Verzeping – Proces voor het maken van zeep met ultrasoon geluid

Verzeping is het chemische proces waarmee zeep wordt gemaakt. Het is de reactie waarbij de grondstoffen vetten of oliën (triglyceriden) reageren met een alkalische reactant om zeep te vormen. Ultrasone behandeling verbetert de faseoverdrachtskatalyse, waardoor de reactiesnelheid toeneemt, de omzetting vollediger wordt en overmatig gebruik van basische reagentia zoals kaliumhydroxide (KOH) of natriumhydroxide (NaOH) wordt vermeden. De ultrasoon geïnitieerde alkalische hydrolyse kan eenvoudig worden toegepast bij de commerciële productie van zeep. Ultrasone reactoren voor verzeping leveren een hogere productie in kortere tijd, zonder enige katalysator te gebruiken of met kleinere hoeveelheden katalysator.

Ultrasoon bevorderde verzeping

Casestudy’s over ultrasone verzeping

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat sonicatie de verzeping van triglyceriden tot zeep bevordert. Ultrasone verzeping versnelt en verhoogt de omzetting, terwijl het gebruik van katalysator wordt verminderd of vermeden. Dit maakt ultrasone verzeping tot een zeer efficiënte productiemethode.

Ultrasone initiatie van de alkalische hydrolyse van triglyceriden (verzeping) zonder fasekatalysator

Mercantili et al. (2013) onderzochten de effecten van ultrasone behandeling op de alkalische hydrolyse van triglyceriden, ook wel verzeping genoemd. Ze gebruikten sonicatie om de alkalische hydrolyse van zonnebloemolie te initiëren. Kaliumhydroxide (KOH) werd gebruikt als alkalische base. Er werd aangetoond dat ultrasoon geluid effectief is als energiebron om de reactie te initiëren en aan te drijven, dat een hoge reactieopbrengst haalbaar is met slechts 15 min totale energietoevoer bij omgevingstemperatuur en dat tijdens de reactie geen detecteerbare bijproducten worden gevormd. De vergelijking van een ultrasoon bad met een sonicator met sonde laat zien dat de ultrasone sonde de superieure techniek is. Het onderzoek toont aan dat ultrasone verzeping een goede omzetting oplevert zonder dat een overmaat alkali of faseoverdrachtskatalyse nodig is.

Alkalische hydrolyse van triacylglycerol

Ultrasoon bevorderde faseoverdrachtsreactie voor verzeping

Bhatkhande et al. (1998) toonden aan dat plantaardige oliën zoals sojaolie door sonicatie efficiënt konden worden verzeept met een waterige KOH-oplossing en verschillende faseoverdrachtskatalysatoren (PTC’s) bij kamertemperatuur. De mate van verzeping werd onderzocht met het verzepingsgetal als referentie. Verschillende parameters, zoals tijd, keuze van faseoverdrachtskatalysatoren, gebruikte hoeveelheid katalysator, hoeveelheid KOH en hoeveelheid water, werden geoptimaliseerd met behulp van sonicatie en roeren. Om het effect van ultrasoon geluid te onderzoeken, werd de verzeping ook bij 35ºC onder verschillende omstandigheden uitgevoerd, namelijk roeren, sonicatie, roeren en sonicatie, en verwarmen bij 100ºC. Er werd vastgesteld dat de verzeping van verschillende plantaardige oliën in een heterogeen vloeistof-vloeistofsysteem met een waterige KOH/CTAB-oplossing bij 35ºC aanzienlijk werd versneld door sonicatie en roeren.

Ultrasone sonicatoren met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics levert ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor laboratoria, proefinstallaties en industriële productie. De robuuste en betrouwbare ultrasone sonicatoren worden gebruikt voor verschillende sonochemische reacties, zoals verzeping. De ultrasone sonicatoren met sonde van Hielscher kunnen in batchmodus en inline worden gebruikt. Alle belangrijke procesparameters – amplitude, druk, temperatuur – kunnen nauwkeurig worden geregeld en zorgen voor reproduceerbare resultaten.
De digitale besturing registreert de procesparameters automatisch en slaat ze op de geïntegreerde SD-kaart op. Voorinstellingen en bediening op afstand via een browser maken het sonicatieproces zeer eenvoudig en gebruiksvriendelijk.
Bij veel sonochemische reacties moet een bepaalde temperatuur worden gehandhaafd, waardoor temperatuurregeling belangrijk is. De digitale ultrasone sonicatoren van Hielscher zijn voorzien van een thermokoppel en temperatuurregeling. Een doorstroomcel met mantel maakt warmteafvoer mogelijk.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone sonicatoren:

• 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.

