Förtvålning – tvåltillverkning med ultraljud

Förtvålning är den kemiska processen för tvåltillverkning. Det är den reaktion där råvaran, fetter eller oljor (triglycerider), reagerar med en alkalisk reaktant för att bilda tvål. Ultraljudsbehandling förbättrar fasöverföringskatalysen, vilket ger ökad reaktionshastighet och mer fullständig omvandling samt undviker överdriven användning av basiska reagens som kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NaOH). Den ultraljudsinitierade alkaliska hydrolysen kan enkelt införas i kommersiell tvåltillverkning. Ultraljudsreaktorer för förtvålning ger högre produktion på kortare tid utan att någon katalysator används eller med minskade mängder katalysator.

Ultraljudsfrämjad förtvålning

Fallstudier om förtvålning med ultraljud

Olika forskningsstudier har visat att ultraljudsbehandling främjar förtvålningen av triglycerider till tvål. Förtvålning med ultraljud påskyndar omvandlingen och ökar omvandlingsgraden samtidigt som användningen av katalysator minskas eller undviks. Detta gör förtvålning med ultraljud till en mycket effektiv produktionsmetod.

Ultraljudsinitiering av alkalisk hydrolys av triglycerider (förtvålning) utan fasöverföringskatalysator

Mercantili et al. (2013) studerade effekterna av ultraljudsbehandling på alkalisk hydrolys av triglycerider, även kallad förtvålning. De använde ultraljudsbehandling för att initiera alkalisk hydrolys av solrosolja. Kaliumhydroxid (KOH) användes som alkalisk bas. Det visades att ultraljud är effektivt som energikälla för att initiera och driva reaktionen, att ett högt reaktionsutbyte kan uppnås med endast 15 min total energitillförsel vid omgivningstemperatur och att inga detekterbara biprodukter bildas under reaktionen. Jämförelsen mellan ett ultraljudsbad och en ultraljudsapparat av sondtyp visar att ultraljudssonden är den överlägsna tekniken. Studien visar att förtvålning med ultraljud ger en god omvandlingsgrad utan behov av överskott av alkali eller fasöverföringskatalys.

Alkalisk hydrolys av triacylglycerol

Ultraljudsfrämjad fasöverföringsreaktion för förtvålning

Bhatkhande et al. (1998) visade att vegetabiliska oljor som sojaolja kunde förtvålas effektivt med ultraljudsbehandling med hjälp av KOH i vattenlösning och olika fasöverföringskatalysatorer (PTC) vid rumstemperatur. Förtvålningsgraden studerades med förtvålningstalet som referens. Olika parametrar, såsom tid, val av fasöverföringskatalysatorer, mängd använd katalysator, mängd KOH och mängd vatten, optimerades med hjälp av ultraljudsbehandling och omrörning. För att studera effekten av ultraljud utfördes förtvålningen även vid 35ºC under olika betingelser, nämligen omrörning, ultraljudsbehandling, omrörning och ultraljudsbehandling samt uppvärmning vid 100ºC. Det konstaterades att den heterogena förtvålningen i vätska–vätskafas av olika vegetabiliska oljor med KOH/CTAB i vattenlösning påskyndades avsevärt vid 35ºC under ultraljudsbehandling och omrörning.

Högpresterande ultraljudsapparater

Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande ultraljudsutrustning för laboratorier, pilotproduktion och industriell produktion. De robusta och tillförlitliga ultraljudsapparaterna används för olika sonokemiska reaktioner som förtvålning. Hielschers ultraljudsapparater av sondtyp kan användas för satsvis behandling och inlinebehandling. Alla viktiga processparametrar – amplitud, tryck, temperatur – kan styras exakt och säkerställer reproducerbara resultat.
Den digitala styrningen registrerar automatiskt processparametrarna och lagrar dem på det integrerade SD-kortet. Förinställningar och fjärrstyrning via webbläsare gör ultraljudsbehandlingen mycket enkel och användarvänlig.
Vid många sonokemiska reaktioner måste en viss temperatur upprätthållas, så temperaturreglering är viktig. Hielschers digitala ultraljudsapparater är utrustade med ett termoelement och temperaturreglering. En mantlad flödescell möjliggör värmeavledning.
Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

• 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.

