ספוניפיקציה – תהליך ייצור סבון עם אולטרסאונד

ספוניפיקציה היא התהליך הכימי של ייצור סבון. זוהי התגובה שבה חומר הגלם של שומנים או שמנים (טריגליצרידים) מגיבים עם מגיב אלקלי על מנת ליצור סבון. אולטרה-סוניקציה משפרת את קטליזה העברת הפאזה וכתוצאה מכך מהירות תגובה מוגברת, המרה מלאה יותר ומונעת שימוש מופרז בריאגנטים בסיסיים כגון אשלגן הידרוקסיד (KOH) או נתרן הידרוקסידי (NaOH). הידרוליזה אלקליין ביוזמת אולטרה-סאונד יכולה להיות מיושמת בקלות בייצור סבון מסחרי. כורים על-קוליים לספוניפיקציה מייצרים תפוקה גבוהה יותר בזמן קצר יותר ללא שימוש בזרז כלשהו או הפחתת כמויות הזרז המשמשות.

ספוניפיקציה מקודמת אולטרה-סאונד

מקרי בוחן של ספוניפיקציה קולית

מחקרים שונים הראו כי סוניקציה מקדמת את הספוניפיקציה של טריגליצרידים לסבון. ספוניפיקציה קולית מאיצה ומגדילה את ההמרה תוך שמירה או הימנעות משימוש בזרז. זה עושה saponification קולי שיטת הייצור יעיל מאוד.

ייזום קולי של הידרוליזה אלקליין של טריגליצרידים (Saponification) ללא זרז פאזה

Mercantili et al. (2013) חקרו את ההשפעות של ultrasonication על הידרוליזה אלקליין של טריגליצרידים, המכונה saponification. הם השתמשו בסוניקציה כדי ליזום הידרוליזה בסיסית של שמן חמניות. אשלגן הידרוקסידי (KOH) שימש כבסיס אלקלי. הוכח כי אולטרסאונד יעיל כמקור כוח ליזום ולהניע את התגובה, כי תפוקת תגובה גבוהה ניתנת להשגה רק ב -15 דקות של יישום כוח כולל תוך כדי עבודה בטמפרטורת הסביבה, וכי לא נוצרים תוצרי לוואי הניתנים לגילוי במהלך התגובה. ההשוואה בין אמבטיה קולית לאולטרסאונד מסוג בדיקה מראה את הבדיקה העל-קולית כטכניקה העדיפה. המחקר מדגים כי ספוניפיקציה קולית מניבה המרה טובה ללא צורך בעודף אלקלי או קטליזה של העברת פאזה.

הידרוליזה בסיסית של טריאצילגליצרול

תגובת העברת פאזה מקודמת באולטרסאונד לספוניפיקציה

Bhatkhande et al. (1998) הראו כי סוניקציה של שמנים צמחיים כגון שמן סויה יכולה להיות מסובננת ביעילות באמצעות KOH מימי ו- PTCs שונים בטמפרטורת החדר. מידת הספוניפיקציה נחקרה באמצעות ערך הספוניפיקציה כנקודת התייחסות. אופטימיזציה של פרמטרים שונים כגון זמן, בחירת זרזי מעבר פאזה, כמות הזרז בשימוש, כמות KOH וכמות המים בוצעו באמצעות סוניקציה וערבוב. כדי ללמוד את ההשפעה של אולטרסאונד, הספוניפיקציה בוצעה גם ב 35 מעלות צלזיוס בתנאים שונים, כלומר ערבוב, סוניקציה, ערבוב וסוניקציה, וחימום ב 100 מעלות צלזיוס. נמצא כי הספוניפיקציה הפאזה הנוזלית-נוזלית ההטרוגנית של שמנים צמחיים שונים באמצעות KOH/CTAB מימי הואצה באופן משמעותי ב-35 מעלות צלזיוס תחת סוניקציה וערבוב.

