Saippuointi – saippuan valmistus ultraäänellä

Saippuointi on saippuan valmistuksen kemiallinen prosessi. Siinä raaka-aineena käytettävät rasvat tai öljyt (triglyseridit) reagoivat emäksisen lähtöaineen kanssa muodostaen saippuaa. Ultraäänikäsittely tehostaa faasinsiirtokatalyysiä, mikä nopeuttaa reaktiota, parantaa konversiota ja ehkäisee emäksisten reagenssien, kuten kaliumhydroksidin (KOH) tai natriumhydroksidin (NaOH), liiallista käyttöä. Ultraäänellä käynnistetty emäksinen hydrolyysi voidaan helposti ottaa käyttöön kaupallisessa saippuanvalmistuksessa. Saippuointiin tarkoitetut ultraäänireaktorit tuottavat enemmän lyhyemmässä ajassa joko ilman katalyyttiä tai pienemmillä katalyyttimäärillä.

Ultraäänellä tehostettu saippuointi

Ultraäänisaippuoinnin tapaustutkimuksia

Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että ultraäänikäsittely edistää triglyseridien saippuointia saippuaksi. Ultraäänisaippuointi nopeuttaa konversiota ja kasvattaa sitä samalla, kun katalyytin käyttöä vähennetään tai vältetään kokonaan. Tämä tekee ultraäänisaippuoinnista erittäin tehokkaan tuotantomenetelmän.

Triglyseridien emäksisen hydrolyysin (saippuoinnin) käynnistäminen ultraäänellä ilman faasikatalyyttiä

Mercantili ym. (2013) tutkivat ultraäänikäsittelyn vaikutuksia triglyseridien emäksiseen hydrolyysiin, jota kutsutaan saippuoinniksi. He käyttivät ultraäänikäsittelyä auringonkukkaöljyn emäksisen hydrolyysin käynnistämiseen. Emäksenä käytettiin kaliumhydroksidia (KOH). Tutkimus osoitti, että ultraääni on tehokas energialähde reaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen, että suuri reaktiosaanto voidaan saavuttaa vain 15 min:n kokonaiskäsittelyajalla ympäristön lämpötilassa ja että reaktion aikana ei synny havaittavia sivutuotteita. Ultraäänikylvyn ja anturityyppisen ultraäänilaitteen vertailu osoittaa ultraäänianturin olevan parempi tekniikka. Tutkimus osoittaa, että ultraäänisaippuoinnilla saavutetaan hyvä konversio ilman ylimääräistä emästä tai faasinsiirtokatalyysiä.

Triasyyliglyserolin emäksinen hydrolyysi

Ultraäänellä tehostettu faasinsiirtoreaktio saippuointiin

Bhatkhande ym. (1998) osoittivat, että kasviöljyt, kuten soijaöljy, voitiin saippuoida tehokkaasti ultraäänikäsittelyllä käyttämällä KOH:n vesiliuosta ja erilaisia faasinsiirtokatalyyttejä (PTC) huoneenlämpötilassa. Saippuoinnin laajuutta tutkittiin käyttämällä saippuoitumislukua vertailuarvona. Eri parametreja, kuten aikaa, faasinsiirtokatalyyttien valintaa, käytetyn katalyytin määrää, KOH:n määrää ja veden määrää, optimoitiin ultraäänikäsittelyn ja sekoituksen avulla. Ultraäänen vaikutuksen tutkimiseksi saippuointi suoritettiin myös 35ºC:ssa eri olosuhteissa eli sekoittaen, ultraäänikäsittelyllä, sekoittaen ja ultraäänikäsittelyllä sekä kuumentaen 100ºC:ssa. Havaittiin, että eri kasviöljyjen heterogeeninen neste–nestefaasissa tapahtuva saippuointi käyttäen KOH:n/CTAB:n vesiliuosta nopeutui merkittävästi 35ºC:ssa ultraäänikäsittelyn ja sekoituksen aikana.

