Омыление – процесс изготовления мыла с помощью ультразвука

Омыление – это химический процесс изготовления мыла. В ходе этой реакции исходное сырьё в виде жиров или масел (триглицеридов) реагирует со щелочным реагентом с образованием мыла. Обработка ультразвуком улучшает межфазный катализ, повышая скорость реакции, обеспечивая более полное превращение и позволяя избежать избыточного использования основных реагентов, таких как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NaOH). Щелочной гидролиз, инициируемый ультразвуком, можно легко внедрить в промышленное производство мыла. Ультразвуковые реакторы для омыления обеспечивают больший объём продукции за более короткое время без использования катализатора или при уменьшении количества используемого катализатора.

Омыление, интенсифицируемое ультразвуком

Примеры исследований ультразвукового омыления

Различные исследования показали, что обработка ультразвуком способствует омылению триглицеридов с образованием мыла. Ультразвуковое омыление ускоряет превращение и повышает его степень, одновременно сокращая использование катализатора или позволяя отказаться от него. Это делает ультразвуковое омыление высокоэффективным методом производства.

Ультразвуковое инициирование щелочного гидролиза триглицеридов (омыления) без фазового катализатора

Mercantili и соавт. (2013) изучили влияние обработки ультразвуком на щелочной гидролиз триглицеридов, известный как омыление. Они использовали обработку ультразвуком для инициирования щелочного гидролиза подсолнечного масла. В качестве щелочного основания использовали гидроксид калия (KOH). Было показано, что ультразвук эффективен как источник энергии для инициирования и поддержания реакции, что высокий выход реакции достижим всего за 15 min суммарного воздействия при работе при температуре окружающей среды и что в ходе реакции не образуются обнаруживаемые побочные продукты. Сравнение ультразвуковой ванны и ультразвукового аппарата зондового типа показывает превосходство ультразвукового зонда. Исследование демонстрирует, что ультразвуковое омыление обеспечивает хорошую степень превращения без необходимости использования избытка щёлочи или межфазного катализа.

Щелочной гидролиз триацилглицерола

Интенсифицируемая ультразвуком межфазная реакция омыления

Bhatkhande и соавт. (1998) показали, что растительные масла, такие как соевое масло, можно эффективно омылять при обработке ультразвуком с использованием водного раствора KOH и различных межфазных катализаторов (PTC) при комнатной температуре. Степень омыления изучали, используя число омыления в качестве ориентира. Оптимизацию различных параметров, таких как время, выбор межфазных катализаторов, количество используемого катализатора, количество KOH и количество воды, проводили с применением обработки ультразвуком и перемешивания. Для изучения влияния ультразвука омыление также проводили при 35ºC в различных условиях, а именно при перемешивании, обработке ультразвуком, перемешивании с обработкой ультразвуком и нагревании при 100ºC. Было установлено, что гетерогенное омыление различных растительных масел в системе жидкость–жидкость с использованием водного раствора KOH/CTAB значительно ускорялось при 35ºC при обработке ультразвуком и перемешивании.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты

Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для лабораторий, опытного и промышленного производства. Прочные и надёжные ультразвуковые аппараты используются для различных сонохимических реакций, таких как омыление. Ультразвуковые аппараты зондового типа Hielscher можно использовать в периодическом и проточном режимах. Все важные параметры процесса – амплитуда, давление, температура – поддаются точному контролю и обеспечивают воспроизводимые результаты.
Цифровая система управления автоматически регистрирует параметры процесса и сохраняет их на встроенной SD-карте. Предварительные настройки и дистанционное управление через браузер делают процесс обработки ультразвуком очень простым и удобным для пользователя.
Для многих сонохимических реакций необходимо поддерживать определённую температуру, поэтому контроль температуры важен. Цифровые ультразвуковые аппараты Hielscher оснащены термопарой и системой контроля температуры. Проточная ячейка с рубашкой обеспечивает отвод тепла.
Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет эксплуатировать его в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Омыление растительных масел водным раствором щёлочи с применением ультразвука и межфазного катализа (PTC). Ultrasonics Sonochemistry Vol. 5, Issue 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ультразвуковое инициирование щелочного гидролиза триглицеридов (омыления) без фазового катализа. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133–141.