אולטרה-סאונד בעל ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד קולי בעל ביצועים גבוהים עבור מעבדה, טייס וייצור תעשייתי. האולטרסאונד החזק והאמין משמש לתגובות סונוכימיות שונות כגון ספוניפיקציה. ניתן להשתמש באולטרסוניקטורים מסוג בדיקה של Hielscher במצב אצווה ומוטבע. כל פרמטרי התהליך החשובים – משרעת, לחץ, טמפרטורה – ניתן לשלוט במדויק ולהבטיח תוצאות הניתנות לשחזור.
הפקד הדיגיטלי מתעד באופן אוטומטי את פרמטרי התהליך ומאחסן אותם בכרטיס SD משולב. הגדרות מראש ושליטה מרחוק בדפדפן הופכות את תהליך הסוניקציה לפשוט מאוד וידידותי למשתמש.
עבור תגובות סונוכימיות רבות יש לשמור על טמפרטורה מסוימת, ולכן בקרת הטמפרטורה חשובה. האולטרסוניקטורים הדיגיטליים של Hielscher מגיעים עם זוג תרמי ובקרת טמפרטורה. תא זרימה מצופה מאפשר פיזור חום.
החוסן של הציוד הקולי של Hielscher מאפשר פעולה 24/7 בחובה כבדה ובסביבות תובעניות.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): אולטרסאונד בסיוע PTC זירז saponification של שמנים צמחיים באמצעות אלקלי מימי. אולטרסאונד סונוכימיה כרך 5, גיליון 1, 1998. 7-12.
• מרכנתילי, לורה; סאמוס, פרנק דייויס; Higson, P. J. (2014): ייזום קולי של הידרוליזה אלקליין של טריגליצרידים (Saponification) ללא קטליזה פאזה. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, ינואר 2014. 133-141.

עובדות שכדאי לדעת

סונוכימיה

אולטרסאונד כוח מוחל על תהליכים כימיים כגון סינתזה וקטליזה (המכונה גם סונו-סינתזה וסונו-קטליזה, בהתאמה) על מנת ליזום ולהעצים את התגובה. יישומים שונים של קרינה קולית בסינתזה אורגנית נחקרו לעומק ופותחו לייצור תעשייתי. טיפולים סונוכימיים יכולים להגביר את קצב התגובה, התשואה והסלקטיביות של המוצרים הרצויים במצב מתון משמעותית. זה הופך את הטיפול הקולי לטכניקת עיבוד יעילה וידידותית לסביבה. קטליזה של העברת פאזה בסיוע אולטרה-סאונד (PTC) הוכחה כשיטה יעילה ויעילה יותר באופן דרסטי לתגובות אורגניות בהשוואה לאותה תגובה בתנאי שקט. לדוגמה, תגובת Cannizarro המזורזת על ידי קטליזה העברת פאזה בסיוע אולטרה-סאונד מואצת באופן משמעותי וכתוצאה מכך המרה מהירה. דוגמה בולטת נוספת היא טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים (כלומר שמנים צמחיים, שומנים מן החי) ומתנול בנוכחות KOH כזרז ואולטרסאונד כוח. הטרנסאסטריפיקציה העל-קולית מניבה ביודיזל באיכות גבוהה המיוצר בהמרה מהירה ובתהליך יעיל וחסכוני מאוד.

מיצוי אולטראסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית וכוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

ספוניפיקציה

ספוניפיקציה מתארת את התגובה הכימית המייצרת סבון. בתהליך הספוניפיקציה, שמנים צמחיים או שומנים מן החי מומרים למלחי חומצות שומן – ה"סבון" – וגליצרול, שהוא אלכוהול. התגובה דורשת תמיסה של בסיס אלקלי (למשל, NaOH או KOH) במים וגם חום כדי ליזום את התגובה.
שלבי התגובה של הספוניפיקציה הם:

1. התקפה נוקלאופילית של אסטרי חומצות השומן על ידי הידרוקסיד
2. עזיבת הרחקת קבוצה
3. דה-פרוטונציה

תגובת הספוניפיקציה משמשת באופן מסחרי לייצור סבונים וחומרי סיכה.
בעוד שסבון קשה נתרן הידרוקסידי וסבון אשלגן הידרוקסידי רך משמשים לניקוי יומיומי, ישנם גם סבונים מיוחדים המיוצרים באמצעות הידרוקסידים מתכתיים אחרים. לדוגמה, סבוני ליתיום וסבוני סידן משמשים כשמני סיכה. יש גם “סבונים מורכבים” המורכב מתערובת של סבונים מתכתיים.

