Pārziepošana – ziepju ražošanas process ar ultraskaņu

Pārziepošana ir ķīmisks ziepju ražošanas process. Tā ir reakcija, kurā tauku vai eļļu izejviela (triglicerīdi) reaģē ar sārmainu reaģentu, veidojot ziepes. Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo fāžu pārneses katalīzi, palielinot reakcijas ātrumu, nodrošinot pilnīgāku konversiju un novēršot pārmērīgu bāzisku reaģentu, piemēram, kālija hidroksīda (KOH) vai nātrija hidroksīda (NaOH), izmantošanu. Ar ultraskaņu ierosinātu sārmaino hidrolīzi var viegli ieviest komerciālā ziepju ražošanā. Ultraskaņas reaktori pārziepošanai nodrošina lielāku produkcijas izlaidi īsākā laikā, neizmantojot katalizatoru vai samazinot izmantotā katalizatora daudzumu.

Ar ultraskaņu veicināta pārziepošana

Ultraskaņas pārziepošanas gadījumu izpēte

Dažādi pētījumi ir parādījuši, ka apstrāde ar ultraskaņu veicina triglicerīdu pārziepošanu, veidojot ziepes. Ultraskaņas pārziepošana paātrina konversiju un palielina tās pakāpi, vienlaikus samazinot katalizatora patēriņu vai izvairoties no tā izmantošanas. Tas padara ultraskaņas pārziepošanu par ļoti efektīvu ražošanas metodi.

Triglicerīdu sārmainās hidrolīzes (pārziepošanas) ierosināšana ar ultraskaņu bez fāžu katalizatora

Mercantili et al. (2013) pētīja ultraskaņas ietekmi uz triglicerīdu sārmaino hidrolīzi, kas pazīstama kā pārziepošana. Viņi izmantoja apstrādi ar ultraskaņu, lai ierosinātu saulespuķu eļļas sārmaino hidrolīzi. Kā sārmainu bāzi izmantoja kālija hidroksīdu (KOH). Tika parādīts, ka ultraskaņa ir efektīvs enerģijas avots reakcijas ierosināšanai un uzturēšanai, ka augstu reakcijas iznākumu var sasniegt, pievadot enerģiju kopumā tikai 15 min un strādājot apkārtējās vides temperatūrā, un ka reakcijas laikā neveidojas nosakāmi blakusprodukti. Ultraskaņas vannas un zondes tipa ultraskaņas ierīces salīdzinājums parāda, ka ultraskaņas zondes izmantošana ir pārāka metode. Pētījums apliecina, ka ultraskaņas pārziepošana nodrošina labu konversiju bez nepieciešamības izmantot sārma pārpalikumu vai fāžu pārneses katalīzi.

Triacilglicerīna sārmainā hidrolīze

Ar ultraskaņu veicināta fāžu pārneses reakcija pārziepošanai

Bhatkhande et al. (1998) parādīja, ka augu eļļas, piemēram, sojas eļļu, var efektīvi pārziepot, apstrādājot ar ultraskaņu un izmantojot KOH ūdens šķīdumu un dažādus fāžu pārneses katalizatorus (PTC) istabas temperatūrā. Pārziepošanas pakāpi pētīja, par atskaites rādītāju izmantojot pārziepošanas skaitli. Izmantojot apstrādi ar ultraskaņu un maisīšanu, optimizēja dažādus parametrus, piemēram, laiku, fāžu pārneses katalizatoru izvēli, izmantotā katalizatora daudzumu, KOH daudzumu un ūdens daudzumu. Lai pētītu ultraskaņas ietekmi, pārziepošanu veica arī 35ºC temperatūrā dažādos apstākļos, proti, maisot, apstrādājot ar ultraskaņu, maisot un apstrādājot ar ultraskaņu, kā arī karsējot 100ºC temperatūrā. Tika konstatēts, ka dažādu augu eļļu heterogēnā pārziepošana šķidruma–šķidruma fāžu sistēmā, izmantojot KOH ūdens šķīdumu/CTAB, ievērojami paātrinājās 35ºC temperatūrā, apstrādājot ar ultraskaņu un maisot.

Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces

Hielscher Ultrasonics piegādā augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas laboratorijas, pilotmēroga un rūpnieciskajai ražošanai. Izturīgās un uzticamās ultraskaņas ierīces izmanto dažādām sonoķīmiskām reakcijām, piemēram, pārziepošanai. Hielscher zondes tipa ultraskaņas ierīces var izmantot periodiskā un nepārtrauktas plūsmas režīmā. Visus svarīgos procesa parametrus – amplitūdu, spiedienu, temperatūru – var precīzi kontrolēt, nodrošinot reproducējamus rezultātus.
Digitālā vadības sistēma automātiski reģistrē procesa parametrus un saglabā tos iebūvētajā SD kartē. Iepriekšējie iestatījumi un attālināta vadība pārlūkprogrammā padara apstrādi ar ultraskaņu ļoti vienkāršu un lietotājam ērtu.
Daudzās sonoķīmiskajās reakcijās ir jāuztur noteikta temperatūra, tāpēc temperatūras kontrole ir svarīga. Hielscher digitālās ultraskaņas ierīces ir aprīkotas ar termopāri un temperatūras kontroles sistēmu. Plūsmas šūna ar apvalku nodrošina siltuma novadīšanu.
Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tās darbināt 24/7 ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ar ultraskaņu veicināta augu eļļu pārziepošana fāžu pārneses katalizatora (PTC) klātbūtnē, izmantojot sārma ūdens šķīdumu. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Triglicerīdu sārmainās hidrolīzes (pārziepošanas) ierosināšana ar ultraskaņu bez fāžu katalīzes. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

Noderīga informācija

Sonoķīmija

Lieljaudas ultraskaņu izmanto ķīmiskos procesos, piemēram, sintēzē un katalīzē (ko sauc arī attiecīgi par sonosintēzi un sonokatalīzi), lai ierosinātu un intensificētu reakciju. Dažādi ultraskaņas apstarošanas lietojumi organiskajā sintēzē ir padziļināti izpētīti un izstrādāti rūpnieciskajai ražošanai. Sonoķīmiskā apstrāde var palielināt reakcijas ātrumu, vēlamo produktu iznākumu un selektivitāti ievērojami maigākos apstākļos. Tas padara apstrādi ar ultraskaņu par efektīvu un videi draudzīgu apstrādes metodi. Ir pierādīts, ka ar ultraskaņu veicināta fāžu pārneses katalīze (PTC) ir krasi efektīvāka un iedarbīgāka metode organisko reakciju veikšanai salīdzinājumā ar tādu pašu reakciju bez ultraskaņas iedarbības. Piemēram, Kanicāro reakcija, ko katalizē ar ultraskaņu veicināta fāžu pārneses katalīze, tiek ievērojami paātrināta, nodrošinot strauju pārvēršanos. Vēl viens nozīmīgs piemērs ir triglicerīdu (t. i., augu eļļu, dzīvnieku tauku) pāresterificēšana ar metanolu KOH kā katalizatora klātbūtnē un lieljaudas ultraskaņas iedarbībā. Pāresterificējot ar ultraskaņu, iegūst augstas kvalitātes biodīzeļdegvielu, nodrošinot strauju pārvēršanos ļoti efektīvā un ekonomiskā procesā.

Ekstrakcija ar ultraskaņu balstās uz akustisko kavitāciju un tās radītajiem hidrodinamiskajiem bīdes spēkiem

Pārziepošana

Pārziepošana apzīmē ķīmisku reakciju, kurā rodas ziepes. Pārziepošanas procesā augu eļļas vai dzīvnieku tauki tiek pārvērsti taukskābju sāļos – „ziepēs” – un glicerīnā, kas ir spirts. Reakcijai ir nepieciešams sārma (piemēram, NaOH vai KOH) šķīdums ūdenī, kā arī siltums reakcijas ierosināšanai.
Pārziepošanas reakcijas posmi ir šādi:

1. Hidroksīdjonu nukleofīlais uzbrukums taukskābju esteriem
2. Aizejošās grupas atšķelšanās
3. Deprotonēšana

Pārziepošanas reakciju rūpnieciski izmanto ziepju un smērvielu ražošanai.
Ikdienas tīrīšanai izmanto cietās ziepes, kas iegūtas ar nātrija hidroksīdu, un mīkstās ziepes, kas iegūtas ar kālija hidroksīdu, taču pastāv arī īpašas ziepes, ko ražo, izmantojot citu metālu hidroksīdus. Piemēram, litija ziepes un kalcija ziepes izmanto kā konsistentās smērvielas. Pastāv arī „kompleksās ziepes”, kas sastāv no metālu ziepju maisījuma.

