Elszappanosítás – szappankészítés ultrahanggal

Az elszappanosítás a szappankészítés kémiai folyamata. Ebben a reakcióban a kiindulási anyagként szolgáló zsírok vagy olajok (trigliceridek) lúgos reaktánssal reagálnak, és szappan képződik. Az ultrahangos kezelés javítja a fázistranszfer-katalízist, ami növeli a reakciósebességet, teljesebb átalakulást eredményez, és elkerülhetővé teszi a bázikus reagensek, például a kálium-hidroxid (KOH) vagy a nátrium-hidroxid (NaOH) túlzott használatát. Az ultrahanggal elindított lúgos hidrolízis könnyen bevezethető az üzemi szappangyártásban. Az elszappanosításhoz használt ultrahangos reaktorok rövidebb idő alatt nagyobb termelési teljesítményt biztosítanak, katalizátor használata nélkül vagy a felhasznált katalizátor mennyiségének csökkentésével.

Ultrahanggal elősegített elszappanosítás

Esettanulmányok az ultrahangos elszappanosításról

Különböző kutatások kimutatták, hogy az ultrahangos kezelés elősegíti a trigliceridek szappanná történő elszappanosítását. Az ultrahangos elszappanosítás felgyorsítja az átalakulást és növeli annak mértékét, miközben csökkenti vagy szükségtelenné teszi a katalizátor használatát. Ez az ultrahangos elszappanosítást rendkívül hatékony gyártási módszerré teszi.

A trigliceridek lúgos hidrolízisének (elszappanosításának) ultrahangos elindítása fáziskatalizátor nélkül

Mercantili és munkatársai (2013) az ultrahangos kezelés hatását vizsgálták a trigliceridek lúgos hidrolízisére, amely elszappanosításként ismert. Ultrahangos kezeléssel indították el a napraforgóolaj lúgos hidrolízisét. Lúgos bázisként kálium-hidroxidot (KOH) használtak. Kimutatták, hogy az ultrahang hatékony energiaforrás a reakció elindításához és fenntartásához, hogy környezeti hőmérsékleten dolgozva mindössze 15 min teljes energiaközlési idő alatt nagy reakcióhozam érhető el, és hogy a reakció során nem keletkeznek kimutatható melléktermékek. Az ultrahangos fürdő és a szondás ultrahangos kezelőberendezés összehasonlítása azt mutatja, hogy az ultrahangos szonda a kedvezőbb technika. A tanulmány igazolja, hogy az ultrahangos elszappanosítás jó konverziót eredményez lúgfelesleg vagy fázistranszfer-katalízis szükségessége nélkül.

A triacilglicerol lúgos hidrolízise

Ultrahanggal elősegített fázistranszfer-reakció az elszappanosításhoz

Bhatkhande és munkatársai (1998) kimutatták, hogy a növényi olajok, például a szójaolaj, ultrahangos kezeléssel, vizes KOH-oldat és különböző fázistranszfer-katalizátorok (PTC-k) alkalmazásával szobahőmérsékleten hatékonyan elszappanosíthatók. Az elszappanosítás mértékét az elszappanosítási számot referenciaként használva vizsgálták. Ultrahangos kezelés és keverés alkalmazásával optimalizálták a különböző paramétereket, például az időt, a fázistranszfer-katalizátorok kiválasztását, a felhasznált katalizátor mennyiségét, a KOH mennyiségét és a víz mennyiségét. Az ultrahang hatásának vizsgálatához az elszappanosítást 35ºC-on is elvégezték különböző körülmények között, nevezetesen keveréssel, ultrahangos kezeléssel, keveréssel és ultrahangos kezeléssel, valamint 100ºC-on történő melegítéssel. Megállapították, hogy a különböző növényi olajok vizes KOH/CTAB alkalmazásával végzett heterogén, folyadék–folyadék fázisú elszappanosítása 35ºC-on, ultrahangos kezelés és keverés mellett jelentősen felgyorsult.

Nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezések

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseket szállít laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari termeléshez. A robusztus és megbízható ultrahangos kezelőberendezéseket különböző szonokémiai reakciókhoz, például elszappanosításhoz használják. A Hielscher szondás ultrahangos kezelőberendezései szakaszos és átfolyásos üzemmódban is használhatók. Minden fontos folyamatparaméter – az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet – pontosan szabályozható, és reprodukálható eredményeket biztosít.
A digitális vezérlés automatikusan rögzíti a folyamatparamétereket, és a beépített SD-kártyán tárolja őket. Az előzetes beállítások és a böngészőn keresztüli távoli vezérlés nagyon egyszerűvé és felhasználóbaráttá teszik az ultrahangos kezelési folyamatot.
Számos szonokémiai reakciónál meghatározott hőmérsékletet kell fenntartani, ezért fontos a hőmérséklet szabályozása. A Hielscher digitális ultrahangos kezelőberendezései hőelemmel és hőmérséklet-szabályozással rendelkeznek. A köpenyes átfolyó cella lehetővé teszi a hő elvezetését.
A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága lehetővé teszi a 24/7 üzemelést nagy terhelés mellett és nehéz környezeti körülmények között.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos kezelőberendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

• 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.

