Saippuoituminen – Saippuan valmistusprosessi ultraäänellä

Saippuointi on saippuan valmistuksen kemiallinen prosessi. Se on reaktio, jossa rasvojen tai öljyjen raaka-aine (triglyseridit) reagoi alkalireagenssin kanssa saippuan muodostamiseksi. Ultrasonication parantaa vaihesiirtokatalyysiä, mikä johtaa lisääntyneeseen reaktionopeuteen, täydellisempään muuntamiseen ja välttää emäsreagenssien, kuten kaliumhydroksidin (KOH) tai natriumhydroksidin (NaOH), liiallisen käytön. Ultraäänellä aloitettu emäksinen hydrolyysi voidaan helposti toteuttaa kaupallisessa saippuanvalmistuksessa. Saippuoinnin ultraäänireaktorit tuottavat suurempaa tehoa lyhyemmässä ajassa käyttämättä mitään katalyyttiä tai vähentämättä käytetyn katalyytin määrää.

Ultraäänellä edistetty saippuointi

Tapaustutkimukset ultraäänisaippuoinnista

Erilaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että sonikaatio edistää triglyseridien saippuoitumista saippuaksi. Ultraäänisaippuointi nopeuttaa ja lisää muuntamista säästäen tai välttäen katalyytin käyttöä. Tämä tekee ultraäänisaippuoinnista erittäin tehokkaan tuotantomenetelmän.

Triglyseridien emäksisen hydrolyysin ultraääni (saippuointi) ilman vaihekatalyyttiä

(2013) tutki ultrasonicationin vaikutuksia triglyseridien emäksiseen hydrolyysiin, joka tunnetaan nimellä saippuoituminen. He käyttivät sonikaatiota auringonkukkaöljyn emäksisen hydrolyysin aloittamiseksi. Kaliumhydroksidia (KOH) käytettiin alkaliemäksenä. Osoitettiin, että ultraääni on tehokas virtalähde reaktion käynnistämiseksi ja ohjaamiseksi, että korkea reaktiosaanto on saavutettavissa vain 15 minuutin kokonaistehosovelluksessa työskennellessään ympäristön lämpötilassa ja että havaittavia sivutuotteita ei synny reaktion aikana. Ultraäänihauteen ja koetintyyppisen ultraäänilaitteen vertailu osoittaa, että ultraäänianturi on ylivoimainen tekniikka. Tutkimus osoittaa, että ultraäänisaippuointi tuottaa hyvän muunnoksen ilman ylimääräistä alkali- tai faasisiirtokatalyysiä.

Triasyyliglyserolin emäksinen hydrolyysi

Ultraäänellä edistetty vaiheensiirtoreaktio saippuointiin

(1998) osoitti, että kasviöljyjen, kuten soijaöljyn, sonikaatio voitaisiin tehokkaasti saippuoida käyttämällä vesipitoista KOH: ta ja erilaisia PTC: itä huoneenlämpötilassa. Saippuoitumisen laajuutta tutkittiin käyttäen vertailukohtana saippuoitumisarvoa. Eri parametrien, kuten ajan, vaihesiirtokatalyyttien valinnan, käytetyn katalyytin määrän, KOH: n määrän ja veden määrän, optimoinnit suoritettiin sonikaatiolla ja sekoittamalla. Ultraäänen vaikutuksen tutkimiseksi saippuointi suoritettiin myös 35 ºC: ssa eri olosuhteissa, nimittäin sekoittaen, sonikaatio, sekoittaminen ja sonikaatio sekä lämmitys 100 ºC: ssa. Havaittiin, että eri kasviöljyjen heterogeeninen neste-neste-faasin saippuointi vesipitoisella KOH / CTAB: lla kiihtyi merkittävästi 35 ºC: ssa sonikoinnin ja sekoittamisen aikana.

Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet

Hielscher Ultrasonics toimittaa korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita laboratorio-, pilotti- ja teollisuustuotantoon. Kestäviä ja luotettavia ultraäänilaitteita käytetään erilaisiin sonokemiallisiin reaktioihin, kuten saippuointiin. Hielscherin koetintyyppisiä ultraäänilaitteita voidaan käyttää erä- ja inline-tilassa. Kaikki tärkeät prosessiparametrit – amplitudi, paine, lämpötila – voidaan valvoa tarkasti ja varmistaa toistettavat tulokset.
Digitaalinen ohjaus tallentaa prosessiparametrit automaattisesti ja tallentaa ne integroidulle SD-kortille. Esiasetukset ja selaimen etäohjaus tekevät sonikaatioprosessista hyvin yksinkertaisen ja käyttäjäystävällisen.
Monille sonokemiallisille reaktioille on ylläpidettävä tiettyä lämpötilaa, joten lämpötilan säätö on tärkeää. Hielscherin digitaalisissa ultraäänilaitteissa on lämpöpari ja lämpötilan säätö. Vaippainen virtauskenno mahdollistaa lämmönpoiston.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

• Bhatkhande, BS; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultraääniavusteinen PTC katalysoi kasviöljyjen saippuointia vesipitoisen alkalin avulla. 5, numero 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Triglyseridien alkalisen hydrolyysin (saippuoinnin) ultraäänialoitus ilman vaihekatalyysiä. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, tammikuu 2014. 133-141.

Faktoja, jotka kannattaa tietää

Sonokemia

Teho-ultraääntä käytetään kemiallisiin prosesseihin, kuten synteesiin ja katalyysiin (kutsutaan myös sonosynteesiksi ja sono-katalyysiksi) reaktion aloittamiseksi ja tehostamiseksi. Ultraäänisäteilyn erilaisia sovelluksia orgaanisessa synteesissä on tutkittu perusteellisesti ja kehitetty teolliseen tuotantoon. Sonokemialliset käsittelyt voivat lisätä haluttujen tuotteiden reaktionopeutta, saantoa ja selektiivisyyttä huomattavasti lievemmissä olosuhteissa. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä tehokkaan ja ympäristöystävällisen käsittelytekniikan. Ultraäänellä avustettu vaihesiirtokatalyysi (PTC) on osoittautunut huomattavasti tehokkaammaksi ja tehokkaammaksi menetelmäksi orgaanisille reaktioille verrattuna samaan reaktioon hiljaisuustilassa. Esimerkiksi ultraäänellä avustetun faasinsiirtokatalyysin katalysoima Cannizarro-reaktio nopeutuu merkittävästi, mikä johtaa nopeaan muuntumiseen. Toinen merkittävä esimerkki on triglyseridien (eli kasviöljyjen, eläinrasvojen) ja metanolin transesteröinti KOH: n läsnä ollessa katalysaattorina ja tehon ultraäänenä. Ultraäänitransesteröinti tuottaa korkealaatuista biodieseliä, joka on tuotettu nopeassa muuntamisessa ja erittäin tehokkaassa, taloudellisessa prosessissa.

Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin

Saippuoituminen

Saippuointi kuvaa kemiallista reaktiota, joka tuottaa saippuaa. Saippuointiprosessissa kasviöljyt tai eläinrasvat muunnetaan rasvahapposuoloiksi – "saippua" – ja glyseroli, joka on alkoholi. Reaktio vaatii alkaliemäksen (esim. NaOH tai KOH) liuoksen veteen ja myös lämpöä reaktion käynnistämiseksi.
Saippuoinnin reaktiovaiheet ovat seuraavat:

1. Hydroksidin aiheuttama rasvahappoestereiden nukleofiilinen hyökkäys
2. Ryhmästä poistuminen
3. deprotonaatio

Saippuoitumisreaktiota käytetään kaupallisesti saippuoiden ja voiteluaineiden valmistukseen.
Vaikka päivittäiseen puhdistukseen käytetään kovaa natriumsaippuaa ja kaliumhydroksidipehmeää saippuaa, on myös erityisiä saippuoita, jotka on valmistettu muista metallihydroksideista. Voitelurasvoina käytetään esimerkiksi litiumsaippuoita ja kalsiumsaippuoita. On myös “monimutkaiset saippuat” koostuu metallisaippuoiden seoksesta.

hydrolyysi

Hydrolyysi käsittää orgaanisen kemikaalin reaktion veden kanssa kahden tai useamman uuden aineen muodostamiseksi ja tarkoittaa yleensä kemiallisten sidosten pilkkomista lisäämällä vettä. Esterit voidaan pilkkoa takaisin karboksyylihapoksi ja alkoholiksi reagoimalla veden ja emäksen kanssa. Saippuaa tuotetaan hydrolysoimalla rasvan tai öljyn estereitä.

