Zmydelňovanie – proces výroby mydla pomocou ultrazvuku

Zmydelňovanie je chemický proces výroby mydla. Ide o reakciu, pri ktorej východiskové tuky alebo oleje (triglyceridy) reagujú s alkalickým reaktantom za vzniku mydla. Pôsobenie ultrazvuku zlepšuje katalýzu fázového prenosu, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti reakcie, úplnejšej konverzii a zabraňuje nadmernému používaniu zásaditých činidiel, ako sú hydroxid draselný (KOH) alebo hydroxid sodný (NaOH). Alkalickú hydrolýzu iniciovanú ultrazvukom možno ľahko zaviesť do komerčnej výroby mydla. Ultrazvukové reaktory na zmydelňovanie dosahujú vyššiu produkciu za kratší čas bez použitia akéhokoľvek katalyzátora alebo pri zníženom množstve použitého katalyzátora.

Zmydelňovanie podporované ultrazvukom

Prípadové štúdie ultrazvukového zmydelňovania

Rôzne výskumné štúdie preukázali, že sonikácia podporuje zmydelňovanie triglyceridov na mydlo. Ultrazvukové zmydelňovanie urýchľuje konverziu a zvyšuje jej mieru, pričom znižuje spotrebu katalyzátora alebo umožňuje jeho použitie úplne vynechať. Vďaka tomu je ultrazvukové zmydelňovanie vysoko účinnou výrobnou metódou.

Ultrazvuková iniciácia alkalickej hydrolýzy triglyceridov (zmydelňovania) bez katalyzátora fázového prenosu

Mercantili a kol. (2013) skúmali účinky ultrazvuku na alkalickú hydrolýzu triglyceridov, známu ako zmydelňovanie. Na iniciáciu alkalickej hydrolýzy slnečnicového oleja použili sonikáciu. Ako alkalická zásada sa použil hydroxid draselný (KOH). Ukázalo sa, že ultrazvuk je účinným zdrojom energie na iniciáciu a priebeh reakcie, že vysoký reakčný výťažok možno dosiahnuť už za 15 min celkového pôsobenia ultrazvukového výkonu pri teplote okolia a že počas reakcie nevznikajú žiadne detegovateľné vedľajšie produkty. Porovnanie ultrazvukového kúpeľa a sondového ultrazvukového prístroja ukazuje, že ultrazvuková sonda predstavuje lepšiu techniku. Štúdia dokazuje, že ultrazvukové zmydelňovanie dosahuje dobrú konverziu bez potreby nadbytku zásady alebo katalýzy fázového prenosu.

Alkalická hydrolýza triacylglycerolu

Reakcia s fázovým prenosom podporovaná ultrazvukom na zmydelňovanie

Bhatkhande a kol. (1998) ukázali, že rastlinné oleje, napríklad sójový olej, možno pri sonikácii účinne zmydelňovať pomocou vodného roztoku KOH a rôznych katalyzátorov fázového prenosu (PTC) pri izbovej teplote. Rozsah zmydelnenia sa skúmal s použitím čísla zmydelnenia ako referenčnej hodnoty. Pomocou sonikácie a miešania sa optimalizovali rôzne parametre, ako sú čas, výber katalyzátorov fázového prenosu, množstvo použitého katalyzátora, množstvo KOH a množstvo vody. Na preskúmanie účinku ultrazvuku sa zmydelňovanie uskutočnilo aj pri 35ºC za rôznych podmienok, konkrétne pri miešaní, sonikácii, kombinácii miešania a sonikácie a pri zahrievaní na 100ºC. Zistilo sa, že heterogénne zmydelňovanie rôznych rastlinných olejov v systéme kvapalina–kvapalina s použitím vodného roztoku KOH/CTAB sa pri 35ºC výrazne urýchlilo pri sonikácii a miešaní.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje

Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre laboratórnu, poloprevádzkovú a priemyselnú výrobu. Robustné a spoľahlivé ultrazvukové prístroje sa používajú na rôzne sonochemické reakcie, napríklad zmydelňovanie. Sondové ultrazvukové prístroje Hielscher možno používať vo vsádzkovom aj prietokovom režime. Všetky dôležité procesné parametre – amplitúdu, tlak a teplotu – možno presne regulovať, čím sa zabezpečujú reprodukovateľné výsledky.
Digitálne riadenie automaticky zaznamenáva procesné parametre a ukladá ich na integrovanú SD kartu. Prednastavenia a diaľkové ovládanie cez prehliadač robia proces sonikácie veľmi jednoduchým a používateľsky prívetivým.
Pri mnohých sonochemických reakciách sa musí udržiavať určitá teplota, preto je regulácia teploty dôležitá. Digitálne ultrazvukové zariadenia Hielscher sú vybavené termočlánkom a reguláciou teploty. Prietoková cela s plášťom umožňuje odvod tepla.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje nepretržitú prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

• 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.