Hasznos tudnivalók

Szonokémia

A nagy teljesítményű ultrahangot kémiai folyamatokban, például szintézisben és katalízisben (ezeket szonoszintézisnek, illetve szonokatalízisnek is nevezik) alkalmazzák a reakció elindítására és intenzívebbé tételére. Az ultrahangos besugárzás szerves szintézisben való különböző alkalmazásait alaposan megvizsgálták és ipari termelésre fejlesztették ki. A szonokémiai kezelések jelentősen enyhébb körülmények között növelhetik a reakciósebességet, a kívánt termékek hozamát és szelektivitását. Ez az ultrahangos kezelést hatékony és környezetbarát feldolgozási technikává teszi. Az ultrahanggal segített fázistranszfer-katalízis (PTC) bizonyítottan lényegesen hatékonyabb és eredményesebb módszer a szerves reakciókhoz, mint ugyanazon reakció ultrahang nélküli végrehajtása. Például az ultrahanggal segített fázistranszfer-katalízissel katalizált Cannizarro-reakció jelentősen felgyorsul, ami gyors átalakulást eredményez. Egy másik jelentős példa a trigliceridek (azaz növényi olajok, állati zsírok) és a metanol átészterezése KOH katalizátor és nagy teljesítményű ultrahang jelenlétében. Az ultrahangos átészterezés gyors átalakulással, nagyon hatékony és gazdaságos eljárásban előállított, kiváló minőségű biodízelt eredményez.

Az ultrahangos extrakció az akusztikus kavitáción és annak hidrodinamikai nyíróerőin alapul

Elszappanosítás

Az elszappanosítás a szappant létrehozó kémiai reakciót jelöli. Az elszappanosítás során a növényi olajok vagy állati zsírok zsírsavsókká – a „szappanná” – és glicerinné alakulnak, amely egy alkohol. A reakció elindításához egy lúgos bázis (pl. NaOH vagy KOH) vizes oldatára és hőre is szükség van.
Az elszappanosítás reakciólépései a következők:

1. A hidroxid nukleofil támadása a zsírsavésztereken
2. A távozó csoport eltávolítása
3. Deprotonálás

Az elszappanosítási reakciót üzemi körülmények között szappanok és kenőanyagok előállítására használják.
Míg a nátrium-hidroxiddal előállított kemény szappant és a kálium-hidroxiddal előállított lágy szappant mindennapi tisztításhoz használják, más fém-hidroxidokkal előállított különleges szappanok is léteznek. Például a lítiumszappanokat és a kalciumszappanokat kenőzsírként használják. Léteznek „komplex szappanok” is, amelyek fémszappanok keverékéből állnak.

Hidrolízis

A hidrolízis során egy szerves vegyület vízzel reagál, és két vagy több új anyag képződik; a kifejezés általában kémiai kötések víz hozzáadásával történő felhasítását jelenti. Az észterek vízzel és egy bázissal reagálva visszabonthatók karbonsavra és alkoholra. A szappant a zsír vagy olaj észtereinek hidrolízisével állítják elő.

Lúgos bázis

Az olajok és zsírok elszappanosításához lúgos bázisként szolgáló reaktánsokra (lúgokra) van szükség. A triglicerideket egy bázissal – nátrium- vagy kálium-hidroxiddal – reagáltatják, hogy glicerin és egy zsírsavsó, az úgynevezett „szappan” képződjön. A kálium-hidroxid KOH képletű szervetlen vegyület, amelyet közismert nevén kálilúgnak neveznek. A nátrium-hidroxid (NaOH) egy másik tipikus erős bázis. Nátrium-hidroxid alkalmazásakor kemény szappan képződik, míg kálium-hidroxid használata lágy szappant eredményez.

Reaktáns és reagens

A reaktáns olyan anyag, amely egy kémiai reakció során felhasználódik vagy elfogy. A reagenshez képest a reaktánsra nagyobb mennyiségben van szükség. A reagens olyan anyag, amelyet egy reakció elindítására, a reakció elősegítésére használnak, és amely a reakció során elfogy, ellentétben a katalizátorokkal, amelyek a reakció során nem fogynak el.

