Seebistamine – seebi valmistamise protsess ultraheli abil

Seebistamine on seebi valmistamise keemiline protsess. See on reaktsioon, milles rasvadest või õlidest (triglütseriididest) koosnev toorainena reageerib leeliselise reaktandiga, moodustades seebi. Ultraheli töötlus parandab faasidevahelist katalüüsi (faasiülekandekatalüüsi), mis suurendab reaktsioonikiirust ja viib täielikuma muundumiseni ning väldib aluseliste reagentide, näiteks kaaliumhüdroksiidi (KOH) või naatriumhüdroksiidi (NaOH), liigset kasutamist. Ultrahelil põhinevat leeliselist hüdrolüüsi on lihtne rakendada kommertslikus seebitootmises. Seebistamiseks mõeldud ultraheli reaktorid annavad lühema ajaga suurema saagise, kasutamata katalüsaatorit või vähendades kasutatava katalüsaatori kogust.

Ultrahelil põhinev seebistamise soodustamine

Ultraheliga seebistamise juhtumiuuringud

Mitmed uuringud on näidanud, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) soodustab triglütseriidide seebistamist seebiks. Ultraheliga seebistamine kiirendab ja suurendab muundumist, säästes samal ajal katalüsaatori kasutamist või vältides seda täielikult. See muudab ultraheliga seebistamise väga tõhusaks tootmismeetodiks.

Triglütseriidide leeliselise hüdrolüüsi (seebistamise) ultraheliga initsieerimine ilma faasikatalüsaatorita

Mercantili et al. (2013) uurisid ultraheli töötluse mõju triglütseriidide leelisele hüdrolüüsile, mida tuntakse seebistamisena. Nad kasutasid sonikeerimist päevalilleõli leeliselise hüdrolüüsi initsieerimiseks. Leelisealusena kasutati kaaliumhüdroksiidi (KOH). Näidati, et ultraheli on tõhus energiaallikas reaktsiooni initsieerimiseks ja käimasoleku toetamiseks, et kõrge reaktsioonisaagis on saavutatav vaid 15 minuti jooksul kogu võimsuse rakendamisega, töötades ümbritseva keskkonna temperatuuril, ning et reaktsiooni käigus ei teki tuvastatavaid kõrvalsaadusi. Ultrahelivanni ja sondtüüpi sonikaatori võrdlus näitab, et ultrahelisond on parem meetod. Uuring tõestab, et ultraheliga seebistamine annab hea muundumise ilma leelise ülemäära või faasiülekandekatalüüsita.

Triatsüülglütserooli leeliseline hüdrolüüs

Ultrahelil põhinev faasiülekandereaktsiooni soodustamine seebistamisel

Bhatkhande et al. (1998) näitasid, et taimeõlisid, näiteks sojaõli, oli võimalik ultraheli töötlusel tõhusalt seebistada, kasutades vesilahuselist KOH-d ja erinevaid faasiülekandekatalüsaatoreid (PTC) toatemperatuuril. Seebistamise ulatust uuriti, kasutades võrdlusalusena seebistumisarvu. Mitmesuguste parameetrite, näiteks aja, faasiülekandekatalüsaatorite valiku, kasutatava katalüsaatori koguse, KOH koguse ja vee koguse optimeerimine viidi läbi ultraheli töötlust ja segamist kasutades. Ultraheli mõju uurimiseks viidi seebistamine läbi ka temperatuuril 35ºC erinevates tingimustes, nimelt segamisel, ultraheli töötlusel, segamisel koos ultraheli töötlusega ning kuumutamisel temperatuuril 100ºC. Leiti, et erinevate taimeõlide heterogeenne vedelik-vedelik-faasi seebistamine vesilahuselise KOH/CTAB abil oli temperatuuril 35ºC ultraheli töötlusel ja segamisel oluliselt kiirenenud.

Suure jõudlusega ultrahelisonikaatorid

Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ultraheliseadmeid laboris, pilootmastaabis ja tööstuslikus tootmises. Töökindlaid ultrahelisonikaatoreid kasutatakse mitmesugusteks sonokeemilisteks reaktsioonideks, näiteks seebistamiseks. Hielscheri sondtüüpi sonikaatoreid saab kasutada partii- ja läbivoolurežiimis. Kõiki olulisi protsessiparameetreid – amplituudi, rõhku, temperatuuri – saab täpselt kontrollida, mis tagab korratavad tulemused.
Digitaalne juhtimine salvestab protsessiparameetrid automaatselt ja talletab need integreeritud SD-kaardile. Eelseadistused ja kaugjuhtimine brauseri kaudu muudavad ultraheli töötluse (sonikeerimise) väga lihtsaks ja kasutajasõbralikuks.
Paljude sonokeemiliste reaktsioonide puhul tuleb säilitada kindlat temperatuuri, mistõttu on temperatuuri reguleerimine oluline. Hielscheri digitaalsed ultraheli seadmed on varustatud termopaari ja temperatuuri reguleerimisega. Mantliga läbivoolukamber võimaldab soojust hajutada.
Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 tööd suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

• 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.

