Saponifikácia – Proces výroby mydla pomocou ultrazvuku

Zmýdelnenie je chemický proces výroby mydla. Je to reakcia, pri ktorej surovina tukov alebo olejov (triglyceridy) reaguje s alkalickým reaktantom za vzniku mydla. Ultrazvuk zlepšuje katalýzu fázového prenosu, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti reakcie, úplnejšej konverzii a zabráni nadmernému používaniu zásaditých činidiel, ako je hydroxid draselný (KOH) alebo hydroxid sodný (NaOH). Ultrazvukom iniciovaná alkalická hydrolýza sa dá ľahko implementovať v komerčnej výrobe mydla. Ultrazvukové reaktory na zmydelnenie produkujú vyšší výkon v kratšom čase bez použitia akéhokoľvek katalyzátora alebo zníženia množstva použitého katalyzátora.

Ultrazvukom podporované zmýdelnenie

Prípadové štúdie ultrazvukovej zmydelnenia

Rôzne výskumné štúdie ukázali, že sonikácia podporuje zmydelnenie triglyceridov na mydlo. Ultrazvukové zmydelnenie urýchľuje a zvyšuje konverziu, pričom šetrí alebo zabraňuje použitiu katalyzátora. Vďaka tomu je ultrazvukové zmydelnenie vysoko efektívnou výrobnou metódou.

Ultrazvuková iniciácia alkalickej hydrolýzy triglyceridov (zmydelnenie) bez fázového katalyzátora

Mercantili et al. (2013) študovali účinky ultrazvuku na alkalickú hydrolýzu triglyceridov, známu ako zmydelnenie. Na spustenie alkalickej hydrolýzy slnečnicového oleja použili sonikáciu. Ako alkalická báza sa použil hydroxid draselný (KOH). Ukázalo sa, že ultrazvuk je účinný ako zdroj energie na iniciáciu a riadenie reakcie, že vysoký reakčný výťažok je možné dosiahnuť len za 15 minút celkovej aplikácie energie pri práci pri teplote okolia a že počas reakcie nevznikajú žiadne detekovateľné vedľajšie produkty. Porovnanie ultrazvukového kúpeľa a ultrazvukového sondového typu ukazuje, že ultrazvuková sonda je vynikajúcou technikou. Štúdia demonštruje, že ultrazvukové zmydelnenie prináša dobrú konverziu bez potreby prebytočnej alkálie alebo katalýzy s fázovým prenosom.

Alkalická hydrolýza triacylglycerolu

Ultrazvukom podporovaná reakcia fázového prenosu na zmydelnenie

Bhatkhande et al. (1998) ukázali, že sonikácia rastlinných olejov, ako je sójový olej, môže byť účinne zmydelnená pomocou vodného KOH a rôznych PTC pri izbovej teplote. Rozsah zmydelnenia sa skúmal pomocou hodnoty zmydelnenia ako referencie. Optimalizácia rôznych parametrov, ako je čas, výber katalyzátorov fázového prenosu, množstvo použitého katalyzátora, množstvo KOH a množstvo vody, sa uskutočnila pomocou sonikácie a miešania. Na štúdium účinku ultrazvuku sa zmydelnenie uskutočnilo aj pri 35 ° C za rôznych podmienok, a to miešaním, sonikáciou, miešaním a sonikáciou a zahrievaním pri 100 ° C. Zistilo sa, že heterogénna zmydelnenie rôznych rastlinných olejov vo fáze kvapalina-kvapalina pomocou vodného KOH/CTAB sa významne urýchlila pri 35 ° C pri sonikácii a miešaní.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre laboratórnu, pilotnú a priemyselnú výrobu. Robustné a spoľahlivé ultrazvukové prístroje sa používajú na rôzne sonochemické reakcie, ako je zmydelnenie. Ultrazvukové sondy Hielscher je možné použiť v dávkovom a inline režime. Všetky dôležité parametre procesu – amplitúda, tlak, teplota – Dá sa presne kontrolovať a zabezpečiť reprodukovateľné výsledky.
Digitálne riadenie automaticky zaznamenáva procesné parametre a ukladá ich na integrovanú SD kartu. Prednastavenia a vzdialené ovládanie prehliadača robia proces sonikácie veľmi jednoduchým a užívateľsky prívetivým.
Pri mnohých sonochemických reakciách je potrebné udržiavať určitú teplotu, preto je dôležitá regulácia teploty. Digitálne ultrazvukové prístroje Hielscher sa dodávajú s termočlánkom a reguláciou teploty. Opláštený prietokový článok umožňuje odvod tepla.
Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultrazvukom asistované PTC katalyzovalo zmydelnenie rastlinných olejov pomocou vodných alkálií. Ultrazvuková sonochémia zv. 5, vydanie 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, PJ (2014): Ultrazvuková iniciácia alkalickej hydrolýzy triglyceridov (zmydelnenie) bez fázovej katalýzy. Časopis povrchovo aktívnych látok a detergentov, zv. 17, Isssue 1, január 2014. 133-141.

