Saponification – Processus de fabrication du savon avec les ultrasons

La saponification est le processus chimique de fabrication du savon. Il s'agit de la réaction dans laquelle la matière première des graisses ou des huiles (triglycérides) réagit avec un réactif alcalin afin de former du savon. Les ultrasons améliorent la catalyse par transfert de phase, ce qui permet d'augmenter la vitesse de réaction, d'obtenir une conversion plus complète et d'éviter l'utilisation excessive de réactifs basiques tels que l'hydroxyde de potassium (KOH) ou l'hydroxyde de sodium (NaOH). L'hydrolyse alcaline déclenchée par ultrasons peut être facilement mise en œuvre dans la fabrication de savons commerciaux. Les réacteurs à ultrasons pour la saponification produisent un rendement plus élevé en moins de temps sans utiliser de catalyseur ou en réduisant les quantités de catalyseur utilisées.

Saponification par ultrasons

Études de cas de saponification par ultrasons

Diverses recherches ont montré que la sonication favorise la saponification des triglycérides en savon. La saponification par ultrasons accélère et augmente la conversion tout en économisant ou en évitant l'utilisation de catalyseurs. La saponification par ultrasons est donc une méthode de production très efficace.

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

Mercantili et al. (2013) ont étudié les effets des ultrasons 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 sont une source d'énergie efficace pour initier et entraîner la réaction, qu'un rendement élevé de la réaction peut être obtenu en seulement 15 minutes d'application totale d'énergie à température ambiante et qu'aucun sous-produit détectable n'est généré au cours de la réaction. La comparaison entre un bain ultrasonique et un ultrasonocateur à sonde montre que la sonde ultrasonique est la technique la plus performante. L'étude démontre que la saponification par ultrasons permet d'obtenir une bonne conversion sans nécessiter un excès d'alcali ou 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 la sonication d'huiles végétales telles que l'huile de soja pouvait être efficacement saponifiée en utilisant du KOH aqueux et différents PTC à température ambiante. Le degré de saponification a été étudié en utilisant la valeur de saponification comme référence. L'optimisation de divers paramètres tels que le temps, la sélection des catalyseurs de transfert de phase, la quantité de catalyseur utilisée, la quantité de KOH et la quantité d'eau a été effectuée 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 l'agitation, la sonication, l'agitation et la sonication, et le 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 aqueux était significativement accélérée à 35ºC sous sonication et agitation.

Ultrasons à haute performance

Hielscher Ultrasonics fournit des équipements ultrasoniques de haute performance pour les laboratoires, les projets pilotes et la production industrielle. Les 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 batch et en ligne. Tous les paramètres importants du processus – amplitude, pression, température – peuvent être contrôlées avec précision et garantir des résultats reproductibles.
La commande numérique enregistre automatiquement les paramètres du processus et les stocke sur la carte SD intégrée. Les préréglages et la commande à distance par navigateur rendent le processus de sonification très simple et convivial.
Pour de nombreuses réactions sonochimiques, une certaine température doit être maintenue, d'où l'importance du contrôle de la température. Les ultrasons numériques de Hielscher sont équipés d'un thermocouple et d'un régulateur de température. La cellule d'écoulement gainée permet la dissipation de la chaleur.
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos 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.

Qu'il faut savoir

sonochimie

Les ultrasons de puissance sont appliqués à des processus chimiques tels que la synthèse et la catalyse (également appelés sono-synthèse et sono-catalyse, respectivement) afin d'initier et d'intensifier la réaction. Diverses applications de l'irradiation ultrasonique dans la synthèse organique ont fait l'objet d'études approfondies et ont été développées pour la production industrielle. Les traitements sonochimiques peuvent augmenter la vitesse de réaction, le rendement et la sélectivité des produits souhaités dans des conditions nettement plus douces. Cela fait du traitement ultrasonique une technique de traitement efficace et respectueuse de l'environnement. La catalyse par transfert de phase (CTP) assistée par ultrasons s'est avérée être une méthode nettement plus efficace pour les réactions organiques que la même réaction dans des conditions de silence. Par exemple, la réaction de Cannizarro catalysée par une catalyse de transfert de phase assistée par ultrasons est considérablement accélérée, ce qui entraîne une conversion rapide. Un autre exemple marquant est la transestérification de triglycérides (c'est-à-dire d'huiles végétales, de graisses animales) et de méthanol en présence de KOH comme catalyseur et d'ultrasons puissants. La transestérification par ultrasons permet d'obtenir un biodiesel de haute qualité dans le cadre d'une conversion rapide et d'un processus très efficace et économique.

L'extraction par ultrasons est basée sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

Saponification

La saponification décrit la réaction chimique qui produit le savon. Dans le processus de saponification, les huiles végétales ou les graisses animales sont transformées en sels d'acides gras – le "savon" – et le glycérol, qui est un alcool. La réaction nécessite une solution de base alcaline (par exemple NaOH ou KOH) dans l'eau et de la chaleur pour l'initier.
Les étapes de la réaction de saponification sont les suivantes :

1. Attaque nucléophile des esters d'acides gras par l'hydroxyde
2. Suppression du groupe de départ
3. Déprotonation

La réaction de saponification est utilisée commercialement pour produire des savons et des lubrifiants.
Si le savon dur à base d'hydroxyde de sodium et le savon doux à base d'hydroxyde de potassium sont utilisés pour le nettoyage quotidien, il existe également des savons spéciaux fabriqués à partir 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” constitué d'un mélange de savons métalliques.

hydrolyse

L'hydrolyse implique la réaction d'un produit chimique organique avec de l'eau pour former deux ou plusieurs nouvelles substances et signifie généralement le clivage des liaisons chimiques par l'ajout d'eau. Les esters peuvent être recomposés en un acide carboxylique et un alcool par réaction avec de l'eau et une base. Le savon est produit par l'hydrolyse des esters de graisse ou d'huile.

