საპონიფიკაცია – ულტრაბგერითი ტექნოლოგიით საპნის დამზადების პროცესი

საპონიფიკაცია არის საპნის დამზადების ქიმიური პროცესი. ეს არის რეაქცია, რომლის დროსაც ცხიმების ან ზეთების (ტრიგლიცერიდების) საწყისი მასალა რეაგირებს ტუტე რეაგენტთან საპნის წარმოქმნის მიზნით. ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს ფაზური გადატანის კატალიზს, რაც იწვევს რეაქციის სიჩქარის ზრდას, უფრო სრულყოფილ კონვერსიას და თავიდან იცილებს ტუტე რეაგენტების, როგორიცაა კალიუმის ჰიდროქსიდი (KOH) ან ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NaOH), ზედმეტ გამოყენებას. ულტრაბგერითი ინიცირებული ტუტე ჰიდროლიზი მარტივად შეიძლება იქნას დანერგილი საპნის კომერციულ წარმოებაში. საპონიფიკაციისთვის განკუთვნილი ულტრაბგერითი რეაქტორები უზრუნველყოფენ უფრო მაღალ გამოსავალს უფრო მოკლე დროში, კატალიზატორის გამოყენების გარეშე ან მისი რაოდენობის შემცირებით.

ულტრაბგერითი ხელშეწყობილი საპონიფიკაცია

ულტრაბგერითი საპონიფიკაციის კვლევითი მაგალითები

სხვადასხვა სამეცნიერო კვლევამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ტრიგლიცერიდების საპონიფიკაციას საპნად. ულტრაბგერითი საპონიფიკაცია აჩქარებს გარდაქმნას და ზრდის მის ხარისხს, ამავდროულად კი ამცირებს კატალიზატორის მოხმარებას ან გამორიცხავს მის გამოყენებას. ეს ულტრაბგერით საპონიფიკაციას აქცევს ძალიან ეფექტურ წარმოების მეთოდად.

ულტრაბგერითი ინიცირება ტრიგლიცერიდების ტუტე ჰიდროლიზისთვის (საპონიფიკაცია) ფაზური კატალიზატორის გარეშე

Mercantili et al. (2013) შეისწავლეს ულტრაბგერითი დამუშავების გავლენა ტრიგლიცერიდების ტუტე ჰიდროლიზზე, რომელიც ცნობილია როგორც საპონიფიკაცია. მათ გამოიყენეს ულტრაბგერითი დამუშავება მზესუმზირის ზეთის ტუტე ჰიდროლიზის ინიცირებისთვის. ტუტე ფუძედ გამოყენებული იყო კალიუმის ჰიდროქსიდი (KOH). დადგინდა, რომ ულტრაბგერა ეფექტურია როგორც ენერგიის წყარო რეაქციის ინიცირებისა და წარმართვისთვის, რომ გარემოს ტემპერატურაზე მუშაობისას რეაქციის მაღალი გამოსავლიანობა მიიღწევა ენერგიის მიწოდების ჯამურად მხოლოდ 15 წთ განმავლობაში და რომ რეაქციის დროს არ წარმოიქმნება გამოვლენადი გვერდითი პროდუქტები. ულტრაბგერითი აბაზანისა და ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატის შედარება აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი ზონდის გამოყენება უფრო ეფექტური მეთოდია. კვლევა აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი საპონიფიკაცია იძლევა კარგ კონვერსიას ზედმეტი ტუტის ან ფაზური გადატანის კატალიზის საჭიროების გარეშე.