Hidrolīze

Hidrolīze ietver organiskas ķīmiskas vielas reakciju ar ūdeni, kurā veidojas divas vai vairākas jaunas vielas, un parasti nozīmē ķīmisko saišu šķelšanu, pievienojot ūdeni. Esterus reakcijā ar ūdeni un bāzi var sašķelt atpakaļ par karbonskābi un spirtu. Ziepes iegūst tauku vai eļļas esteru hidrolīzē.

Sārmaina bāze

Eļļu un tauku pārziepošanai ir nepieciešamas sārmainas bāzes kā reaģējošās vielas (sārmi). Triglicerīdus pakļauj reakcijai ar bāzi – nātrija vai kālija hidroksīdu –, lai iegūtu glicerīnu un taukskābes sāli, tā sauktās “ziepes”. Kālija hidroksīds ir neorganisks savienojums ar formulu KOH, un to parasti sauc par kodīgo kāliju. Nātrija hidroksīds (NaOH) ir vēl viena tipiska stipra bāze. Izmantojot nātrija hidroksīdu, iegūst cietas ziepes, savukārt, izmantojot kālija hidroksīdu, iegūst mīkstas ziepes.

Reaģējošā viela un reaģents

Reaģējošā viela ir viela, kas ķīmiskajā reakcijā izlietojas jeb tiek patērēta. Salīdzinājumā ar reaģentu reaģējošā viela ir nepieciešama lielākā daudzumā. Reaģents ir viela, ko izmanto reakcijas ierosināšanai un veicināšanai un kas reakcijā tiek patērēta, atšķirībā no katalizatoriem, kuri reakcijā netiek patērēti.