Fakta värda att känna till

Sonokemi

Högeffektsultraljud används i kemiska processer som syntes och katalys (även kallade sonosyntes respektive sonokatalys) för att initiera och intensifiera reaktionen. Olika tillämpningar av ultraljudsbestrålning inom organisk syntes har undersökts ingående och utvecklats för industriell produktion. Sonokemiska behandlingar kan öka reaktionshastigheten, utbytet och selektiviteten för önskade produkter under betydligt mildare betingelser. Detta gör ultraljudsbehandling till en effektiv och miljövänlig bearbetningsteknik. Ultraljudsassisterad fasöverföringskatalys (PTC) har visat sig vara en drastiskt mer effektiv och verkningsfull metod för organiska reaktioner jämfört med samma reaktion utan ultraljud. Exempelvis påskyndas Cannizarro-reaktionen, katalyserad genom ultraljudsassisterad fasöverföringskatalys, avsevärt, vilket ger en snabb omsättning. Ett annat framträdande exempel är omförestring av triglycerider (dvs. vegetabiliska oljor och animaliska fetter) och metanol i närvaro av KOH som katalysator och högeffektsultraljud. Ultraljudsomförestringen ger biodiesel av hög kvalitet som produceras genom snabb omsättning och en mycket effektiv, ekonomisk process.

Ultraljudsextraktion bygger på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter

Förtvålning

Förtvålning beskriver den kemiska reaktion som producerar tvål. I förtvålningsprocessen omvandlas vegetabiliska oljor eller animaliska fetter till fettsyrasalter – ”tvålen” – och glycerol, som är en alkohol. Reaktionen kräver en lösning av en alkalisk bas (t.ex. NaOH eller KOH) i vatten samt värme för att initiera reaktionen.
Reaktionsstegen vid förtvålning är följande:

1. Nukleofil attack av hydroxiden på fettsyraestrarna
2. Avspjälkning av den lämnande gruppen
3. Deprotonering

Förtvålningsreaktionen används kommersiellt för att framställa tvålar och smörjmedel.
Medan hård tvål framställd med natriumhydroxid och mjuk såpa framställd med kaliumhydroxid används för daglig rengöring, finns det även specialtvålar som framställs med andra metallhydroxider. Exempelvis används litiumtvålar och kalciumtvålar som smörjfetter. Det finns även ”komplextvålar” som består av en blandning av metalltvålar.

Hydrolys

Hydrolys innebär att ett organiskt kemiskt ämne reagerar med vatten och bildar två eller flera nya ämnen och avser vanligen klyvning av kemiska bindningar genom tillsats av vatten. Estrar kan spjälkas tillbaka till en karboxylsyra och en alkohol genom reaktion med vatten och en bas. Tvål framställs genom hydrolys av estrarna i fett eller olja.

Alkalisk bas

Alkaliska baser som reaktanter (lutar) krävs för förtvålning av oljor och fetter. Triglyceriderna får reagera med en bas – natriumhydroxid eller kaliumhydroxid – för att bilda glycerol och ett fettsyrasalt, den så kallade ”tvålen”. Kaliumhydroxid är en oorganisk förening med formeln KOH och kallas vanligen kaustikt kali. Natriumhydroxid (NaOH) är en annan typisk stark bas. När natriumhydroxid används bildas en hård tvål, medan användning av kaliumhydroxid ger en mjuk tvål.

Reaktant kontra reagens

En reaktant är ett ämne som går åt eller förbrukas i en kemisk reaktion. Jämfört med ett reagens behövs en reaktant i större mängder. Ett reagens är ett ämne som används för att initiera en reaktion, för att underlätta reaktionen och som förbrukas i en reaktion, till skillnad från katalysatorer som inte förbrukas i en reaktion.

