鹸化 – 超音波による石鹸製造プロセス

鹸化は、石鹸を製造する化学プロセスです。原料である脂肪や油（トリグリセリド）がアルカリ反応物と反応し、石鹸を生成する反応です。超音波処理は相間移動触媒作用を改善することで、反応速度を高め、より完全な転化を実現し、水酸化カリウム（KOH）や水酸化ナトリウム（NaOH）などの塩基性試薬の過剰使用を回避します。超音波で開始するアルカリ加水分解は、商業的な石鹸製造に容易に導入できます。鹸化用の超音波リアクターは、触媒を一切使用しないか、触媒の使用量を減らすことで、より短時間でより多くの生産量を実現します。

超音波による鹸化の促進

超音波鹸化の事例研究

さまざまな研究により、超音波処理がトリグリセリドから石鹸への鹸化を促進することが示されています。超音波鹸化は、触媒の使用量を削減するか、使用を回避しながら、転化を加速し、転化率を高めます。このため、超音波鹸化は非常に効率的な製造方法です。

相触媒を用いないトリグリセリドのアルカリ加水分解（鹸化）の超音波による開始

Mercantili et al. (2013) は、鹸化として知られるトリグリセリドのアルカリ加水分解に対する超音波処理の効果を研究しました。研究では、ヒマワリ油のアルカリ加水分解を開始するために超音波処理を使用しました。アルカリ性塩基として水酸化カリウム（KOH）を使用しました。その結果、超音波が反応を開始して進行させる動力源として有効であり、周囲温度で操作しながら、合計わずか15 minの出力印加で高い反応収率を達成でき、反応中に検出可能な副生成物が発生しないことが示されました。超音波洗浄槽とプローブ型超音波処理装置の比較では、超音波プローブがより優れた手法であることが示されています。この研究は、超音波鹸化により、過剰なアルカリや相間移動触媒作用を必要とせずに良好な転化率が得られることを実証しています。

トリアシルグリセロールのアルカリ加水分解

超音波による鹸化の相間移動反応の促進

Bhatkhande et al. (1998) は、大豆油などの植物油を超音波処理することで、KOH水溶液とさまざまな相間移動触媒（PTC）を用いて室温で効率的に鹸化できることを示しました。鹸化の程度は、鹸化価を指標として調べられました。時間、相間移動触媒の選択、触媒の使用量、KOHの量、水の量など、さまざまなパラメーターの最適化を、超音波処理と撹拌を用いて実施しました。超音波の効果を調べるため、35ºCでも、撹拌、超音波処理、撹拌と超音波処理の併用、および100ºCでの加熱という異なる条件下で鹸化を実施しました。KOH水溶液/CTABを用いたさまざまな植物油の不均一な液液相での鹸化は、35ºCで超音波処理と撹拌を行うことで大幅に加速されることがわかりました。

高性能超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット生産、工業生産向けに高性能超音波装置を提供しています。堅牢で信頼性の高い超音波処理装置は、鹸化などのさまざまな超音波化学反応に使用されています。Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、バッチ方式でもインライン方式でも使用できます。重要なプロセスパラメーターすべて – 振幅、圧力、温度 – を精密に制御でき、再現性のある結果を確保できます。
デジタル制御は、プロセスパラメーターを自動的に記録し、内蔵のSDカードに保存します。事前設定とブラウザーによる遠隔制御により、超音波処理プロセスは非常に簡単で使いやすくなります。
多くの超音波化学反応では特定の温度を維持する必要があるため、温度制御が重要です。Hielscherのデジタル超音波処理装置には、熱電対と温度制御機能が搭載されています。ジャケット付きフローセルは放熱を可能にします。
Hielscherの超音波装置は堅牢なため、高負荷かつ厳しい環境でも24/7の連続運転が可能です。
以下の表に、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示します。

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): アルカリ水溶液を用いた植物油の超音波支援PTC触媒鹸化。Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): 相間移動触媒作用を用いないトリグリセリドのアルカリ加水分解（鹸化）の超音波による開始。Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

