Saponificazione – Processo di produzione del sapone con gli ultrasuoni

La saponificazione è il processo chimico di produzione del sapone. È la reazione in cui la materia prima di grassi o oli (trigliceridi) reagisce con un reagente alcalino per formare il sapone. L'ultrasuonizzazione migliora la catalisi del trasferimento di fase, con conseguente aumento della velocità di reazione, conversione più completa ed evita l'uso eccessivo di reagenti base come l'idrossido di potassio (KOH) o l'idrossido di sodio (NaOH). L'idrolisi alcalina avviata a ultrasuoni può essere facilmente implementata nella produzione commerciale di sapone. I reattori a ultrasuoni per la saponificazione producono una maggiore produzione in tempi più brevi senza utilizzare alcun catalizzatore o riducendo le quantità di catalizzatore utilizzate.

Saponificazione promossa dagli ultrasuoni

Casi di studio sulla saponificazione a ultrasuoni

Diverse ricerche hanno dimostrato che la sonicazione favorisce la saponificazione dei trigliceridi in sapone. La saponificazione a ultrasuoni accelera e aumenta la conversione, risparmiando o evitando l'uso di catalizzatori. Ciò rende la saponificazione a ultrasuoni un metodo di produzione altamente efficiente.

Avvio a ultrasuoni dell'idrolisi alcalina dei trigliceridi (saponificazione) senza catalizzatore di fase

Mercantili et al. (2013) hanno studiato gli effetti degli ultrasuoni sull'idrolisi alcalina dei trigliceridi, nota come saponificazione. Hanno utilizzato la sonicazione per avviare l'idrolisi alcalina dell'olio di girasole. Come base alcalina è stato utilizzato idrossido di potassio (KOH). È stato dimostrato che gli ultrasuoni sono efficaci come fonte di energia per avviare e guidare la reazione, che è possibile ottenere un'elevata resa di reazione in soli 15 minuti di applicazione totale di energia lavorando a temperatura ambiente e che non vengono generati sottoprodotti rilevabili durante la reazione. Il confronto tra un bagno a ultrasuoni e un ultrasonocatore a sonda dimostra che la sonda a ultrasuoni è la tecnica superiore. Lo studio dimostra che la saponificazione a ultrasuoni produce una buona conversione senza la necessità di un eccesso di alcali o di catalisi a trasferimento di fase.

Idrolisi alcalina del triacilglicerolo

Reazione di trasferimento di fase promossa a ultrasuoni per la saponificazione

Bhatkhande et al. (1998) hanno dimostrato che la sonicazione di oli vegetali come l'olio di soia può essere saponificata in modo efficiente utilizzando KOH acquoso e diversi PTC a temperatura ambiente. Il grado di saponificazione è stato studiato utilizzando il valore di saponificazione come riferimento. L'ottimizzazione di vari parametri come il tempo, la selezione dei catalizzatori a trasferimento di fase, la quantità di catalizzatore utilizzato, la quantità di KOH e la quantità di acqua è stata effettuata utilizzando la sonicazione e l'agitazione. Per studiare l'effetto degli ultrasuoni, la saponificazione è stata effettuata anche a 35 ºC in diverse condizioni, ovvero agitazione, sonicazione, agitazione e sonicazione e riscaldamento a 100 ºC. È emerso che la saponificazione eterogenea in fase liquido-liquido di diversi oli vegetali con KOH/CTAB acquoso è stata significativamente accelerata a 35 ºC sotto sonicazione e agitazione.

Ultrasuonatori ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per laboratorio, produzione pilota e industriale. I robusti e affidabili ultrasuonatori sono utilizzati per varie reazioni stereo-chimiche, come la saponificazione. Gli ultrasuoni a sonda di Hielscher possono essere utilizzati in modalità batch e in linea. Tutti i parametri di processo più importanti – ampiezza, pressione, temperatura – possono essere controllati con precisione e garantire risultati riproducibili.
Il controllo digitale registra automaticamente i parametri di processo e li memorizza sulla scheda SD integrata. Le preimpostazioni e il controllo remoto via browser rendono il processo di sonicazione molto semplice e facile da usare.
Per molte reazioni stereo-chimiche è necessario mantenere una certa temperatura, quindi il controllo della temperatura è importante. Gli ultrasonori digitali Hielscher sono dotati di una termocoppia e di un controllo della temperatura. Le celle di flusso rivestite consentono la dissipazione del calore.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Saponificazione catalizzata da PTC assistita da ultrasuoni di oli vegetali con alcali acquosi. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Avvio a ultrasuoni dell'idrolisi alcalina dei trigliceridi (saponificazione) senza catalisi di fase. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

