Umiljenje – postopek izdelave mila z ultrazvokom

Umiljenje je kemijski postopek izdelave mila. Pri tej reakciji surovina iz maščob ali olj (trigliceridov) reagira z alkalnim reaktantom, pri čemer nastane milo. Ultrazvočna obdelava izboljša katalizo s faznim prenosom, kar poveča hitrost reakcije in omogoča popolnejšo pretvorbo ter preprečuje čezmerno uporabo bazičnih reagentov, kot sta kalijev hidroksid (KOH) ali natrijev hidroksid (NaOH). Alkalno hidrolizo, sproženo z ultrazvokom, je mogoče preprosto vključiti v komercialno proizvodnjo mila. Ultrazvočni reaktorji za umiljenje omogočajo večji obseg proizvodnje v krajšem času brez uporabe kakršnega koli katalizatorja ali z zmanjšanjem količine uporabljenega katalizatorja.

Umiljenje, pospešeno z ultrazvokom

Študije primerov ultrazvočnega umiljenja

Različne raziskave so pokazale, da sonikacija spodbuja umiljenje trigliceridov v milo. Ultrazvočno umiljenje pospeši in poveča pretvorbo, hkrati pa zmanjša porabo katalizatorja ali omogoča, da se njegova uporaba povsem opusti. Zaradi tega je ultrazvočno umiljenje zelo učinkovita proizvodna metoda.

Ultrazvočno sprožanje alkalne hidrolize trigliceridov (umiljenja) brez faznega katalizatorja

Mercantili in sod. (2013) so preučevali učinke ultrazvočne obdelave na alkalno hidrolizo trigliceridov, znano kot umiljenje. S sonikacijo so sprožili alkalno hidrolizo sončničnega olja. Kot alkalno bazo so uporabili kalijev hidroksid (KOH). Pokazali so, da je ultrazvok učinkovit vir energije za sprožanje in poganjanje reakcije, da je visok reakcijski izkoristek mogoče doseči s skupnim dovajanjem energije v trajanju samo 15 min pri temperaturi okolice ter da med reakcijo ne nastajajo zaznavni stranski produkti. Primerjava ultrazvočne kopeli in ultrazvočne naprave s sondo kaže, da je ultrazvočna sonda boljša tehnika. Študija dokazuje, da ultrazvočno umiljenje omogoča dobro pretvorbo brez potrebe po presežku alkalije ali katalizi s faznim prenosom.

Alkalna hidroliza triacilglicerola

Reakcija s faznim prenosom za umiljenje, pospešena z ultrazvokom

Bhatkhande in sod. (1998) so pokazali, da je mogoče rastlinska olja, kot je sojino olje, s sonikacijo učinkovito umiliti z uporabo vodne raztopine KOH in različnih katalizatorjev s faznim prenosom (PTC) pri sobni temperaturi. Stopnjo umiljenja so preučevali z uporabo števila umiljenja kot referenčne vrednosti. Različne parametre, kot so čas, izbira katalizatorjev s faznim prenosom, količina uporabljenega katalizatorja, količina KOH in količina vode, so optimizirali s sonikacijo in mešanjem. Za preučevanje učinka ultrazvoka so umiljenje izvajali tudi pri 35ºC v različnih pogojih, in sicer z mešanjem, sonikacijo, mešanjem in sonikacijo ter segrevanjem pri 100ºC. Ugotovili so, da je bilo heterogeno umiljenje različnih rastlinskih olj v fazah tekoče–tekoče z uporabo vodne raztopine KOH/CTAB pri 35ºC znatno pospešeno ob sonikaciji in mešanju.

Visokozmogljive ultrazvočne naprave

Hielscher Ultrasonics dobavlja visokozmogljivo ultrazvočno opremo za laboratorijsko, pilotno in industrijsko proizvodnjo. Robustne in zanesljive ultrazvočne naprave se uporabljajo za različne sonokemijske reakcije, kot je umiljenje. Ultrazvočne naprave Hielscher s sondo je mogoče uporabljati v šaržnem in pretočnem načinu. Vse pomembne procesne parametre – amplitudo, tlak, temperaturo – je mogoče natančno nadzorovati, kar zagotavlja ponovljive rezultate.
Digitalni krmilni sistem samodejno beleži procesne parametre in jih shranjuje na vgrajeno kartico SD. Prednastavitve in oddaljeno upravljanje prek brskalnika omogočajo zelo preprost in uporabniku prijazen postopek sonikacije.
Pri številnih sonokemijskih reakcijah je treba vzdrževati določeno temperaturo, zato je uravnavanje temperature pomembno. Digitalne ultrazvočne naprave Hielscher so opremljene s termočlenom in sistemom za uravnavanje temperature. Pretočna celica s plaščem omogoča odvajanje toplote.
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča obratovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultrazvočno podprto umiljenje rastlinskih olj, katalizirano s PTC, z uporabo vodne raztopine alkalije. Ultrasonics Sonochemistry, letnik 5, številka 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultrazvočno sprožanje alkalne hidrolize trigliceridov (umiljenja) brez fazne katalize. Journal of Surfactant and Detergents, letnik 17, številka 1, Jan 2014. 133–141.

