סיבון – תהליך ייצור סבון באמצעות אולטרסאונד

סיבון הוא התהליך הכימי של ייצור סבון. זוהי תגובה שבה חומר הגלם, שומנים או שמנים (טריגליצרידים), מגיב עם מגיב בסיסי ליצירת סבון. טיפול אולטרסוני משפר את הקטליזה במעבר בין פאזות, וכך מגביר את מהירות התגובה, מביא להמרה מלאה יותר ומונע שימוש מופרז בריאגנטים בסיסיים כגון אשלגן הידרוקסידי (KOH) או נתרן הידרוקסידי (NaOH). ניתן לשלב בקלות הידרוליזה בסיסית המאותחלת באמצעות אולטרסאונד בייצור מסחרי של סבון. כורים אולטרסוניים לסיבון מפיקים תפוקה גבוהה יותר בזמן קצר יותר, ללא שימוש בזרז כלשהו או תוך הפחתת כמויות הזרז שבשימוש.

סיבון המואץ באמצעות אולטרסאונד

מחקרי מקרה של סיבון אולטרסוני

מחקרים שונים הראו שסוניקציה מקדמת את סיבון הטריגליצרידים לסבון. סיבון אולטרסוני מאיץ את ההמרה ומגדיל את שיעורה, תוך צמצום השימוש בזרז או הימנעות משימוש בו. הדבר הופך את הסיבון האולטרסוני לשיטת ייצור יעילה ביותר.

אתחול אולטרסוני של הידרוליזה בסיסית של טריגליצרידים (סיבון) ללא זרז פאזה

Mercantili ועמיתיה (2013) חקרו את השפעות הטיפול האולטרסוני על ההידרוליזה הבסיסית של טריגליצרידים, הידועה בשם סיבון. הם השתמשו בסוניקציה כדי לאתחל את ההידרוליזה הבסיסית של שמן חמניות. אשלגן הידרוקסידי (KOH) שימש כבסיס. הוכח שאולטרסאונד יעיל כמקור אנרגיה לאתחול התגובה ולהנעתה, שניתן להשיג נצולת תגובה גבוהה בזמן הפעלה כולל של 15 min בלבד בטמפרטורת הסביבה, ושלא נוצרים במהלך התגובה תוצרי לוואי הניתנים לגילוי. ההשוואה בין אמבט אולטרסוני לבין מכשיר אולטרסוני מסוג גשוש מראה שהגשוש האולטרסוני הוא הטכניקה העדיפה. המחקר מראה שסיבון אולטרסוני מניב המרה טובה ללא צורך בעודף בסיס או בקטליזה במעבר בין פאזות.

הידרוליזה בסיסית של טריאצילגליצרול

תגובת מעבר בין פאזות המואצת באמצעות אולטרסאונד לצורך סיבון

Bhatkhande ועמיתיו (1998) הראו שניתן לסבן ביעילות שמנים צמחיים, כגון שמן סויה, באמצעות סוניקציה, תוך שימוש ב-KOH מימי ובזרזי מעבר בין פאזות (PTCs) שונים בטמפרטורת החדר. היקף הסיבון נחקר תוך שימוש במספר הסיבון כמדד ייחוס. בוצעה אופטימיזציה של פרמטרים שונים, כגון זמן, בחירת זרזי מעבר בין פאזות, כמות הזרז שבשימוש, כמות ה-KOH וכמות המים, תוך שימוש בסוניקציה ובערבול. כדי לחקור את השפעת האולטרסאונד, הסיבון בוצע גם ב-35ºC בתנאים שונים, כלומר ערבול, סוניקציה, ערבול וסוניקציה, וחימום ב-100ºC. נמצא שסיבון במערכת הטרוגנית של פאזות נוזל–נוזל של שמנים צמחיים שונים, תוך שימוש ב-KOH/CTAB מימי, הואץ משמעותית ב-35ºC תחת סוניקציה וערבול.