Fakty, ktoré stoja za to vedieť

Sonochémia

Výkonový ultrazvuk sa aplikuje na chemické procesy, ako je syntéza a katalýza (nazývaná aj sonosyntéza a sonokatalýza), aby sa spustila a zintenzívnila reakcia. Rôzne aplikácie ultrazvukového žiarenia v organickej syntéze boli do hĺbky preskúmané a vyvinuté pre priemyselnú výrobu. Sonochemické ošetrenie môže zvýšiť rýchlosť reakcie, výťažok a selektivitu požadovaných produktov za výrazne miernejších podmienok. Vďaka tomu je ultrazvukové ošetrenie účinnou a ekologickou technikou spracovania. Ultrasonicky asistovaná fázová prenosová katalýza (PTC) sa ukázala ako drasticky účinnejšia a efektívnejšia metóda pre organické reakcie v porovnaní s rovnakou reakciou v tichých podmienkach. Napríklad reakcia Cannizarro katalyzovaná ultrazvukom asistovanou katalýzou fázového prenosu je výrazne zrýchlená, 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 vyrobenú rýchlou konverziou a veľmi efektívnym a ekonomickým procesom.

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

Saponifikácia

Zmydelnenie opisuje chemickú reakciu, pri ktorej vzniká mydlo. V procese zmydelnenia sa rastlinné oleje alebo živočíšne tuky premieňajú na soli mastných kyselín – "Mydlo" – a glycerol, čo je alkohol. Reakcia vyžaduje roztok alkalickej bázy (napr. NaOH alebo KOH) vo vode a tiež teplo na začatie reakcie.
Reakčné kroky zmydelnenia sú nasledujúce:

1. Nukleofilné napadnutie esterov mastných kyselín hydroxidom
2. Odchod zo skupiny
3. Deprotonácia

Zmydelniteľná reakcia sa komerčne používa na výrobu mydiel a mazív.
Zatiaľ čo tvrdé mydlo hydroxidu sodného a mäkké mydlo hydroxidu draselného sa používajú na každodenné čistenie, existujú aj špeciálne mydlá vyrábané z iných hydroxidov kovov. Ako maziace tuky sa používajú napríklad lítiové mydlá a vápenaté mydlá. Existujú aj “Komplexné mydlá” pozostávajúci zo zmesi kovových mydiel.

hydrolýza

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

Alkalická báza

Na zmydelnenie olejov a tukov sú potrebné alkalické reaktanty (lúhy). Triglyceridy reagujú s bázou – hydroxid sodný alebo draselný – Na výrobu glycerolu a soli mastných kyselín takzvané "mydlo". Hydroxid draselný je anorganická zlúčenina so vzorcom KOH a bežne sa nazýva žieravý potaš. Hydroxid sodný (NaOH) je ďalším prototypom silnej zásady. Pri použití hydroxidu sodného vzniká tvrdé mydlo, zatiaľ čo použitím hydroxidu draselného vzniká mäkké mydlo.