Väärt teada

Sonokeemia

Võimsat ultraheli rakendatakse keemilistes protsessides, näiteks sünteesis ja katalüüsis (nimetatakse ka vastavalt sonosünteesiks ja sonokatalüüsiks), et reaktsiooni käivitada ja intensiivistada. Ultraheliga kiiritamise mitmesuguseid rakendusi orgaanilises sünteesis on põhjalikult uuritud ja arendatud tööstuslikuks tootmiseks. Sonokeemilised töötlused võivad suurendada reaktsiooni kiirust, saagist ja soovitud saaduste selektiivsust oluliselt leebematel tingimustel. See muudab ultraheli töötluse tõhusaks ja keskkonnasõbralikuks töötlemistehnikaks. Ultraheliga toetatud faasidevaheline katalüüs (PTC) on tõestatult märkimisväärselt tõhusam ja efektiivsem meetod orgaaniliste reaktsioonide jaoks võrreldes sama reaktsiooniga vaikuse tingimustes. Näiteks Cannizarro reaktsioon, mida katalüüsib ultraheliga toetatud faasidevaheline katalüüs, kiireneb oluliselt, mille tulemuseks on kiire konversioon. Teine silmapaistev näide on triglütseriidide (st taimeõlid, loomsed rasvad) ja metanooli transesterifitseerimine KOH juuresolekul katalüsaatorina ning võimsa ultraheli toimel. Ultraheliga transesterifitseerimine annab kiire konversiooniga kõrgekvaliteedilist biodiislit ning on väga tõhus ja ökonoomne protsess.

Ultraheliekstraktsioon põhineb akustilisel kavitatsioonil ja selle hüdrodünaamilistel nihkejõududel

Seebistamine

Seebistamine tähistab keemilist reaktsiooni, mille käigus tekib seep. Seebistamisprotsessis muudetakse taimeõlid või loomsed rasvad rasvhapete sooladeks – „seebiks“ – ja glütserooliks, mis on alkohol. Reaktsiooniks on vaja leelisalusele (nt NaOH või KOH) lahust vees ning samuti soojust reaktsiooni käivitamiseks.
Seebistamise reaktsioonietapid on järgmised:

1. Rasvhappeestrite nukleofiilne rünnak hüdroksiidi poolt
2. Lahkuva rühma eemaldumine
3. Deprotoneerimine

Seebistamisreaktsiooni kasutatakse kaubanduslikult seepide ja määrdeainete tootmiseks.
Kui naatriumhüdroksiidist kõva seepi ja kaaliumhüdroksiidist pehmet seepi kasutatakse igapäevaseks puhastamiseks, siis valmistatakse ka erilisi seepe teiste metallhüdroksiididega. Näiteks liitiumseepe ja kaltsiumseepe kasutatakse määrdeainetena (konsistentsmääretena). Olemas on ka „kompleksseebid“, mis koosnevad metallseepide segust.

Hüdrolüüs

Hüdrolüüs hõlmab orgaanilise keemilise ühendi reaktsiooni veega, mille käigus tekib kaks või enam uut ainet, ning tähendab tavaliselt keemiliste sidemete lõhustamist vee lisamise teel. Estreid saab reaktsioonis veega ja alusega lõhustada tagasi karboksüülhappeks ja alkoholiks. Seep valmib rasva või õli estrite hüdrolüüsil.

Aluseline alus

Saponifitseerimiseks (seebistamiseks) on õlide ja rasvade puhul vaja aluselisi reaktante (leelised). Triglütseriidid reageerivad alusega – naatrium- või kaaliumhüdroksiidiga –, et tekiksid glütseriin ja rasvhappe sool, nn „seep“. Kaaliumhüdroksiid on anorgaaniline ühend valemiga KOH ja seda nimetatakse üldiselt seebikiviks (kaustiline potas). Naatriumhüdroksiid (NaOH) on veel üks tüüpiline tugev alus. Naatriumhüdroksiidi kasutamisel tekib kõva seep, kaaliumhüdroksiidi kasutamisel aga pehme seep.

Reaktant vs reagent

Reaktant on aine, mis keemilises reaktsioonis kulub ära ehk tarbitakse. Reagendiga võrreldes on reaktanti vaja suuremates kogustes. Reagent on aine, mida kasutatakse reaktsiooni käivitamiseks ja toetamiseks ning mis reaktsioonis tarbitakse, erinevalt katalüsaatoritest, mida reaktsioonis ei tarbita.

