Օճառացում – օճառի պատրաստման գործընթաց ուլտրաձայնի կիրառմամբ

Օճառացումը օճառի պատրաստման քիմիական գործընթացն է։ Դա ռեակցիա է, որի ընթացքում ճարպերից կամ յուղերից կազմված հումքը (տրիգլիցերիդները) փոխազդում է ալկալային ռեակտանտի հետ՝ առաջացնելով օճառ։ Ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում է միջֆազային փոխանցման կատալիզը՝ բարձրացնելով ռեակցիայի արագությունը, ապահովելով ավելի ամբողջական փոխարկում և կանխելով հիմնային ռեագենտների, օրինակ՝ կալիումի հիդրօքսիդի (KOH) կամ նատրիումի հիդրօքսիդի (NaOH) չափազանց մեծ քանակների օգտագործումը։ Ուլտրաձայնով հարուցվող ալկալային հիդրոլիզը կարելի է հեշտությամբ ներդնել օճառի արդյունաբերական արտադրության մեջ։ Օճառացման համար նախատեսված ուլտրաձայնային ռեակտորներն ավելի կարճ ժամանակում ապահովում են արտադրանքի ավելի մեծ ծավալ՝ ընդհանրապես առանց կատալիզատորի օգտագործման կամ օգտագործվող կատալիզատորի քանակի նվազեցմամբ։

Ուլտրաձայնով խթանվող օճառացում

Ուլտրաձայնային օճառացման կիրառական ուսումնասիրություններ

Տարբեր հետազոտություններ ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է տրիգլիցերիդների օճառացմանը՝ օճառի առաջացմամբ։ Ուլտրաձայնային օճառացումն արագացնում է փոխարկումը և մեծացնում դրա աստիճանը՝ միաժամանակ նվազեցնելով կատալիզատորի օգտագործումը կամ բացառելով այն։ Սա ուլտրաձայնային օճառացումը դարձնում է արտադրության բարձր արդյունավետությամբ մեթոդ։

Տրիգլիցերիդների ալկալային հիդրոլիզի (օճառացման) ուլտրաձայնային հարուցում՝ առանց ֆազային կատալիզատորի

Mercantili և համահեղինակները (2013) ուսումնասիրել են ուլտրաձայնային մշակման ազդեցությունը տրիգլիցերիդների ալկալային հիդրոլիզի վրա, որը հայտնի է որպես օճառացում։ Նրանք ուլտրաձայնային մշակում են կիրառել արևածաղկի յուղի ալկալային հիդրոլիզը հարուցելու համար։ Որպես ալկալային հիմք օգտագործվել է կալիումի հիդրօքսիդ (KOH)։ Ցույց է տրվել, որ ուլտրաձայնն արդյունավետ է որպես էներգիայի աղբյուր՝ ռեակցիան հարուցելու և ընթացքն ապահովելու համար, որ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում աշխատելիս ռեակցիայի բարձր ելք կարելի է ստանալ էներգիայի կիրառման ընդամենը 15 min ընդհանուր տևողությամբ, և որ ռեակցիայի ընթացքում հայտնաբերելի կողմնակի արգասիքներ չեն առաջանում։ Ուլտրաձայնային բաղնիքի և զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքի համեմատությունը ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային զոնդի կիրառումն ավելի արդյունավետ մեթոդ է։ Ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային օճառացումն ապահովում է փոխարկման լավ աստիճան՝ առանց ալկալու ավելցուկի կամ միջֆազային փոխանցման կատալիզի անհրաժեշտության։

