Zmydlanie – Proces produkcji mydła za pomocą ultradźwięków

Zmydlanie to chemiczny proces produkcji mydła. Jest to reakcja, w której surowiec tłuszczów lub olejów (trójglicerydy) reaguje z reagentem alkalicznym w celu utworzenia mydła. Ultradźwięki poprawiają katalizę przeniesienia fazowego, co skutkuje zwiększoną szybkością reakcji, pełniejszą konwersją i pozwala uniknąć nadmiernego stosowania odczynników zasadowych, takich jak wodorotlenek potasu (KOH) lub wodorotlenek sodu (NaOH). Zainicjowana ultradźwiękami hydroliza alkaliczna może być łatwo wdrożona w komercyjnej produkcji mydła. Reaktory ultradźwiękowe do zmydlania wytwarzają wyższą wydajność w krótszym czasie bez użycia katalizatora lub zmniejszania ilości stosowanego katalizatora.

Zmydlanie promowane ultradźwiękami

Studia przypadków zmydlania ultradźwiękowego

Różne badania wykazały, że sonikacja sprzyja zmydlaniu trójglicerydów do mydła. Zmydlanie ultradźwiękowe przyspiesza i zwiększa konwersję, jednocześnie oszczędzając lub unikając stosowania katalizatora. To sprawia, że zmydlanie ultradźwiękowe jest wysoce wydajną metodą produkcji.

Ultradźwiękowa inicjacja alkalicznej hydrolizy triglicerydów (zmydlanie) bez katalizatora fazowego

Mercantili et al. (2013) badali wpływ ultradźwięków na hydrolizę alkaliczną trójglicerydów, znaną jako zmydlanie. Użyli sonikacji do zainicjowania hydrolizy alkalicznej oleju słonecznikowego. Jako zasadę alkaliczną zastosowano wodorotlenek potasu (KOH). Wykazano, że ultradźwięki są skuteczne jako źródło energii do inicjowania i napędzania reakcji, że wysoka wydajność reakcji jest osiągalna w ciągu zaledwie 15 minut całkowitego zastosowania mocy podczas pracy w temperaturze otoczenia i że podczas reakcji nie powstają wykrywalne produkty uboczne. Porównanie kąpieli ultradźwiękowej i ultrasonokatora typu sondy pokazuje, że sonda ultradźwiękowa jest lepszą techniką. Badanie pokazuje, że zmydlanie ultradźwiękowe daje dobrą konwersję bez potrzeby nadmiaru katalizy alkalicznej lub przeniesienia fazowego.

Alkaliczna hydroliza triacylogliceroli

Ultradźwiękowo promowana reakcja przeniesienia fazy do zmydlania

Bhatkhande et al. (1998) wykazali, że sonikacja olejów roślinnych, takich jak olej sojowy, może być skutecznie zmydlana przy użyciu wodnego KOH i różnych PTC w temperaturze pokojowej. Zakres zmydlania badano przy użyciu wartości zmydlania jako odniesienia. Optymalizacje różnych parametrów, takich jak czas, wybór katalizatorów przeniesienia fazowego, ilość użytego katalizatora, ilość KOH i ilość wody przeprowadzono przy użyciu sonikacji i mieszania. Aby zbadać wpływ ultradźwięków, zmydlanie przeprowadzono również w temperaturze 35ºC w różnych warunkach, a mianowicie mieszania, sonikacji, mieszania i sonikacji oraz ogrzewania w temperaturze 100ºC. Stwierdzono, że heterogeniczne zmydlanie w fazie ciecz-ciecz różnych olejów roślinnych przy użyciu wodnego KOH/CTAB zostało znacznie przyspieszone w temperaturze 35ºC pod wpływem sonikacji i mieszania.

Ultrasonografy o wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajny sprzęt ultradźwiękowy do produkcji laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej. Wytrzymałe i niezawodne ultrasonografy są wykorzystywane do różnych reakcji sonochemicznych, takich jak zmydlanie. Ultradźwięki typu sondowego firmy Hielscher mogą być używane w trybie wsadowym i liniowym. Wszystkie ważne parametry procesu – amplituda, ciśnienie, temperatura – można precyzyjnie kontrolować i zapewnić powtarzalne wyniki.
Cyfrowe sterowanie automatycznie rejestruje parametry procesu i zapisuje je na zintegrowanej karcie SD. Wstępne ustawienia i zdalne sterowanie przez przeglądarkę sprawiają, że proces sonikacji jest bardzo prosty i przyjazny dla użytkownika.
W przypadku wielu reakcji sonochemicznych należy utrzymywać określoną temperaturę, dlatego ważna jest kontrola temperatury. Cyfrowe ultrasonografy firmy Hielscher są wyposażone w termoparę i regulację temperatury. Komora przepływowa z płaszczem umożliwia rozpraszanie ciepła.
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Wspomagane ultradźwiękami PTC katalizowane zmydlanie olejów roślinnych przy użyciu wodnych zasad. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultradźwiękowa inicjacja alkalicznej hydrolizy triglicerydów (zmydlanie) bez katalizy fazowej. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, styczeń 2014. 133-141.