Koristna dejstva

Sonokemija

Ultrazvok visoke moči se uporablja pri kemijskih postopkih, kot sta sinteza in kataliza (imenovani tudi sonosinteza oziroma sonokataliza), za sprožanje in intenziviranje reakcije. Različne uporabe ultrazvočnega obsevanja v organski sintezi so bile temeljito raziskane in razvite za industrijsko proizvodnjo. Sonokemijske obdelave lahko povečajo hitrost reakcije, izkoristek in selektivnost za želene produkte pri bistveno milejših pogojih. Zaradi tega je ultrazvočna obdelava učinkovita in okolju prijazna tehnika obdelave. Ultrazvočno podprta kataliza s faznim prenosom (PTC) je dokazano drastično učinkovitejša in uspešnejša metoda za organske reakcije v primerjavi z isto reakcijo v pogojih brez ultrazvoka. Na primer, reakcija Cannizarro, katalizirana z ultrazvočno podprto katalizo s faznim prenosom, se znatno pospeši, kar omogoča hitro pretvorbo. Drug pomemben primer je transesterifikacija trigliceridov (tj. rastlinskih olj, živalskih maščob) in metanola v prisotnosti KOH kot katalizatorja in ultrazvoka visoke moči. Ultrazvočna transesterifikacija omogoča pridobivanje visokokakovostnega biodizla s hitro pretvorbo ter zelo učinkovitim in gospodarnim postopkom.

Ultrazvočna ekstrakcija temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah

Umiljenje

Umiljenje opisuje kemijsko reakcijo, pri kateri nastane milo. V postopku umiljenja se rastlinska olja ali živalske maščobe pretvorijo v soli maščobnih kislin – »milo« – in glicerol, ki je alkohol. Za reakcijo sta potrebna raztopina alkalne baze (npr. NaOH ali KOH) v vodi in tudi toplota za sprožitev reakcije.
Koraki reakcije umiljenja so naslednji:

1. Nukleofilni napad hidroksida na estre maščobnih kislin
2. Odstranitev izstopajoče skupine
3. Deprotonacija

Reakcija umiljenja se komercialno uporablja za proizvodnjo mil in maziv.
Medtem ko se trdo milo, izdelano z natrijevim hidroksidom, in mehko milo, izdelano s kalijevim hidroksidom, uporabljata za vsakodnevno čiščenje, obstajajo tudi posebna mila, izdelana z drugimi kovinskimi hidroksidi. Litijeva in kalcijeva mila se na primer uporabljajo kot mazalne masti. Obstajajo tudi »kompleksna mila«, sestavljena iz mešanice kovinskih mil.

Hidroliza

Hidroliza vključuje reakcijo organske kemijske spojine z vodo, pri kateri nastaneta dve ali več novih snovi, in običajno pomeni cepitev kemijskih vezi z dodatkom vode. Estri se lahko z reakcijo z vodo in bazo ponovno razcepijo v karboksilno kislino in alkohol. Milo nastane s hidrolizo estrov maščobe ali olja.

Alkalna baza

Za umiljenje olj in maščob so potrebni alkalni bazični reaktanti (lugi). Trigliceridi reagirajo z bazo – natrijevim ali kalijevim hidroksidom – da nastaneta glicerol in sol maščobne kisline, tako imenovano »milo«. Kalijev hidroksid je anorganska spojina s formulo KOH, ki se običajno imenuje jedki pepelik. Natrijev hidroksid (NaOH) je še ena značilna močna baza. Pri uporabi natrijevega hidroksida nastane trdo milo, pri uporabi kalijevega hidroksida pa mehko milo.

Reaktant in reagent

Reaktant je snov, ki se porabi v kemijski reakciji. V primerjavi z reagentom je reaktant potreben v večjih količinah. Reagent je snov, ki se uporablja za sprožanje reakcije in njeno podpiranje ter se v reakciji porabi, v nasprotju s katalizatorji, ki se v reakciji ne porabijo.