Elszappanosítás – gyakran ismételt kérdések

• Mi az elszappanosítás folyamata? Az elszappanosítás olyan kémiai folyamat, amelyben zsírok vagy olajok egy lúggal (általában nátrium-hidroxiddal) reagálnak, és szappant és glicerint képeznek. Ebben a reakcióban a trigliceridek zsírsavsókká és glicerinné hidrolizálnak.
• Milyen típusú reakció az elszappanosítás? Az elszappanosítás a hidrolízisreakciók egyik típusa, amelyben a zsírok vagy olajok észterkötéseit egy lúg bontja fel.
• Miért nevezik elszappanosításnak? Nevét a végtermékéről, a szappanról kapta, valamint arról, hogy a trigliceridek észterkötéseinek hidrolízisével szappant képes létrehozni.
• Mi az elszappanosítás célja? Elsődleges célja a szappan előállítása, amely tisztításhoz és mosáshoz széles körben használt felületaktív anyag.
• Az elszappanosítás hidrolízis? Igen, az elszappanosítás a hidrolízis egy sajátos típusa, amelyben egy lúg a zsírokat vagy olajokat glicerinre és zsírsavsókra (szappanra) bontja.
• Mi az elszappanosítás mechanizmusa? A hidroxidionok nukleofil támadást indítanak a trigliceridek észterkötésének karbonil-szénatomja ellen, ami alkohol (glicerin) és szappan képződéséhez vezet.
• Miért fontos a keverés az elszappanosításhoz? A hatékony keverés biztosítja a reaktánsok alapos érintkezését, elősegítve a teljesebb és egyenletesebb reakciót, ami döntő fontosságú az optimális hozamok eléréséhez. A Hielscher ultrahangos keverői intenzív kavitációval és nyíróerőkkel javíthatják ezt a folyamatot.
• Mi egy példa az elszappanosításra? Az elszappanosítás egyik példája a nátrium-hidroxid és a kókuszolaj összekeverése Hielscher ultrahangos reaktor jelenlétében szappan és glicerin előállítására.
• Mi az elszappanosítás fő terméke? A fő termékek a szappan (a zsírsavak nátrium- vagy káliumsói) és a glicerin.
• Miért fontos az elszappanosítási szám? Az elszappanosítási szám egy adott mennyiségű zsír vagy olaj elszappanosításához szükséges lúgmennyiséget jelzi, és segít meghatározni a benne található zsírsavak molekulatömegét.
• Az elszappanosítás megfordítható? Szokásos körülmények között az elszappanosítás a képződő szappan stabil jellege miatt nem megfordítható.
• Mi az elszappanosítás fordított folyamata? A fordított folyamat az észterezés, amelyben víz és alkoholok reagálnak karbonsavakkal, és észterek és víz képződnek.
• Az elszappanosításhoz szükség van hőre? Bár nem szükséges, a hő a molekuláris mozgás és a reakciósebesség növelésével felgyorsíthatja az elszappanosítás folyamatát.
• Az elszappanosítás exoterm vagy endoterm? Az elszappanosítás exoterm reakció, amelynek előrehaladása során hő szabadul fel.
• Az elszappanosítás bázikus vagy savas? Bázikus reakció, mivel egy bázis (lúg) egy észterre (zsírra/olajra) gyakorolt hatását foglalja magában.
• Hogyan állítható le az elszappanosítás? A lúg semlegesítésére hozzáadott sav leállítja a reakciót, és ezzel hatékonyan megszünteti az elszappanosítás folyamatát.
• Mi történik az elszappanosítás után? A reakció teljes lejátszódása után a keverék általában szappanból és glicerinből áll, amelyek a tervezett felhasználástól függően tisztíthatók vagy tovább feldolgozhatók.
• Az elszappanosítás természetes folyamat? Igen, természetes elszappanosítás előfordulhat, amikor a zsír bizonyos geológiai környezetekben alkáliföldfémekkel érintkezik, vagy amikor az ókori népek a hagyományos szappankészítési módszerek során állati zsírokat kevertek hamuval.
• Miért használnak olívaolajat az elszappanosításhoz? Az olívaolajat nagy olajsavtartalma miatt kedvelik az elszappanosításban, mivel ez kíméletes, hidratáló szappant eredményez, jó tisztító tulajdonságokkal és stabil habbal.
• Hogyan alakítható a zsír szappanná? A zsírokat elszappanosítással alakítják szappanná: erős lúgoldattal, jellemzően nátrium-hidroxid-oldattal melegítik őket, amely a zsírt zsírsavsókra (szappanra) és glicerinre bontja.
• Melyik olajnak nagy az elszappanosítási száma? A kókuszolaj elszappanosítási száma nagy, ami a kisebb zsírsavmolekulák nagyobb arányát jelzi, és ezáltal a szappanképződés során igen reakcióképessé teszi a lúggal szemben.
• Mi történik az olajokkal az elszappanosítás során? Az elszappanosítás során a lúg az olajokat glicerinre és zsírsavsókra hidrolizálja, és az utóbbiak alkotják a szappant.
• Melyik a legjobb zsír a szappankészítéshez? A faggyút (marhazsírt) és a kókuszolajat a szappankészítéshez legjobb zsírok közé sorolják, mivel a kész szappanban jó habzást és keménységet biztosítanak.
• Hogyan lehet olajokat lúg nélkül elszappanosítani? A hagyományos szappankészítésben az olajok lúg nélküli elszappanosítása nem lehetséges; szappanszerű tisztítószerek azonban készíthetők felületaktív anyagok és emulgeálószerek felhasználásával a lúgos elszappanosítás helyett.