Particolarità / Cose da sapere

sicochimica

Gli ultrasuoni di potenza vengono applicati a processi chimici come la sintesi e la catalisi (chiamati anche sono-sintesi e sono-catalisi, rispettivamente) per avviare e intensificare la reazione. Diverse applicazioni dell'irradiazione ultrasonica nella sintesi organica sono state studiate a fondo e sviluppate per la produzione industriale. I trattamenti sonici possono aumentare la velocità di reazione, la resa e la selettività dei prodotti desiderati in condizioni significativamente più blande. Ciò rende il trattamento a ultrasuoni una tecnica di lavorazione efficace e rispettosa dell'ambiente. La catalisi a trasferimento di fase (PTC) assistita da ultrasuoni si è dimostrata un metodo drasticamente più efficiente ed efficace per le reazioni organiche rispetto alla stessa reazione in condizioni di silenzio. Ad esempio, la reazione di Cannizarro catalizzata da una catalisi a trasferimento di fase assistita da ultrasuoni è notevolmente accelerata, con conseguente conversione rapida. Un altro esempio importante è la transesterificazione di trigliceridi (oli vegetali, grassi animali) e metanolo in presenza di KOH come catalizzatore e di ultrasuoni. La transesterificazione a ultrasuoni produce biodiesel di alta qualità con una conversione rapida e un processo molto efficiente ed economico.

L'estrazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e sulle forze di taglio idrodinamiche.

Saponificazione

La saponificazione descrive la reazione chimica che produce il sapone. Nel processo di saponificazione, gli oli vegetali o i grassi animali vengono convertiti in sali di acidi grassi. – il "sapone" – e glicerolo, che è un alcol. La reazione richiede una soluzione di una base alcalina (ad esempio, NaOH o KOH) in acqua e anche calore per avviare la reazione.
Le fasi di reazione della saponificazione sono le seguenti:

1. Attacco nucleofilo degli esteri degli acidi grassi da parte dell'idrossido
2. Rimozione del gruppo di partenza
3. Deprotonazione

La reazione di saponificazione viene utilizzata in commercio per produrre saponi e lubrificanti.
Mentre il sapone duro all'idrossido di sodio e il sapone molle all'idrossido di potassio sono utilizzati per la pulizia quotidiana, esistono anche saponi speciali prodotti con altri idrossidi metallici. Ad esempio, i saponi di litio e i saponi di calcio sono utilizzati come grassi lubrificanti. Esistono anche “saponi complessi” costituito da una miscela di saponi metallici.

Idrolisi

L'idrolisi comporta la reazione di una sostanza chimica organica con l'acqua per formare due o più nuove sostanze e di solito comporta la scissione dei legami chimici mediante l'aggiunta di acqua. Gli esteri possono essere scissi in un acido carbossilico e in un alcol per reazione con acqua e una base. Il sapone viene prodotto dall'idrolisi degli esteri di grassi o oli.

Base alcalina

Per la saponificazione di oli e grassi sono necessari reagenti di base alcalini (liscivie). I trigliceridi vengono fatti reagire con una base – idrossido di sodio o di potassio – per produrre glicerolo e un sale di acido grasso, il cosiddetto "sapone". L'idrossido di potassio è un composto inorganico con formula KOH, comunemente chiamato potassa caustica. L'idrossido di sodio (NaOH) è un'altra base forte prototipica. Quando si usa l'idrossido di sodio, si produce un sapone duro, mentre l'uso dell'idrossido di potassio produce un sapone morbido.

Reagente vs Reagente

Un reagente è una sostanza che viene utilizzata o consumata in una reazione chimica. Rispetto a un reagente, un reagente è necessario in quantità maggiori. Un reagente è una sostanza che viene utilizzata per avviare una reazione, per sostenerla e viene consumata durante la reazione, a differenza dei catalizzatori che non vengono consumati durante la reazione.

