Saponification – Procédé de fabrication du savon par ultrasons

La saponification est le procédé chimique de fabrication du savon. Il s’agit de la réaction au cours de laquelle les matières premières, constituées de graisses ou d’huiles (triglycérides), réagissent avec un réactif alcalin pour former du savon. La sonication améliore la catalyse par transfert de phase, ce qui augmente la vitesse de réaction, permet une conversion plus complète et évite l’utilisation excessive de réactifs basiques tels que l’hydroxyde de potassium (KOH) ou l’hydroxyde de sodium (NaOH). L’hydrolyse alcaline initiée par ultrasons peut être facilement intégrée à la fabrication commerciale de savon. Les réacteurs à ultrasons destinés à la saponification permettent une production accrue en moins de temps, sans utiliser de catalyseur ou en réduisant les quantités de catalyseur utilisées.

Saponification favorisée par ultrasons

Études de cas sur la saponification par ultrasons

Diverses études ont montré que la sonication favorise la saponification des triglycérides en savon. La saponification par ultrasons accélère la conversion et en augmente le taux, tout en réduisant ou en évitant l’utilisation de catalyseur. Cela fait de la saponification par ultrasons une méthode de production très efficace.

Initiation par ultrasons de l’hydrolyse alcaline des triglycérides (saponification) sans catalyseur de transfert de phase

Mercantili et al. (2013) ont étudié les effets de la sonication sur l’hydrolyse alcaline des triglycérides, connue sous le nom de saponification. Ils ont utilisé la sonication pour initier l’hydrolyse alcaline de l’huile de tournesol. L’hydroxyde de potassium (KOH) a été utilisé comme base alcaline. Il a été démontré que les ultrasons constituent une source d’énergie efficace pour initier et entretenir la réaction, qu’un rendement réactionnel élevé peut être obtenu avec seulement 15 min d’application totale d’énergie à température ambiante et qu’aucun sous-produit détectable n’est généré pendant la réaction. La comparaison entre un bain à ultrasons et un appareil à ultrasons à sonde montre que la sonde à ultrasons constitue la technique supérieure. L’étude démontre que la saponification par ultrasons permet d’obtenir une bonne conversion sans nécessiter d’excès de base ni de catalyse par transfert de phase.

Hydrolyse alcaline du triacylglycérol

Réaction de transfert de phase favorisée par ultrasons pour la saponification

Bhatkhande et al. (1998) ont montré que des huiles végétales telles que l’huile de soja pouvaient être efficacement saponifiées par sonication à température ambiante, en utilisant du KOH en solution aqueuse et différents catalyseurs de transfert de phase (PTC). Le degré de saponification a été étudié en utilisant l’indice de saponification comme référence. Divers paramètres, tels que la durée, le choix des catalyseurs de transfert de phase, la quantité de catalyseur utilisée, la quantité de KOH et la quantité d’eau, ont été optimisés en utilisant la sonication et l’agitation. Pour étudier l’effet des ultrasons, la saponification a également été réalisée à 35ºC dans différentes conditions, à savoir sous agitation, sous sonication, sous agitation et sonication, ainsi qu’avec un chauffage à 100ºC. Il a été constaté que la saponification hétérogène en phase liquide-liquide de différentes huiles végétales à l’aide de KOH/CTAB en milieu aqueux était considérablement accélérée à 35ºC sous sonication et agitation.

Appareils à ultrasons haute performance

Hielscher Ultrasonics fournit des équipements à ultrasons haute performance pour le laboratoire, les installations pilotes et la production industrielle. Ces appareils à ultrasons robustes et fiables sont utilisés pour diverses réactions sonochimiques, telles que la saponification. Les appareils à ultrasons à sonde de Hielscher peuvent être utilisés en mode discontinu et en ligne. Tous les paramètres importants du procédé – amplitude, pression, température – peuvent être contrôlés avec précision et garantissent des résultats reproductibles.
La commande numérique enregistre automatiquement les paramètres du procédé et les stocke sur la carte SD intégrée. Les préréglages et la commande à distance par navigateur rendent le procédé de sonication très simple et convivial.
Pour de nombreuses réactions sonochimiques, une température donnée doit être maintenue ; le contrôle de la température est donc important. Les appareils à ultrasons numériques de Hielscher sont équipés d’un thermocouple et d’un système de contrôle de la température. Les cellules à circulation à double enveloppe permettent de dissiper la chaleur.
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :

• 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.