Wetenswaardigheden

Sonochemie

Ultrasoon geluid met hoog vermogen wordt toegepast bij chemische processen zoals synthese en katalyse (ook respectievelijk sonosynthese en sonokatalyse genoemd) om de reactie te initiëren en te intensiveren. Verschillende toepassingen van ultrasone bestraling bij organische synthese zijn uitvoerig onderzocht en ontwikkeld voor industriële productie. Sonochemische behandelingen kunnen de reactiesnelheid, opbrengst en selectiviteit voor gewenste producten onder aanzienlijk mildere omstandigheden verhogen. Dit maakt ultrasone behandeling tot een effectieve en milieuvriendelijke verwerkingstechniek. Het is bewezen dat ultrasoon ondersteunde faseoverdrachtskatalyse (PTC) een drastisch efficiëntere en effectievere methode voor organische reacties is dan dezelfde reactie zonder ultrasoon geluid. De Cannizarro-reactie die door ultrasoon ondersteunde faseoverdrachtskatalyse wordt gekatalyseerd, wordt bijvoorbeeld aanzienlijk versneld, wat resulteert in een snelle omzetting. Een ander belangrijk voorbeeld is de omestering van triglyceriden (d.w.z. plantaardige oliën, dierlijke vetten) en methanol in aanwezigheid van KOH als katalysator en ultrasoon geluid met hoog vermogen. De ultrasone omestering levert hoogwaardige biodiesel op door een snelle omzetting en een zeer efficiënt, economisch proces.

Ultrasone extractie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische afschuifkrachten

Verzeping

Verzeping beschrijft de chemische reactie waarbij zeep wordt geproduceerd. Tijdens het verzepingsproces worden plantaardige oliën of dierlijke vetten omgezet in vetzuurzouten – de “zeep” – en glycerol, een alcohol. De reactie vereist een oplossing van een alkalische base (bijv. NaOH of KOH) in water en ook warmte om de reactie te initiëren.
De reactiestappen van verzeping zijn als volgt:

1. Nucleofiele aanval van het hydroxide op de vetzuuresters
2. Verwijdering van de vertrekkende groep
3. Deprotonering

De verzepingsreactie wordt commercieel gebruikt om zepen en smeermiddelen te produceren.
Terwijl harde zeep op basis van natriumhydroxide en zachte zeep op basis van kaliumhydroxide worden gebruikt voor dagelijkse reiniging, worden er ook speciale zepen geproduceerd met andere metaalhydroxiden. Zo worden lithiumzepen en calciumzepen gebruikt als smeervetten. Er bestaan ook “complexe zepen” die uit een mengsel van metaalzepen bestaan.

Hydrolyse

Hydrolyse omvat de reactie van een organische chemische stof met water waarbij twee of meer nieuwe stoffen worden gevormd, en betekent doorgaans het verbreken van chemische bindingen door toevoeging van water. Esters kunnen door een reactie met water en een base weer worden gesplitst in een carbonzuur en een alcohol. Zeep wordt geproduceerd door hydrolyse van de esters van vet of olie.

Alkalische base

Alkalische basen als reactanten (logen) zijn nodig voor de verzeping van oliën en vetten. De triglyceriden worden met een base – natriumhydroxide of kaliumhydroxide – in reactie gebracht om glycerol en een vetzuurzout, de zogenaamde “zeep”, te produceren. Kaliumhydroxide is een anorganische verbinding met de formule KOH en wordt gewoonlijk bijtende potas genoemd. Natriumhydroxide (NaOH) is een andere prototypische sterke base. Wanneer natriumhydroxide wordt gebruikt, ontstaat harde zeep, terwijl het gebruik van kaliumhydroxide zachte zeep oplevert.

Reactant versus reagens

Een reactant is een stof die bij een chemische reactie wordt opgebruikt of verbruikt. In vergelijking met een reagens is een reactant in grotere hoeveelheden nodig. Een reagens is een stof die wordt gebruikt om een reactie te initiëren en te ondersteunen en die tijdens een reactie wordt verbruikt, in tegenstelling tot katalysatoren, die tijdens een reactie niet worden verbruikt.

