Verzeping – Zeep maken met Ultrasonics

Verzeping is het chemische proces van zeep maken. Het is de reactie waarbij de grondstof van vetten of oliën (triglyceriden) reageert met een alkalireagens om zeep te vormen. Ultrasoon gebruik verbetert de katalyse van de faseoverdracht, wat leidt tot een hogere reactiesnelheid, een volledigere omzetting en het vermijden van overmatig gebruik van basische reagentia zoals kaliumhydroxide (KOH) of natriumhydroxide (NaOH). De ultrasoon geïnitieerde alkalische hydrolyse kan gemakkelijk worden geïmplementeerd in de commerciële zeepproductie. Ultrasone reactoren voor verzeping produceren een hogere output in een kortere tijd zonder katalysator te gebruiken of de gebruikte hoeveelheden katalysator te verminderen.

Ultrasoon gestimuleerde verzeping

Praktijkvoorbeelden van ultrasone verzeping

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat sonificatie de verzeping van triglyceriden tot zeep bevordert. Ultrasone verzeping versnelt en verhoogt de conversie terwijl het gebruik van katalysator wordt bespaard 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) bestudeerden de effecten van ultrasoon geluid op de alkalische hydrolyse van triglyceriden, bekend als verzeping. Ze gebruikten sonicatie om de alkalische hydrolyse van zonnebloemolie te starten. Kaliumhydroxide (KOH) werd gebruikt als alkalische base. Aangetoond werd dat ultrasoon geluid effectief is als krachtbron om de reactie op gang te brengen en aan te drijven, dat een hoge reactieopbrengst haalbaar is in slechts 15 minuten totale krachtsinspanning bij omgevingstemperatuur en dat er geen detecteerbare bijproducten ontstaan tijdens de reactie. Uit de vergelijking van een ultrasoon bad en een ultrasone sonde blijkt dat de ultrasone sonde de superieure techniek is. Het onderzoek toont aan dat ultrasone verzeping een goede conversie oplevert zonder de noodzaak van overtollige alkali of faseovergangskatalyse.

Alkalische hydrolyse van triacylglycerol

Ultrasoon gestimuleerde faseovergangsreactie voor verzeping

Bhatkhande et al. (1998) toonden aan dat plantaardige oliën zoals sojaolie door sonicatie efficiënt verzeept konden worden met waterig KOH en verschillende PTC's bij kamertemperatuur. De mate van verzeping werd bestudeerd met de verzepingswaarde als referentie. Optimalisaties van verschillende parameters zoals tijd, selectie van katalysatoren voor faseoverdracht, hoeveelheid gebruikte katalysator, hoeveelheid KOH en hoeveelheid water werden uitgevoerd met behulp van sonicatie en roeren. Om het effect van ultrageluid te bestuderen werd de verzeping ook uitgevoerd bij 35ºC onder verschillende omstandigheden, namelijk roeren, sonificatie, roeren en sonificatie, en verhitting bij 100ºC. Het bleek dat de heterogene vloeistof-vloeistoffase verzeping van verschillende plantaardige oliën met behulp van waterig KOH/CTAB aanzienlijk versneld werd bij 35ºC onder sonificatie en roeren.

Ultrasone apparaten met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics levert hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor laboratorium-, pilot- en industriële productie. De robuuste en betrouwbare ultrasone apparaten worden gebruikt voor diverse sonochemische reacties zoals verzeping. Hielscher's sonde-type ultrasone apparaten kunnen zowel in batch als inline worden gebruikt. Alle belangrijke procesparameters – amplitude, druk, temperatuur – nauwkeurig gecontroleerd kunnen worden en reproduceerbare resultaten garanderen.
De digitale besturing registreert automatisch de procesparameters en slaat ze op de geïntegreerde SD-kaart op. Vooraf ingestelde instellingen en browserbediening op afstand maken het sonicatieproces zeer eenvoudig en gebruiksvriendelijk.
Voor veel sonochemische reacties moet een bepaalde temperatuur worden aangehouden, dus temperatuurregeling is belangrijk. Hielscher's digitale ultrasone apparaten zijn voorzien van een thermokoppel en temperatuurregeling. De flowcel met mantel zorgt voor warmteafvoer.
Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasone apparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt onder zware omstandigheden en in veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