Տրիացիլգլիցերոլի ալկալային հիդրոլիզ

Ուլտրաձայնով խթանվող միջֆազային փոխանցման ռեակցիա՝ օճառացման համար

Bhatkhande և համահեղինակները (1998) ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում բուսական յուղերը, օրինակ՝ սոյայի յուղը, կարելի է արդյունավետորեն օճառացնել սենյակային ջերմաստիճանում՝ օգտագործելով KOH-ի ջրային լուծույթ և միջֆազային փոխանցման տարբեր կատալիզատորներ (PTC)։ Օճառացման աստիճանն ուսումնասիրվել է՝ որպես հղման ցուցանիշ օգտագործելով օճառացման թիվը։ Ուլտրաձայնային մշակման և խառնման կիրառմամբ օպտիմալացվել են տարբեր պարամետրեր, ինչպիսիք են ժամանակը, միջֆազային փոխանցման կատալիզատորների ընտրությունը, օգտագործվող կատալիզատորի քանակը, KOH-ի քանակը և ջրի քանակը։ Ուլտրաձայնի ազդեցությունն ուսումնասիրելու համար օճառացումն իրականացվել է նաև 35ºC ջերմաստիճանում՝ տարբեր պայմաններում, այն է՝ խառնում, ուլտրաձայնային մշակում, խառնում և ուլտրաձայնային մշակում, ինչպես նաև տաքացում մինչև 100ºC։ Պարզվել է, որ տարբեր բուսական յուղերի հետերոգեն հեղուկ–հեղուկ ֆազային օճառացումը KOH/CTAB-ի ջրային լուծույթի կիրառմամբ զգալիորեն արագանում է 35ºC ջերմաստիճանում՝ ուլտրաձայնային մշակման և խառնման պայմաններում։

Բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքեր

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը մատակարարում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքավորումներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական արտադրության համար։ Ամուր և հուսալի ուլտրաձայնային սարքերն օգտագործվում են տարբեր սոնոքիմիական ռեակցիաների, օրինակ՝ օճառացման համար։ Hielscher ընկերության զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերը կարող են օգտագործվել պարբերական և հոսքագծային ռեժիմներով։ Գործընթացի բոլոր կարևոր պարամետրերը՝ ամպլիտուդը, ճնշումը, ջերմաստիճանը, կարող են ճշգրիտ վերահսկվել և ապահովել վերարտադրելի արդյունքներ։
Թվային կառավարման համակարգն ավտոմատ կերպով գրանցում է գործընթացի պարամետրերը և պահում դրանք ներկառուցված SD քարտի վրա։ Նախնական կարգավորումները և զննարկչի միջոցով հեռակառավարումը ուլտրաձայնային մշակման գործընթացը դարձնում են շատ պարզ և օգտագործողի համար հարմար։
Բազմաթիվ սոնաքիմիական ռեակցիաների համար անհրաժեշտ է պահպանել որոշակի ջերմաստիճան, ուստի ջերմաստիճանի վերահսկումը կարևոր է։ Hielscher ապրանքանիշի թվային ուլտրաձայնային սարքերը համալրված են ջերմազույգով և ջերմաստիճանի կառավարման համակարգով։ Ջերմափոխանակման պատյանով հոսքային բջիջը հնարավորություն է տալիս հեռացնել ջերմությունը։
Hielscher ապրանքանիշի ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ մեծ բեռնվածությամբ և խիստ պայմաններում։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին․

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Բուսական յուղերի օճառացում ջրային ալկալիով՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ և ֆազային փոխանցման կատալիզատորով (PTC)։ Ultrasonics Sonochemistry, հատոր 5, համար 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Տրիգլիցերիդների ալկալային հիդրոլիզի (օճառացման) ուլտրաձայնային հարուցում՝ առանց ֆազային կատալիզի։ Journal of Surfactant and Detergents, հատոր 17, համար 1, Jan 2014. 133–141.

Արժե իմանալ

Սոնաքիմիա

Բարձր հզորության ուլտրաձայնը կիրառվում է այնպիսի քիմիական գործընթացներում, ինչպիսիք են սինթեզը և կատալիզը (որոնք կոչվում են նաև համապատասխանաբար սոնասինթեզ և սոնակատալիզ), ռեակցիան հարուցելու և ինտենսիվացնելու նպատակով։ Օրգանական սինթեզում ուլտրաձայնային ճառագայթման տարբեր կիրառություններ խորությամբ ուսումնասիրվել և մշակվել են արդյունաբերական արտադրության համար։ Սոնաքիմիական մշակումները կարող են զգալիորեն ավելի մեղմ պայմաններում մեծացնել ռեակցիայի արագությունը, ցանկալի արգասիքների ելքը և դրանց առաջացման ընտրողականությունը։ Սա ուլտրաձայնային մշակումը դարձնում է արդյունավետ և էկոլոգիապես բարենպաստ մշակման եղանակ։ Ապացուցված է, որ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ֆազային փոխանցման կատալիզը (PTC) օրգանական ռեակցիաների համար շատ ավելի արդյունավետ և արդյունավոր մեթոդ է՝ համեմատած նույն ռեակցիայի հետ առանց ուլտրաձայնի պայմաններում։ Օրինակ՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ֆազային փոխանցման կատալիզով կատալիզվող Cannizarro անվամբ ռեակցիան զգալիորեն արագանում է՝ հանգեցնելով արագ փոխարկման։ Մեկ այլ նշանակալի օրինակ է տրիգլիցերիդների (այսինքն՝ բուսական յուղերի, կենդանական ճարպերի) և մեթանոլի վերաէսթերացումը՝ որպես կատալիզատոր կիրառվող KOH միացության և բարձր հզորության ուլտրաձայնի առկայությամբ։ Ուլտրաձայնային վերաէսթերացման արդյունքում ստացվում է բարձրորակ բիոդիզել՝ արագ փոխարկմամբ և շատ արդյունավետ ու տնտեսապես շահավետ գործընթացով։

