Saponificação – Processo de fabrico de sabão com ultrassons

A saponificação é o processo químico de fabrico de sabão. É a reação em que a matéria-prima constituída por gorduras ou óleos (triglicéridos) reage com um reagente alcalino para formar sabão. A aplicação de ultrassons melhora a catálise por transferência de fase, aumentando a velocidade da reação e permitindo uma conversão mais completa, e evita a utilização excessiva de reagentes básicos, como o hidróxido de potássio (KOH) ou o hidróxido de sódio (NaOH). A hidrólise alcalina iniciada por ultrassons pode ser facilmente implementada no fabrico comercial de sabão. Os reatores ultrassónicos para saponificação permitem uma maior produção em menos tempo, sem utilizar qualquer catalisador ou utilizando quantidades reduzidas de catalisador.

Saponificação promovida por ultrassons

Estudos de caso de saponificação ultrassónica

Vários estudos de investigação demonstraram que a sonicação promove a saponificação de triglicéridos em sabão. A saponificação ultrassónica acelera e aumenta a conversão, reduzindo ou evitando a utilização de catalisador. Isto torna a saponificação ultrassónica um método de produção altamente eficiente.

Iniciação ultrassónica da hidrólise alcalina de triglicéridos (saponificação) sem catalisador de fase

Mercantili et al. (2013) estudaram os efeitos da aplicação de ultrassons na hidrólise alcalina de triglicéridos, conhecida como saponificação. Utilizaram a sonicação para iniciar a hidrólise alcalina do óleo de girassol. Foi utilizado hidróxido de potássio (KOH) como base alcalina. Demonstrou-se que os ultrassons são eficazes como fonte de energia para iniciar e impulsionar a reação, que é possível obter um elevado rendimento da reação com apenas 15 min de aplicação total de energia, trabalhando à temperatura ambiente, e que não são gerados subprodutos detetáveis durante a reação. A comparação entre um banho ultrassónico e um sonicador de sonda mostra que a sonda ultrassónica é a técnica superior. O estudo demonstra que a saponificação ultrassónica permite obter uma boa conversão sem necessidade de excesso de álcali ou de catálise por transferência de fase.

Hidrólise alcalina de triacilglicerol

Reação de transferência de fase promovida por ultrassons para saponificação

Bhatkhande et al. (1998) demonstraram que óleos vegetais, como o óleo de soja, podiam ser eficientemente saponificados por sonicação, utilizando KOH aquoso e diferentes catalisadores de transferência de fase (PTC) à temperatura ambiente. O grau de saponificação foi estudado utilizando o índice de saponificação como referência. Foram realizadas otimizações de vários parâmetros, como o tempo, a seleção dos catalisadores de transferência de fase, a quantidade de catalisador utilizada, a quantidade de KOH e a quantidade de água, recorrendo à sonicação e à agitação. Para estudar o efeito dos ultrassons, a saponificação também foi realizada a 35ºC em diferentes condições, nomeadamente agitação, sonicação, agitação e sonicação, e aquecimento a 100ºC. Verificou-se que a saponificação em fase heterogénea líquido-líquido de diferentes óleos vegetais com KOH/CTAB aquoso foi significativamente acelerada a 35ºC com sonicação e agitação.

Sonicadores de alto desempenho

A Hielscher Ultrasonics fornece equipamento ultrassónico de alto desempenho para laboratório, produção à escala piloto e produção industrial. Os sonicadores robustos e fiáveis são utilizados em várias reações sonoquímicas, como a saponificação. Os sonicadores de sonda da Hielscher podem ser utilizados em modo descontínuo e em linha. Todos os parâmetros importantes do processo – amplitude, pressão, temperatura – podem ser controlados com precisão e asseguram resultados reprodutíveis.
O controlo digital regista automaticamente os parâmetros do processo e guarda-os no cartão SD integrado. As predefinições e o controlo remoto através do navegador tornam o processo de sonicação muito simples e fácil de utilizar.
Para muitas reações sonoquímicas, é necessário manter uma determinada temperatura, pelo que o controlo da temperatura é importante. Os sonicadores digitais da Hielscher incluem um termopar e controlo da temperatura. As células de fluxo com camisa permitem a dissipação de calor.
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em regime intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Saponificação de óleos vegetais com álcali aquoso, catalisada por PTC e assistida por ultrassons. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, número 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Iniciação ultrassónica da hidrólise alcalina de triglicéridos (saponificação) sem catálise de fase. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, número 1, jan. 2014. 133–141.