知っておきたい基礎知識

超音波化学

高出力超音波は、反応を開始し、促進するために、合成や触媒反応などの化学プロセス（それぞれ超音波合成、超音波触媒反応とも呼ばれます）に適用されます。有機合成における超音波照射のさまざまな用途が詳しく研究され、工業生産向けに開発されてきました。超音波化学処理は、大幅に穏やかな条件下で、反応速度、目的生成物の収率および選択性を高めることができます。このため、超音波処理は効果的で環境に優しい処理技術となっています。超音波を利用した相間移動触媒作用（PTC）は、超音波を使用しない条件での同じ反応と比較して、有機反応においてはるかに効率的で効果的な方法であることが実証されています。例えば、超音波を利用した相間移動触媒作用で触媒されるCannizarro反応は大幅に加速され、迅速な転化が得られます。もう一つの代表的な例は、触媒としてのKOHと高出力超音波の存在下で行う、トリグリセリド（植物油、動物性脂肪）とメタノールのエステル交換反応です。超音波によるエステル交換反応では、迅速な転化と非常に効率的で経済的なプロセスによって、高品質のバイオディーゼルが製造されます。

超音波抽出は、音響キャビテーションと、それに伴う流体力学的せん断力に基づいています

鹸化

鹸化とは、石鹸を生成する化学反応です。鹸化プロセスでは、植物油や動物性脂肪が脂肪酸塩 – 「石鹸」 – と、アルコールの一種であるグリセロールに変換されます。反応を開始するには、アルカリ性塩基（例えばNaOHやKOH）の水溶液と熱が必要です。
鹸化反応は、以下の段階で進行します。

1. 水酸化物による脂肪酸エステルへの求核攻撃
2. 脱離基の脱離
3. 脱プロトン化

鹸化反応は、石鹸や潤滑剤の商業的な製造に使用されています。
水酸化ナトリウムによる硬石鹸と水酸化カリウムによる軟石鹸は日常の洗浄に使用されますが、他の金属水酸化物を用いて製造される特殊な石鹸もあります。例えば、リチウム石鹸やカルシウム石鹸は潤滑グリースとして使用されています。金属石鹸の混合物からなる「複合石鹸」もあります。

加水分解

加水分解は、有機化学物質が水と反応して二種類以上の新しい物質を生成する反応であり、通常は水の付加による化学結合の切断を意味します。エステルは、水と塩基との反応によって切断され、カルボン酸とアルコールに戻ることができます。石鹸は、脂肪や油のエステルの加水分解によって生成されます。

アルカリ性塩基

油脂の鹸化には、アルカリ性塩基の反応物（苛性アルカリ溶液）が必要です。トリグリセリドを塩基 – 水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム – と反応させることで、グリセロールと、いわゆる「石鹸」である脂肪酸塩を生成します。水酸化カリウムは、化学式KOHで表される無機化合物で、一般に苛性カリと呼ばれます。水酸化ナトリウム（NaOH）も代表的な強塩基です。水酸化ナトリウムを使用すると硬石鹸が生成され、水酸化カリウムを使用すると軟石鹸が生成されます。

反応物と試薬の違い

反応物とは、化学反応で使い切られる、または消費される物質です。試薬と比較して、反応物はより多くの量を必要とします。試薬とは、反応を開始したり、反応を補助したりするために使用される物質であり、反応で消費されない触媒とは異なり、反応で消費されます。