Fakty, które warto znać

przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).

Ultradźwięki mocy są stosowane w procesach chemicznych, takich jak synteza i kataliza (zwana również odpowiednio sono-syntezą i sono-katalizą) w celu zainicjowania i zintensyfikowania reakcji. Różne zastosowania napromieniowania ultradźwiękowego w syntezie organicznej zostały dogłębnie zbadane i opracowane do produkcji przemysłowej. Zabiegi sonochemiczne mogą zwiększyć szybkość reakcji, wydajność i selektywność pożądanych produktów w znacznie łagodniejszych warunkach. Dzięki temu obróbka ultradźwiękowa jest skuteczną i przyjazną dla środowiska techniką przetwarzania. Kataliza przeniesienia fazowego wspomagana ultradźwiękami (PTC) okazała się drastycznie bardziej wydajną i skuteczną metodą reakcji organicznych w porównaniu z tą samą reakcją w warunkach ciszy. Na przykład, reakcja Cannizarro katalizowana przez katalizę przeniesienia fazowego wspomaganą ultradźwiękami jest znacznie przyspieszona, co powoduje szybką konwersję. Innym ważnym przykładem jest transestryfikacja trójglicerydów (tj. olejów roślinnych, tłuszczów zwierzęcych) i metanolu w obecności KOH jako katalizatora i ultradźwięków mocy. Ultradźwiękowa transestryfikacja daje wysokiej jakości biodiesel produkowany w szybkiej konwersji i bardzo wydajnym, ekonomicznym procesie.

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających

Zmydlanie

Zmydlanie opisuje reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje mydło. W procesie zmydlania oleje roślinne lub tłuszcze zwierzęce są przekształcane w sole kwasów tłuszczowych – "mydło" – i glicerol, który jest alkoholem. Reakcja wymaga roztworu zasady alkalicznej (np. NaOH lub KOH) w wodzie, a także ciepła do zainicjowania reakcji.
Etapy reakcji zmydlania są następujące:

1. Atak nukleofilowy estrów kwasów tłuszczowych przez wodorotlenek
2. Usuwanie grupy opuszczającej
3. Deprotonacja

Reakcja zmydlania jest wykorzystywana komercyjnie do produkcji mydeł i smarów.
Podczas gdy twarde mydło na bazie wodorotlenku sodu i miękkie mydło na bazie wodorotlenku potasu są używane do codziennego czyszczenia, istnieją również specjalne mydła produkowane przy użyciu innych wodorotlenków metali. Na przykład mydła litowe i wapniowe są stosowane jako smary. Istnieją również “mydła złożone” składający się z mieszaniny mydeł metalicznych.

hydroliza

Hydroliza obejmuje reakcję organicznego związku chemicznego z wodą w celu utworzenia dwóch lub więcej nowych substancji i zwykle oznacza rozszczepienie wiązań chemicznych przez dodanie wody. Estry można rozszczepić z powrotem na kwas karboksylowy i alkohol w reakcji z wodą i zasadą. Mydło powstaje w wyniku hydrolizy estrów tłuszczu lub oleju.

Baza alkaliczna

Do zmydlania olejów i tłuszczów wymagane są zasadowe reagenty (ługi). Trójglicerydy są poddawane reakcji z zasadą – wodorotlenek sodu lub potasu – w celu wytworzenia glicerolu i soli kwasu tłuszczowego, tak zwanego "mydła". Wodorotlenek potasu jest związkiem nieorganicznym o wzorze KOH i jest powszechnie nazywany potażem żrącym. Wodorotlenek sodu (NaOH) to kolejna prototypowa mocna zasada. Gdy używany jest wodorotlenek sodu, wytwarzane jest twarde mydło, podczas gdy użycie wodorotlenku potasu skutkuje miękkim mydłem.

Reagent a odczynnik

Reagent to substancja, która jest zużywana w reakcji chemicznej. W porównaniu z odczynnikiem, reagent jest wymagany w większych ilościach. Odczynnik to substancja, która jest używana do zainicjowania reakcji, wspierania reakcji i jest zużywana w reakcji, w przeciwieństwie do katalizatorów, które nie są zużywane w reakcji.