Verzeping – Veelgestelde vragen

• Wat is het verzepingsproces? Verzeping is het chemische proces waarbij vetten of oliën reageren met een alkali (meestal natriumhydroxide) om zeep en glycerol te produceren. Deze reactie omvat hydrolyse van triglyceriden tot vetzuurzouten en glycerol.
• Wat voor soort reactie is verzeping? Verzeping is een soort hydrolysereactie waarbij esterbindingen in vetten of oliën door een alkali worden verbroken.
• Waarom wordt het verzeping genoemd? Het is genoemd naar het eindproduct, zeep, en het vermogen om zeep te vormen door hydrolyse van esterbindingen in triglyceriden.
• Wat is het doel van verzeping? Het belangrijkste doel is het produceren van zeep, een oppervlakteactieve stof die veel wordt gebruikt voor reinigen en wassen.
• Is verzeping hydrolyse? Ja, verzeping is een specifiek type hydrolyse waarbij vetten of oliën door een alkali worden afgebroken tot glycerol en vetzuurzouten (zeep).
• Wat is het mechanisme van verzeping? Het omvat de nucleofiele aanval van hydroxide-ionen op het carbonylkoolstofatoom van de esterbinding in triglyceriden, wat leidt tot de vorming van alcohol (glycerol) en zeep.
• Waarom is mengen belangrijk voor verzeping? Efficiënt mengen zorgt voor grondig contact tussen de reactanten en bevordert een volledigere en gelijkmatigere reactie, wat cruciaal is voor het bereiken van optimale opbrengsten. Ultrasone mengers van Hielscher kunnen dit proces verbeteren door intense cavitatie en afschuifkrachten.
• Wat is een voorbeeld van verzeping? Het mengen van natriumhydroxide met kokosolie in aanwezigheid van een ultrasone reactor van Hielscher om zeep en glycerol te produceren, is een voorbeeld van verzeping.
• Wat is het belangrijkste product van verzeping? De belangrijkste producten zijn zeep (natrium- of kaliumzouten van vetzuren) en glycerol.
• Waarom is het verzepingsgetal belangrijk? Het verzepingsgetal geeft de hoeveelheid alkali aan die nodig is om een bepaalde hoeveelheid vet of olie te verzepen en helpt zo het molecuulgewicht van de aanwezige vetzuren te bepalen.
• Is verzeping omkeerbaar? Onder gebruikelijke omstandigheden is verzeping niet omkeerbaar vanwege de stabiele aard van de gevormde zeep.
• Wat is het tegenovergestelde van verzeping? Verestering, waarbij water en alcoholen met carbonzuren reageren om esters en water te vormen, is het omgekeerde proces.
• Is warmte nodig voor verzeping? Hoewel warmte niet vereist is, kan deze het verzepingsproces versnellen door de moleculaire beweging en de reactiesnelheid te verhogen.
• Is verzeping exotherm of endotherm? Verzeping is een exotherme reactie waarbij warmte vrijkomt naarmate de reactie vordert.
• Is verzeping basisch of zuur? Het is een basische reactie, omdat deze de inwerking van een base (alkali) op een ester (vet/olie) omvat.
• Hoe stopt u verzeping? Door een zuur toe te voegen om het alkali te neutraliseren, stopt de reactie en wordt het verzepingsproces effectief beëindigd.
• Wat gebeurt er na verzeping? Nadat de reactie volledig is verlopen, bestaat het mengsel meestal uit zeep en glycerol, die afhankelijk van het beoogde gebruik kunnen worden gezuiverd of verder verwerkt.
• Is verzeping natuurlijk? Ja, natuurlijke verzeping kan optreden wanneer vet in bepaalde geologische omgevingen in contact komt met aardalkalimetalen, of wanneer volkeren in de oudheid dierlijke vetten met as mengden bij traditionele methoden voor het maken van zeep.
• Waarom wordt olijfolie gebruikt bij verzeping? Olijfolie heeft bij verzeping de voorkeur vanwege het hoge gehalte aan oliezuur, dat een milde, hydraterende zeep met goede reinigende eigenschappen en stabiel schuim oplevert.
• Hoe zet u vet om in zeep? Vetten worden door verzeping omgezet in zeep door ze te verwarmen met een sterke alkalische oplossing, doorgaans natriumhydroxide, die het vet afbreekt tot vetzuurzouten (zeep) en glycerol.
• Welke olie heeft een hoog verzepingsgetal? Kokosolie heeft een hoog verzepingsgetal, wat wijst op een groter aandeel kleinere vetzuurmoleculen, waardoor deze zeer reactief is met alkali om zeep te produceren.
• Wat gebeurt er met oliën tijdens verzeping? Tijdens verzeping worden oliën door het alkali gehydrolyseerd tot glycerol en vetzuurzouten, waarbij deze laatste de zeep vormen.
• Wat is het beste vet voor zeep? Talg (rundervet) en kokosolie worden beschouwd als enkele van de beste vetten voor het maken van zeep vanwege hun schuimvormende en verhardende eigenschappen in het uiteindelijke zeepproduct.
• Hoe verzeept u oliën zonder loog? Oliën verzepen zonder loog is niet mogelijk bij de traditionele productie van zeep; zeepachtige reinigingsmiddelen kunnen echter worden gemaakt met oppervlakteactieve stoffen en emulgatoren in plaats van verzeping op basis van loog.