Pārziepošana – bieži uzdotie jautājumi

• Kas ir pārziepošanas process? Pārziepošana ir ķīmisks process, kurā tauki vai eļļas reaģē ar sārmu (parasti nātrija hidroksīdu), veidojot ziepes un glicerīnu. Šī reakcija ietver triglicerīdu hidrolīzi, veidojoties taukskābju sāļiem un glicerīnam.
• Kāda veida reakcija ir pārziepošana? Pārziepošana ir hidrolīzes reakcijas veids, kurā sārms sašķeļ estersaites taukos vai eļļās.
• Kāpēc to sauc par pārziepošanu? Tās nosaukums ir saistīts ar galaproduktu – ziepēm – un spēju iegūt ziepes, hidrolizējot estersaites triglicerīdos.
• Kāds ir pārziepošanas mērķis? Galvenais mērķis ir iegūt ziepes – virsmaktīvu vielu, ko plaši izmanto tīrīšanai un mazgāšanai.
• Vai pārziepošana ir hidrolīze? Jā, pārziepošana ir īpašs hidrolīzes veids, kurā sārms sašķeļ taukus vai eļļas par glicerīnu un taukskābju sāļiem (ziepēm).
• Kāds ir pārziepošanas mehānisms? Tas ietver hidroksīdjonu nukleofilo uzbrukumu triglicerīdu estersaites karbonilgrupas oglekļa atomam, kā rezultātā veidojas spirts (glicerīns) un ziepes.
• Kāpēc sajaukšana ir svarīga pārziepošanai? Efektīva sajaukšana nodrošina ciešu kontaktu starp reaģējošajām vielām, veicinot pilnīgāku un vienmērīgāku reakciju, kas ir būtiska optimāla iznākuma sasniegšanai. Hielscher ultraskaņas maisītāji var uzlabot šo procesu ar intensīvu kavitāciju un bīdes spēkiem.
• Kāds ir pārziepošanas piemērs? Nātrija hidroksīda sajaukšana ar kokosriekstu eļļu, izmantojot Hielscher ultraskaņas reaktoru, lai iegūtu ziepes un glicerīnu, ir pārziepošanas piemērs.
• Kāds ir galvenais pārziepošanas produkts? Galvenie produkti ir ziepes (taukskābju nātrija vai kālija sāļi) un glicerīns.
• Kāpēc pārziepošanas skaitlis ir svarīgs? Pārziepošanas skaitlis norāda sārma daudzumu, kas nepieciešams noteikta tauku vai eļļas daudzuma pārziepošanai, palīdzot noteikt tajos esošo taukskābju molekulmasu.
• Vai pārziepošana ir atgriezeniska? Parastos apstākļos pārziepošana nav atgriezeniska, jo izveidojušās ziepes ir stabilas.
• Kāds ir pārziepošanai pretējais process? Pretējais process ir esterifikācija, kurā ūdens un spirti reaģē ar karbonskābēm, veidojot esterus un ūdeni.
• Vai pārziepošanai ir nepieciešams siltums? Lai gan siltums nav nepieciešams, tas var paātrināt pārziepošanas procesu, pastiprinot molekulu kustību un palielinot reakcijas ātrumu.
• Vai pārziepošana ir eksotermiska vai endotermiska? Pārziepošana ir eksotermiska reakcija, kuras gaitā izdalās siltums.
• Vai pārziepošana ir bāziska vai skāba reakcija? Tā ir bāziska reakcija, jo tajā bāze (sārms) iedarbojas uz esteri (taukiem/eļļu).
• Kā apturēt pārziepošanu? Skābes pievienošana sārma neitralizēšanai aptur reakciju, tādējādi pārtraucot pārziepošanas procesu.
• Kas notiek pēc pārziepošanas? Pēc pilnīgas reakcijas maisījums parasti sastāv no ziepēm un glicerīna, kurus var attīrīt vai tālāk apstrādāt atkarībā no paredzētā lietojuma.
• Vai pārziepošana notiek dabā? Jā, dabiska pārziepošana var notikt, taukiem nonākot saskarē ar sārmzemju metāliem noteiktos ģeoloģiskos apstākļos, vai arī tā notika, kad senās tautas tradicionālajās ziepju gatavošanas metodēs sajauca dzīvnieku taukus ar pelniem.
• Kāpēc pārziepošanā izmanto olīveļļu? Olīveļļu pārziepošanā labprāt izmanto tās augstā oleīnskābes satura dēļ, kas ļauj iegūt maigas, mitrinošas ziepes ar labām attīrošām īpašībām un noturīgām putām.
• Kā taukus pārvērst ziepēs? Taukus pārvērš ziepēs pārziepošanas procesā, karsējot tos ar stipra sārma, parasti nātrija hidroksīda, šķīdumu, kas sašķeļ taukus taukskābju sāļos (ziepēs) un glicerīnā.
• Kurai eļļai ir augsts pārziepošanas skaitlis? Kokosriekstu eļļai ir augsts pārziepošanas skaitlis, kas norāda uz lielāku mazāku taukskābju molekulu īpatsvaru, tāpēc tā ļoti aktīvi reaģē ar sārmu, veidojot ziepes.
• Kas notiek ar eļļām pārziepošanas laikā? Pārziepošanas laikā sārms hidrolizē eļļas par glicerīnu un taukskābju sāļiem, un šie sāļi veido ziepes.
• Kuri tauki ir vislabākie ziepju gatavošanai? Kausētus dzīvnieku taukus (liellopu taukus) un kokosriekstu eļļu uzskata par vieniem no labākajiem taukiem ziepju gatavošanai, jo tie nodrošina gatavo ziepju putošanu un sacietēšanu.
• Kā pārziepot eļļas bez sārma? Tradicionālajā ziepju gatavošanā eļļas pārziepot bez sārma nav iespējams; tomēr ziepēm līdzīgus tīrīšanas līdzekļus var izgatavot, pārziepošanas ar sārmu vietā izmantojot virsmaktīvās vielas un emulgatorus.