Emäksinen emäs

Öljyjen ja rasvojen saippuointiin tarvitaan emäksisiä emäksisiä reagenssia (lipeä). Triglyseridit reagoivat emäksen kanssa – natrium- tai kaliumhydroksidi – Glyserolin ja rasvahapposuolan, niin sanotun "saippuan" tuottamiseksi. Kaliumhydroksidi on epäorgaaninen yhdiste, jolla on kaava KOH, ja sitä kutsutaan yleisesti emäksiseksi kaliumiksi. Natriumhydroksidi (NaOH) on toinen prototyyppinen vahva emäs. Kun käytetään natriumhydroksidia, syntyy kovaa saippuaa, kun taas kaliumhydroksidin käyttö johtaa pehmeään saippuaan.

Reagenssi vs. reagenssi

Reagenssi on aine, joka käytetään loppuun tai kulutetaan kemiallisessa reaktiossa. Reagenssiin verrattuna tarvitaan reagenssia suurempina määrinä. Reagenssi on aine, jota käytetään reaktion käynnistämiseen, reaktion tukemiseen ja joka kulutetaan reaktiossa, toisin kuin katalyytit, joita ei kuluteta reaktiossa.

Saippuoituminen – Usein Kysytyt Kysymykset

• Mikä on saippuoitumisprosessi? Saippuointi on kemiallinen prosessi, jossa rasvat tai öljyt reagoivat alkalin (yleensä natriumhydroksidin) kanssa saippuan ja glyserolin tuottamiseksi. Tämä reaktio käsittää triglyseridien hydrolyysin rasvahapposuoloiksi ja glyseroliksi.
• Millainen reaktio saippuoituminen on? Saippuointi on eräänlainen hydrolyysireaktio, jossa alkali hajottaa rasvojen tai öljyjen esterisidokset.
• Miksi sitä kutsutaan saippuoitumiseksi? Se on nimetty lopputuotteestaan, saippuasta, ja sen kyvystä luoda saippuaa hydrolysoimalla esterisidoksia triglyserideissä.
• Mikä on saippuoinnin tarkoitus? Ensisijainen tarkoitus on tuottaa saippuaa, pinta-aktiivista ainetta, jota käytetään laajalti puhdistukseen ja pesuun.
• Onko saippuoituminen hydrolyysiä? Kyllä, saippuointi on erityinen hydrolyysityyppi, jossa rasvat tai öljyt hajoavat alkalilla glyseroliksi ja rasvahapposuoloiksi (saippua).
• Mikä on saippuoitumisen mekanismi? Se sisältää hydroksidi-ionien nukleofiilisen hyökkäyksen esterisidoksen karbonyylihiileen triglyserideissä, mikä johtaa alkoholin (glyseroli) ja saippuan muodostumiseen.
• Miksi sekoittaminen on tärkeää saippuoitumisen kannalta? Tehokas sekoitus varmistaa perusteellisen kosketuksen reagoivien aineiden välillä, mikä edistää täydellisempää ja tasaisempaa reaktiota, mikä on ratkaisevan tärkeää optimaalisten saantojen saavuttamiseksi. Hielscherin ultraäänisekoittimet voivat parantaa tätä prosessia voimakkaiden kavitaatio- ja leikkausvoimien avulla.
• Mikä on saippuointiesimerkki? Natriumhydroksidin sekoittaminen kookosöljyyn Hielscherin ultraäänireaktorin läsnä ollessa saippuan ja glyserolin tuottamiseksi on esimerkki saippuoitumisesta.
• Mikä on saippuoinnin päätuote? Päätuotteet ovat saippua (rasvahappojen natrium- tai kaliumsuolat) ja glyseroli.
