Сапонификација – процес производње сапуна помоћу ултразвука

Сапонификација је хемијски процес производње сапуна. То је реакција у којој масти или уља (триглицериди) као сировине реагују са алкалним реактантом и образују сапун. Ултразвучна обрада побољшава катализу фазног преноса, чиме се повећава брзина реакције, постиже потпунија конверзија и избегава прекомерна употреба базних реагенаса као што су калијум-хидроксид (KOH) или натријум-хидроксид (NaOH). Алкална хидролиза иницирана ултразвуком може се лако применити у комерцијалној производњи сапуна. Ултразвучни реактори за сапонификацију омогућавају већу производњу за краће време без употребе било каквог катализатора или уз смањење количине употребљеног катализатора.

Сапонификација подстакнута ултразвуком

Студије случаја ултразвучне сапонификације

Различита истраживања су показала да соникација подстиче сапонификацију триглицерида у сапун. Ултразвучна сапонификација убрзава конверзију и повећава њен степен, уз смањење или избегавање употребе катализатора. То ултразвучну сапонификацију чини високо ефикасном методом производње.

Ултразвучно иницирање алкалне хидролизе триглицерида (сапонификације) без катализатора фазног преноса

Mercantili и сар. (2013) испитивали су утицај ултразвучне обраде на алкалну хидролизу триглицерида, познату као сапонификација. Користили су соникацију за иницирање алкалне хидролизе сунцокретовог уља. Калијум-хидроксид (KOH) коришћен је као алкална база. Показано је да је ултразвук ефикасан као извор енергије за иницирање и одвијање реакције, да се висок принос реакције може постићи за само 15 min укупног довођења енергије при раду на температури околине и да током реакције не настају споредни производи који се могу детектовати. Поређење ултразвучног купатила и ултразвучног уређаја са сондом показује да је ултразвучна сонда супериорнија техника. Студија показује да ултразвучна сапонификација омогућава добру конверзију без потребе за вишком алкалије или катализом фазног преноса.

Алкална хидролиза триацилглицерола

Реакција фазног преноса подстакнута ултразвуком за сапонификацију

Bhatkhande и сар. (1998) показали су да се биљна уља, као што је сојино уље, могу ефикасно сапонификовати соникацијом уз употребу воденог раствора KOH и различитих катализатора фазног преноса (PTC) на собној температури. Степен сапонификације испитиван је уз коришћење сапонификационог броја као референтне вредности. Оптимизација различитих параметара, као што су време, избор катализатора фазног преноса, количина употребљеног катализатора, количина KOH и количина воде, спроведена је применом соникације и мешања. Ради испитивања утицаја ултразвука, сапонификација је такође спроведена на 35ºC под различитим условима, односно уз мешање, соникацију, мешање и соникацију, као и уз загревање на 100ºC. Утврђено је да је сапонификација различитих биљних уља у хетерогеном систему течност–течност уз употребу воденог раствора KOH/CTAB значајно убрзана на 35ºC при соникацији и мешању.

Ултразвучни уређаји високих перформанси

Hielscher Ultrasonics испоручује ултразвучну опрему високих перформанси за лабораторијску, пилотску и индустријску производњу. Робусни и поуздани ултразвучни уређаји користе се за различите сонохемијске реакције, као што је сапонификација. Hielscher ултразвучни уређаји са сондом могу се користити у шаржном и проточном режиму. Сви важни процесни параметри – амплитуда, притисак, температура – могу се прецизно контролисати и обезбеђују поновљиве резултате.
Дигитални управљачки систем аутоматски бележи процесне параметре и чува их на уграђеној SD картици. Унапред подешене поставке и даљинско управљање преко прегледача чине процес соникације веома једноставним и лаким за коришћење.
За многе сонохемијске реакције мора се одржавати одређена температура, па је контрола температуре важна. Дигитални ултразвучни уређаји компаније Hielscher опремљени су термопаром и системом за контролу температуре. Проточна ћелија са плаштом омогућава одвођење топлоте.
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Сапонификација биљних уља воденом алкалијом уз ултразвучну асистенцију и катализу преноса фазе (PTC). Ultrasonics Sonochemistry, том 5, број 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ултразвучно иницирање алкалне хидролизе триглицерида (сапонификације) без фазне катализе. Journal of Surfactant and Detergents, том 17, број 1, Jan 2014. 133–141.