Полезные сведения

Сонохимия

Мощный ультразвук применяется в химических процессах, таких как синтез и катализ (также называемых соответственно соносинтезом и сонокатализом), для инициирования и интенсификации реакции. Различные применения ультразвукового облучения в органическом синтезе были подробно исследованы и разработаны для промышленного производства. Сонохимическая обработка может повысить скорость реакции, выход и селективность получения целевых продуктов в значительно более мягких условиях. Это делает обработку ультразвуком эффективной и экологичной технологией. Доказано, что межфазный катализ (PTC) с применением ультразвука является значительно более эффективным и результативным методом проведения органических реакций по сравнению с той же реакцией без ультразвука. Например, реакция Cannizarro, катализируемая посредством межфазного катализа с применением ультразвука, значительно ускоряется, обеспечивая быстрое превращение. Другой яркий пример – переэтерификация триглицеридов (то есть растительных масел и животных жиров) и метанола в присутствии KOH в качестве катализатора и при воздействии мощного ультразвука. Ультразвуковая переэтерификация обеспечивает получение высококачественного биодизеля за счёт быстрого превращения в ходе очень эффективного и экономичного процесса.

Ультразвуковая экстракция основана на акустической кавитации и создаваемых ею гидродинамических силах сдвига

Омыление

Омыление – это химическая реакция, в результате которой образуется мыло. В процессе омыления растительные масла или животные жиры превращаются в соли жирных кислот – «мыло» – и глицерин, являющийся спиртом. Для инициирования реакции необходимы раствор щелочного основания (например, NaOH или KOH) в воде, а также тепло.
Реакция омыления включает следующие стадии:

1. Нуклеофильная атака сложных эфиров жирных кислот гидроксидом
2. Отщепление уходящей группы
3. Депротонирование

Реакция омыления используется в промышленности для производства мыла и смазочных материалов.
Твёрдое мыло, получаемое с помощью гидроксида натрия, и мягкое мыло, получаемое с помощью гидроксида калия, используются для повседневной очистки; существуют также специальные мыла, получаемые с использованием гидроксидов других металлов. Например, литиевые и кальциевые мыла используются в качестве пластичных смазок. Существуют также «комплексные мыла», состоящие из смеси металлических мыл.

Гидролиз

Гидролиз представляет собой реакцию органического химического вещества с водой с образованием двух или более новых веществ и обычно означает разрыв химических связей при присоединении воды. При реакции с водой и основанием сложные эфиры могут расщепляться с обратным образованием карбоновой кислоты и спирта. Мыло получают путём гидролиза сложных эфиров жира или масла.

Щелочное основание

Для омыления масел и жиров необходимы щелочные реагенты (щёлочи). Триглицериды реагируют с основанием – гидроксидом натрия или калия – с образованием глицерина и соли жирной кислоты, так называемого «мыла». Гидроксид калия – неорганическое соединение с формулой KOH, обычно называемое едким кали. Гидроксид натрия (NaOH) – ещё один типичный пример сильного основания. При использовании гидроксида натрия получается твёрдое мыло, тогда как использование гидроксида калия приводит к образованию мягкого мыла.

Реактант и реагент

Реактант – это вещество, которое расходуется или потребляется в химической реакции. По сравнению с реагентом реактант требуется в больших количествах. Реагент – это вещество, которое используется для инициирования и поддержания реакции и расходуется в ходе реакции, в отличие от катализаторов, которые в реакции не расходуются.