Umiljenje – pogosta vprašanja

• Kaj je postopek umiljenja? Umiljenje je kemijski postopek, pri katerem maščobe ali olja reagirajo z alkalijo (običajno natrijevim hidroksidom), pri čemer nastaneta milo in glicerol. Ta reakcija vključuje hidrolizo trigliceridov v soli maščobnih kislin in glicerol.
• Katera vrsta reakcije je umiljenje? Umiljenje je vrsta reakcije hidrolize, pri kateri alkalija razcepi estrske vezi v maščobah ali oljih.
• Zakaj se imenuje umiljenje? Ime je dobilo po svojem končnem produktu, milu, in zmožnosti tvorjenja mila s hidrolizo estrskih vezi v trigliceridih.
• Kaj je namen umiljenja? Glavni namen je proizvodnja mila, površinsko aktivne snovi, ki se široko uporablja za čiščenje in pranje.
• Ali je umiljenje hidroliza? Da, umiljenje je posebna vrsta hidrolize, ki vključuje razgradnjo maščob ali olj z alkalijo v glicerol in soli maščobnih kislin (milo).
• Kakšen je mehanizem umiljenja? Vključuje nukleofilni napad hidroksidnih ionov na karbonilni ogljik estrske vezi v trigliceridih, kar povzroči nastanek alkohola (glicerola) in mila.
• Zakaj je mešanje pomembno pri umiljenju? Učinkovito mešanje zagotavlja temeljit stik med reaktanti in spodbuja popolnejšo ter enakomernejšo reakcijo, kar je ključno za doseganje optimalnih izkoristkov. Ultrazvočni mešalniki Hielscher lahko izboljšajo ta postopek z intenzivno kavitacijo in strižnimi silami.
• Kaj je primer umiljenja? Primer umiljenja je mešanje natrijevega hidroksida s kokosovim oljem ob prisotnosti ultrazvočnega reaktorja Hielscher za pridobivanje mila in glicerola.
• Kaj je glavni produkt umiljenja? Glavna produkta sta milo (natrijeve ali kalijeve soli maščobnih kislin) in glicerol.
• Zakaj je število umiljenja pomembno? Število umiljenja označuje količino alkalije, potrebno za umiljenje določene količine maščobe ali olja, in pomaga določiti molekulsko maso maščobnih kislin, ki jih vsebuje.
• Ali je umiljenje reverzibilno? V običajnih pogojih umiljenje ni reverzibilno zaradi stabilnosti nastalega mila.
• Kaj je nasprotni proces umiljenja? Nasprotni proces je esterifikacija, pri kateri voda in alkoholi reagirajo s karboksilnimi kislinami, pri čemer nastanejo estri in voda.
• Ali je za umiljenje potrebna toplota? Čeprav toplota ni potrebna, lahko pospeši postopek umiljenja s povečanjem gibanja molekul in hitrosti reakcije.
• Ali je umiljenje eksotermno ali endotermno? Umiljenje je eksotermna reakcija, pri kateri se med njenim potekom sprošča toplota.
• Ali je umiljenje bazično ali kislo? Je bazična reakcija, saj vključuje delovanje baze (alkalije) na ester (maščobo/olje).
• Kako ustaviti umiljenje? Dodajanje kisline za nevtralizacijo alkalije ustavi reakcijo in s tem učinkovito prekine postopek umiljenja.
• Kaj se zgodi po umiljenju? Po popolni reakciji mešanico običajno sestavljata milo in glicerol, ki ju je mogoče prečistiti ali nadalje obdelati glede na predvideno uporabo.
• Ali je umiljenje naravno? Da, naravno umiljenje se lahko pojavi, ko maščoba pride v stik z zemljoalkalijskimi kovinami v določenih geoloških okoljih ali ko so ljudstva v davnini mešala živalske maščobe s pepelom pri tradicionalnih metodah izdelave mila.
• Zakaj se pri umiljenju uporablja oljčno olje? Oljčno olje je pri umiljenju priljubljeno zaradi visoke vsebnosti oleinske kisline, ki omogoča nastanek blagega, vlažilnega mila z dobrimi čistilnimi lastnostmi in stabilno peno.
• Kako pretvoriti maščobo v milo? Maščobe se pretvorijo v milo z umiljenjem, pri katerem se segrevajo z močno raztopino alkalije, običajno natrijevega hidroksida, ki maščobo razgradi v soli maščobnih kislin (milo) in glicerol.
• Katero olje ima visoko število umiljenja? Kokosovo olje ima visoko število umiljenja, kar kaže na večji delež manjših molekul maščobnih kislin, zaradi česar je zelo reaktivno z alkalijo pri tvorbi mila.
• Kaj se zgodi z olji med umiljenjem? Med umiljenjem alkalija hidrolizira olja v glicerol in soli maščobnih kislin, pri čemer slednje tvorijo milo.
• Katera maščoba je najboljša za milo? Loj (goveja maščoba) in kokosovo olje veljata za eni najboljših maščob za izdelavo mila zaradi svojih lastnosti penjenja in utrjevanja končnega izdelka.
• Kako umiliti olja brez luga? Pri tradicionalni izdelavi mila umiljenje olj brez luga ni mogoče; vendar je mogoče izdelati milu podobna čistilna sredstva z uporabo površinsko aktivnih snovi in emulgatorjev namesto umiljenja z lugom.