Base alcaline

La saponification des huiles et des graisses nécessite des réactifs basiques alcalins (lessives). Les triglycérides réagissent avec une base – hydroxyde de sodium ou de potassium – afin de produire du glycérol et un sel d'acide gras, appelé "savon". L'hydroxyde de potassium est un composé inorganique de formule KOH, communément appelé potasse caustique. L'hydroxyde de sodium (NaOH) est une autre base forte typique. L'utilisation de l'hydroxyde de sodium produit un savon dur, tandis que l'utilisation de l'hydroxyde de potassium produit un savon mou.

Réactifs et réactifs

Un réactif est une substance qui est utilisée ou consommée lors d'une réaction chimique. Par rapport à un réactif, un réactif est nécessaire en plus grande quantité. Un réactif est une substance qui est utilisée pour initier une réaction, pour soutenir la réaction et qui est consommée dans une réaction, contrairement aux catalyseurs qui ne sont pas consommés dans une réaction.

Saponification – questions fréquemment posées

• Qu'est-ce que le processus de saponification ? La saponification est le processus chimique par lequel les graisses ou les huiles réagissent avec un alcali (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 où les liaisons ester des graisses ou des huiles sont brisées par un alcali.
• Pourquoi parle-t-on de saponification ? Elle doit son nom à son produit final, le savon, et à sa capacité à créer du savon par l'hydrolyse des liaisons ester dans les triglycérides.
• Quel est le but de la saponification ? L'objectif premier est de produire du savon, un agent 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 un alcali en glycérol et en sels d'acides gras (savon).
• Quel est le mécanisme de la saponification ? Elle implique l'attaque nucléophile d'ions hydroxyde sur le carbone de la liaison ester des triglycérides, conduisant à la formation d'alcool (glycérol) et de savon.
• Pourquoi le mélange est-il important pour la saponification ? Un mélange efficace assure un contact approfondi entre les réactifs, favorisant une réaction plus complète et uniforme, cruciale pour obtenir des rendements optimaux. Les mélangeurs ultrasoniques Hielscher peuvent améliorer ce processus grâce à des forces de cavitation et de cisaillement intenses.
• Qu'est-ce qu'un exemple de saponification ? Le mélange d'hydroxyde de sodium et d'huile de coco en présence d'un réacteur ultrasonique Hielscher pour produire du savon et du glycérol est un exemple de saponification.
• Quel est le principal produit 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 d'alcali nécessaire pour saponifier une quantité donnée de graisse ou d'huile, ce qui permet de déterminer le poids moléculaire des acides gras qu'elle contient.
• La saponification est-elle réversible ? Dans des conditions normales, la saponification n'est pas réversible en raison de la nature stable du savon formé.
• Quel est le contraire de la saponification ? L'estérification, où l'eau et les alcools réagissent avec les 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 processus de saponification en augmentant le mouvement 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 ? Il s'agit d'une réaction basique, car elle implique l'action d'une base (alcali) sur un ester (graisse/huile).
• Comment arrêter la saponification ? L'ajout d'un acide pour neutraliser l'alcali arrête la réaction, ce qui met fin au processus de saponification.
• Que se passe-t-il après la saponification ? Après une réaction complète, le mélange se compose généralement de savon et de glycérol, qui peuvent être purifiés ou transformés en fonction de l'utilisation prévue.
• La saponification est-elle naturelle ? Oui, la saponification naturelle peut se produire lorsque les graisses entrent en contact avec des métaux alcalino-terreux dans certains contextes géologiques ou lorsque les peuples anciens mélangeaient des graisses animales avec des cendres dans les méthodes traditionnelles de fabrication du savon.
• Pourquoi l'huile d'olive est-elle utilisée dans la saponification ? L'huile d'olive est privilégiée dans la saponification en raison de sa riche teneur en acide oléique, ce qui permet d'obtenir un savon doux et hydratant, doté de bonnes propriétés nettoyantes et d'une mousse stable.
• Comment transformer la graisse en savon ? Les graisses sont transformées en savon par saponification en les chauffant avec une solution alcaline forte, généralement de l'hydroxyde de sodium, qui décompose les graisses en sels d'acides gras (savon) et en glycérol.
• Quelle huile a un indice de saponification élevé ? L'huile de coco a un indice de saponification élevé, ce qui indique une plus grande proportion de molécules d'acides gras plus petites, ce qui la rend très réactive avec les alcalis pour produire du savon.
• Qu'arrive-t-il aux huiles lors de la saponification ? Lors de la saponification, les huiles sont hydrolysées par l'alcali en glycérol et en sels d'acides gras, ces derniers formant le savon.
• Quelle est la meilleure matière grasse pour le savon ? Le suif (graisse de bœuf) et l'huile de coco sont considérés comme les meilleures graisses pour la fabrication du savon en raison de leurs propriétés moussantes et durcissantes dans le produit final.
• Comment saponifier les huiles sans lessive ? La saponification des huiles sans lessive n'est pas possible pour la fabrication traditionnelle du savon ; toutefois, il est possible de fabriquer des nettoyants de type savon en utilisant des surfactants et des émulsifiants au lieu de la saponification à base de lessive.