Informações úteis

Sonoquímica

Os ultrassons de potência são aplicados a processos químicos, como a síntese e a catálise (também designadas sonossíntese e sonocatálise, respetivamente), para iniciar e intensificar a reação. Várias aplicações da irradiação ultrassónica na síntese orgânica foram investigadas em profundidade e desenvolvidas para a produção industrial. Os tratamentos sonoquímicos podem aumentar a velocidade da reação, o rendimento e a seletividade dos produtos desejados em condições significativamente mais suaves. Isto torna o tratamento ultrassónico uma técnica de processamento eficaz e respeitadora do ambiente. Está comprovado que a catálise por transferência de fase (PTC) assistida por ultrassons é um método drasticamente mais eficiente e eficaz para reações orgânicas do que a mesma reação em condições sem ultrassons. Por exemplo, a reação de Cannizarro catalisada por catálise por transferência de fase assistida por ultrassons é significativamente acelerada, resultando numa conversão rápida. Outro exemplo de destaque é a transesterificação de triglicéridos (isto é, óleos vegetais e gorduras animais) e metanol na presença de KOH como catalisador e de ultrassons de potência. A transesterificação ultrassónica permite obter biodiesel de elevada qualidade, produzido através de uma conversão rápida e de um processo muito eficiente e económico.

A extração ultrassónica baseia-se na cavitação acústica e nas suas forças hidrodinâmicas de cisalhamento

Saponificação

A saponificação descreve a reação química que produz sabão. No processo de saponificação, os óleos vegetais ou as gorduras animais são convertidos em sais de ácidos gordos – o «sabão» – e em glicerol, que é um álcool. A reação requer uma solução de uma base alcalina (por exemplo, NaOH ou KOH) em água e também calor para iniciar a reação.
As etapas da reação de saponificação são as seguintes:

1. Ataque nucleofílico aos ésteres de ácidos gordos pelo hidróxido
2. Eliminação do grupo de saída
3. Desprotonação

A reação de saponificação é utilizada comercialmente para produzir sabões e lubrificantes.
Embora o sabão duro de hidróxido de sódio e o sabão mole de hidróxido de potássio sejam utilizados na limpeza quotidiana, existem também sabões especiais produzidos com outros hidróxidos metálicos. Por exemplo, os sabões de lítio e os sabões de cálcio são utilizados como massas lubrificantes. Existem também «sabões complexos» constituídos por uma mistura de sabões metálicos.

Hidrólise

A hidrólise envolve a reação de uma substância química orgânica com água para formar duas ou mais substâncias novas e geralmente significa a cisão de ligações químicas pela adição de água. Os ésteres podem ser novamente cindidos num ácido carboxílico e num álcool por reação com água e uma base. O sabão é produzido pela hidrólise dos ésteres das gorduras ou dos óleos.

Base alcalina

Os reagentes de base alcalina (lixívias alcalinas) são necessários para a saponificação de óleos e gorduras. Os triglicéridos são postos a reagir com uma base – hidróxido de sódio ou de potássio – para produzir glicerol e um sal de ácido gordo, o chamado «sabão». O hidróxido de potássio é um composto inorgânico com a fórmula KOH e é vulgarmente designado potassa cáustica. O hidróxido de sódio (NaOH) é outra base forte típica. Quando se utiliza hidróxido de sódio, produz-se um sabão duro, enquanto a utilização de hidróxido de potássio resulta num sabão mole.

Reagente de reação vs. reagente auxiliar

Um reagente de reação é uma substância que se esgota ou é consumida numa reação química. Em comparação com um reagente auxiliar, um reagente de reação é necessário em maiores quantidades. Um reagente auxiliar é uma substância utilizada para iniciar uma reação, para apoiar a reação e que é consumida numa reação, ao contrário dos catalisadores, que não são consumidos numa reação.