• 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

Krachtig ultrageluid wordt toegepast op chemische processen zoals synthese en katalyse (ook respectievelijk sonosynthese en sonokatalyse genoemd) om de reactie op gang te brengen en te intensiveren. Verschillende toepassingen van ultrasone bestraling in organische synthese zijn diepgaand onderzocht en ontwikkeld voor industriële productie. Sonochemische behandelingen kunnen de reactiesnelheid, opbrengst en selectiviteit van gewenste producten verhogen onder aanzienlijk mildere omstandigheden. Dit maakt de ultrasone behandeling tot een effectieve en milieuvriendelijke verwerkingstechniek. Het is bewezen dat ultrasoon geassisteerde faseoverdrachtkatalyse (PTC) een drastisch efficiëntere en effectievere methode is voor organische reacties in vergelijking met dezelfde reactie onder stille omstandigheden. Zo wordt de Cannizarro-reactie gekatalyseerd door een ultrasoon ondersteunde faseoverdrachtkatalyse aanzienlijk versneld, wat resulteert in een snelle omzetting. Een ander prominent voorbeeld is de omestering van triglyceriden (d.w.z. plantaardige oliën, dierlijke vetten) en methanol in aanwezigheid van KOH als katalysator en ultrasoon geluid. De ultrasone transesterificatie levert biodiesel van hoge kwaliteit op, geproduceerd in een snelle conversie en een zeer efficiënt, economisch proces.

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

Verzeping

Verzeping beschrijft de chemische reactie die zeep produceert. In het verzepingsproces worden plantaardige oliën of dierlijke vetten omgezet in vetzuurzouten – de "zeep" – en glycerol, dat een alcohol is. De reactie vereist een oplossing van een alkalibase (bijvoorbeeld NaOH of KOH) in water en ook warmte om de reactie op gang te brengen.
De reactiestappen van verzeping zijn de volgende:

1. Nucleofiele aanval van de vetzuuresters door het hydroxide
2. Groep verlaten
3. Deprotonering

De verzepingsreactie wordt commercieel gebruikt om zepen en smeermiddelen te produceren.
Terwijl natriumhydroxide harde zeep en kaliumhydroxide zachte zeep worden gebruikt voor alledaagse reiniging, zijn er ook speciale zepen die worden gemaakt met behulp van andere metaalhydroxiden. Lithiumzeep en calciumzeep worden bijvoorbeeld gebruikt als smeervet. Er zijn ook “complexe zepen” bestaande uit een mengsel van metaalzepen.

hydrolyse

Hydrolyse is de reactie van een organische chemische stof met water om twee of meer nieuwe stoffen te vormen en betekent meestal de splitsing van chemische bindingen door de toevoeging van water. Esters kunnen weer worden gesplitst in een carbonzuur en een alcohol door reactie met water en een base. Zeep wordt geproduceerd door de hydrolyse van de esters van vet of olie.

Alkaline Basis

Alkalische basische reagentia (logen) zijn nodig voor de verzeping van oliën en vetten. De triglyceriden reageren met een base – natrium- of kaliumhydroxide – om glycerol en een vetzuurzout te produceren, de zogenaamde "zeep". Kaliumhydroxide is een anorganische verbinding met de formule KOH en wordt gewoonlijk kaliloog genoemd. Natriumhydroxide (NaOH) is een andere prototypische sterke base. Wanneer natriumhydroxide wordt gebruikt, wordt een harde zeep geproduceerd, terwijl het gebruik van kaliumhydroxide resulteert in een zachte zeep.