Ուլտրաձայնային էքստրակցիան հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի և դրանով առաջացող հիդրոդինամիկական սահքի ուժերի վրա

Օճառացում

Օճառացումը նկարագրում է այն քիմիական ռեակցիան, որի արդյունքում առաջանում է օճառ։ Օճառացման գործընթացում բուսական յուղերը կամ կենդանական ճարպերը փոխարկվում են ճարպաթթուների աղերի՝ «օճառի», և գլիցերինի, որը սպիրտ է։ Ռեակցիան հարուցելու համար անհրաժեշտ են ալկալային հիմքի (օրինակ՝ NaOH կամ KOH) ջրային լուծույթ և նաև ջերմություն։
Օճառացման ռեակցիայի փուլերը հետևյալն են․

1. Հիդրօքսիդի նուկլեոֆիլ հարձակումը ճարպաթթուների էսթերների վրա
2. Հեռացող խմբի հեռացում
3. Ապապրոտոնացում

Օճառացման ռեակցիան արդյունաբերական նպատակներով կիրառվում է օճառներ և քսանյութեր արտադրելու համար։
Մինչ նատրիումի հիդրօքսիդով ստացվող պինդ օճառը և կալիումի հիդրօքսիդով ստացվող փափուկ օճառն օգտագործվում են առօրյա մաքրման համար, կան նաև այլ մետաղների հիդրօքսիդներով արտադրվող հատուկ օճառներ։ Օրինակ՝ լիթիումային օճառները և կալցիումային օճառներն օգտագործվում են որպես թանձր քսանյութեր։ Կան նաև «կոմպլեքս օճառներ», որոնք կազմված են մետաղական օճառների խառնուրդից։

Հիդրոլիզ

Հիդրոլիզը ներառում է օրգանական քիմիական նյութի ռեակցիան ջրի հետ՝ առաջացնելով երկու կամ ավելի նոր նյութեր, և սովորաբար նշանակում է քիմիական կապերի ճեղքում ջրի միացման միջոցով։ Ջրի և հիմքի հետ ռեակցիայի արդյունքում էսթերները կարող են կրկին ճեղքվել՝ առաջացնելով կարբոնաթթու և սպիրտ։ Օճառը ստացվում է ճարպի կամ յուղի էսթերների հիդրոլիզով։

Ալկալային հիմք

Յուղերի և ճարպերի օճառացման համար անհրաժեշտ են ալկալային հիմքեր՝ որպես ռեակցիայի մասնակից նյութեր (կծու ալկալիներ)։ Տրիգլիցերիդները ռեակցիայի մեջ են դրվում հիմքի՝ նատրիումի կամ կալիումի հիդրօքսիդի հետ՝ գլիցերին և ճարպաթթվի աղ՝ այսպես կոչված «օճառ» ստանալու համար։ Կալիումի հիդրօքսիդն անօրգանական միացություն է, որի բանաձևն է KOH, և որը սովորաբար կոչվում է կծու կալի։ Նատրիումի հիդրօքսիդը (NaOH) ուժեղ հիմքի մեկ այլ բնորոշ օրինակ է։ Նատրիումի հիդրօքսիդ օգտագործելիս ստացվում է պինդ օճառ, մինչդեռ կալիումի հիդրօքսիդի օգտագործման արդյունքում ստացվում է փափուկ օճառ։