הידרוליזה

הידרוליזה כרוכה בתגובה של כימיקל אורגני עם מים ליצירת שני חומרים חדשים או יותר ובדרך כלל פירושה פיצול של קשרים כימיים על ידי תוספת של מים. אסטרים יכולים להיבקע בחזרה לחומצה קרבוקסילית ולאלכוהול על ידי תגובה עם מים ובסיס. סבון מיוצר על ידי הידרוליזה של אסטרים של שומן או שמן.

בסיס אלקליין

מגיבים בסיסיים בסיסיים (lyes) נדרשים לספוניפיקציה של שמנים ושומנים. הטריגליצרידים מגיבים עם בסיס – נתרן או אשלגן הידרוקסידי – על מנת לייצר גליצרול ומלח חומצת שומן, מה שנקרא "סבון". אשלגן הידרוקסיד הוא תרכובת אנאורגנית עם הנוסחה KOH, והוא נקרא בדרך כלל אשלג קאוסטי. נתרן הידרוקסידי (NaOH) הוא בסיס חזק טיפוסי נוסף. כאשר משתמשים בנתרן הידרוקסידי, נוצר סבון קשה, בעוד השימוש באשלגן הידרוקסיד גורם לסבון רך.

מגיב לעומת מגיב

מגיב הוא חומר שנוצל או נצרך בתגובה כימית. בהשוואה למגיב, מגיב נדרש בכמויות גדולות יותר. מגיב הוא חומר המשמש ליזום תגובה, לתמוך בתגובה ונצרך בתגובה, בניגוד לזרזים שאינם נצרכים בתגובה.