Förtvålning – vanliga frågor

• Vad är förtvålningsprocessen? Förtvålning är den kemiska process där fetter eller oljor reagerar med en alkalisk bas (vanligen natriumhydroxid) och bildar tvål och glycerol. Denna reaktion innebär hydrolys av triglycerider till fettsyrasalter och glycerol.
• Vilken typ av reaktion är förtvålning? Förtvålning är en typ av hydrolysreaktion där esterbindningar i fetter eller oljor bryts av en alkalisk bas.
• Varför kallas det förtvålning? Namnet kommer från slutprodukten, tvål, och processens förmåga att bilda tvål genom hydrolys av esterbindningar i triglycerider.
• Vad är syftet med förtvålning? Det huvudsakliga syftet är att framställa tvål, en tensid som används i stor utsträckning för rengöring och tvätt.
• Är förtvålning hydrolys? Ja, förtvålning är en specifik typ av hydrolys där fetter eller oljor bryts ned av en alkalisk bas till glycerol och fettsyrasalter (tvål).
• Vilken är mekanismen bakom förtvålning? Den innebär att hydroxidjoner gör en nukleofil attack på karbonylkolet i esterbindningen i triglycerider, vilket leder till att alkohol (glycerol) och tvål bildas.
• Varför är blandning viktig vid förtvålning? Effektiv blandning säkerställer god kontakt mellan reaktanterna och främjar en mer fullständig och jämn reaktion, vilket är avgörande för att uppnå optimala utbyten. Hielscher ultraljudsblandare kan förbättra denna process genom intensiv kavitation och skjuvkrafter.
• Vad är ett exempel på förtvålning? Ett exempel på förtvålning är att blanda natriumhydroxid med kokosolja i närvaro av en Hielscher ultraljudsreaktor för att framställa tvål och glycerol.
• Vilken är huvudprodukten vid förtvålning? Huvudprodukterna är tvål (natrium- eller kaliumsalter av fettsyror) och glycerol.
• Varför är förtvålningstalet viktigt? Förtvålningstalet anger den mängd alkalisk bas som behövs för att förtvåla en viss mängd fett eller olja och hjälper till att bestämma molekylvikten hos de fettsyror som fettet eller oljan innehåller.
• Är förtvålning reversibel? Under normala förhållanden är förtvålning inte reversibel eftersom den bildade tvålen är stabil.
• Vad är motsatsen till förtvålning? Förestring, där vatten och alkoholer reagerar med karboxylsyror och bildar estrar och vatten, är den omvända processen.
• Kräver förtvålning värme? Även om värme inte krävs kan den påskynda förtvålningsprocessen genom att öka molekylernas rörelse och reaktionshastigheten.
• Är förtvålning exoterm eller endoterm? Förtvålning är en exoterm reaktion som avger värme medan den fortskrider.
• Är förtvålning basisk eller sur? Det är en basisk reaktion eftersom den innebär att en bas (alkalisk bas) verkar på en ester (fett/olja).
• Hur stoppar man förtvålning? Tillsats av en syra för att neutralisera den alkaliska basen stoppar reaktionen och avbryter därmed förtvålningsprocessen.
• Vad händer efter förtvålningen? Efter fullständig reaktion består blandningen vanligtvis av tvål och glycerol, som kan renas eller bearbetas vidare beroende på den avsedda användningen.
• Är förtvålning naturlig? Ja, naturlig förtvålning kan ske när fett kommer i kontakt med jordalkalimetaller i vissa geologiska miljöer eller när forntida folk blandade animaliska fetter med aska i traditionella metoder för tvåltillverkning.
• Varför används olivolja vid förtvålning? Olivolja föredras vid förtvålning på grund av sin höga halt av oljesyra, som ger en mild, återfuktande tvål med goda rengörande egenskaper och ett stabilt lödder.
• Hur omvandlar man fett till tvål? Fetter omvandlas till tvål genom förtvålning genom att de värms upp med en stark alkalilösning, vanligtvis natriumhydroxid, som bryter ned fettet till fettsyrasalter (tvål) och glycerol.
• Vilken olja har högt förtvålningstal? Kokosolja har ett högt förtvålningstal, vilket tyder på en högre andel mindre fettsyramolekyler och gör att den reagerar mycket lätt med alkali för att bilda tvål.
• Vad händer med oljor under förtvålning? Under förtvålningen hydrolyseras oljor av alkalin till glycerol och fettsyrasalter, där de senare bildar tvålen.
• Vilket fett är bäst för tvål? Talg (nötfett) och kokosolja anses vara några av de bästa fetterna för tvåltillverkning eftersom de bidrar till lödderbildning och hårdhet i den färdiga tvålprodukten.
• Hur förtvålar man oljor utan lut? Det är inte möjligt att förtvåla oljor utan lut vid traditionell tvåltillverkning; däremot kan tvålliknande rengöringsmedel tillverkas med tensider och emulgeringsmedel i stället för genom lutbaserad förtvålning.