Elszappanosítás – Szappankészítési folyamat ultrahanggal

A szappanosítás a szappankészítés kémiai folyamata. Ez az a reakció, amelyben a zsírok vagy olajok nyersanyaga (trigliceridek) reagálnak egy alkáli reagenssel, hogy szappant képezzenek. Az ultrahangos kezelés javítja a fázisátviteli katalízist, ami megnövekedett reakciósebességet, teljesebb átalakítást eredményez, és elkerüli a bázis reagensek, például kálium-hidroxid (KOH) vagy nátrium-hidroxid (NaOH) túlzott használatát. Az ultrahanggal kezdeményezett lúgos hidrolízis könnyen megvalósítható a kereskedelmi szappangyártásban. Az elszappanosításra szolgáló ultrahangos reaktorok rövidebb idő alatt nagyobb teljesítményt produkálnak katalizátor használata vagy a felhasznált katalizátor mennyiségének csökkentése nélkül.

Ultrahanggal támogatott elszappanosítás

Esettanulmányok ultrahangos szappanosításról

Különböző kutatási tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahangozás elősegíti a trigliceridek szappanosítását. Az ultrahangos szappanosítás felgyorsítja és növeli az átalakítást, miközben megtakarítja vagy elkerüli a katalizátor használatát. Ez teszi az ultrahangos szappanosítást rendkívül hatékony gyártási módszerré.

A trigliceridek lúgos hidrolízisének ultrahangos megkezdése (szappanosítás) fáziskatalizátor nélkül

Mercantili et al. (2013) tanulmányozta az ultrahangos kezelés hatását a trigliceridek lúgos hidrolízisére, az úgynevezett szappanosításra. Szonikációt alkalmaztak a napraforgóolaj lúgos hidrolízisének megkezdésére. Lúgbázisként kálium-hidroxidot (KOH) használtunk. Kimutatták, hogy az ultrahang hatékony áramforrásként a reakció elindítására és irányítására, hogy nagy reakcióhozam érhető el mindössze 15 perc teljes teljesítmény alkalmazása mellett, környezeti hőmérsékleten dolgozva, és hogy a reakció során nem keletkezik kimutatható melléktermék. Az ultrahangos fürdő és a szonda típusú ultrahang összehasonlítása azt mutatja, hogy az ultrahangos szonda a kiváló technika. A tanulmány azt mutatja, hogy az ultrahangos szappanosítás jó konverziót eredményez anélkül, hogy felesleges lúg- vagy fázisátviteli katalízisre lenne szükség.

A triacil-glicerin lúgos hidrolízise

Ultrahanggal támogatott fázisátviteli reakció az elszappanosításhoz

Bhatkhande et al. (1998) kimutatta, hogy a növényi olajok, például a szójaolaj szonikálása hatékonyan szappanosítható vizes KOH és különböző PTC-k felhasználásával szobahőmérsékleten. Az elszappanosítás mértékét az elszappanosítási érték referenciaként történő felhasználásával vizsgáltuk. Különböző paraméterek, például az idő, a fázisátviteli katalizátorok kiválasztása, a felhasznált katalizátor mennyisége, a KOH mennyisége és a víz mennyisége optimalizálását ultrahangos kezeléssel és keveréssel végeztük. Az ultrahang hatásának tanulmányozásához az elszappanosítást 35 ° C-on is elvégeztük különböző körülmények között, nevezetesen keverés, ultrahangos kezelés, keverés és szonikálás, valamint 100 ° C-on történő melegítés. Azt találtuk, hogy a különböző növényi olajok heterogén folyadék-folyadék fázisú szappanosítása vizes KOH / CTAB segítségével szignifikánsan felgyorsult 35 ° C-on szonikálás és keverés közben.

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseket szállít laboratóriumi, kísérleti és ipari termeléshez. A robusztus és megbízható ultrahangos készülékeket különböző szonokémiai reakciókhoz használják, mint például az elszappanosítás. A Hielscher szonda típusú ultrahangos készülékei kötegelt és inline módban használhatók. Minden fontos folyamatparaméter – amplitúdó, nyomás, hőmérséklet – pontosan szabályozható és reprodukálható eredményeket biztosít.
A digitális vezérlés automatikusan rögzíti a folyamat paramétereit és tárolja azokat a beépített SD-kártyán. Az előbeállítások és a távoli böngészővezérlés nagyon egyszerűvé és felhasználóbaráttá teszi az ultrahangos folyamatot.
Sok szonokémiai reakció esetében bizonyos hőmérsékletet fenn kell tartani, ezért fontos a hőmérséklet-szabályozás. A Hielscher digitális ultrahangos készülékei termo-pár és hőmérséklet-szabályozóval rendelkeznek. A köpenyes áramlási cella lehetővé teszi a hőelvezetést.
A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága lehetővé teszi az 24/7 működést nagy teherbírású és igényes környezetben.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