ტრიაცილგლიცეროლის ტუტე ჰიდროლიზი

ულტრაბგერითი ხელშეწყობილი ფაზური გადატანის რეაქცია საპონიფიკაციისთვის

Bhatkhande et al. (1998) აჩვენეს, რომ მცენარეული ზეთები, როგორიცაა სოიოს ზეთი, შეიძლება ეფექტურად საპონიფიცირდეს ულტრაბგერითი დამუშავებით, KOH-ის წყალხსნარისა და სხვადასხვა PTC-ის გამოყენებით ოთახის ტემპერატურაზე. საპონიფიკაციის ხარისხი შეისწავლეს საპონიფიკაციის რიცხვის საცნობარო მაჩვენებლად გამოყენებით. სხვადასხვა პარამეტრის, როგორიცაა დრო, ფაზური გადატანის კატალიზატორების შერჩევა, გამოყენებული კატალიზატორის რაოდენობა, KOH-ის რაოდენობა და წყლის რაოდენობა, ოპტიმიზაცია განხორციელდა ულტრაბგერითი დამუშავებისა და მორევის გამოყენებით. ულტრაბგერის გავლენის შესასწავლად საპონიფიკაცია ასევე ჩატარდა 35ºC-ზე სხვადასხვა პირობებში, კერძოდ, მორევით, ულტრაბგერითი დამუშავებით, მორევისა და ულტრაბგერითი დამუშავების ერთობლივი გამოყენებით, აგრეთვე 100ºC-ზე გაცხელებით. აღმოჩნდა, რომ სხვადასხვა მცენარეული ზეთის ჰეტეროგენული საპონიფიკაცია სითხე-სითხე სისტემაში, KOH/CTAB-ის წყალხსნარის გამოყენებით, მნიშვნელოვნად აჩქარდა 35ºC-ზე ულტრაბგერითი დამუშავებისა და მორევის პირობებში.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი გენერატორები

Hielscher Ultrasonics აწვდის მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით მოწყობილობებს ლაბორატორიული, საცდელი და სამრეწველო წარმოებისთვის. გამძლე და საიმედო ულტრაბგერითი აპარატები გამოიყენება სხვადასხვა სონოქიმიური რეაქციისთვის, როგორიცაა საპონიფიკაცია. Hielscher-ის ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატები შეიძლება გამოყენებულ იქნას პერიოდულ და გამდინარე რეჟიმში. პროცესის ყველა მნიშვნელოვანი პარამეტრი – ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა – ზუსტად კონტროლდება, რაც უზრუნველყოფს განმეორებად შედეგებს.
ციფრული მართვა ავტომატურად აფიქსირებს პროცესის პარამეტრებს და ინახავს მათ ჩაშენებულ SD-ბარათზე. წინასწარი პარამეტრები და დისტანციური ბრაუზერული მართვა ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესს ძალიან მარტივს და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელს ხდის.
ბევრი სონოქიმიური რეაქციისთვის აუცილებელია გარკვეული ტემპერატურის შენარჩუნება, ამიტომ ტემპერატურის კონტროლი მნიშვნელოვანია. Hielscher-ის ციფრული ულტრაბგერითი აპარატები აღჭურვილია თერმოწყვილითა და ტემპერატურის კონტროლის სისტემით. თბოცვლის პერანგით აღჭურვილი გამდინარე უჯრედი სითბოს არინების საშუალებას იძლევა.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატურის გამძლეობა საშუალებას იძლევა 24/7 რეჟიმში მუშაობა შესაძლებელი იყოს ინტენსიური და რთული გარემო პირობებში.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გიჩვენებთ ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის მაჩვენებლებს:

• 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.

სასარგებლო ცნობები

სონოქიმია

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა გამოიყენება ქიმიურ პროცესებში, როგორიცაა სინთეზი და კატალიზი (შესაბამისად, ასევე ცნობილია როგორც სონო-სინთეზი და სონო-კატალიზი), რათა დაიწყოს და გაძლიერდეს რეაქცია. ორგანულ სინთეზში ულტრაბგერითი გამოსხივების სხვადასხვა გამოყენება დეტალურად არის შესწავლილი და შემუშავებული სამრეწველო წარმოებისთვის. სონოქიმიურ დამუშავებას შეუძლია გაზარდოს რეაქციის სიჩქარე, გამოსავლიანობა და სასურველი პროდუქტების მიმართ სელექციურობა მნიშვნელოვნად უფრო რბილ პირობებში. ეს ულტრაბგერით დამუშავებას ეფექტურ და ეკოლოგიურად სუფთა დამუშავების ტექნიკად აქცევს. დადასტურებულია, რომ ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ფაზური გადატანის კატალიზი (PTC) ორგანული რეაქციებისთვის ბევრად უფრო ეფექტური და შედეგიანი მეთოდია, ვიდრე იმავე რეაქციის ულტრაბგერის გარეშე ჩატარება. მაგალითად, კანიცაროს რეაქცია, რომელიც მიმდინარეობს ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ფაზური გადატანის კატალიზით, მნიშვნელოვნად აჩქარდება, რაც სწრაფ კონვერსიას იძლევა. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მაგალითია ტრიგლიცერიდებისა (მაგ., მცენარეული ზეთების, ცხოველური ცხიმების) და მეთანოლის ტრანსესტერიფიკაცია KOH-ის, როგორც კატალიზატორის, თანაობისას და მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის ზემოქმედებით. ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაცია იძლევა მაღალი ხარისხის ბიოდიზელს, რომელიც წარმოიქმნება სწრაფი კონვერსიით და ძალიან ეფექტური, ეკონომიური პროცესით.