Омыление – часто задаваемые вопросы

• Что представляет собой процесс омыления? Омыление – это химический процесс, в котором жиры или масла реагируют со щёлочью (обычно гидроксидом натрия) с образованием мыла и глицерина. Эта реакция включает гидролиз триглицеридов с образованием солей жирных кислот и глицерина.
• К какому типу реакций относится омыление? Омыление – это тип реакции гидролиза, при которой сложноэфирные связи в жирах или маслах разрываются под действием щёлочи.
• Почему этот процесс называется омылением? Он назван по своему конечному продукту, мылу, и способности образовывать мыло посредством гидролиза сложноэфирных связей в триглицеридах.
• Какова цель омыления? Основная цель – получение мыла, поверхностно-активного вещества, широко используемого для очистки и мытья.
• Является ли омыление гидролизом? Да, омыление – это особый тип гидролиза, включающий разложение жиров или масел под действием щёлочи с образованием глицерина и солей жирных кислот (мыла).
• Каков механизм омыления? Он включает нуклеофильную атаку гидроксид-ионов на карбонильный атом углерода сложноэфирной связи в триглицеридах, что приводит к образованию спирта (глицерина) и мыла.
• Почему перемешивание важно для омыления? Эффективное перемешивание обеспечивает тесный контакт между реагирующими веществами, способствуя более полному и равномерному протеканию реакции, что крайне важно для достижения оптимального выхода. Ультразвуковые смесители Hielscher могут интенсифицировать этот процесс благодаря интенсивной кавитации и силам сдвига.
• Какой пример омыления можно привести? Примером омыления является смешивание гидроксида натрия с кокосовым маслом в присутствии ультразвукового реактора Hielscher для получения мыла и глицерина.
• Каков основной продукт омыления? Основные продукты – мыло (натриевые или калиевые соли жирных кислот) и глицерин.
• Почему важно число омыления? Число омыления показывает количество щёлочи, необходимое для омыления заданного количества жира или масла, помогая определить молекулярную массу содержащихся в нём жирных кислот.
• Обратимо ли омыление? В обычных условиях омыление необратимо из-за устойчивости образующегося мыла.
• Какой процесс противоположен омылению? Обратным процессом является этерификация, при которой вода и спирты реагируют с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров и воды.
• Требуется ли тепло для омыления? Хотя тепло не является обязательным, оно может ускорить процесс омыления, усиливая движение молекул и повышая скорость реакции.
• Омыление – экзотермическая или эндотермическая реакция? Омыление – экзотермическая реакция, в ходе которой выделяется тепло.
• Омыление – щелочная или кислотная реакция? Это щелочная реакция, поскольку она включает воздействие основания (щёлочи) на сложный эфир (жир/масло).
• Как остановить омыление? Добавление кислоты для нейтрализации щёлочи останавливает реакцию, эффективно прекращая процесс омыления.
• Что происходит после омыления? После полного завершения реакции смесь обычно состоит из мыла и глицерина, которые могут быть очищены или подвергнуты дальнейшей обработке в зависимости от предполагаемого применения.
• Происходит ли омыление в природе? Да, естественное омыление может происходить при контакте жира со щёлочноземельными металлами в определённых геологических условиях; омыление также происходило, когда древние люди смешивали животные жиры с золой при традиционном изготовлении мыла.
• Почему для омыления используют оливковое масло? Оливковое масло предпочитают использовать для омыления благодаря высокому содержанию олеиновой кислоты, которая позволяет получить мягкое по действию, увлажняющее мыло с хорошими очищающими свойствами и устойчивой пеной.
• Как превратить жир в мыло? Жиры превращают в мыло посредством омыления, нагревая их с раствором сильной щёлочи, обычно гидроксида натрия, которая расщепляет жир с образованием солей жирных кислот (мыла) и глицерина.
• Какое масло имеет высокое число омыления? Кокосовое масло имеет высокое число омыления, указывающее на более высокую долю меньших молекул жирных кислот, благодаря чему оно очень активно реагирует со щёлочью с образованием мыла.
• Что происходит с маслами во время омыления? Во время омыления масла гидролизуются под действием щёлочи с образованием глицерина и солей жирных кислот, из которых образуется мыло.
• Какой жир лучше всего подходит для мыла? Животный жир (говяжий жир) и кокосовое масло считаются одними из лучших жиров для изготовления мыла благодаря их способности обеспечивать пенообразование и твёрдость готового мыла.
• Как омылить масла без щёлочи? При традиционном изготовлении мыла омыление масел без щёлочи невозможно; однако мылоподобные очищающие средства можно изготовить с использованием поверхностно-активных веществ и эмульгаторов вместо омыления щёлочью.