Užitočné informácie

Sonochémia

Výkonový ultrazvuk sa používa pri chemických procesoch, ako sú syntéza a katalýza (označované aj ako sonosyntéza a sonokatalýza), na iniciáciu a zintenzívnenie reakcie. Rôzne aplikácie ultrazvukového ožarovania v organickej syntéze boli dôkladne preskúmané a vyvinuté pre priemyselnú výrobu. Sonochemické spracovanie môže zvýšiť rýchlosť reakcie, výťažok a selektivitu požadovaných produktov za výrazne miernejších podmienok. Vďaka tomu je ultrazvukové spracovanie účinnou a ekologickou technológiou spracovania. Je preukázané, že ultrazvukom podporovaná katalýza fázového prenosu (PTC) je pri organických reakciách výrazne efektívnejšou a účinnejšou metódou v porovnaní s rovnakou reakciou bez pôsobenia ultrazvuku. Napríklad Cannizarrova reakcia katalyzovaná ultrazvukom podporovanou katalýzou fázového prenosu sa výrazne urýchľuje, čo vedie k rýchlej konverzii. Ďalším významným príkladom je transesterifikácia triglyceridov (t. j. rastlinných olejov, živočíšnych tukov) a metanolu v prítomnosti KOH ako katalyzátora a výkonového ultrazvuku. Ultrazvuková transesterifikácia poskytuje vysokokvalitnú bionaftu vyrábanú rýchlou konverziou vo veľmi efektívnom a hospodárnom procese.

Ultrazvuková extrakcia je založená na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách

Zmydelňovanie

Zmydelňovanie označuje chemickú reakciu, pri ktorej vzniká mydlo. Pri zmydelňovaní sa rastlinné oleje alebo živočíšne tuky premieňajú na soli mastných kyselín – „mydlo“ – a glycerol, ktorý je alkoholom. Reakcia vyžaduje roztok alkalickej zásady (napr. NaOH alebo KOH) vo vode a tiež teplo na iniciáciu reakcie.
Reakčné kroky zmydelňovania sú nasledujúce:

1. Nukleofilný atak hydroxidového aniónu na estery mastných kyselín
2. Odštiepenie odstupujúcej skupiny
3. Deprotonácia

Zmydelňovacia reakcia sa komerčne využíva na výrobu mydiel a mazív.
Zatiaľ čo tvrdé mydlo vyrobené pomocou hydroxidu sodného a mäkké mydlo vyrobené pomocou hydroxidu draselného sa používajú na každodenné čistenie, existujú aj špeciálne mydlá vyrábané pomocou hydroxidov iných kovov. Napríklad lítne a vápenaté mydlá sa používajú ako plastické mazivá. Existujú aj „komplexné mydlá“, ktoré pozostávajú zo zmesi kovových mydiel.

Hydrolýza

Hydrolýza zahŕňa reakciu organickej chemickej látky s vodou za vzniku dvoch alebo viacerých nových látok a zvyčajne znamená štiepenie chemických väzieb pridaním vody. Estery možno reakciou s vodou a zásadou rozštiepiť späť na karboxylovú kyselinu a alkohol. Mydlo sa vyrába hydrolýzou esterov tukov alebo olejov.

Alkalická zásada

Na zmydelňovanie olejov a tukov sú potrebné alkalické reaktanty (lúhy). Triglyceridy reagujú so zásadou – hydroxidom sodným alebo draselným – za vzniku glycerolu a soli mastnej kyseliny, takzvaného „mydla“. Hydroxid draselný je anorganická zlúčenina so vzorcom KOH a bežne sa nazýva žieravý draslík. Hydroxid sodný (NaOH) je ďalším typickým predstaviteľom silných zásad. Pri použití hydroxidu sodného vzniká tvrdé mydlo, zatiaľ čo použitie hydroxidu draselného vedie k vzniku mäkkého mydla.

Reaktant verzus činidlo

Reaktant je látka, ktorá sa pri chemickej reakcii spotrebúva. V porovnaní s činidlom je reaktant potrebný vo väčších množstvách. Činidlo je látka, ktorá sa používa na iniciáciu reakcie, na podporu reakcie a pri reakcii sa spotrebúva, na rozdiel od katalyzátorov, ktoré sa pri reakcii nespotrebúvajú.