Чињенице које вреди знати

Сонохемија

Ултразвук велике снаге примењује се у хемијским процесима као што су синтеза и катализа (који се називају и соносинтеза и сонокатализа) ради иницирања и интензивирања реакције. Различите примене ултразвучног озрачивања у органској синтези детаљно су истражене и развијене за индустријску производњу. Сонохемијски третмани могу повећати брзину реакције, принос и селективност добијања жељених производа у знатно блажим условима. То чини ултразвучни третман ефикасном и еколошки прихватљивом техником обраде. Доказано је да је ултразвучно потпомогнута катализа преноса фазе (PTC) драстично ефикаснија и делотворнија метода за органске реакције у поређењу са истом реакцијом без ултразвука. На пример, Канизарова реакција катализована ултразвучно потпомогнутом катализом преноса фазе значајно се убрзава, што доводи до брзе конверзије. Још један истакнут пример је трансестерификација триглицерида (тј. биљних уља и животињских масти) и метанола у присуству KOH као катализатора и ултразвука велике снаге. Ултразвучном трансестерификацијом добија се висококвалитетан биодизел уз брзу конверзију и веома ефикасан, економичан процес.

Ултразвучна екстракција заснива се на акустичној кавитацији и њеним хидродинамичким силама смицања

Сапонификација

Сапонификација означава хемијску реакцију којом настаје сапун. У процесу сапонификације биљна уља или животињске масти претварају се у соли масних киселина – „сапун“ – и глицерол, који је алкохол. За реакцију су потребни раствор алкалне базе (нпр. NaOH или KOH) у води, као и топлота за иницирање реакције.
Кораци реакције сапонификације су следећи:

1. Нуклеофилни напад хидроксидног јона на естре масних киселина
2. Елиминација одлазеће групе
3. Депротонација

Реакција сапонификације користи се у комерцијалној производњи сапуна и мазива.
Док се тврди сапун добијен помоћу натријум-хидроксида и меки сапун добијен помоћу калијум-хидроксида користе за свакодневно чишћење, постоје и специјални сапуни који се производе помоћу хидроксида других метала. На пример, литијумски и калцијумски сапуни користе се као мазиве масти. Постоје и „комплексни сапуни“ који се састоје од мешавине металних сапуна.

Хидролиза

Хидролиза обухвата реакцију органског хемијског једињења са водом при којој настају две или више нових супстанци и обично означава раскидање хемијских веза додавањем воде. Естри се реакцијом са водом и базом могу поново разложити на карбоксилну киселину и алкохол. Сапун се производи хидролизом естара масти или уља.

Алкална база

За сапонификацију уља и масти потребни су алкални базни реактанти (лужине). Триглицериди реагују са базом – натријум-хидроксидом или калијум-хидроксидом – да би се добили глицерол и со масне киселине, такозвани „сапун“. Калијум-хидроксид је неорганско једињење са формулом KOH и обично се назива каустична поташа. Натријум-хидроксид (NaOH) је још једна типична јака база. Када се користи натријум-хидроксид, добија се тврди сапун, док употреба калијум-хидроксида даје меки сапун.

Реактант и реагенс

Реактант је супстанца која се утроши или троши у хемијској реакцији. У поређењу са реагенсом, реактант је потребан у већим количинама. Реагенс је супстанца која се користи за покретање реакције, за потпомагање реакције и која се троши у реакцији, за разлику од катализатора, који се у реакцији не троше.