• Miksi saippuoitumisarvo on tärkeä? Saippuoitumisarvo ilmaisee alkalimäärän, joka tarvitaan tietyn rasva- tai öljymäärän saippuointiin, mikä auttaa määrittämään sen sisältämien rasvahappojen molekyylipainon.
• Onko saippuoituminen palautuvaa? Tyypillisissä olosuhteissa saippuoituminen ei ole palautuvaa muodostuneen saippuan vakaan luonteen vuoksi.
• Mikä on saippuoinnin vastakohta? Esteröinti, jossa vesi ja alkoholit reagoivat karboksyylihappojen kanssa estereiden ja veden muodostamiseksi, on käänteinen prosessi.
• Vaatiiko saippuoituminen lämpöä? Vaikka lämpöä ei tarvita, se voi nopeuttaa saippuoitumisprosessia lisäämällä molekyyliliikettä ja reaktionopeutta.
• Onko saippuoituminen eksoterminen vai endoterminen? Saippuointi on eksoterminen reaktio, joka vapauttaa lämpöä edetessä.
• Onko saippuoituminen emäksistä vai hapanta? Se on emäksinen reaktio, koska siihen liittyy emäksen (alkalin) vaikutus esteriin (rasva/öljy).
• Kuinka lopetat saippuoitumisen? Hapon lisääminen alkalin neutraloimiseksi pysäyttää reaktion ja lopettaa saippuointiprosessin tehokkaasti.
• Mitä tapahtuu saippuoinnin jälkeen? Täydellisen reaktion jälkeen seos koostuu yleensä saippuasta ja glyserolista, joita voidaan puhdistaa tai käsitellä edelleen käyttötarkoituksen mukaan.
• Onko saippuoituminen luonnollista? Kyllä, luonnollinen saippuoituminen voi tapahtua, kun rasva joutuu kosketuksiin maa-alkalimetallien kanssa tietyissä geologisissa olosuhteissa tai kun muinaiset kansat sekoittivat eläinrasvoja tuhkaan perinteisissä saippuanvalmistusmenetelmissä.
• Miksi saippuoinnissa käytetään oliiviöljyä? Oliiviöljyä suositaan saippuoinnissa sen runsaan öljyhappopitoisuuden vuoksi, joka tuottaa miedon, kosteuttavan saippuan, jolla on hyvät puhdistusominaisuudet ja vakaa vaahto.
• Kuinka muuttaa rasva saippuaksi? Rasvat muutetaan saippuoinnin avulla saippuoimalla kuumentamalla niitä vahvalla alkaliliuoksella, tyypillisesti natriumhydroksidilla, joka hajottaa rasvan rasvahapposuoloiksi (saippuaksi) ja glyseroliksi.
• Millä öljyllä on korkea saippuoitumisarvo? Kookosöljyllä on korkea saippuoitumisarvo, mikä osoittaa suuremman osuuden pienemmistä rasvahappomolekyyleistä, mikä tekee siitä erittäin reaktiivisen alkalin kanssa saippuan tuottamiseksi.
• Mitä öljyille tapahtuu saippuoinnin aikana? Saippuoinnin aikana alkali hydrolysoi öljyt glyseroli- ja rasvahapposuoloiksi, joista jälkimmäinen muodostaa saippuan.
• Mikä on paras rasva saippualle? Talia (naudan rasvaa) ja kookosöljyä pidetään parhaina rasvoina saippuan valmistuksessa niiden vaahdotus- ja kovettumisominaisuuksien vuoksi lopullisessa saippuatuotteessa.
• Kuinka saippuoida öljyt ilman lipeää? Saippuoivat öljyt ilman lipeää eivät ole mahdollisia perinteisessä saippuanvalmistuksessa; Saippuamaisia puhdistusaineita voidaan kuitenkin valmistaa pinta-aktiivisilla aineilla ja emulgointiaineilla lipeäpohjaisen saippuoinnin sijaan.