Saponifikation – Tvål tillverkning process med ultraljud

Förtvålning är den kemiska processen för tvåltillverkning. Det är reaktionen där råvaran av fetter eller oljor (triglycerider) reagerar med en alkalireaktant för att bilda tvål. Ultraljud förbättrar fasöverföringskatalysen vilket resulterar i ökad reaktionshastighet, mer fullständig omvandling och undviker överdriven användning av basreagenser såsom kaliumhydroxid (KOH) eller natriumhydroxid (NaOH). Den ultraljudsinitierade alkaliska hydrolysen kan enkelt implementeras i kommersiell tvåltillverkning. Ultraljudsreaktorer för förtvålning producerar högre effekt på kortare tid utan att använda någon katalysator eller minska mängden katalysator som används.

Ultraljudsfrämjad förtvålning

Fallstudier av ultraljudsförtvålning

Olika forskningsstudier har visat att ultraljudsbehandling främjar förtvålning av triglycerider i tvål. Ultraljudsförtvålning påskyndar och ökar omvandlingen samtidigt som man sparar eller undviker användning av katalysator. Detta gör ultraljudsförtvålning till en mycket effektiv produktionsmetod.

Ultraljudsinitiering av alkalisk hydrolys av triglycerider (förtvålning) utan faskatalysator

Mercantili et al. (2013) studerade effekterna av ultraljud på den alkaliska hydrolysen av triglycerider, känd som förtvålning. De använde ultraljudsbehandling för att initiera alkalisk hydrolys av solrosolja. Kaliumhydroxid (KOH) användes som alkalibas. Det visades att ultraljud är effektivt som en kraftkälla för att initiera och driva reaktionen, att ett högt reaktionsutbyte kan uppnås på endast 15 minuter av total effekttillförsel vid arbete vid omgivningstemperatur, och att inga detekterbara biprodukter genereras under reaktionen. Jämförelsen mellan ett ultraljudsbad och en ultraljudsundersökning av sondtyp visar att ultraljudssonden är den överlägsna tekniken. Studien visar att ultraljudsförtvålning ger en god omvandling utan behov av överskott av alkali eller fasöverföringskatalys.

Alkalisk hydrolys av triacylglycerol

Ultraljudsfrämjad fasöverföringsreaktion för förtvålning

Bhatkhande et al. (1998) visade att ultraljudsbehandling av vegetabiliska oljor som sojaolja effektivt kunde förtvålas med hjälp av vattenhaltig KOH och olika PTC vid rumstemperatur. Omfattningen av förtvålning studerades med hjälp av förtvålningsvärdet som referens. Optimeringar av olika parametrar såsom tid, val av fasöverföringskatalysatorer, mängd katalysator som används, mängd KOH och mängd vatten utfördes med hjälp av ultraljudsbehandling och omrörning. För att studera effekten av ultraljud utfördes förtvålningen också vid 35ºC under olika förhållanden, nämligen omrörning, ultraljudsbehandling, omrörning och ultraljudsbehandling och uppvärmning vid 100ºC. Det visade sig att den heterogena vätske-flytande fasförtvålningen av olika vegetabiliska oljor med hjälp av vattenhaltig KOH/CTAB accelererades signifikant vid 35ºC under ultraljudsbehandling och omrörning.

Högpresterande ultraljudsapparater

Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande ultraljudsutrustning för labb-, pilot- och industriell produktion. De robusta och pålitliga ultraljudsapparaterna används för olika sonokemiska reaktioner såsom förtvålning. Hielschers sond-typ ultraljudsapparater kan användas i batch- och inline-läge. Alla viktiga processparametrar – amplitud, tryck, temperatur – kan kontrolleras exakt och säkerställa reproducerbara resultat.
Den digitala styrningen registrerar automatiskt processparametrarna och lagrar dem på det integrerade SD-kortet. Förinställningar och fjärrkontroll webbläsare kontroll gör ultraljudsbehandling processen mycket enkel och användarvänlig.
För många sonokemiska reaktioner måste en viss temperatur upprätthållas, så temperaturkontroll är viktig. Hielschers digitala ultraljudsapparater kommer med ett termoelement och temperaturkontroll. Mantlad flödescell möjliggör värmeavledning.
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Ultraljudsassisterad PTC katalyserad förtvålning av vegetabiliska oljor med hjälp av vattenhaltig alkali. Ultraljud Sonokemi Vol. 5, Issue 1, 1998. 7-12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ultraljudsinitiering av alkalisk hydrolys av triglycerider (förtvålning) utan faskatalys. Journal of Surfactant and Detergents Vol. 17, Isssue 1, Jan 2014. 133-141.

Fakta som är värda att veta

Sonokemi

Kraftultraljud appliceras på kemiska processer såsom syntes och katalys (även kallad sono-syntes respektive sono-katalys) för att initiera och intensifiera reaktionen. Olika tillämpningar av ultraljudsbestrålning i organisk syntes har undersökts och utvecklats på djupet för industriell produktion. Sonokemiska behandlingar kan öka reaktionshastigheten, utbytet och selektiviteten hos önskade produkter under betydligt mildare tillstånd. Detta gör ultraljudsbehandlingen till en effektiv och miljövänlig bearbetningsteknik. Ultraljudsassisterad fasöverföringskatalys (PTC) har visat sig vara en drastiskt mer effektiv och ändamålsenlig metod för organiska reaktioner jämfört med samma reaktion vid tystnadstillstånd. Till exempel påskyndas Cannizarro-reaktionen som katalyseras av en ultraljudsassisterad fasöverföringskatalys avsevärt, vilket resulterar i en snabb omvandling. Ett annat framträdande exempel är transesterifiering av triglycerider (dvs. vegetabiliska oljor, animaliska fetter) och metanol i närvaro av KOH som katalysator och kraftultraljud. Ultraljudstransesterifieringen ger avkastning i högkvalitativ biodiesel som produceras i en snabb omvandling och en mycket effektiv, ekonomisk process.