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet

Hielscher Ultrasonics toimittaa suorituskykyisiä ultraäänilaitteita laboratorioihin, pilot-mittakaavaan ja teolliseen tuotantoon. Kestäviä ja luotettavia ultraäänilaitteita käytetään erilaisiin sonokemiallisiin reaktioihin, kuten saippuointiin. Hielscherin anturityyppisiä ultraäänilaitteita voidaan käyttää eräprosesseissa ja jatkuvatoimisissa prosesseissa. Kaikkia tärkeitä prosessiparametreja – amplitudia, painetta ja lämpötilaa – voidaan hallita tarkasti, mikä varmistaa toistettavat tulokset.
Digitaalinen ohjaus tallentaa prosessiparametrit automaattisesti integroituun SD-korttiin. Esiasetukset ja selaimen kautta tapahtuva etäohjaus tekevät ultraäänikäsittelystä hyvin yksinkertaista ja käyttäjäystävällistä.
Monissa sonokemiallisissa reaktioissa on ylläpidettävä tiettyä lämpötilaa, joten lämpötilan hallinta on tärkeää. Hielscherin digitaalisissa ultraäänilaitteissa on termopari ja lämpötilan säätö. Vaipallinen virtauskenno mahdollistaa lämmön poistamisen.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa käytön 24/7 kovalla kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Kasviöljyjen ultraäänellä avustettu, PTC-katalysoitu saippuointi emäksen vesiliuoksella. Ultrasonics Sonochemistry, osa 5, numero 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Triglyseridien emäksisen hydrolyysin (saippuoinnin) käynnistäminen ultraäänellä ilman faasikatalyysiä. Journal of Surfactant and Detergents, osa 17, numero 1, Jan 2014. 133–141.

Hyödyllistä tietoa

Sonokemia

Tehoultraääntä käytetään kemiallisissa prosesseissa, kuten synteesissä ja katalyysissä (joita kutsutaan myös sonosynteesiksi ja sonokatalyysiksi), reaktion käynnistämiseen ja tehostamiseen. Ultraäänisäteilytyksen erilaisia sovelluksia orgaanisessa synteesissä on tutkittu perusteellisesti ja kehitetty teolliseen tuotantoon. Sonokemialliset käsittelyt voivat lisätä reaktionopeutta, saantoa ja selektiivisyyttä haluttujen tuotteiden suhteen huomattavasti lievemmissä olosuhteissa. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä tehokkaan ja ympäristöystävällisen käsittelytekniikan. Ultraäänellä avustetun faasinsiirtokatalyysin (PTC) on osoitettu olevan huomattavasti tehokkaampi ja tuloksellisempi menetelmä orgaanisiin reaktioihin verrattuna samaan reaktioon ilman ultraääntä. Esimerkiksi ultraäänellä avustetun faasinsiirtokatalyysin katalysoima Cannizarro-reaktio nopeutuu merkittävästi ja johtaa nopeaan konversioon. Toinen merkittävä esimerkki on triglyseridien (eli kasviöljyjen ja eläinrasvojen) ja metanolin vaihtoesteröinti, jossa käytetään KOH:ta katalyyttinä ja tehoultraääntä. Ultraäänellä toteutettu vaihtoesteröinti tuottaa korkealaatuista biodieseliä nopealla konversiolla erittäin tehokkaassa ja taloudellisessa prosessissa.

Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin

Saippuointi

Saippuointi tarkoittaa kemiallista reaktiota, joka tuottaa saippuaa. Saippuointiprosessissa kasviöljyt tai eläinrasvat muunnetaan rasvahappojen suoloiksi – ”saippuaksi” – ja glyseroliksi, joka on alkoholi. Reaktio edellyttää emäksen (esim. NaOH tai KOH) vesiliuosta sekä lämpöä reaktion käynnistämiseen.
Saippuoinnin reaktiovaiheet ovat seuraavat:

1. Hydroksidin nukleofiilinen hyökkäys rasvahappoestereihin
2. Lähtevän ryhmän irtoaminen
3. Deprotonoituminen

Saippuointireaktiota käytetään kaupallisesti saippuoiden ja voiteluaineiden valmistukseen.
Natriumhydroksidilla valmistettua kovaa saippuaa ja kaliumhydroksidilla valmistettua pehmeää saippuaa käytetään päivittäiseen puhdistukseen, mutta lisäksi on erikoissaippuoita, joita valmistetaan muilla metallihydroksideilla. Esimerkiksi litiumsaippuoita ja kalsiumsaippuoita käytetään voitelurasvoina. On myös ”kompleksisaippuoita”, jotka koostuvat metallisaippuoiden seoksesta.