Zmydlanie – często zadawane pytania

• Na czym polega proces zmydlania? Zmydlanie to proces chemiczny, w którym tłuszcze lub oleje reagują z zasadą (zwykle wodorotlenkiem sodu), tworząc mydło i glicerol. Reakcja ta obejmuje hydrolizę trójglicerydów do soli kwasów tłuszczowych i glicerolu.
• Jakim typem reakcji jest zmydlanie? Zmydlanie to rodzaj reakcji hydrolizy, w której wiązania estrowe w tłuszczach lub olejach są rozkładane przez zasady.
• Dlaczego nazywa się to zmydlaniem? Swoją nazwę zawdzięcza produktowi końcowemu, mydłu, oraz zdolności do tworzenia mydła poprzez hydrolizę wiązań estrowych w trójglicerydach.
• Jaki jest cel zmydlania? Głównym celem jest produkcja mydła, środka powierzchniowo czynnego szeroko stosowanego do czyszczenia i prania.
• Czy zmydlanie jest hydrolizą? Tak, zmydlanie to specyficzny rodzaj hydrolizy polegający na rozkładzie tłuszczów lub olejów przez alkalia na glicerol i sole kwasów tłuszczowych (mydło).
• Jaki jest mechanizm zmydlania? Polega ona na nukleofilowym ataku jonów wodorotlenkowych na węgiel karbonylowy wiązania estrowego w trójglicerydach, prowadząc do powstania alkoholu (glicerolu) i mydła.
• Dlaczego mieszanie jest ważne dla zmydlania? Skuteczne mieszanie zapewnia dokładny kontakt między reagentami, promując bardziej kompletną i jednolitą reakcję, co ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia optymalnej wydajności. Mieszalniki ultradźwiękowe Hielscher mogą usprawnić ten proces dzięki intensywnej kawitacji i siłom ścinającym.
• Co to jest przykład zmydlania? Mieszanie wodorotlenku sodu z olejem kokosowym w obecności reaktora ultradźwiękowego Hielschera w celu wytworzenia mydła i glicerolu stanowi przykład zmydlania.
• Jaki jest główny produkt zmydlania? Głównymi produktami są mydło (sole sodowe lub potasowe kwasów tłuszczowych) i glicerol.
• Dlaczego wartość zmydlania jest ważna? Wartość zmydlania wskazuje ilość alkaliów potrzebnych do zmydlenia danej ilości tłuszczu lub oleju, pomagając określić masę cząsteczkową zawartych w nim kwasów tłuszczowych.
• Czy zmydlanie jest odwracalne? W typowych warunkach zmydlanie nie jest odwracalne ze względu na stabilną naturę utworzonego mydła.
• Co jest przeciwieństwem zmydlania? Estryfikacja, w której woda i alkohole reagują z kwasami karboksylowymi, tworząc estry i wodę, jest procesem odwrotnym.
• Czy zmydlanie wymaga ciepła? Chociaż nie jest to wymagane, ciepło może przyspieszyć proces zmydlania poprzez zwiększenie ruchu molekularnego i szybkości reakcji.
• Czy zmydlanie jest egzotermiczne czy endotermiczne? Zmydlanie jest reakcją egzotermiczną, podczas której uwalniane jest ciepło.
• Czy zmydlanie jest zasadowe czy kwaśne? Jest to reakcja zasadowa, ponieważ obejmuje działanie zasady (alkaliów) na ester (tłuszcz/olej).
• Jak zatrzymać zmydlanie? Dodanie kwasu w celu zneutralizowania zasady zatrzymuje reakcję, skutecznie przerywając proces zmydlania.
• Co dzieje się po zmydleniu? Po zakończeniu reakcji mieszanina zazwyczaj składa się z mydła i glicerolu, które mogą być dalej oczyszczane lub przetwarzane w zależności od zamierzonego zastosowania.
• Czy zmydlanie jest naturalne? Tak, naturalne zmydlanie może zachodzić, gdy tłuszcz wchodzi w kontakt z metalami ziem alkalicznych w pewnych warunkach geologicznych lub gdy starożytni ludzie mieszali tłuszcze zwierzęce z popiołem w tradycyjnych metodach wytwarzania mydła.
• Dlaczego oliwa z oliwek jest używana do zmydlania? Oliwa z oliwek jest preferowana do zmydlania ze względu na bogatą zawartość kwasu oleinowego, który daje łagodne, nawilżające mydło o dobrych właściwościach myjących i stabilnej pianie.
• Jak zamienić tłuszcz w mydło? Tłuszcze są przekształcane w mydło w procesie zmydlania poprzez podgrzanie ich silnym roztworem alkalicznym, zazwyczaj wodorotlenkiem sodu, który rozkłada tłuszcz na sole kwasów tłuszczowych (mydło) i glicerol.
• Który olej ma wysoką wartość zmydlania? Olej kokosowy ma wysoką wartość zmydlania, co wskazuje na wyższy udział mniejszych cząsteczek kwasów tłuszczowych, dzięki czemu bardzo dobrze reaguje z alkaliami, tworząc mydło.
• Co dzieje się z olejami podczas zmydlania? Podczas zmydlania oleje są hydrolizowane przez alkalia do glicerolu i soli kwasów tłuszczowych, które tworzą mydło.
• Jaki jest najlepszy tłuszcz do mydła? Łój (tłuszcz wołowy) i olej kokosowy są uważane za jedne z najlepszych tłuszczów do produkcji mydła ze względu na ich właściwości pieniące i utwardzające w końcowym produkcie mydlanym.
• Jak zmydlać oleje bez ługu? Zmydlanie olejów bez ługu nie jest możliwe w przypadku tradycyjnej produkcji mydła; jednak mydłopodobne środki czyszczące można wytwarzać przy użyciu środków powierzchniowo czynnych i emulgatorów zamiast zmydlania na bazie ługu.