Ռեակցիայի մասնակից նյութի և ռեագենտի տարբերությունը

Ռեակցիայի մասնակից նյութն այն նյութն է, որը ծախսվում կամ սպառվում է քիմիական ռեակցիայի ընթացքում։ Ռեագենտի համեմատ՝ ռեակցիայի մասնակից նյութն անհրաժեշտ է ավելի մեծ քանակներով։ Ռեագենտն այն նյութն է, որն օգտագործվում է ռեակցիան հարուցելու և դրան նպաստելու համար ու սպառվում է ռեակցիայի ընթացքում՝ ի տարբերություն կատալիզատորների, որոնք ռեակցիայի ընթացքում չեն սպառվում։

Օճառացում – Հաճախ տրվող հարցեր

• Ի՞նչ է օճառացման գործընթացը։ Օճառացումը քիմիական գործընթաց է, որի ժամանակ ճարպերը կամ յուղերը ռեակցիայի մեջ են մտնում ալկալիի (սովորաբար՝ նատրիումի հիդրօքսիդի) հետ՝ առաջացնելով օճառ և գլիցերին։ Այս ռեակցիան ներառում է տրիգլիցերիդների հիդրոլիզը՝ ճարպաթթուների աղերի և գլիցերինի առաջացմամբ։
• Ի՞նչ տեսակի ռեակցիա է օճառացումը։ Օճառացումը հիդրոլիզի ռեակցիայի տեսակ է, որի ժամանակ ալկալիի ազդեցությամբ ճեղքվում են ճարպերում կամ յուղերում առկա էսթերային կապերը։
• Ինչո՞ւ է այն կոչվում օճառացում։ Այն անվանվել է իր վերջնական արգասիքի՝ օճառի և տրիգլիցերիդների էսթերային կապերի հիդրոլիզի միջոցով օճառ առաջացնելու իր ունակության հիման վրա։
• Ո՞րն է օճառացման նպատակը։ Հիմնական նպատակը օճառի արտադրությունն է․ այն մակերևութային ակտիվ նյութ է, որը լայնորեն օգտագործվում է մաքրման և լվացման համար։
• Օճառացումը հիդրոլի՞զ է։ Այո՛, օճառացումը հիդրոլիզի հատուկ տեսակ է, որը ներառում է ալկալիի ազդեցությամբ ճարպերի կամ յուղերի քայքայումը՝ գլիցերինի և ճարպաթթուների աղերի (օճառի) առաջացմամբ։
• Ո՞րն է օճառացման մեխանիզմը։ Այն ներառում է հիդրօքսիդ իոնների նուկլեոֆիլ հարձակումը տրիգլիցերիդների էսթերային կապի կարբոնիլային ածխածնի վրա, ինչը հանգեցնում է սպիրտի (գլիցերինի) և օճառի առաջացմանը։
• Ինչո՞ւ է խառնումը կարևոր օճառացման համար։ Արդյունավետ խառնումն ապահովում է ռեակցիայի մասնակից նյութերի լիարժեք շփումը՝ նպաստելով ավելի ամբողջական և համասեռ ռեակցիային, ինչը վճռորոշ է օպտիմալ ելքեր ստանալու համար։ Hielscher ուլտրաձայնային խառնիչները կարող են բարելավել այս գործընթացը ինտենսիվ կավիտացիայի և սահքի ուժերի միջոցով։
• Ո՞րն է օճառացման օրինակը։ Օճառացման օրինակ է նատրիումի հիդրօքսիդը կոկոսի յուղի հետ խառնելը՝ Hielscher ուլտրաձայնային ռեակտորի առկայությամբ, օճառ և գլիցերին ստանալու համար։
• Ո՞րն է օճառացման հիմնական արգասիքը։ Հիմնական արգասիքներն են օճառը (ճարպաթթուների նատրիումական կամ կալիումական աղերը) և գլիցերինը։
• Ինչո՞ւ է օճառացման թիվը կարևոր։ Օճառացման թիվը ցույց է տալիս ճարպի կամ յուղի տվյալ քանակն օճառացնելու համար անհրաժեշտ ալկալիի քանակը՝ օգնելով որոշել դրանում պարունակվող ճարպաթթուների մոլեկուլային զանգվածը։
• Օճառացումը դարձելի՞ է։ Սովորական պայմաններում օճառացումն անդարձելի է՝ առաջացած օճառի կայուն բնույթի պատճառով։