Hydrolyysi

Hydrolyysissä orgaaninen kemiallinen aine reagoi veden kanssa muodostaen kaksi tai useampia uusia aineita. Tavallisesti hydrolyysi tarkoittaa kemiallisten sidosten katkeamista veden lisäyksen vaikutuksesta. Esterit voidaan hajottaa takaisin karboksyylihapoksi ja alkoholiksi reaktiolla veden ja emäksen kanssa. Saippuaa syntyy rasvan tai öljyn esterien hydrolyysissä.

Emäs

Öljyjen ja rasvojen saippuointiin tarvitaan emäksisiä lähtöaineita (lipeitä). Triglyseridit saatetaan reagoimaan emäksen – natrium- tai kaliumhydroksidin – kanssa, jotta muodostuu glyserolia ja rasvahapon suolaa eli niin sanottua ”saippuaa”. Kaliumhydroksidi on epäorgaaninen yhdiste, jonka kaava on KOH, ja sitä kutsutaan yleisesti kalilipeäksi. Natriumhydroksidi (NaOH) on toinen tyypillinen vahva emäs. Natriumhydroksidia käytettäessä syntyy kovaa saippuaa, kun taas kaliumhydroksidin käyttö tuottaa pehmeää saippuaa.

Lähtöaine ja reagenssi

Lähtöaine on aine, joka kuluu loppuun tai jota kulutetaan kemiallisessa reaktiossa. Reagenssiin verrattuna lähtöainetta tarvitaan suurempia määriä. Reagenssi on aine, jota käytetään reaktion käynnistämiseen ja tukemiseen ja joka kuluu reaktiossa, toisin kuin katalyytit, jotka eivät kulu reaktiossa.