ספוניפיקציה – שאלות נפוצות

• מהו תהליך הספוניפיקציה? ספוניפיקציה היא התהליך הכימי שבו שומנים או שמנים מגיבים עם אלקלי (בדרך כלל נתרן הידרוקסידי) כדי לייצר סבון וגליצרול. תגובה זו כוללת הידרוליזה של טריגליצרידים לתוך מלחי חומצות שומן וגליצרול.
• איזה סוג של תגובה הוא ספוניפיקציה? ספוניפיקציה היא סוג של תגובת הידרוליזה שבה קשרי אסטר בשומנים או בשמנים מתפרקים על ידי אלקלי.
• למה זה נקרא ספוניפיקציה? הוא נקרא על שם המוצר הסופי שלו, סבון, ויכולתו ליצור סבון באמצעות הידרוליזה של קשרי אסטר בטריגליצרידים.
• מהי מטרת הספוניפיקציה? המטרה העיקרית היא לייצר סבון, חומר פעילי שטח הנמצא בשימוש נרחב לניקוי ושטיפה.
• האם ספוניפיקציה היא הידרוליזה? כן, ספוניפיקציה היא סוג מסוים של הידרוליזה הכוללת פירוק של שומנים או שמנים על ידי אלקלי לגליצרול ומלחי חומצות שומן (סבון).
• מהו מנגנון הספוניפיקציה? זה כרוך התקפה נוקלאופילית של יוני הידרוקסיד על פחמן קרבוניל של קשר אסטר בטריגליצרידים, המוביל להיווצרות של אלכוהול (גליצרול) וסבון.
• מדוע ערבוב חשוב לספוניפיקציה? ערבוב יעיל מבטיח מגע יסודי בין המגיבים, ומקדם תגובה מלאה ואחידה יותר, החיונית להשגת תפוקה אופטימלית. מיקסרים קוליים Hielscher יכול לשפר את התהליך הזה באמצעות cavitation אינטנסיבי כוחות גזירה.
• מהי דוגמה לספוניפיקציה? ערבוב נתרן הידרוקסידי עם שמן קוקוס בנוכחות כור קולי Hielscher לייצר סבון גליצרול מדגים saponification.
• מהו התוצר העיקרי של הספוניפיקציה? המוצרים העיקריים הם סבון (מלחי נתרן או אשלגן של חומצות שומן) וגליצרול.
• מדוע ערך הספוניפיקציה חשוב? ערך הספוניפיקציה מציין את כמות האלקליות הדרושה לספוניפיקציה של כמות נתונה של שומן או שמן, ועוזר לקבוע את המשקל המולקולרי של חומצות השומן שהוא מכיל.
• האם ספוניפיקציה הפיכה? בתנאים טיפוסיים, ספוניפיקציה אינה הפיכה בשל אופיו היציב של הסבון שנוצר.
• מה ההפך מספוניפיקציה? אסטריפיקציה, שבה מים ואלכוהולים מגיבים עם חומצות קרבוקסיליות ליצירת אסטרים ומים, היא התהליך ההפוך.
• האם ספוניפיקציה דורשת חום? אמנם אין צורך, חום יכול להאיץ את תהליך הספוניפיקציה על ידי הגברת התנועה המולקולרית ומהירות התגובה.
• האם ספוניפיקציה היא אקסותרמית או אנדותרמית? ספוניפיקציה היא תגובה אקסותרמית, המשחררת חום תוך כדי התקדמותו.
• האם ספוניפיקציה היא בסיסית או חומצית? זוהי תגובה בסיסית, שכן היא כוללת פעולה של בסיס (אלקלי) על אסטר (שומן / שמן).
• איך עוצרים את הספוניפיקציה? הוספת חומצה כדי לנטרל את אלקלי מפסיק את התגובה, למעשה להפסיק את תהליך saponification.
• מה קורה לאחר הספוניפיקציה? לאחר תגובה מלאה, התערובת מורכבת בדרך כלל מסבון וגליצרול, אשר עשויים להיות מטוהרים או מעובדים עוד יותר בהתאם לשימוש המיועד.
• האם הספוניפיקציה טבעית? כן, ספוניפיקציה טבעית יכולה להתרחש כאשר שומן בא במגע עם מתכות אדמה בסיסיות בסביבות גיאולוגיות מסוימות או כאשר עמים קדומים ערבבו שומנים מן החי עם אפר בשיטות מסורתיות לייצור סבון.
• מדוע משתמשים בשמן זית בספוניפיקציה? שמן זית מועדף saponification בשל התוכן העשיר של חומצה אולאית, אשר מניב סבון מתון, לחות עם תכונות ניקוי טוב קצף יציב.
• איך להפוך שומן לסבון? שומנים הופכים לסבון באמצעות ספוניפיקציה על ידי חימום שלהם בתמיסה אלקלית חזקה, בדרך כלל נתרן הידרוקסידי, אשר מפרק את השומן למלחי חומצות שומן (סבון) וגליצרול.
• לאיזה שמן יש ערך ספוניפיקציה גבוה? שמן קוקוס יש ערך saponification גבוה, המציין שיעור גבוה יותר של מולקולות חומצות שומן קטנות יותר, מה שהופך אותו מאוד תגובתי עם אלקלי לייצר סבון.
• מה קורה לשמנים במהלך הספוניפיקציה? במהלך הספוניפיקציה, שמנים הם hydrolyzed על ידי אלקלי לתוך גליצרול וחומצות שומן מלחים, האחרון יוצר את הסבון.
• מהו השומן הטוב ביותר לסבון? טלו (שומן בקר) ושמן קוקוס נחשבים לכמה מהשומנים הטובים ביותר להכנת סבון בשל תכונות ההקצפה וההתקשות שלהם במוצר הסבון הסופי.
• כיצד saponify שמנים ללא lye? שמני ספוניזציה ללא ליי אינם אפשריים להכנת סבון מסורתי; עם זאת, ניתן לייצר חומרי ניקוי דמויי סבון באמצעות חומרים פעילי שטח ומתחלבים במקום ספוניפיקציה על בסיס ליי.