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לשימוש במעבדה, במתקני פיילוט ובייצור תעשייתי. המכשירים האולטרסוניים העמידים והאמינים משמשים לתגובות סונוכימיות שונות, כגון סיבון. ניתן להשתמש במכשירים האולטרסוניים מסוג גשוש של Hielscher במצב מנתי ובמצב רציף בקו הייצור. ניתן לשלוט במדויק בכל פרמטרי התהליך החשובים – משרעת, לחץ וטמפרטורה – ולהבטיח תוצאות הניתנות לשחזור.
מערכת הבקרה הדיגיטלית מתעדת אוטומטית את פרמטרי התהליך ושומרת אותם בכרטיס ה-SD המובנה. הגדרות מקדימות ושליטה מרחוק באמצעות דפדפן הופכות את תהליך הסוניקציה לפשוט מאוד וידידותי למשתמש.
בתגובות סונוכימיות רבות יש לשמור על טמפרטורה מסוימת, ולכן בקרת הטמפרטורה חשובה. המכשירים האולטרסוניים הדיגיטליים של Hielscher מצוידים בצמד תרמי ובבקרת טמפרטורה. תא זרימה בעל מעטפת מאפשר פיזור חום.
עמידות הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

• 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.

עובדות שכדאי לדעת

סונוכימיה

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מיושם בתהליכים כימיים כגון סינתזה וקטליזה (הנקראות גם סונו-סינתזה וסונו-קטליזה, בהתאמה) כדי להתחיל את התגובה ולהעצים אותה. יישומים שונים של הקרנה אולטרסונית בסינתזה אורגנית נחקרו לעומק ופותחו לייצור תעשייתי. טיפולים סונוכימיים יכולים להגביר את קצב התגובה, את הניצולת ואת הסלקטיביות לקבלת התוצרים הרצויים בתנאים מתונים משמעותית. הדבר הופך את הטיפול האולטרסוני לשיטת עיבוד יעילה וידידותית לסביבה. קטליזה במעבר בין פאזות (PTC) בסיוע אולטרסאונד הוכחה כשיטה יעילה ואפקטיבית במידה ניכרת לתגובות אורגניות בהשוואה לאותה תגובה בתנאים ללא אולטרסאונד. לדוגמה, תגובת Cannizarro המזורזת באמצעות קטליזה במעבר בין פאזות בסיוע אולטרסאונד מואצת משמעותית ומביאה להמרה מהירה. דוגמה בולטת נוספת היא טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים (כלומר שמנים צמחיים ושומנים מן החי) ומתנול בנוכחות KOH כזרז ואולטרסאונד בעוצמה גבוהה. הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית מניבה ביודיזל באיכות גבוהה, המיוצר בהמרה מהירה ובתהליך יעיל מאוד וחסכוני.

מיצוי אולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית ועל כוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

סיבון

סיבון הוא התגובה הכימית המייצרת סבון. בתהליך הסיבון, שמנים צמחיים או שומנים מן החי מומרים למלחים של חומצות שומן – ה״סבון״ – ולגליצרול, שהוא כוהל. התגובה דורשת תמיסה של בסיס אלקלי (למשל NaOH או KOH) במים, וכן חום כדי להתחיל את התגובה.
שלבי תגובת הסיבון הם:

1. התקפה נוקלאופילית של יון ההידרוקסיד על האסטרים של חומצות השומן
2. סילוק הקבוצה העוזבת
3. דה-פרוטונציה

תגובת הסיבון משמשת באופן מסחרי לייצור סבונים וחומרי סיכה.
בעוד שסבון קשה המיוצר באמצעות נתרן הידרוקסיד וסבון רך המיוצר באמצעות אשלגן הידרוקסיד משמשים לניקוי יומיומי, קיימים גם סבונים מיוחדים המיוצרים באמצעות הידרוקסידים של מתכות אחרות. לדוגמה, סבוני ליתיום וסבוני סידן משמשים כמשחות סיכה. קיימים גם "סבונים מורכבים" המורכבים מתערובת של סבוני מתכות.