Reaktant vs činidlo

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

Saponifikácia – často kladené otázky

• Čo je proces zmýdelnenia? Zmydelnenie je chemický proces, pri ktorom tuky alebo oleje reagujú s alkáliou (zvyčajne hydroxidom sodným) za vzniku mydla a glycerolu. Táto reakcia zahŕňa hydrolýzu triglyceridov na soli mastných kyselín a glycerol.
• Aký typ reakcie je zmydelnenie? Zmydelnenie je typ hydrolýznej reakcie, pri ktorej sa esterové väzby v tukoch alebo olejoch rozkladajú alkáliou.
• Prečo sa to nazýva zmydelnenie? Je pomenovaný pre svoj konečný produkt, mydlo, a jeho schopnosť vytvárať mydlo hydrolýzou esterových väzieb v triglyceridoch.
• Aký je účel zmydelnenia? Primárnym účelom je výroba mydla, povrchovo aktívnej látky široko používanej na čistenie a umývanie.
• Je zmydelňovanie hydrolýzou? Áno, zmydelnenie je špecifický typ hydrolýzy zahŕňajúci rozklad tukov alebo olejov alkáliou na glycerol a soli mastných kyselín (mydlo).
• Aký je mechanizmus zmydelnenia? Zahŕňa nukleofilný útok hydroxidových iónov na karbonylový uhlík esterovej väzby v triglyceridoch, čo vedie k tvorbe alkoholu (glycerolu) a mydla.
• Prečo je miešanie dôležité pre zmýdelnenie? Efektívne miešanie zaisťuje dôkladný kontakt medzi reaktantmi, čím podporuje úplnejšiu a rovnomernejšiu reakciu, ktorá je rozhodujúca pre dosiahnutie optimálnych výťažkov. Ultrazvukové mixéry Hielscher môžu tento proces vylepšiť intenzívnymi kavitačnými a šmykovými silami.
• Čo je príklad zmydelnenia? Zmiešanie hydroxidu sodného s kokosovým olejom v prítomnosti ultrazvukového reaktora Hielscher na výrobu mydla a glycerolu je príkladom zmydelnenia.
• Aký je hlavný produkt zmydelnenia? Hlavnými produktmi sú mydlo (sodné alebo draselné soli mastných kyselín) a glycerol.
• Prečo je hodnota zmydelnenia dôležitá? Hodnota zmydelnenia udáva množstvo alkálie potrebné na zmydelnenie daného množstva tuku alebo oleja, čo pomáha určiť molekulovú hmotnosť mastných kyselín, ktoré obsahuje.
• Je zmydelnenie reverzibilné? Za typických podmienok nie je zmydelnenie reverzibilné kvôli stabilnej povahe vytvoreného mydla.
• Čo je opakom zmydelnenia? Esterifikácia, pri ktorej voda a alkoholy reagujú s karboxylovými kyselinami za vzniku esterov a vody, je opačný proces.
• Vyžaduje zmydelnenie teplo? Aj keď to nie je potrebné, teplo môže urýchliť proces zmydelnenia zvýšením molekulárneho pohybu a rýchlosti reakcie.
• Je zmydelnenie exotermické alebo endotermické? Zmydelnenie je exotermická reakcia, ktorá pri svojom postupe uvoľňuje teplo.
• Je zmydelnenie zásadité alebo kyslé? Je to základná reakcia, pretože zahŕňa pôsobenie zásady (alkálie) na ester (tuk/olej).
• Ako zastavíte zmýdelnenie? Pridaním kyseliny na neutralizáciu zásad sa reakcia zastaví a účinne sa zastaví proces zmydelnenia.
• Čo sa stane po zmydelnení? Po úplnej reakcii zmes zvyčajne pozostáva z mydla a glycerolu, ktoré sa môžu v závislosti od zamýšľaného použitia ďalej čistiť alebo spracovávať.
• Je zmydelnenie prirodzené? Áno, k prirodzenému zmydelneniu môže dôjsť, keď sa tuk dostane do kontaktu s kovmi alkalických zemín v určitých geologických podmienkach alebo keď staroveké národy zmiešali živočíšne tuky s popolom v tradičných metódach výroby mydla.
• Prečo sa olivový olej používa na zmydelnenie? Olivový olej je obľúbený pri zmydelňovaní vďaka bohatému obsahu kyseliny olejovej, ktorá poskytuje jemné, hydratačné mydlo s dobrými čistiacimi vlastnosťami a stabilnou penou.
• Ako premeniť tuk na mydlo? Tuky sa zmydelňovaním menia na mydlo ich zahrievaním silným alkalickým roztokom, zvyčajne hydroxidom sodným, ktorý rozkladá tuk na soli mastných kyselín (mydlo) a glycerol.
• Ktorý olej má vysokú zmydelňovaciu hodnotu? Kokosový olej má vysokú hodnotu zmydelnenia, čo naznačuje vyšší podiel menších molekúl mastných kyselín, vďaka čomu je veľmi reaktívny s alkáliami pri výrobe mydla.
• Čo sa stane s olejmi počas zmydelnenia? Počas zmydelňovania sú oleje hydrolyzované alkáliou na glycerol a soli mastných kyselín, ktoré tvoria mydlo.
• Aký je najlepší tuk na mydlo? Lej (hovädzí tuk) a kokosový olej sú považované za jedny z najlepších tukov na výrobu mydla vďaka svojim peniacim a tvrdnúcim vlastnostiam v konečnom mydlovom produkte.
• Ako zmýdelniť oleje bez lúhu? Zmydelňovanie olejov bez lúhu nie je možné pri tradičnej výrobe mydla; Čistiace prostriedky podobné mydlu sa však môžu vyrábať pomocou povrchovo aktívnych látok a emulgátorov namiesto zmydelnenia na báze lúhu.