Reactant vs Reagens

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

Verzeping – veelgestelde vragen

• Wat is het verzepingsproces? Verzeping is het chemische proces waarbij vetten of oliën reageren met een base (meestal natriumhydroxide) om zeep en glycerol te produceren. Deze reactie omvat hydrolyse van triglyceriden in vetzuurzouten en glycerol.
• Wat voor soort reactie is verzeping? Verzeping is een soort hydrolysereactie waarbij esterbindingen in vetten of oliën worden afgebroken door een alkali.
• Waarom heet het verzepen? Het is genoemd naar zijn eindproduct, zeep, en zijn vermogen om zeep te maken door de hydrolyse van esterbindingen in triglyceriden.
• Wat is het doel van verzepen? Het belangrijkste doel is om zeep te produceren, een oppervlakteactieve stof die veel wordt gebruikt voor schoonmaken en wassen.
• Is verzeping hydrolyse? Ja, verzeping is een specifieke vorm van hydrolyse waarbij vetten of oliën door een base worden ontleed in glycerol en vetzuurzouten (zeep).
• Wat is het mechanisme van verzeping? Het gaat om de nucleofiele aanval van hydroxide-ionen op de carbonyl-koolstof 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 completere en uniformere reactie, wat cruciaal is voor het behalen van optimale rendementen. Hielscher ultrasone mengers kunnen dit proces verbeteren door middel van intense cavitatie en schuifkrachten.
• Wat is een verzepingsvoorbeeld? Het mengen van natriumhydroxide met kokosolie in de aanwezigheid van een Hielscher ultrasone reactor 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 de verzepingswaarde belangrijk? De verzepingswaarde geeft de hoeveelheid alkali aan die nodig is om een bepaalde hoeveelheid vet of olie te verzepen, wat helpt bij het bepalen van het moleculaire gewicht van de vetzuren die het bevat.
• Is verzeping omkeerbaar? Onder normale omstandigheden is verzeping niet omkeerbaar vanwege de stabiele aard van de gevormde zeep.
• Wat is het tegenovergestelde van verzepen? Esterificatie, waarbij water en alcoholen reageren met carbonzuren om esters en water te vormen, is het omgekeerde proces.
• Is voor verzeping warmte nodig? Hoewel het niet nodig is, kan warmte het verzepingsproces versnellen door de moleculaire beweging en reactiesnelheid te verhogen.
• Is verzeping exotherm of endotherm? Verzeping is een exotherme reactie waarbij warmte vrijkomt.
• Is verzeping basisch of zuur? Het is een basische reactie, omdat een base (alkali) inwerkt op een ester (vet/olie).
• Hoe stop je verzeping? Het toevoegen van een zuur om de alkali te neutraliseren stopt de reactie, waardoor het verzepingsproces effectief stopt.
• Wat gebeurt er na verzeping? Na de volledige reactie bestaat het mengsel meestal uit zeep en glycerol, dat afhankelijk van het beoogde gebruik verder gezuiverd of verwerkt kan worden.
• Is verzeping natuurlijk? Ja, natuurlijke verzeping kan optreden wanneer vet in contact komt met aardalkalimetalen in bepaalde geologische omgevingen of wanneer oude volkeren dierlijke vetten mengden met as in traditionele zeepziederijen.
• Waarom wordt olijfolie gebruikt bij verzeping? Olijfolie heeft de voorkeur bij verzeping vanwege het hoge gehalte aan oliezuur, dat een milde, hydraterende zeep oplevert met goede reinigende eigenschappen en een stabiel schuim.
• Hoe maak je zeep van vet? Vetten worden door verzeping omgezet in zeep door ze te verhitten met een sterke alkalische oplossing, meestal natriumhydroxide, die het vet afbreekt in vetzuurzouten (zeep) en glycerol.
• Welke olie heeft een hoge verzepingswaarde? Kokosolie heeft een hoge verzepingswaarde, wat duidt op een hoger aandeel kleinere vetzuurmoleculen, waardoor het zeer goed reageert met alkali om zeep te maken.
• Wat gebeurt er met oliën tijdens verzeping? Tijdens het verzepen worden oliën gehydrolyseerd door de alkali in glycerol en vetzuurzouten, waarbij deze laatste de zeep vormen.
• Wat is het beste vet voor zeep? Talg (rundvet) en kokosolie worden beschouwd als enkele van de beste vetten voor het maken van zeep vanwege hun schuimende en verhardende eigenschappen in het uiteindelijke zeepproduct.
• Hoe olie verzepen zonder loog? Het verzepen van oliën zonder loog is niet mogelijk voor de traditionele zeepproductie; er kunnen echter zeepachtige reinigingsmiddelen worden gemaakt met oppervlakteactieve stoffen en emulgatoren in plaats van verzeping op basis van loog.