Сапонификација – често постављана питања

• Шта је процес сапонификације? Сапонификација је хемијски процес у ком масти или уља реагују са алкалијом (обично натријум-хидроксидом), при чему настају сапун и глицерол. Ова реакција обухвата хидролизу триглицерида до соли масних киселина и глицерола.
• Којој врсти реакција припада сапонификација? Сапонификација је врста реакције хидролизе у којој се естарске везе у мастима или уљима раскидају дејством алкалије.
• Зашто се назива сапонификација? Назив је добила по свом крајњем производу, сапуну, и способности да ствара сапун хидролизом естарских веза у триглицеридима.
• Која је сврха сапонификације? Основна сврха је производња сапуна, површински активне супстанце која се широко користи за чишћење и прање.
• Да ли је сапонификација хидролиза? Да, сапонификација је посебна врста хидролизе која обухвата разлагање масти или уља дејством алкалије на глицерол и соли масних киселина (сапун).
• Који је механизам сапонификације? Обухвата нуклеофилни напад хидроксидних јона на карбонилни атом угљеника естарске везе у триглицеридима, што доводи до стварања алкохола (глицерола) и сапуна.
• Зашто је мешање важно за сапонификацију? Ефикасно мешање обезбеђује потпун контакт између реактаната, подстичући потпунију и равномернију реакцију, што је кључно за постизање оптималних приноса. Ултразвучне мешалице Hielscher могу побољшати овај процес интензивном кавитацијом и силама смицања.
• Који је пример сапонификације? Мешање натријум-хидроксида са кокосовим уљем у присуству ултразвучног реактора Hielscher ради добијања сапуна и глицерола представља пример сапонификације.
• Који је главни производ сапонификације? Главни производи су сапун (натријумове или калијумове соли масних киселина) и глицерол.
• Зашто је број сапонификације важан? Број сапонификације указује на количину алкалије потребну за сапонификацију дате количине масти или уља, помажући да се одреди молекулска маса масних киселина које садржи.
• Да ли је сапонификација повратна реакција? У уобичајеним условима сапонификација није повратна реакција због стабилне природе насталог сапуна.
• Који је процес супротан сапонификацији? Естерификација, при којој вода и алкохоли реагују са карбоксилним киселинама, стварајући естре и воду, представља обрнути процес.
• Да ли је за сапонификацију потребна топлота? Иако није неопходна, топлота може убрзати процес сапонификације повећањем кретања молекула и брзине реакције.
• Да ли је сапонификација егзотермна или ендотермна реакција? Сапонификација је егзотермна реакција током које се ослобађа топлота.
• Да ли је сапонификација базна или кисела реакција? То је базна реакција, јер обухвата дејство базе (алкалије) на естар (маст/уље).
• Како се зауставља сапонификација? Додавање киселине ради неутрализације алкалије зауставља реакцију, чиме се ефективно прекида процес сапонификације.
• Шта се дешава након сапонификације? Након завршетка реакције, смеша се обично састоји од сапуна и глицерола, који се могу пречистити или даље прерађивати у зависности од намене.
• Да ли је сапонификација природна? Да, природна сапонификација може настати када маст дође у контакт са земноалкалним металима у одређеним геолошким условима или када су древни народи мешали животињске масти са пепелом у традиционалним поступцима израде сапуна.
• Зашто се маслиново уље користи у сапонификацији? Маслиново уље је пожељно у сапонификацији због високог садржаја олеинске киселине, која даје благ сапун који влажи кожу, има добра својства чишћења и ствара стабилну пену.
• Како претворити маст у сапун? Масти се претварају у сапун сапонификацијом, загревањем са раствором јаке алкалије, обично натријум-хидроксида, која разлаже маст на соли масних киселина (сапун) и глицерол.
• Које уље има висок сапонификациони број? Кокосово уље има висок сапонификациони број, што указује на већи удео мањих молекула масних киселина, због чега је веома реактивно са алкалијом при производњи сапуна.
• Шта се дешава са уљима током сапонификације? Током сапонификације, уља под дејством алкалије хидролизују у глицерол и соли масних киселина, при чему ове соли чине сапун.
• Која је најбоља маст за сапун? Лој (говеђа маст) и кокосово уље сматрају се неким од најбољих масти за израду сапуна због способности да коначном сапуну обезбеде пенушавост и чврстину.
• Како сапонификовати уља без лужине? Сапонификација уља без лужине није могућа у традиционалној изради сапуна; међутим, средства за чишћење слична сапуну могу се направити употребом површински активних материја и емулгатора уместо сапонификације засноване на лужини.