Informations utiles

Sonochimie

Les ultrasons de puissance sont appliqués à des procédés chimiques tels que la synthèse et la catalyse (également appelées respectivement sonosynthèse et sonocatalyse) afin d’initier et d’intensifier la réaction. Diverses applications de l’irradiation ultrasonore en synthèse organique ont été étudiées en profondeur et développées pour la production industrielle. Les traitements sonochimiques peuvent augmenter la vitesse de réaction, le rendement et la sélectivité en faveur des produits souhaités dans des conditions nettement plus douces. Cela fait du traitement par ultrasons une technique de traitement efficace et respectueuse de l’environnement. Il a été démontré que la catalyse par transfert de phase (PTC) assistée par ultrasons est une méthode considérablement plus efficace et performante pour les réactions organiques que la même réaction sans ultrasons. Par exemple, la réaction de Cannizarro catalysée par une catalyse par transfert de phase assistée par ultrasons est considérablement accélérée, ce qui permet une conversion rapide. Un autre exemple notable est la transestérification des triglycérides (c’est-à-dire des huiles végétales et des graisses animales) et du méthanol en présence de KOH comme catalyseur et d’ultrasons de puissance. La transestérification par ultrasons permet d’obtenir un biodiesel de haute qualité grâce à une conversion rapide et à un procédé très efficace et économique.

L’extraction par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques

Saponification

La saponification désigne la réaction chimique qui produit du savon. Au cours du procédé de saponification, les huiles végétales ou les graisses animales sont converties en sels d’acides gras – le « savon » – et en glycérol, qui est un alcool. La réaction nécessite une solution aqueuse d’une base alcaline (par exemple NaOH ou KOH), ainsi qu’un apport de chaleur pour être initiée.
Les étapes de la réaction de saponification sont les suivantes :

1. Attaque nucléophile des esters d’acides gras par l’ion hydroxyde
2. Élimination du groupe partant
3. Déprotonation

La réaction de saponification est utilisée commercialement pour produire des savons et des lubrifiants.
Les savons durs obtenus avec l’hydroxyde de sodium et les savons mous obtenus avec l’hydroxyde de potassium sont utilisés pour le nettoyage quotidien, mais il existe également des savons spéciaux produits à l’aide d’autres hydroxydes métalliques. Par exemple, les savons de lithium et les savons de calcium sont utilisés comme graisses lubrifiantes. Il existe également des « savons complexes » constitués d’un mélange de savons métalliques.

Hydrolyse

L’hydrolyse implique la réaction d’une substance chimique organique avec l’eau pour former deux nouvelles substances ou plus et désigne généralement la rupture de liaisons chimiques par addition d’eau. Les esters peuvent être scindés pour redonner un acide carboxylique et un alcool par réaction avec de l’eau et une base. Le savon est produit par hydrolyse des esters des graisses ou des huiles.

Base alcaline

Des réactifs basiques alcalins (lessives alcalines) sont nécessaires à la saponification des huiles et des graisses. Les triglycérides réagissent avec une base – l’hydroxyde de sodium ou de potassium – pour produire du glycérol et un sel d’acide gras, appelé « savon ». L’hydroxyde de potassium est un composé inorganique de formule KOH, couramment appelé potasse caustique. L’hydroxyde de sodium (NaOH) est une autre base forte typique. L’utilisation d’hydroxyde de sodium produit un savon dur, tandis que l’utilisation d’hydroxyde de potassium donne un savon mou.

Réactant et réactif

Un réactant est une substance qui est épuisée ou consommée au cours d’une réaction chimique. Par rapport à un réactif, un réactant est nécessaire en plus grande quantité. Un réactif est une substance utilisée pour initier une réaction et la favoriser, et qui est consommée au cours de la réaction, contrairement aux catalyseurs, qui ne sont pas consommés au cours d’une réaction.

