鹸化 – 超音波による石けん製造プロセス

鹸化（けん化）とは、石けんを作る化学的プロセスのことである。原料の油脂（トリグリセリド）がアルカリ反応剤と反応して石鹸を形成する反応である。超音波処理によって相間移動触媒作用が改善され、反応速度が向上し、より完全な転化が可能になり、水酸化カリウム（KOH）や水酸化ナトリウム（NaOH）のような塩基性試薬の過剰な使用を避けることができる。超音波により開始されるアルカリ加水分解は、商業的な石鹸製造において容易に実施することができる。鹸化用の超音波リアクターは、触媒を使用したり、使用する触媒の量を減らしたりすることなく、短時間でより高い生産量を生み出す。

超音波による鹸化促進

超音波鹸化のケーススタディ

様々な研究により、超音波処理はトリグリセリドの石鹸への鹸化を促進することが示されている。超音波鹸化は、触媒の使用を節約または回避しながら、転化を促進し、増加させる。このため、超音波鹸化は非常に効率的な製造方法となっている。

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ら（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おける超音波の効果を研究した。彼ら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た。アルカリ塩基として水酸化カリウム（KOH）を使用した。その結果、超音波が反応を開始させ、促進させる動力源として有効であること、周囲温度で作業しながら、わずか15分の総動力印加で高い反応収率が達成可能であること、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た。超音波バスとプローブ型超音波セーターの比較から、超音波プローブが優れた技術であることが示された。この研究により、過剰なアルカリや相間移動触媒を必要とせずに、超音波鹸化で良好な転化率が得られることが実証された。

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ための相間移動反応

Bhatkhandeら(1998)は、KOH水溶液と異なるPTCを用いて、大豆油などの植物油を室温で超音波処理すると、効率的に鹸化できることを示した。鹸化の程度は、鹸化価を基準として研究された。時間、相間移動触媒の選択、使用する触媒の量、KOHの量、水の量など様々なパラメーターの最適化を超音波処理と攪拌を用いて行った。超音波の効果を調べるため、35℃で、撹拌、超音波処理、撹拌と超音波処理、100℃での加熱という異なる条件で鹸化も行った。その結果、KOH/CTAB水溶液を用いたさまざまな植物油の不均一液液相鹸化は、35ºCで超音波処理と攪拌のもとで著しく促進されることがわかった。

高性能超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、ラボ用、パイロット用、工業用の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装置は、鹸化など様々なソノケミカル反応に使用されています。Hielscher社のプローブ式超音波装置は、バッチ式およびインライン式で使用できます。全ての重要なプロセスパラメーター – 振幅、圧力、温度 – を正確に制御し、再現性のある結果を保証することができる。
デジタル制御がプロセスパラメーターを自動的に記録し、内蔵SDカードに保存します。事前設定とリモートブラウザーコントロールにより、超音波処理プロセスは非常にシンプルでユーザーフレンドリーです。
多くの超音波反応では、一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のデジタル超音波装置は、熱電対と温度制御が付属しています。ジャケット付きフローセルは放熱を可能にします。
Hielscher社の超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼動が可能です。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998)：超音波アシストPTC触媒による水性アルカリを用いた植物油のケン化。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.

知っておくべき事実

ソノケミストリー

パワー超音波は、合成や触媒反応（それぞれソノシンセシス、ソノカタリシスとも呼ばれる）のような化学プロセスに適用され、反応を開始させたり強めたりする。有機合成における超音波照射の様々な応用が深く研究され、工業生産用に開発されてきた。ソノケミカル処理は、著しく温和な条件下で、反応速度、収率、所望の生成物の選択性を高めることができる。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る。超音波アシスト相間移動触媒反応（PTC）は、無音条件下での同じ反応と比較して、有機反応において劇的に効率的かつ効果的な方法であることが証明されている。例えば、超音波アシスト相間移動触媒によって触媒されるCannizarro反応は大幅にスピードアップし、迅速な変換をもたらす。もう一つの顕著な例は、触媒としてKOHを使用し、超音波を用いたトリグリセリド（植物油、動物油脂）とメタノールのトランスエステル化反応である。超音波によるトランスエステル化では、迅速な変換と非常に効率的で経済的なプロセスで高品質のバイオディーゼルが生産される。

超音波抽出は、音響キャビテーションとその流体力学的せん断力に基づいている。

鹸化

鹸化とは、石鹸を生成する化学反応のことである。鹸化プロセスでは、植物油や動物性脂肪が脂肪酸塩に変換される。 – 石鹸 – とアルコールであるグリセロールを反応させる。この反応には、アルカリ塩基（NaOHやKOHなど）の水溶液と、反応を開始させるための熱が必要である。
鹸化の反応ステップは以下の通り：

1. 水酸化物による脂肪酸エステルの求核攻撃
2. 退団
3. 脱プロトン

鹸化反応は、石鹸や潤滑油の製造に商業的に利用されている。
水酸化ナトリウム硬石鹸や水酸化カリウム軟石鹸は日常的な洗浄に使われるが、他の金属水酸化物を使った特殊な石鹸もある。例えば、リチウム石鹸やカルシウム石鹸は潤滑油として使用される。また “複合石鹸” 金属石鹸の混合物から成る。