ულტრაბგერითი ექსტრაქცია ეფუძნება აკუსტიკურ კავიტაციას და მის ჰიდროდინამიკურ ძვრის ძალებს

საპონიფიკაცია

საპონიფიკაცია აღწერს ქიმიურ რეაქციას, რომელიც საპონს წარმოქმნის. საპონიფიკაციის პროცესში მცენარეული ზეთები ან ცხოველური ცხიმები გარდაიქმნება ცხიმოვანი მჟავების მარილებად – „საპნად“ – და გლიცეროლად, რომელიც სპირტია. რეაქციას სჭირდება ტუტე ფუძის (მაგ., NaOH ან KOH) ხსნარი წყალში და ასევე სითბო რეაქციის დასაწყებად.
საპონიფიკაციის რეაქციის ეტაპები შემდეგია:

1. ჰიდროქსიდის ნუკლეოფილური შეტევა ცხიმოვანი მჟავების ესტერებზე
2. გამსვლელი ჯგუფის მოცილება
3. დეპროტონირება

საპონიფიკაციის რეაქცია კომერციულად გამოიყენება საპნებისა და საპოხი მასალების წარმოებისთვის.
მიუხედავად იმისა, რომ ნატრიუმის ჰიდროქსიდით მიღებული მყარი საპონი და კალიუმის ჰიდროქსიდით მიღებული რბილი საპონი ყოველდღიური დასუფთავებისთვის გამოიყენება, არსებობს ასევე სპეციალური საპნები, რომლებიც სხვა მეტალთა ჰიდროქსიდების გამოყენებით მზადდება. მაგალითად, ლითიუმისა და კალციუმის საპნები გამოიყენება როგორც პლასტიკური საპოხი მასალები. არსებობს ასევე „კომპლექსური საპნები“, რომლებიც მეტალთა საპნების ნარევისგან შედგება.

ჰიდროლიზი

ჰიდროლიზი გულისხმობს ორგანული ქიმიური ნივთიერების რეაქციას წყალთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ორი ან მეტი ახალი ნივთიერება და ჩვეულებრივ ნიშნავს ქიმიური ბმების გახლეჩას წყლის დამატებით. ესტერები შეიძლება დაიშალოს უკან კარბონმჟავად და სპირტად წყალთან და ფუძესთან რეაქციის შედეგად. საპონი მიიღება ცხიმის ან ზეთის ესტერების ჰიდროლიზით.

ტუტე ფუძე

ტუტე რეაგენტები (ტუტეები) აუცილებელია ზეთებისა და ცხიმების საპონმქმნელი რეაქციისთვის. ტრიგლიცერიდები რეაგირებენ ფუძესთან – ნატრიუმის ან კალიუმის ჰიდროქსიდთან – გლიცერინისა და ცხიმოვანი მჟავას მარილის, ე.წ. „საპონის“ მისაღებად. კალიუმის ჰიდროქსიდი არის არაორგანული ნაერთი ფორმულით KOH, რომელსაც ხშირად კაუსტიკურ პოტაშს უწოდებენ. ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NaOH) არის კიდევ ერთი პროტოტიპული ძლიერი ფუძე. როდესაც გამოიყენება ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, მიიღება მყარი საპონი, ხოლო კალიუმის ჰიდროქსიდის გამოყენება იძლევა რბილ საპონს.

რეაქციაში მონაწილე ნივთიერება და რეაგენტი

რეაქციაში მონაწილე ნივთიერება არის ნივთიერება, რომელიც ქიმიური რეაქციის დროს იხარჯება. რეაგენტთან შედარებით, რეაქციაში მონაწილე ნივთიერება უფრო დიდი რაოდენობით არის საჭირო. რეაგენტი არის ნივთიერება, რომელიც გამოიყენება რეაქციის დასაწყებად და მის ხელშესაწყობად და რეაქციაში იხარჯება, განსხვავებით კატალიზატორებისგან, რომლებიც რეაქციაში არ იხარჯება.