Saponification – Questions fréquentes

• Qu’est-ce que le procédé de saponification ? La saponification est le procédé chimique au cours duquel des graisses ou des huiles réagissent avec une base alcaline (généralement l’hydroxyde de sodium) pour produire du savon et du glycérol. Cette réaction implique l’hydrolyse des triglycérides en sels d’acides gras et en glycérol.
• Quel type de réaction est la saponification ? La saponification est un type de réaction d’hydrolyse au cours duquel les liaisons ester des graisses ou des huiles sont rompues par une base alcaline.
• Pourquoi l’appelle-t-on saponification ? Elle tire son nom de son produit final, le savon, et de sa capacité à créer du savon par hydrolyse des liaisons ester des triglycérides.
• Quel est le but de la saponification ? Le but principal est de produire du savon, un tensioactif largement utilisé pour le nettoyage et le lavage.
• La saponification est-elle une hydrolyse ? Oui, la saponification est un type spécifique d’hydrolyse impliquant la décomposition des graisses ou des huiles par une base alcaline en glycérol et en sels d’acides gras (savon).
• Quel est le mécanisme de la saponification ? Il implique l’attaque nucléophile des ions hydroxyde sur le carbone du groupe carbonyle de la liaison ester des triglycérides, conduisant à la formation d’un alcool (glycérol) et de savon.
• Pourquoi le mélange est-il important pour la saponification ? Un mélange efficace assure un contact étroit entre les réactants, favorisant une réaction plus complète et uniforme, essentielle pour obtenir des rendements optimaux. Les mélangeurs à ultrasons Hielscher peuvent améliorer ce procédé grâce à une cavitation intense et à des forces de cisaillement.
• Quel est un exemple de saponification ? Le mélange d’hydroxyde de sodium avec de l’huile de coco en présence d’un réacteur à ultrasons Hielscher pour produire du savon et du glycérol est un exemple de saponification.
• Quel est le produit principal de la saponification ? Les principaux produits sont le savon (sels de sodium ou de potassium d’acides gras) et le glycérol.
• Pourquoi l’indice de saponification est-il important ? L’indice de saponification indique la quantité de base alcaline nécessaire pour saponifier une quantité donnée de graisse ou d’huile, ce qui aide à déterminer la masse moléculaire des acides gras qu’elle contient.
• La saponification est-elle réversible ? Dans les conditions habituelles, la saponification n’est pas réversible en raison de la stabilité du savon formé.
• Quel est le processus inverse de la saponification ? L’estérification, au cours de laquelle l’eau et les alcools réagissent avec des acides carboxyliques pour former des esters et de l’eau, est le processus inverse.
• La saponification nécessite-t-elle de la chaleur ? Bien qu’elle ne soit pas nécessaire, la chaleur peut accélérer le procédé de saponification en augmentant l’agitation moléculaire et la vitesse de réaction.
• La saponification est-elle exothermique ou endothermique ? La saponification est une réaction exothermique qui libère de la chaleur au fur et à mesure de son déroulement.
• La saponification est-elle basique ou acide ? C’est une réaction basique, car elle implique l’action d’une base alcaline sur un ester (graisse/huile).
• Comment arrêter la saponification ? L’ajout d’un acide pour neutraliser la base alcaline arrête la réaction, mettant ainsi fin au procédé de saponification.
• Que se passe-t-il après la saponification ? Une fois la réaction terminée, le mélange se compose généralement de savon et de glycérol, qui peuvent être purifiés ou subir un traitement supplémentaire selon l’usage prévu.
• La saponification est-elle naturelle ? Oui, une saponification naturelle peut se produire lorsque des graisses entrent en contact avec des métaux alcalino-terreux dans certains contextes géologiques, ou lorsque des peuples anciens mélangeaient des graisses animales avec des cendres selon des méthodes traditionnelles de fabrication du savon.
• Pourquoi utilise-t-on l’huile d’olive pour la saponification ? L’huile d’olive est appréciée pour la saponification en raison de sa teneur élevée en acide oléique, qui permet d’obtenir un savon doux et hydratant, doté de bonnes propriétés nettoyantes et d’une mousse stable.
• Comment transformer une graisse en savon ? Les graisses sont transformées en savon par saponification en les chauffant avec une solution de base alcaline forte, généralement de l’hydroxyde de sodium, qui décompose la graisse en sels d’acides gras (savon) et en glycérol.
• Quelle huile possède un indice de saponification élevé ? L’huile de coco possède un indice de saponification élevé, indiquant une proportion plus importante de molécules d’acides gras de plus petite taille, ce qui la rend très réactive avec une base alcaline pour produire du savon.
• Que deviennent les huiles pendant la saponification ? Pendant la saponification, les huiles sont hydrolysées par la base alcaline en glycérol et en sels d’acides gras, ces derniers constituant le savon.
• Quelle est la meilleure matière grasse pour le savon ? Le suif (graisse de bœuf) et l’huile de coco sont considérés comme faisant partie des meilleures matières grasses pour la fabrication du savon en raison de leur capacité à faire mousser et à durcir le savon final.
• Comment saponifier des huiles sans lessive alcaline ? Il n’est pas possible de saponifier des huiles sans lessive alcaline pour fabriquer du savon traditionnel ; cependant, des nettoyants semblables au savon peuvent être fabriqués à l’aide de tensioactifs et d’émulsifiants, au lieu de recourir à une saponification à base de lessive alcaline.