφή με μέταλλα αλκαλικών γαιών σε ορισμένα γεωλογικά περιβάλλοντα ή όταν οι αρχαίοι λαοί αναμιγνύουν ζωικά λίπη με στάχτη σε παραδοσιακές μεθόδους παρασκευής σαπουνιού.
• Γιατί χρησιμοποιείται το ελαιόλαδο στη σαπωνοποίηση; Το ελαιόλαδο ευνοείται στη σαπωνοποίηση λόγω της πλούσιας περιεκτικότητάς του σε ελαϊκό οξύ, το οποίο αποδίδει ένα ήπιο, ενυδατικό σαπούνι με καλές καθαριστικές ιδιότητες και σταθερό αφρό.
• Πώς να μετατρέψετε το λίπος σε σαπούνι; Τα λίπη μετατρέπονται σε σαπούνι μέσω σαπωνοποίησης θερμαίνοντάς τα με ένα ισχυρό αλκαλικό διάλυμα, συνήθως υδροξείδιο του νατρίου, το οποίο διασπά το λίπος σε άλατα λιπαρών οξέων (σαπούνι) και γλυκερόλη.
• Ποιο λάδι έχει υψηλή αξία σαπωνοποίησης; Το λάδι καρύδας έχει υψηλή αξία σαπωνοποίησης, υποδεικνύοντας υψηλότερο ποσοστό μικρότερων μορίων λιπαρών οξέων, καθιστώντας το πολύ αντιδραστικό με αλκάλια για την παραγωγή σαπουνιού.
• Τι συμβαίνει με τα έλαια κατά τη σαπωνοποίηση; Κατά τη διάρκεια της σαπωνοποίησης, τα έλαια υδρολύονται από τα αλκάλια σε άλατα γλυκερόλης και λιπαρών οξέων, τα τελευταία σχηματίζουν το σαπούνι.
• Ποιο είναι το καλύτερο λίπος για σαπούνι; Το λίπος (λίπος βοείου κρέατος) και το λάδι καρύδας θεωρούνται μερικά από τα καλύτερα λίπη για την παρασκευή σαπουνιού λόγω των ιδιοτήτων αφρισμού και σκλήρυνσης στο τελικό προϊόν σαπουνιού.
• Πώς να σαπωνοποιήσετε έλαια χωρίς αλισίβα; Τα σαπωνοποιημένα έλαια χωρίς αλισίβα δεν είναι δυνατά για την παραδοσιακή σαπωνοποιία. Ωστόσο, τα καθαριστικά που μοιάζουν με σαπούνι μπορούν να παρασκευαστούν χρησιμοποιώντας επιφανειοδραστικές ουσίες και γαλακτωματοποιητές αντί για σαπωνοποίηση με βάση την αλισίβα.