鹸化 – よくある質問

• 鹸化プロセスとは何ですか？ 鹸化は、脂肪や油がアルカリ（通常は水酸化ナトリウム）と反応して、石鹸とグリセロールを生成する化学プロセスです。この反応では、トリグリセリドが加水分解され、脂肪酸塩とグリセロールになります。
• 鹸化はどのような種類の反応ですか？ 鹸化は、脂肪や油に含まれるエステル結合がアルカリによって分解される加水分解反応の一種です。
• なぜ鹸化と呼ばれるのですか？ 最終生成物である石鹸と、トリグリセリドのエステル結合の加水分解を通じて石鹸を生成できることに由来する名称です。
• 鹸化の目的は何ですか？ 主な目的は、清掃や洗浄に広く使用される界面活性剤である石鹸を製造することです。
• 鹸化は加水分解ですか？ はい。鹸化は、アルカリによって脂肪や油をグリセロールと脂肪酸塩（石鹸）に分解する、特定の種類の加水分解です。
• 鹸化の反応機構はどのようなものですか？ 水酸化物イオンがトリグリセリドのエステル結合のカルボニル炭素を求核攻撃することで、アルコール（グリセロール）と石鹸が生成されます。
• 鹸化で混合が重要なのはなぜですか？ 効率的な混合は、反応物同士を十分に接触させ、より完全で均一な反応を促進します。これは、最適な収率を達成するうえで極めて重要です。Hielscherの超音波ミキサーは、強力なキャビテーションとせん断力によって、このプロセスを促進できます。
• 鹸化の例には何がありますか？ Hielscherの超音波リアクターを用いて水酸化ナトリウムとココナッツ油を混合し、石鹸とグリセロールを生成することが、鹸化の一例です。
• 鹸化の主な生成物は何ですか？ 主な生成物は、石鹸（脂肪酸のナトリウム塩またはカリウム塩）とグリセロールです。
• 鹸化価が重要なのはなぜですか？ 鹸化価は、一定量の脂肪や油を鹸化するために必要なアルカリの量を示し、それらに含まれる脂肪酸の分子量を求める際に役立ちます。
• 鹸化は可逆的ですか？ 通常の条件下では、生成された石鹸が安定であるため、鹸化は可逆的ではありません。
• 鹸化の逆のプロセスは何ですか？ 水とアルコールがカルボン酸と反応してエステルと水を生成するエステル化が、逆のプロセスです。
• 鹸化には熱が必要ですか？ 熱は必須ではありませんが、分子運動と反応速度を高めることで、鹸化プロセスを加速できます。
• 鹸化は発熱反応ですか、それとも吸熱反応ですか？ 鹸化は発熱反応であり、反応が進むにつれて熱を放出します。
• 鹸化は塩基性反応ですか、それとも酸性反応ですか？ 塩基（アルカリ）がエステル（脂肪/油）に作用するため、塩基性反応です。
• 鹸化を止めるにはどうすればよいですか？ 酸を加えてアルカリを中和すると反応が止まり、鹸化プロセスを効果的に停止できます。
• 鹸化後はどうなりますか？ 反応が完了した後の混合物は通常、石鹸とグリセロールからなり、用途に応じて精製や追加の処理を行うことがあります。
• 鹸化は自然に起こりますか？ はい。特定の地質環境で脂肪がアルカリ土類金属と接触すると、自然な鹸化が起こることがあります。また、古代の人々が伝統的な石鹸製造方法で動物性脂肪と灰を混合した際にも、自然な鹸化が起こりました。
• 鹸化にオリーブ油が使用されるのはなぜですか？ オリーブ油はオレイン酸を豊富に含むため、鹸化で好んで使用されます。オレイン酸は、良好な洗浄性と安定した泡立ちを備えた、肌に優しく保湿性のある石鹸をもたらします。
• 脂肪を石鹸にするにはどうすればよいですか？ 脂肪は、通常は水酸化ナトリウムである強アルカリの溶液とともに加熱することで鹸化され、石鹸になります。このプロセスでは、脂肪が脂肪酸塩（石鹸）とグリセロールに分解されます。
• 鹸化価の高い油はどれですか？ ココナッツ油は鹸化価が高く、より小さい脂肪酸分子の割合が高いことを示しています。このため、石鹸を生成する際のアルカリとの反応性が非常に高くなります。
• 鹸化中に油はどうなりますか？ 鹸化中、油はアルカリによって加水分解され、グリセロールと脂肪酸塩になり、後者が石鹸を形成します。
• 石鹸に最適な脂肪は何ですか？ 獣脂（牛脂）とココナッツ油は、最終的な石鹸製品に泡立ちと硬さをもたらす性質から、石鹸製造に最適な脂肪の一部と考えられています。
• 苛性アルカリ溶液を使わずに油を鹸化するにはどうすればよいですか？ 伝統的な石鹸製造では、苛性アルカリ溶液を使わずに油を鹸化することはできません。ただし、苛性アルカリ溶液による鹸化の代わりに、界面活性剤と乳化剤を用いて、石鹸のような洗浄剤を製造することはできます。