Saponificação – Perguntas frequentes

• O que é o processo de saponificação? A saponificação é o processo químico em que as gorduras ou os óleos reagem com um álcali (geralmente hidróxido de sódio) para produzir sabão e glicerol. Esta reação envolve a hidrólise dos triglicéridos em sais de ácidos gordos e glicerol.
• Que tipo de reação é a saponificação? A saponificação é um tipo de reação de hidrólise em que as ligações éster das gorduras ou dos óleos são quebradas por um álcali.
• Porque se chama saponificação? O nome deriva do seu produto final, o sabão, e da sua capacidade de criar sabão através da hidrólise das ligações éster dos triglicéridos.
• Qual é o objetivo da saponificação? O principal objetivo é produzir sabão, um tensioativo amplamente utilizado na limpeza e na lavagem.
• A saponificação é uma hidrólise? Sim, a saponificação é um tipo específico de hidrólise que envolve a decomposição de gorduras ou óleos por um álcali em glicerol e sais de ácidos gordos (sabão).
• Qual é o mecanismo da saponificação? Envolve o ataque nucleofílico dos iões hidróxido ao carbono carbonílico da ligação éster dos triglicéridos, levando à formação de álcool (glicerol) e sabão.
• Porque é importante a mistura na saponificação? Uma mistura eficiente assegura um contacto completo entre os reagentes, promovendo uma reação mais completa e uniforme, crucial para alcançar rendimentos ótimos. Os misturadores ultrassónicos da Hielscher podem melhorar este processo através de cavitação intensa e forças de cisalhamento.
• Qual é um exemplo de saponificação? A mistura de hidróxido de sódio com óleo de coco na presença de um reator ultrassónico da Hielscher para produzir sabão e glicerol exemplifica a saponificação.
• Qual é o principal produto da saponificação? Os principais produtos são o sabão (sais de sódio ou de potássio de ácidos gordos) e o glicerol.
• Porque é importante o índice de saponificação? O índice de saponificação indica a quantidade de álcali necessária para saponificar uma determinada quantidade de gordura ou óleo, ajudando a determinar a massa molecular dos ácidos gordos que contém.
• A saponificação é reversível? Em condições típicas, a saponificação não é reversível devido à natureza estável do sabão formado.
• Qual é o processo oposto à saponificação? A esterificação, em que a água e os álcoois reagem com ácidos carboxílicos para formar ésteres e água, é o processo inverso.
• A saponificação requer calor? Embora não seja necessário, o calor pode acelerar o processo de saponificação ao aumentar o movimento molecular e a velocidade da reação.
• A saponificação é exotérmica ou endotérmica? A saponificação é uma reação exotérmica, libertando calor à medida que decorre.
• A saponificação é básica ou ácida? É uma reação básica, pois envolve a ação de uma base (álcali) sobre um éster (gordura/óleo).
• Como se interrompe a saponificação? A adição de um ácido para neutralizar o álcali interrompe a reação, fazendo efetivamente cessar o processo de saponificação.
• O que acontece após a saponificação? Após a reação completa, a mistura é geralmente constituída por sabão e glicerol, que podem ser purificados ou submetidos a processamento adicional, dependendo da utilização pretendida.
• A saponificação é natural? Sim, a saponificação natural pode ocorrer quando a gordura entra em contacto com metais alcalinoterrosos em determinados contextos geológicos ou quando povos antigos misturavam gorduras animais com cinzas nos métodos tradicionais de fabrico de sabão.
• Porque se utiliza azeite na saponificação? O azeite é preferido na saponificação devido ao seu elevado teor de ácido oleico, que origina um sabão suave e hidratante, com boas propriedades de limpeza e uma espuma estável.
• Como transformar gordura em sabão? As gorduras são transformadas em sabão através da saponificação, aquecendo-as com uma solução alcalina forte, normalmente de hidróxido de sódio, que decompõe a gordura em sais de ácidos gordos (sabão) e glicerol.
• Que óleo tem um índice de saponificação elevado? O óleo de coco tem um índice de saponificação elevado, indicando uma maior proporção de moléculas de ácidos gordos mais pequenas, o que o torna muito reativo com o álcali para produzir sabão.
• O que acontece aos óleos durante a saponificação? Durante a saponificação, os óleos são hidrolisados pelo álcali em glicerol e sais de ácidos gordos, sendo estes últimos os que formam o sabão.
• Qual é a melhor gordura para fazer sabão? O sebo (gordura de bovino) e o óleo de coco são considerados algumas das melhores gorduras para o fabrico de sabão devido às suas propriedades de formação de espuma e de endurecimento no sabão final.
• Como saponificar óleos sem lixívia alcalina? Não é possível saponificar óleos sem lixívia alcalina no fabrico tradicional de sabão; no entanto, podem ser produzidos produtos de limpeza semelhantes ao sabão utilizando tensioativos e emulsionantes em vez de saponificação com lixívia alcalina.