加水分解

加水分解は、有機化学物質が水と反応して2つ以上の新しい物質を生成することを含み、通常、水の添加による化学結合の切断を意味する。エステルは、水と塩基との反応によって、カルボン酸とアルコールに戻る。石けんは、油脂のエステルの加水分解によって作られる。

アルカリ性ベース

油脂のケン化にはアルカリ塩基性反応剤（ライース）が必要である。トリグリセリドは塩基と反応する。 – 水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム – 水酸化カリウムは、グリセリンと脂肪酸塩、いわゆる「石鹸」を生成するために使用される。水酸化カリウムはKOHという式の無機化合物で、一般に苛性カリと呼ばれる。水酸化ナトリウム（NaOH）も典型的な強塩基である。水酸化ナトリウムを使うと硬い石けんができ、水酸化カリウムを使うと軟らかい石けんができる。

反応剤 vs 試薬

反応剤とは化学反応で消費される物質である。試薬に比べ、反応剤はより多量に必要とされる。反応に消費されない触媒とは対照的に、試薬は反応を開始し、反応をサポートするために使用され、反応に消費される物質です。

鹸化 – よくある質問

• 鹸化プロセスとは？ 鹸化とは、油脂がアルカリ（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的プロセスである。この反応には、トリグリセリドの脂肪酸塩とグリセロールへの加水分解が含まれる。
• 鹸化とはどのような反応か？ 鹸化は加水分解反応の一種で、油脂中のエステル結合がアルカリによって分解される。
• なぜ鹸化と呼ばれるのか？ 最終生成物である石けんと、トリグリセリド中のエステル結合を加水分解して石けんを生成する能力から名付けられた。
• 鹸化の目的は何ですか？ 主な目的は、洗浄や洗濯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ある。
• 鹸化は加水分解か？ そう、鹸化とは、油脂をアルカリによってグリセロールと脂肪酸塩（石鹸）に分解する加水分解の一種である。
• 鹸化のメカニズムとは？ トリグリセリドのエステル結合のカルボニル炭素に水酸化物イオンが求核攻撃し、アルコール（グリセロール）と石鹸が生成する。
• なぜ鹸化には混合が重要なのか？ 効率的なミキシングは反応物同士の接触を確実にし、より完全で均一な反応を促します。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強化することができます。
• 鹸化の例とは？ 水酸化ナトリウムとココナッツオイルをHielscher社製の超音波反応器の存在下で混合し、石鹸とグリセロールを生成することは、鹸化の一例である。
• 鹸化の主な生成物は何ですか？ 主な製品は石鹸（脂肪酸のナトリウム塩またはカリウム塩）とグリセロールである。
• なぜケン化価が重要なのか？ 鹸化価は、一定量の油脂を鹸化するのに必要なアルカリの量を示し、含まれる脂肪酸の分子量を決定するのに役立つ。
• 鹸化は可逆的か？ 一般的な条件下では、形成される石鹸の安定した性質のため、鹸化は可逆的ではない。
• 鹸化の反対語は？ 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は、その逆のプロセスである。
• 鹸化には熱が必要ですか？ 必須ではないが、熱は分子運動と反応速度を増加させることにより、鹸化プロセスを加速させることができる。
• 鹸化は発熱性か吸熱性か？ 鹸化は発熱反応であり、進行するにつれて熱を放出する。
• 鹸化は塩基性か酸性か？ エステル（脂肪／油）に塩基（アルカリ）を作用させるので、塩基性反応である。
• 鹸化を止めるには？ アルカリを中和するために酸を加えると反応が止まり、鹸化プロセスが事実上停止する。
• 鹸化の後はどうなるのか？ 完全な反応後、混合物は通常石鹸とグリセロールからなり、使用目的に応じて精製したり、さらに加工したりすることができる。
• 鹸化は自然なのか？ ある種の地質学的環境において脂肪がアルカリ土類金属と接触したときや、古代の人々が伝統的な石鹸作りにおいて動物性脂肪と灰を混ぜたときに、自然な鹸化が起こることがある。
• なぜオリーブオイルが鹸化に使われるのか？ オリーブ油はオレイン酸を豊富に含むため、鹸化に適しており、洗浄力が高く、安定した泡立ちを持つ、マイルドで保湿性の高い石鹸ができる。
• 脂肪を石鹸に変えるには？ 脂肪は、強アルカリ水溶液（通常は水酸化ナトリウム）で加熱することで鹸化され、脂肪酸塩（石鹸）とグリセロールに分解される。
• ケン化度の高いオイルは？ ココナッツオイルはケン化価が高く、脂肪酸分子の小さいものの割合が高いことを示している。
• 鹸化の過程でオイルはどうなるのか？ 鹸化の際、油はアルカリによってグリセロールと脂肪酸塩に加水分解され、後者が石鹸を形成する。
• 石鹸に最適な油脂とは？ タロー（牛脂）とココナッツオイルは、泡立ちがよく、最終的な石けん製品を固める性質があるため、石けん作りに最適な油脂のひとつとされている。
• 灰汁を使わずにオイルを鹸化する方法は？ 灰汁を使わずに油を鹸化することは、伝統的な石鹸作りでは不可能である。しかし、石鹸のような洗顔料は、灰汁を使った鹸化の代わりに界面活性剤や乳化剤を使って作ることができる。