Zmydelňovanie – často kladené otázky

• Čo je proces zmydelňovania? Zmydelňovanie je chemický proces, pri ktorom tuky alebo oleje reagujú so zásadou (zvyčajne hydroxidom sodným) za vzniku mydla a glycerolu. Táto reakcia zahŕňa hydrolýzu triglyceridov na soli mastných kyselín a glycerol.
• Akým typom reakcie je zmydelňovanie? Zmydelňovanie je typ hydrolytickej reakcie, pri ktorej zásada štiepi esterové väzby v tukoch alebo olejoch.
• Prečo sa nazýva zmydelňovanie? Názov je odvodený od konečného produktu, mydla, a od schopnosti vytvárať mydlo hydrolýzou esterových väzieb v triglyceridoch.
• Aký je účel zmydelňovania? Hlavným účelom je výroba mydla, povrchovo aktívnej látky, ktorá sa bežne používa na čistenie a umývanie.
• Je zmydelňovanie hydrolýza? Áno, zmydelňovanie je špecifický typ hydrolýzy, pri ktorom sa tuky alebo oleje pôsobením zásady rozkladajú na glycerol a soli mastných kyselín (mydlo).
• Aký je mechanizmus zmydelňovania? Zahŕňa nukleofilný atak hydroxidových iónov na karbonylový uhlík esterovej väzby v triglyceridoch, čo vedie k vzniku alkoholu (glycerolu) a mydla.
• Prečo je miešanie pri zmydelňovaní dôležité? Účinné miešanie zabezpečuje dôkladný kontakt medzi reaktantmi a podporuje úplnejší a rovnomernejší priebeh reakcie, čo je rozhodujúce na dosiahnutie optimálnych výťažkov. Ultrazvukové miešače Hielscher môžu tento proces zlepšiť prostredníctvom intenzívnej kavitácie a šmykových síl.
• Aký je príklad zmydelňovania? Príkladom zmydelňovania je miešanie hydroxidu sodného s kokosovým olejom v prítomnosti ultrazvukového reaktora Hielscher za vzniku mydla a glycerolu.
• Aký je hlavný produkt zmydelňovania? Hlavnými produktmi sú mydlo (sodné alebo draselné soli mastných kyselín) a glycerol.
• Prečo je číslo zmydelnenia dôležité? Číslo zmydelnenia udáva množstvo zásady potrebné na zmydelnenie daného množstva tuku alebo oleja a pomáha určiť molekulovú hmotnosť mastných kyselín, ktoré obsahuje.
• Je zmydelňovanie vratné? Za bežných podmienok nie je zmydelňovanie vratné vzhľadom na stabilitu vzniknutého mydla.
• Čo je opačný proces k zmydelňovaniu? Opačným procesom je esterifikácia, pri ktorej voda a alkoholy reagujú s karboxylovými kyselinami za vzniku esterov a vody.
• Vyžaduje zmydelňovanie teplo? Hoci teplo nie je nevyhnutné, môže urýchliť proces zmydelňovania zvýšením pohybu molekúl a rýchlosti reakcie.
• Je zmydelňovanie exotermické alebo endotermické? Zmydelňovanie je exotermická reakcia, pri ktorej sa počas jej priebehu uvoľňuje teplo.
• Je zmydelňovanie zásadité alebo kyslé? Je to zásaditá reakcia, pretože zahŕňa pôsobenie zásady (alkálie) na ester (tuk/olej).
• Ako zastaviť zmydelňovanie? Pridanie kyseliny na neutralizáciu zásady zastaví reakciu, čím sa účinne ukončí proces zmydelňovania.
• Čo sa deje po zmydelnení? Po úplnom dokončení reakcie zmes zvyčajne pozostáva z mydla a glycerolu, ktoré sa môžu čistiť alebo ďalej spracúvať v závislosti od zamýšľaného použitia.
• Je zmydelňovanie prirodzený proces? Áno, k prirodzenému zmydelňovaniu môže dochádzať pri kontakte tuku s kovmi alkalických zemín v určitých geologických podmienkach alebo k nemu dochádzalo, keď ľudia v dávnych dobách miešali živočíšne tuky s popolom pri tradičnej výrobe mydla.
• Prečo sa pri zmydelňovaní používa olivový olej? Olivový olej je pri zmydelňovaní obľúbený vďaka vysokému obsahu kyseliny olejovej, z ktorej vzniká jemné, hydratačné mydlo s dobrými čistiacimi vlastnosťami a stabilnou penou.
• Ako premeniť tuk na mydlo? Tuky sa premieňajú na mydlo zmydelňovaním tak, že sa zahrievajú so silným alkalickým roztokom, zvyčajne roztokom hydroxidu sodného, ktorý rozkladá tuk na soli mastných kyselín (mydlo) a glycerol.
• Ktorý olej má vysoké číslo zmydelnenia? Kokosový olej má vysoké číslo zmydelnenia, čo poukazuje na vyšší podiel menších molekúl mastných kyselín, vďaka čomu veľmi ľahko reaguje so zásadou za vzniku mydla.
• Čo sa deje s olejmi počas zmydelňovania? Počas zmydelňovania sa oleje pôsobením zásady hydrolyzujú na glycerol a soli mastných kyselín, pričom tieto soli tvoria mydlo.
• Aký tuk je najlepší na výrobu mydla? Loj (hovädzí tuk) a kokosový olej sa považujú za jedny z najlepších tukov na výrobu mydla vďaka svojej schopnosti vytvárať penu a dodávať výslednému mydlu tvrdosť.
• Ako zmydelniť oleje bez lúhu? Pri tradičnej výrobe mydla nie je možné zmydelniť oleje bez lúhu; čistiace prípravky podobné mydlu však možno vyrobiť pomocou povrchovo aktívnych látok a emulgátorov namiesto zmydelňovania lúhom.