Saippuointi – usein kysytyt kysymykset

• Mikä on saippuointiprosessi? Saippuointi on kemiallinen prosessi, jossa rasvat tai öljyt reagoivat emäksen (yleensä natriumhydroksidin) kanssa tuottaen saippuaa ja glyserolia. Tässä reaktiossa triglyseridit hydrolysoituvat rasvahappojen suoloiksi ja glyseroliksi.
• Minkä tyyppinen reaktio saippuointi on? Saippuointi on hydrolyysireaktio, jossa emäs hajottaa rasvojen tai öljyjen esterisidoksia.
• Miksi sitä kutsutaan saippuoinniksi? Nimi tulee sen lopputuotteesta, saippuasta, ja sen kyvystä tuottaa saippuaa triglyseridien esterisidosten hydrolyysin kautta.
• Mikä on saippuoinnin tarkoitus? Ensisijainen tarkoitus on tuottaa saippuaa, pinta-aktiivista ainetta, jota käytetään laajalti puhdistamiseen ja pesemiseen.
• Onko saippuointi hydrolyysiä? Kyllä, saippuointi on erityinen hydrolyysin tyyppi, jossa emäs hajottaa rasvoja tai öljyjä glyseroliksi ja rasvahappojen suoloiksi (saippuaksi).
• Mikä on saippuoinnin mekanismi? Siihen kuuluu hydroksidi-ionien nukleofiilinen hyökkäys triglyseridien esterisidoksen karbonyylihiileen, mikä johtaa alkoholin (glyserolin) ja saippuan muodostumiseen.
• Miksi sekoittaminen on tärkeää saippuoinnissa? Tehokas sekoittaminen varmistaa lähtöaineiden perusteellisen kosketuksen toisiinsa ja edistää täydellisempää ja tasaisempaa reaktiota, mikä on ratkaisevaa optimaalisten saantojen saavuttamiseksi. Hielscherin ultraäänisekoittimet voivat tehostaa tätä prosessia voimakkaan kavitaation ja leikkausvoimien avulla.
• Mikä on esimerkki saippuoinnista? Esimerkki saippuoinnista on natriumhydroksidin sekoittaminen kookosöljyyn Hielscherin ultraäänireaktoria käyttäen saippuan ja glyserolin tuottamiseksi.
• Mikä on saippuoinnin päätuote? Päätuotteet ovat saippua (rasvahappojen natrium- tai kaliumsuolat) ja glyseroli.
• Miksi saippuoitumisluku on tärkeä? Saippuoitumisluku ilmaisee emäksen määrän, joka tarvitaan tietyn rasva- tai öljymäärän saippuointiin, ja auttaa määrittämään sen sisältämien rasvahappojen molekyylipainon.
• Onko saippuointi palautuva reaktio? Tavanomaisissa olosuhteissa saippuointi ei ole palautuva reaktio muodostuneen saippuan stabiiliuden vuoksi.
• Mikä on saippuoinnin vastakkainen prosessi? Esteröinti, jossa vesi ja alkoholit reagoivat karboksyylihappojen kanssa muodostaen estereitä ja vettä, on käänteinen prosessi.
• Vaatiiko saippuointi lämpöä? Vaikka lämpöä ei tarvita, se voi nopeuttaa saippuointiprosessia lisäämällä molekyylien liikettä ja reaktionopeutta.
• Onko saippuointi eksoterminen vai endoterminen reaktio? Saippuointi on eksoterminen reaktio, joka vapauttaa lämpöä edetessään.
• Onko saippuointi emäksinen vai hapan reaktio? Se on emäksinen reaktio, koska siinä emäs vaikuttaa esteriin (rasvaan/öljyyn).
• Miten saippuointi pysäytetään? Hapon lisääminen emäksen neutraloimiseksi pysäyttää reaktion ja lopettaa siten saippuointiprosessin.
• Mitä tapahtuu saippuoinnin jälkeen? Kun reaktio on tapahtunut loppuun, seos koostuu yleensä saippuasta ja glyserolista, joita voidaan puhdistaa tai käsitellä edelleen käyttötarkoituksen mukaan.
• Onko saippuointi luonnollista? Kyllä, luonnollista saippuoitumista voi tapahtua, kun rasva joutuu kosketuksiin maa-alkalimetallien kanssa tietyissä geologisissa ympäristöissä tai kun muinaiset kansat sekoittivat eläinrasvoja tuhkaan perinteisissä saippuanvalmistusmenetelmissä.
• Miksi oliiviöljyä käytetään saippuoinnissa? Oliiviöljyä suositaan saippuoinnissa sen suuren öljyhappopitoisuuden vuoksi. Öljyhappo tuottaa mietoa, kosteuttavaa saippuaa, jolla on hyvät puhdistusominaisuudet ja kestävä vaahto.
• Miten rasva muutetaan saippuaksi? Rasvat muutetaan saippuaksi saippuoinnilla kuumentamalla niitä vahvan emäsliuoksen, tavallisesti natriumhydroksidiliuoksen, kanssa. Liuos hajottaa rasvan rasvahappojen suoloiksi (saippuaksi) ja glyseroliksi.
• Millä öljyllä on korkea saippuoitumisluku? Kookosöljyllä on korkea saippuoitumisluku, joka kertoo pienten rasvahappomolekyylien suuremmasta osuudesta ja tekee siitä erittäin reaktiivista emäksen kanssa saippuan muodostamiseksi.
• Mitä öljyille tapahtuu saippuoinnin aikana? Saippuoinnin aikana emäs hydrolysoi öljyt glyseroliksi ja rasvahappojen suoloiksi, joista jälkimmäiset muodostavat saippuan.
• Mikä on paras rasva saippuan valmistukseen? Talia (naudanrasvaa) ja kookosöljyä pidetään eräinä parhaista rasvoista saippuanvalmistukseen niiden lopulliselle saippuatuotteelle antamien vaahtoamis- ja kovettumisominaisuuksien vuoksi.
• Miten öljyjä saippuoidaan ilman lipeää? Öljyjen saippuointi ilman lipeää ei ole mahdollista perinteisessä saippuanvalmistuksessa. Saippuan kaltaisia puhdistusaineita voidaan kuitenkin valmistaa pinta-aktiivisilla aineilla ja emulgointiaineilla lipeään perustuvan saippuoinnin sijaan.