საპონმქმნელი რეაქცია – ხშირად დასმული კითხვები

• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის პროცესი? საპონმქმნელი რეაქცია არის ქიმიური პროცესი, სადაც ცხიმები ან ზეთები რეაგირებენ ტუტესთან (ჩვეულებრივ ნატრიუმის ჰიდროქსიდთან) საპონისა და გლიცერინის მისაღებად. ეს რეაქცია გულისხმობს ტრიგლიცერიდების ჰიდროლიზს ცხიმოვანი მჟავების მარილებად და გლიცერინად.
• რა ტიპის რეაქციაა საპონმქმნელი რეაქცია? საპონმქმნელი რეაქცია არის ჰიდროლიზის რეაქციის ტიპი, სადაც ცხიმებში ან ზეთებში არსებული ესტერული ბმები იშლება ტუტის ზემოქმედებით.
• რატომ ეწოდება მას საპონმქმნელი რეაქცია? ის დასახელებულია საბოლოო პროდუქტის, საპონის, და ტრიგლიცერიდებში ესტერული ბმების ჰიდროლიზის გზით საპონის შექმნის შესაძლებლობის გამო.
• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის მიზანი? ძირითადი მიზანია საპონის, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების, წარმოება, რომელიც ფართოდ გამოიყენება გასაწმენდად და რეცხვისთვის.
• არის თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია ჰიდროლიზი? დიახ, საპონმქმნელი რეაქცია არის ჰიდროლიზის კონკრეტული ტიპი, რომელიც გულისხმობს ცხიმების ან ზეთების დაშლას ტუტის ზემოქმედებით გლიცერინად და ცხიმოვანი მჟავების მარილებად (საპონი).
• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის მექანიზმი? ის გულისხმობს ჰიდროქსიდის იონების ნუკლეოფილურ შეტევას ტრიგლიცერიდებში ესტერული ბმის კარბონილის ნახშირბადზე, რაც იწვევს სპირტის (გლიცერინის) და საპონის წარმოქმნას.
• რატომ არის მნიშვნელოვანი შერევა საპონმქმნელი რეაქციისთვის? ეფექტური შერევა უზრუნველყოფს რეაგენტებს შორის სრულყოფილ კონტაქტს, რაც ხელს უწყობს უფრო სრულყოფილ და ერთგვაროვან რეაქციას, რაც კრიტიკულია ოპტიმალური გამოსავლიანობის მისაღწევად. Hielscher-ის ულტრაბგერითი მიქსერები შეუძლიათ გააუმჯობესონ ეს პროცესი ინტენსიური კავიტაციისა და ძვრის ძალების მეშვეობით.
• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის მაგალითი? ნატრიუმის ჰიდროქსიდისა და კოკოსის ზეთის შერევა Hielscher-ის ულტრაბგერითი რეაქტორის არსებობის პირობებში საპონისა და გლიცერინის მისაღებად, წარმოადგენს საპონმქმნელი რეაქციის მაგალითს.
• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის მთავარი პროდუქტი? მთავარი პროდუქტებია საპონი (ცხიმოვანი მჟავების ნატრიუმის ან კალიუმის მარილები) და გლიცერინი.
• რატომ არის მნიშვნელოვანი საპონმქმნელი რიცხვი? საპონმქმნელი რიცხვი მიუთითებს ტუტის იმ რაოდენობაზე, რომელიც საჭიროა ცხიმის ან ზეთის მოცემული რაოდენობის საპონმქმნელი რეაქციისთვის, რაც ხელს უწყობს მასში შემავალი ცხიმოვანი მჟავების მოლეკულური წონის დადგენას.
• არის თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია უკუქცევადი? ტიპიურ პირობებში, საპონმქმნელი რეაქცია არ არის უკუქცევადი წარმოქმნილი საპონის სტაბილური ბუნების გამო.
• რა არის საპონმქმნელი რეაქციის საპირისპირო? ესტერიფიკაცია, სადაც წყალი და სპირტები რეაგირებენ კარბონმჟავებთან ესტერებისა და წყლის წარმოქმნისთვის, არის უკუპროცესი.