Saponifitseerimine – korduma kippuvad küsimused

• Mis on saponifitseerimisprotsess? Saponifitseerimine on keemiline protsess, kus rasvad või õlid reageerivad leelisega (tavaliselt naatriumhüdroksiidiga), andes seepi ja glütseriini. Selle reaktsiooni käigus hüdrolüüsuvad triglütseriidid rasvhapete sooladeks ja glütseriiniks.
• Millist tüüpi reaktsioon on saponifitseerimine? Saponifitseerimine on hüdrolüüsireaktsiooni liik, kus rasvade või õlide estersidemed lõhustatakse leelise toimel.
• Miks seda nimetatakse saponifitseerimiseks? See on nimetatud oma lõpp-produkti, seebi, ja võime järgi tekitada seepi triglütseriidide estersidemete hüdrolüüsi kaudu.
• Mis on saponifitseerimise eesmärk? Peamine eesmärk on toota seepi, pindaktiivset ainet, mida kasutatakse laialdaselt puhastamiseks ja pesemiseks.
• Kas saponifitseerimine on hüdrolüüs? Jah, saponifitseerimine on hüdrolüüsi eriliik, mille puhul leelis lagundab rasvad või õlid glütseriiniks ja rasvhapete sooladeks (seep).
• Mis on saponifitseerimise mehhanism? See hõlmab hüdroksiidioonide nukleofiilset rünnakut triglütseriidide estersideme karbonüülsüsinikule, mis viib alkoholi (glütseriini) ja seebi tekkeni.
• Miks on segamine saponifitseerimisel oluline? Tõhus segamine tagab reaktantide põhjaliku kontakti, soodustades täielikumat ja ühtlasemat reaktsiooni, mis on optimaalse saagise saavutamiseks ülioluline. Hielscheri ultraheli segistid võivad seda protsessi tõhustada intensiivse kavitatsiooni ja nihkejõudude abil.
• Mis on saponifitseerimise näide? Naatriumhüdroksiidi segamine kookosõliga Hielscheri ultraheli reaktori juuresolekul seebi ja glütseriini saamiseks on saponifitseerimise näide.
• Mis on saponifitseerimise peamine saadus? Peamised saadused on seep (rasvhapete naatrium- või kaaliumisoolad) ja glütseriin.
• Miks on seebistumisarv oluline? Seebistumisarv näitab, kui palju leelist on vaja antud koguse rasva või õli saponifitseerimiseks, aidates määrata selles sisalduvate rasvhapete molekulmassi.
• Kas saponifitseerimine on pöörduv? Tavatingimustes ei ole saponifitseerimine pöörduv, kuna tekkiv seep on stabiilne.
• Mis on saponifitseerimise vastand? Vastupidine protsess on esterdamine, kus vesi ja alkoholid reageerivad karboksüülhapetega, moodustades estreid ja vett.
• Kas saponifitseerimine vajab soojust? Kuigi soojus ei ole nõutav, võib see saponifitseerimisprotsessi kiirendada, suurendades molekulide liikumist ja reaktsioonikiirust.
• Kas saponifitseerimine on eksotermiline või endotermiline? Saponifitseerimine on eksotermiline reaktsioon, mis vabastab soojust, kui see kulgeb.
• Kas saponifitseerimine on aluseline või happeline? See on aluseline reaktsioon, sest selles toimib alus (leelis) estrile (rasv/õli).
• Kuidas saponifitseerimist peatada? Leelise neutraliseerimiseks happe lisamine peatab reaktsiooni, lõpetades tõhusalt saponifitseerimisprotsessi.
• Mis juhtub pärast seebistumist? Pärast täielikku reaktsiooni koosneb segu tavaliselt seebist ja glütseroolist, mida võib sihtotstarbest olenevalt puhastada või edasi töödelda.
• Kas seebistumine on looduslik? Jah, looduslik seebistumine võib toimuda, kui rasv puutub kokku leelismuldmetallidega teatud geoloogilistes tingimustes või kui iidsed rahvad segasid traditsioonilistes seebivalmistamise meetodites loomseid rasvu tuhaga.
• Miks kasutatakse seebistumisel oliiviõli? Oliiviõli eelistatakse seebistumisel tänu selle rikkalikule oleiinhappe sisaldusele, mis annab õrna, niisutava seebi, millel on head puhastusomadused ja püsiv vaht.
• Kuidas rasva seebiks muuta? Rasvad muudetakse seebiks seebistumise teel, kuumutades neid tugeva leeliselahusega, tavaliselt naatriumhüdroksiidiga, mis lõhustab rasva rasvhapete sooladeks (seep) ja glütserooliks.
• Millisel õlil on kõrge seebistumisarv? Kookosõlil on kõrge seebistumisarv, mis viitab väiksemate rasvhappemolekulide suuremale osakaalule, muutes selle leelisega väga reaktsioonivõimeliseks seebi tootmisel.
• Mis juhtub õlidega seebistumise ajal? Seebistumise käigus hüdrolüüsib leelis õlid glütserooliks ja rasvhapete sooladeks, millest viimased moodustavad seebi.
• Mis on seebi jaoks parim rasv? Lojuserva (veiserasva) ja kookosõli peetakse seebi valmistamisel üheks parimaks rasvaks nende vahutamis- ja kõvendavate omaduste tõttu valmis seebitootes.
• Kuidas õlisid ilma leeliseta seebistada? Õlide seebistamine ilma leeliseta ei ole traditsioonilises seebivalmistamises võimalik; seebitaolisi puhastusvahendeid saab siiski valmistada pindaktiivsete ainete ja emulgaatorite abil leelisepõhise seebistamise asemel.