• Ո՞րն է օճառացման հակադարձ գործընթացը։ Հակադարձ գործընթացը էսթերացումն է, որի ժամանակ ջուրը և սպիրտները ռեակցիայի մեջ են մտնում կարբոնաթթուների հետ՝ առաջացնելով էսթերներ և ջուր։
• Օճառացման համար ջերմություն պահանջվո՞ւմ է։ Թեև ջերմությունը պարտադիր չէ, այն կարող է արագացնել օճառացման գործընթացը՝ մեծացնելով մոլեկուլների շարժունակությունը և ռեակցիայի արագությունը։
• Օճառացումը ջերմանջատի՞չ է, թե՞ ջերմակլանիչ։ Օճառացումը ջերմանջատիչ ռեակցիա է, որի ընթացքին զուգահեռ ջերմություն է անջատվում։
• Օճառացումը հիմնայի՞ն ռեակցիա է, թե՞ թթվային։ Այն հիմնային ռեակցիա է, քանի որ ներառում է հիմքի (ալկալիի) ազդեցությունը էսթերի (ճարպի/յուղի) վրա։
• Ինչպե՞ս դադարեցնել օճառացումը։ Ալկալին չեզոքացնելու համար թթվի ավելացումը դադարեցնում է ռեակցիան՝ փաստացի կանգնեցնելով օճառացման գործընթացը։
• Ի՞նչ է տեղի ունենում օճառացումից հետո։ Ռեակցիայի ավարտից հետո խառնուրդը սովորաբար բաղկացած է օճառից և գլիցերինից, որոնք կարող են մաքրվել կամ հետագա մշակման ենթարկվել՝ կախված նախատեսված օգտագործումից։
• Օճառացումը բնական երևո՞ւյթ է։ Այո՛, բնական օճառացում կարող է տեղի ունենալ, երբ որոշակի երկրաբանական պայմաններում ճարպը շփվում է հողալկալիական մետաղների հետ, կամ երբ հնագույն ժողովուրդները օճառի պատրաստման ավանդական եղանակներով կենդանական ճարպերը խառնում էին մոխրի հետ։
• Ինչո՞ւ է ձիթապտղի յուղն օգտագործվում օճառացման համար։ Ձիթապտղի յուղը նախընտրելի է օճառացման համար օլեինաթթվի հարուստ պարունակության շնորհիվ, որի արդյունքում ստացվում է մեղմ, խոնավեցնող օճառ՝ մաքրող լավ հատկություններով և կայուն փրփուրով։
• Ինչպե՞ս ճարպը վերածել օճառի։ Ճարպերը վերածվում են օճառի օճառացման միջոցով՝ դրանք տաքացնելով ուժեղ ալկալու, սովորաբար՝ նատրիումի հիդրօքսիդի լուծույթի հետ, որը ճարպը քայքայում է՝ առաջացնելով ճարպաթթուների աղեր (օճառ) և գլիցերին։
• Ո՞ր յուղն ունի օճառացման բարձր թիվ։ Կոկոսի յուղն ունի օճառացման բարձր թիվ, ինչը վկայում է ավելի փոքր ճարպաթթվային մոլեկուլների ավելի մեծ մասնաբաժնի մասին՝ այն դարձնելով խիստ ռեակցունակ ալկալու նկատմամբ՝ օճառ առաջացնելու համար։
• Ի՞նչ է տեղի ունենում յուղերի հետ օճառացման ընթացքում։ Օճառացման ընթացքում յուղերը ալկալու ազդեցությամբ հիդրոլիզվում են՝ առաջացնելով գլիցերին և ճարպաթթուների աղեր, որոնցից վերջիններս կազմում են օճառը։
• Ո՞րն է օճառի համար լավագույն ճարպը։ Տավարի ճարպը և կոկոսի յուղը համարվում են օճառի պատրաստման համար լավագույն ճարպերից մի քանիսը՝ վերջնական օճառին փրփրելու և պնդանալու հատկություններ հաղորդելու շնորհիվ։
• Ինչպե՞ս օճառացնել յուղերն առանց կծու ալկալու լուծույթի։ Օճառի ավանդական պատրաստման դեպքում յուղերն առանց կծու ալկալու լուծույթի օճառացնել հնարավոր չէ, սակայն օճառանման մաքրող միջոցներ կարելի է պատրաստել՝ կծու ալկալու լուծույթով օճառացման փոխարեն օգտագործելով մակերևութաակտիվ նյութեր և էմուլգատորներ։