• საჭიროებს თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია სითბოს? მიუხედავად იმისა, რომ ის არ არის აუცილებელი, სითბო შეუძლია გააჩქაროს საპონმქმნელი რეაქციის პროცესი მოლეკულური მოძრაობისა და რეაქციის სიჩქარის გაზრდით.
• არის თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია ეგზოთერმული ან ენდოთერმული? საპონმქმნელი რეაქცია არის ეგზოთერმული რეაქცია, რომელიც გამოყოფს სითბოს მისი მიმდინარეობისას.
• არის თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია ტუტე ან მჟავე? ეს არის ტუტე რეაქცია, რადგან ის გულისხმობს ფუძის (ტუტის) ზემოქმედებას ესტერზე (ცხიმი/ზეთი).
• როგორ შეაჩერებენ საპონმქმნელ რეაქციას? მჟავას დამატება ტუტის ნეიტრალიზაციისთვის აჩერებს რეაქციას, რაც ეფექტურად აჩერებს საპონმქმნელი რეაქციის პროცესს.
• რა ხდება საპონმქმნელი რეაქციის შემდეგ? სრული რეაქციის შემდეგ, ნარევი ჩვეულებრივ შედგება საპნისა და გლიცერინისგან, რომლებიც შესაძლოა გაიწმინდოს ან უფრო მეტად დამუშავდეს დანიშნულების მიხედვით.
• არის თუ არა საპონმქმნელი რეაქცია ბუნებრივი? დიახ, ბუნებრივი საპონმქმნელი რეაქცია შესაძლოა მოხდეს, როდესაც ცხიმი შედის კონტაქტში ტუტემიწა ლითონებთან გეოლოგიური გარემოს გარკვეულ პირობებში, ან როდესაც ძველი ხალხი ცხოველურ ცხიმებს ურევდა ფერფლს საპნის დამზადების ტრადიციულ მეთოდებში.
• რატომ გამოიყენება ზეთისხილის ზეთი საპონმქმნელ რეაქციაში? ზეთისხილის ზეთი სასურველია საპონმქმნელ რეაქციაში მისი ოლეინის მჟავით მდიდარი შემადგენლობის გამო, რაც იძლევა ნაზ, დამატენიანებელ საპონს კარგი საწმენდი თვისებებითა და სტაბილური ქაფით.
• როგორ გადავიყვანოთ ცხიმი საპონში? ცხიმები გადაიქცევა საპონში საპონმქმნელი რეაქციის გზით, როდესაც მათ ძლიერი ტუტის ხსნართან, ჩვეულებრივ ნატრიუმის ჰიდროქსიდთან ერთად ათბობენ, რაც ცხიმს შლის ცხიმოვანი მჟავების მარილებად (საპონი) და გლიცერინად.
• რომელ ზეთს აქვს მაღალი საპონმქმნელი რიცხვი? კოკოსის ზეთს აქვს მაღალი საპონმქმნელი რიცხვი, რაც მიუთითებს უფრო მცირე ზომის ცხიმოვანი მჟავების მოლეკულების უფრო მაღალ წილზე, რაც მას ძალიან რეაქტიულს ხდის ტუტესთან საპნის მისაღებად.
• რა ემართება ზეთებს საპონმქმნელი რეაქციის დროს? საპონმქმნელი რეაქციის დროს, ზეთები ჰიდროლიზდება ტუტეს მიერ გლიცერინად და ცხიმოვანი მჟავების მარილებად, რომელთაგან უკანასკნელი ქმნის საპონს.
• რა არის საუკეთესო ცხიმი საპნისთვის? სალო (ძროხის ცხიმი) და კოკოსის ზეთი ითვლება საპნის დამზადებისთვის საუკეთესო ცხიმების ერთ-ერთად მათი ქაფისა და გამაგრების თვისებების გამო საბოლოო საპნის პროდუქტში.
• როგორ მოვახდინოთ ზეთების საპონმქმნელი რეაქცია ტუტის გარეშე? ზეთების საპონმქმნელი რეაქცია ტუტის გარეშე შეუძლებელია ტრადიციული საპნის დამზადებისთვის; თუმცა, საპნის მსგავსი საწმენდები შესაძლებელია დამზადდეს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებებისა და ემულგატორების გამოყენებით ტუტეზე დაფუძნებული საპონმქმნელი რეაქციის ნაცვლად.