הידרוליזה

הידרוליזה כרוכה בתגובה של חומר כימי אורגני עם מים ליצירת שני חומרים חדשים או יותר, ובדרך כלל פירושה ביקוע קשרים כימיים באמצעות הוספת מים. ניתן לבקע אסטרים בחזרה לחומצה קרבוקסילית ולאלכוהול באמצעות תגובה עם מים ובסיס. סבון מיוצר באמצעות הידרוליזה של האסטרים שבשומן או בשמן.

בסיס אלקלי

לסיבון שמנים ושומנים נדרשים מגיבים בסיסיים אלקליים (תמיסות בסיס מאכלות). הטריגליצרידים מגיבים עם בסיס – נתרן הידרוקסידי או אשלגן הידרוקסידי – כדי לייצר גליצרול ומלח של חומצת שומן, המכונה ״סבון״. אשלגן הידרוקסידי הוא תרכובת אי־אורגנית שנוסחתה KOH, והוא מכונה בדרך כלל אשלג מאכל. נתרן הידרוקסידי (NaOH) הוא דוגמה טיפוסית נוספת לבסיס חזק. כאשר משתמשים בנתרן הידרוקסידי, נוצר סבון קשה, ואילו השימוש באשלגן הידרוקסידי מניב סבון רך.

מגיב לעומת ריאגנט

מגיב הוא חומר שמתכלה או נצרך בתגובה כימית. בהשוואה לריאגנט, מגיב נדרש בכמויות גדולות יותר. ריאגנט הוא חומר המשמש להתחלת תגובה ולתמיכה בה, ונצרך בתגובה, בניגוד לזרזים שאינם נצרכים בתגובה.