• Bhatkhande, BS; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultrahanggal segített PTC katalizálta a növényi olajok szappanosítását vizes lúg segítségével. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, 1. szám, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): A trigliceridek lúgos hidrolízisének ultrahangos megkezdése (elszappanosítás) fáziskatalízis nélkül. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

Tények, amelyeket érdemes tudni

Sonokémia

A teljesítmény ultrahangot olyan kémiai folyamatokra alkalmazzák, mint a szintézis és a katalízis (más néven sono-szintézis és sono-katalízis) a reakció elindítása és fokozása érdekében. Az ultrahangos besugárzás különböző alkalmazásait a szerves szintézisben alaposan megvizsgálták és fejlesztették ki az ipari termeléshez. A szonokémiai kezelések jelentősen enyhébb körülmények között növelhetik a kívánt termékek reakciósebességét, hozamát és szelektivitását. Ez teszi az ultrahangos kezelést hatékony és környezetbarát feldolgozási technikává. Az ultrahanggal segített fázistranszfer katalízis (PTC) bizonyítottan drasztikusan hatékonyabb és eredményesebb módszer a szerves reakciókra, mint ugyanaz a reakció csendes állapotban. Például az ultrahanggal segített fázistranszfer katalízissel katalizált Cannizarro reakció jelentősen felgyorsul, ami gyors átalakulást eredményez. Egy másik kiemelkedő példa a trigliceridek (azaz növényi olajok, állati zsírok) és a metanol átészterezése KOH katalizátorként és teljesítményultrahangként való jelenlétében. Az ultrahangos átészterezés kiváló minőségű biodízelt eredményez, amelyet gyors átalakítással és nagyon hatékony, gazdaságos eljárással állítanak elő.

Az ultrahangos extrakció akusztikus kavitáción és hidrodinamikai nyíróerőin alapul

Elszappanosítás

A szappanosítás a szappant előállító kémiai reakciót írja le. Az elszappanosítási folyamat során a növényi olajokat vagy állati zsírokat zsírsavsóvá alakítják – A "szappan" – és glicerin, amely alkohol. A reakcióhoz lúgbázis (pl. NaOH vagy KOH) vizes oldatára és hőre van szükség a reakció elindításához.
Az elszappanosítás reakciólépései a következők:

1. A zsírsavészterek nukleofil támadása hidroxid által
2. Kilépés a csoportból eltávolítás
3. deprotonáció

Az elszappanosítási reakciót kereskedelmi forgalomban szappanok és kenőanyagok előállítására használják.
Míg a nátrium-hidroxid kemény szappant és a kálium-hidroxid lágy szappant használják a mindennapi tisztításhoz, vannak speciális szappanok is, amelyeket más fém-hidroxidok felhasználásával állítanak elő. Például kenőzsírként lítium szappanokat és kalcium szappanokat használnak. Vannak még “komplex szappanok” fémszappanok keverékéből áll.

hidrolízis

A hidrolízis magában foglalja egy szerves vegyi anyag vízzel való reakcióját, hogy két vagy több új anyagot képezzen, és általában a kémiai kötések víz hozzáadásával történő hasítását jelenti. Az észtereket karbonsavvá és alkohollá hasíthatjuk vízzel és bázissal való reakcióval. A szappant a zsír vagy olaj észtereinek hidrolízisével állítják elő.

Lúgos alap

Az olajok és zsírok elszappanosításához alkáli bázis reagensek (lúgok) szükségesek. A triglicerideket bázissal reagáltatjuk – nátrium- vagy kálium-hidroxid – glicerin és zsírsavsó, az úgynevezett "szappan" előállításához. A kálium-hidroxid szervetlen vegyület, képlete KOH, és általában maró káliumnak nevezik. A nátrium-hidroxid (NaOH) egy másik prototípus erős bázis. Nátrium-hidroxid használata esetén kemény szappan keletkezik, míg a kálium-hidroxid használata lágy szappant eredményez.

Reagens vs reagens

A reagens olyan anyag, amelyet kémiai reakcióban használnak fel vagy fogyasztanak. A reagenshez képest nagyobb mennyiségben van szükség reagensre. A reagens olyan anyag, amelyet reakció beindítására, a reakció támogatására használnak, és amelyet reakcióban fogyasztanak, ellentétben a reakcióban nem elfogyasztott katalizátorokkal.