Saponificazione – Domande frequenti

• Qual è il processo di saponificazione? La saponificazione è il processo chimico in cui i grassi o gli oli reagiscono con un alcali (solitamente idrossido di sodio) per produrre sapone e glicerolo. Questa reazione comporta l'idrolisi dei trigliceridi in sali di acidi grassi e glicerolo.
• Che tipo di reazione è la saponificazione? La saponificazione è un tipo di reazione di idrolisi in cui i legami di estere nei grassi o negli oli vengono spezzati da un alcali.
• Perché si chiama saponificazione? Prende il nome dal suo prodotto finale, il sapone, e dalla sua capacità di creare sapone attraverso l'idrolisi dei legami esteri nei trigliceridi.
• Qual è lo scopo della saponificazione? Lo scopo principale è la produzione di sapone, un tensioattivo ampiamente utilizzato per la pulizia e il lavaggio.
• La saponificazione è idrolisi? Sì, la saponificazione è un tipo specifico di idrolisi che comporta la decomposizione di grassi o oli da parte di un alcali in glicerolo e sali di acidi grassi (sapone).
• Qual è il meccanismo della saponificazione? Comporta l'attacco nucleofilo degli ioni idrossido sul carbonio carbonilico del legame estere nei trigliceridi, con conseguente formazione di alcol (glicerolo) e sapone.
• Perché la miscelazione è importante per la saponificazione? Una miscelazione efficiente garantisce un contatto completo tra i reagenti, favorendo una reazione più completa e uniforme, fondamentale per ottenere rese ottimali. I miscelatori a ultrasuoni Hielscher possono migliorare questo processo grazie all'intensa cavitazione e alle forze di taglio.
• Che cos'è un esempio di saponificazione? La saponificazione si ottiene mescolando l'idrossido di sodio con l'olio di cocco in presenza di un reattore a ultrasuoni Hielscher per produrre sapone e glicerolo.
• Qual è il principale prodotto della saponificazione? I prodotti principali sono il sapone (sali di sodio o di potassio degli acidi grassi) e il glicerolo.
• Perché è importante il valore di saponificazione? Il valore di saponificazione indica la quantità di alcali necessaria per saponificare una determinata quantità di grasso o olio, contribuendo a determinare il peso molecolare degli acidi grassi contenuti.
• La saponificazione è reversibile? In condizioni tipiche, la saponificazione non è reversibile a causa della natura stabile del sapone formato.
• Qual è il contrario della saponificazione? L'esterificazione, in cui acqua e alcoli reagiscono con gli acidi carbossilici per formare esteri e acqua, è il processo inverso.
• La saponificazione richiede calore? Anche se non è necessario, il calore può accelerare il processo di saponificazione aumentando il movimento molecolare e la velocità di reazione.
• La saponificazione è esotermica o endotermica? La saponificazione è una reazione esotermica, che rilascia calore man mano che procede.
• La saponificazione è basica o acida? Si tratta di una reazione basica, in quanto comporta l'azione di una base (alcali) su un estere (grasso/olio).
• Come si arresta la saponificazione? L'aggiunta di un acido per neutralizzare l'alcali blocca la reazione, interrompendo di fatto il processo di saponificazione.
• Cosa succede dopo la saponificazione? Dopo la reazione completa, la miscela è solitamente costituita da sapone e glicerolo, che possono essere purificati o ulteriormente lavorati a seconda dell'uso previsto.
• La saponificazione è naturale? Sì, la saponificazione naturale può avvenire quando i grassi entrano in contatto con i metalli alcalino-terrosi in alcuni ambienti geologici o quando gli antichi popoli mescolavano i grassi animali con la cenere nei metodi tradizionali di produzione del sapone.
• Perché si usa l'olio d'oliva nella saponificazione? L'olio d'oliva è favorito nella saponificazione grazie al suo ricco contenuto di acido oleico, che produce un sapone delicato e idratante con buone proprietà detergenti e una schiuma stabile.
• Come trasformare il grasso in sapone? I grassi vengono trasformati in sapone attraverso la saponificazione, riscaldandoli con una soluzione alcalina forte, in genere idrossido di sodio, che li scinde in sali di acidi grassi (sapone) e glicerolo.
• Quale olio ha un alto valore di saponificazione? L'olio di cocco ha un alto valore di saponificazione, che indica una maggiore proporzione di molecole di acidi grassi più piccole, rendendolo molto reattivo con gli alcali per produrre sapone.
• Cosa succede agli oli durante la saponificazione? Durante la saponificazione, gli oli vengono idrolizzati dagli alcali in glicerolo e sali di acidi grassi, questi ultimi formano il sapone.
• Qual è il miglior grasso per il sapone? Il sego (grasso di manzo) e l'olio di cocco sono considerati tra i migliori grassi per la produzione di sapone grazie alle loro proprietà schiumogene e indurenti nel prodotto finale.
• Come saponificare gli oli senza soda? La saponificazione degli oli senza liscivia non è possibile per la saponificazione tradizionale; tuttavia, è possibile produrre detergenti simili al sapone utilizzando tensioattivi ed emulsionanti al posto della saponificazione a base di liscivia.