סיבון – שאלות נפוצות

• מהו תהליך הסיבון? סיבון הוא תהליך כימי שבו שומנים או שמנים מגיבים עם בסיס אלקלי (בדרך כלל נתרן הידרוקסידי) ליצירת סבון וגליצרול. תגובה זו כוללת הידרוליזה של טריגליצרידים למלחי חומצות שומן ולגליצרול.
• איזה סוג של תגובה הוא סיבון? סיבון הוא סוג של תגובת הידרוליזה שבה קשרים אסטריים בשומנים או בשמנים מתפרקים באמצעות בסיס אלקלי.
• מדוע התהליך נקרא סיבון? התהליך נקרא על שם התוצר הסופי שלו, סבון, ועל שם יכולתו ליצור סבון באמצעות הידרוליזה של קשרים אסטריים בטריגליצרידים.
• מהי מטרת הסיבון? המטרה העיקרית היא לייצר סבון, חומר פעיל שטח הנמצא בשימוש נרחב לניקוי ולרחצה.
• האם סיבון הוא הידרוליזה? כן, סיבון הוא סוג מסוים של הידרוליזה הכולל פירוק של שומנים או שמנים באמצעות בסיס אלקלי לגליצרול ולמלחי חומצות שומן (סבון).
• מהו מנגנון הסיבון? הוא כולל התקפה נוקלאופילית של יוני הידרוקסיד על פחמן הקרבוניל של הקשר האסטרי בטריגליצרידים, המובילה ליצירת אלכוהול (גליצרול) וסבון.
• מדוע ערבוב חשוב לסיבון? ערבוב יעיל מבטיח מגע יסודי בין המגיבים ומקדם תגובה מלאה ואחידה יותר, החיונית להשגת נצולות מיטביות. מערבלים אולטרסוניים של Hielscher יכולים לשפר תהליך זה באמצעות קוויטציה עזה וכוחות גזירה.
• מהי דוגמה לסיבון? ערבוב נתרן הידרוקסידי עם שמן קוקוס בנוכחות כור אולטרסוני של Hielscher ליצירת סבון וגליצרול הוא דוגמה לסיבון.
• מהו התוצר העיקרי של סיבון? התוצרים העיקריים הם סבון (מלחי נתרן או אשלגן של חומצות שומן) וגליצרול.
• מדוע ערך הסיבון חשוב? ערך הסיבון מציין את כמות הבסיס האלקלי הנדרשת לסיבון כמות נתונה של שומן או שמן, ומסייע לקבוע את המשקל המולקולרי של חומצות השומן המצויות בו.
• האם סיבון הוא הפיך? בתנאים טיפוסיים, סיבון אינו הפיך בשל אופיו היציב של הסבון שנוצר.
• מהו התהליך ההפוך לסיבון? אסטריפיקציה, שבה מים וכוהלים מגיבים עם חומצות קרבוקסיליות ליצירת אסטרים ומים, היא התהליך ההפוך.
• האם סיבון דורש חום? אף שחום אינו נדרש, הוא יכול להאיץ את תהליך הסיבון באמצעות הגברת התנועה המולקולרית ומהירות התגובה.
• האם סיבון הוא אקסותרמי או אנדותרמי? סיבון הוא תגובה אקסותרמית, המשחררת חום תוך כדי התקדמותה.
• האם סיבון הוא בסיסי או חומצי? זוהי תגובה בסיסית, שכן היא כוללת פעולה של בסיס אלקלי על אסטר (שומן/שמן).
• כיצד עוצרים סיבון? הוספת חומצה לנטרול הבסיס האלקלי עוצרת את התגובה, ובכך מפסיקה למעשה את תהליך הסיבון.
• מה קורה לאחר הסיבון? לאחר השלמת התגובה, התערובת מורכבת בדרך כלל מסבון ומגליצרול, שאותם ניתן לטהר או לעבד בהמשך בהתאם לשימוש המיועד.
• האם סיבון הוא תהליך טבעי? כן, סיבון טבעי יכול להתרחש כאשר שומן בא במגע עם מתכות אלקליות עפרוריות בסביבות גאולוגיות מסוימות, או כאשר עמים קדומים ערבבו שומנים מן החי עם אפר בשיטות מסורתיות לייצור סבון.
• מדוע משתמשים בשמן זית לסיבון? שמן זית מועדף לסיבון בשל תכולתו העשירה בחומצה אולאית, המניבה סבון עדין המעניק לחות, בעל תכונות ניקוי טובות וקצף יציב.
• כיצד הופכים שומן לסבון? שומנים הופכים לסבון באמצעות סיבון על ידי חימומם עם תמיסה של בסיס חזק, בדרך כלל נתרן הידרוקסידי, המפרק את השומן למלחים של חומצות שומן (סבון) ולגליצרול.
• לאיזה שמן יש ערך סיבון גבוה? לשמן קוקוס יש ערך סיבון גבוה, המעיד על שיעור גבוה יותר של מולקולות קטנות יותר של חומצות שומן, ולכן הוא מגיב בקלות רבה עם בסיס ליצירת סבון.
• מה קורה לשמנים במהלך הסיבון? במהלך הסיבון, השמנים עוברים הידרוליזה בהשפעת הבסיס ומתפרקים לגליצרול ולמלחים של חומצות שומן, והמלחים הללו יוצרים את הסבון.
• מהו השומן הטוב ביותר לייצור סבון? חֵלֶב (שומן בקר) ושמן קוקוס נחשבים לכמה מהשומנים הטובים ביותר לייצור סבון, בזכות תכונות ההקצפה וההקשיה שהם מקנים למוצר הסבון הסופי.
• כיצד מסבנים שמנים ללא בורית? אי אפשר לסבן שמנים ללא בורית בייצור סבון מסורתי; עם זאת, ניתן לייצר חומרי ניקוי דמויי סבון באמצעות חומרים פעילי שטח וחומרים מתחלבים במקום סיבון המבוסס על בורית.