Elszappanosítás – Gyakran Ismételt Kérdések

• Mi az elszappanosítási folyamat? A szappanosítás az a kémiai folyamat, amelynek során a zsírok vagy olajok lúggal (általában nátrium-hidroxiddal) reagálva szappant és glicerint állítanak elő. Ez a reakció magában foglalja a trigliceridek hidrolízisét zsírsavsókká és glicerinné.
• Milyen típusú reakció az elszappanosítás? A szappanosítás egyfajta hidrolízis reakció, ahol a zsírokban vagy olajokban lévő észterkötéseket lúg bontja le.
• Miért nevezik szappanosításnak? Nevét végtermékéről, szappanjáról és arról a képességéről kapta, hogy szappant hoz létre a trigliceridek észterkötéseinek hidrolízisével.
• Mi az elszappanosítás célja? Az elsődleges cél szappan előállítása, amely felületaktív anyagot széles körben használnak tisztításhoz és mosáshoz.
• A szappanosítás hidrolízis? Igen, az elszappanosítás a hidrolízis egy speciális típusa, amely magában foglalja a zsírok vagy olajok lúggal történő lebontását glicerinre és zsírsavsókra (szappan).
• Mi az elszappanosítás mechanizmusa? Ez magában foglalja a hidroxidionok nukleofil támadását a trigliceridekben lévő észterkötés karbonil-széntartalmára, ami alkohol (glicerin) és szappan képződéséhez vezet.
• Miért fontos a keverés az elszappanosításhoz? A hatékony keverés biztosítja a reagensek közötti alapos érintkezést, elősegítve a teljesebb és egységesebb reakciót, ami elengedhetetlen az optimális hozam eléréséhez. A Hielscher ultrahangos keverők intenzív kavitációs és nyíróerők révén fokozhatják ezt a folyamatot.
• Mi az elszappanosítási példa? A nátrium-hidroxid és a kókuszolaj keverése Hielscher ultrahangos reaktor jelenlétében szappan és glicerin előállításához példázza az elszappanosítást.
• Mi az elszappanosítás fő terméke? A fő termékek a szappan (zsírsavak nátrium- vagy káliumsói) és a glicerin.
• Miért fontos a szappanosítási érték? Az elszappanosítási érték azt jelzi, hogy mennyi lúg szükséges egy adott mennyiségű zsír vagy olaj elszappanosításához, segítve a benne lévő zsírsavak molekulatömegének meghatározását.
• Visszafordítható-e az elszappanosítás? Tipikus körülmények között az elszappanosítás nem reverzibilis a képződött szappan stabil jellege miatt.
• Mi az elszappanosítás ellentéte? Az észterezés, ahol a víz és az alkoholok karbonsavakkal reagálnak, hogy észtereket és vizet képezzenek, fordított folyamat.
• Szükség van-e hőre az elszappanosításhoz? Bár nem szükséges, a hő felgyorsíthatja az elszappanosítási folyamatot a molekuláris mozgás és a reakciósebesség növelésével.
• Az elszappanosítás exoterm vagy endoterm? A szappanosítás exoterm reakció, amely hőt szabadít fel.
• Az elszappanosítás bázikus vagy savas? Ez egy alapvető reakció, mivel magában foglalja egy bázis (lúg) hatását egy észterre (zsír / olaj).
• Hogyan lehet megállítani az elszappanosítást? Az alkáli semlegesítéséhez sav hozzáadása megállítja a reakciót, hatékonyan megszüntetve az elszappanosítási folyamatot.
• Mi történik az elszappanosítás után? A teljes reakció után a keverék általában szappanból és glicerinből áll, amelyek a tervezett felhasználástól függően tovább tisztíthatók vagy feldolgozhatók.
• Természetes-e az elszappanosítás? Igen, természetes szappanosítás akkor fordulhat elő, amikor a zsír bizonyos geológiai körülmények között alkáliföldfémekkel érintkezik, vagy amikor az ősi népek állati zsírokat kevertek hamuval a hagyományos szappankészítési módszerek szerint.
• Miért használják az olívaolajat az elszappanosításban? Az olívaolajat gazdag olajsavtartalma miatt kedvelik az elszappanosításban, amely enyhe, hidratáló szappant eredményez, jó tisztító tulajdonságokkal és stabil habbal.
• Hogyan lehet a zsírt szappanná alakítani? A zsírokat szappanosítással szappanná alakítják, erős lúgos oldattal, jellemzően nátrium-hidroxiddal melegítve, amely a zsírt zsírsavsókra (szappanra) és glicerinre bontja.
• Melyik olajnak van magas szappanosítási értéke? A kókuszolaj magas szappanosítási értékkel rendelkezik, ami a kisebb zsírsavmolekulák nagyobb arányát jelzi, így lúggal nagyon reaktív szappan előállításához.
• Mi történik az olajokkal az elszappanosítás során? Az elszappanosítás során az olajokat az alkáli glicerin- és zsírsavsóvá hidrolizálja, ez utóbbi képezi a szappant.
• Mi a legjobb zsír a szappanhoz? A faggyút (marhazsírt) és a kókuszolajat a szappankészítés legjobb zsírjainak tekintik, mivel habzó és keményedő tulajdonságaik vannak a végső szappantermékben.
• Hogyan lehet lúg nélkül olajokat szappanosítani? A lúg nélküli olajok szappanosítása nem lehetséges a hagyományos szappankészítéshez; A szappanszerű tisztítószerek azonban felületaktív anyagok és emulgeálószerek felhasználásával is előállíthatók lúgalapú szappanosítás helyett.