Ultraljudsextraktion är baserad på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter

Saponifikation

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 alkalibas (t.ex. NaOH eller KOH) i vatten och även värme för att initiera reaktionen.
Reaktionsstegen för förtvålning är följande:

1. Nukleofil attack av fettsyraestrar av hydroxiden
2. Lämna borttagning av grupp
3. Deprotonation

Förtvålningsreaktionen används kommersiellt för att producera tvålar och smörjmedel.
Medan natriumhydroxid hård tvål och kaliumhydroxid mjuk tvål används för daglig rengöring, finns det också speciella tvålar som produceras med andra metallhydroxider. Till exempel används litiumtvålar och kalciumtvålar som smörjfetter. Det finns också “Komplexa tvålar” bestående av en blandning av metalliska tvålar.

hydrolys

Hydrolys innebär att en organisk kemikalie reagerar med vatten för att bilda två eller flera nya ämnen och innebär vanligtvis 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 produceras genom hydrolys av estrar av fett eller olja.

Alkalisk bas

Alkaliska basreaktanter (lut) krävs för förtvålning av oljor och fetter. Triglyceriderna reageras med en bas – natrium- eller kaliumhydroxid – För att framställa glycerol och ett fettsyrasalt, den så kallade "tvålen". Kaliumhydroxid är en oorganisk förening med formeln KOH, och kallas vanligtvis kaustik kaliumklorid. Natriumhydroxid (NaOH) är en annan prototypisk stark bas. När natriumhydroxid används produceras en hård tvål, medan användningen av kaliumhydroxid resulterar i en mjuk tvål.

Reaktant vs reagens

En reaktant är ett ämne som förbrukas eller förbrukas i en kemisk reaktion. I jämförelse med ett reagens krävs en reaktant i större mängder. Ett reagens är ett ämne som används för att initiera en reaktion, för att stödja reaktionen och som förbrukas i en reaktion, i motsats till katalysatorer som inte förbrukas i en reaktion.

Saponifikation – Vanliga frågor och svar

• Vad är förtvålningsprocessen? Förtvålning är den kemiska process där fetter eller oljor reagerar med en alkali (vanligtvis natriumhydroxid) för att producera tvål och glycerol. Denna reaktion involverar 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 ner av en alkali.
• Varför kallas det förtvålning? Den har fått sitt namn efter sin slutprodukt, tvål, och sin förmåga att skapa tvål genom hydrolys av esterbindningar i triglycerider.
• Vad är syftet med förtvålning? Det primära syftet är att producera tvål, ett ytaktivt ämne som används i stor utsträckning för rengöring och tvätt.
• Är förtvålning hydrolys? Ja, förtvålning är en specifik typ av hydrolys som involverar nedbrytning av fetter eller oljor av en alkali till glycerol och fettsyrasalter (tvål).
• Vad är mekanismen för förtvålning? Det involverar den nukleofila attacken av hydroxidjoner på karbonylkolet i esterbindningen i triglycerider, vilket leder till bildning av alkohol (glycerol) och tvål.
• Varför är blandning viktigt för förtvålning? Effektiv blandning säkerställer noggrann kontakt mellan reaktanterna, vilket främjar en mer komplett och enhetlig reaktion, avgörande för att uppnå optimala utbyten. Hielscher ultraljudsblandare kan förbättra denna process genom intensiva kavitations- och skjuvkrafter.
• Vad är ett exempel på förtvålning? Att blanda natriumhydroxid med kokosolja i närvaro av en Hielscher ultraljudsreaktor för att producera tvål och glycerol exemplifierar förtvålning.
• Vad är huvudprodukten av förtvålning? Huvudprodukterna är tvål (natrium- eller kaliumsalter av fettsyror) och glycerol.
• Varför är förtvålningsvärde viktigt? Förtvålningsvärdet anger mängden alkali som behövs för att förtvåla en viss mängd fett eller olja, vilket hjälper till att bestämma molekylvikten för de fettsyror som den innehåller.
• Är förtvålning reversibel? Under typiska förhållanden är förtvålning inte reversibel på grund av den stabila karaktären hos den bildade tvålen.
• Vad är motsatsen till förtvålning? Förestring, där vatten och alkoholer reagerar med karboxylsyror för att bilda estrar och vatten, är den omvända processen.
• Kräver förtvålning värme? Även om det inte krävs kan värme påskynda förtvålningsprocessen genom att öka molekylär rörelse och reaktionshastighet.
• Är förtvålning exoterm eller endoterm? Förtvålning är en exoterm reaktion som frigör värme när den fortsätter.
• Är förtvålning basisk eller sur? Det är en grundläggande reaktion, eftersom den involverar verkan av en bas (alkali) på en ester (fett/olja).
• Hur stoppar man förtvålning? Att tillsätta en syra för att neutralisera alkaliet stoppar reaktionen och stoppar effektivt förtvålningsprocessen.
• Vad händer efter förtvålning? Efter fullständig reaktion består blandningen vanligtvis av tvål och glycerol, som kan renas eller bearbetas ytterligare beroende på avsedd användning.
• Är förtvålning naturligt? Ja, naturlig förtvålning kan uppstå när fett kommer i kontakt med jordalkaliska jordartsmetaller i vissa geologiska miljöer eller när forntida folk blandade animaliska fetter med aska i traditionella tvåltillverkningsmetoder.
• Varför används olivolja vid förtvålning? Olivolja gynnas vid förtvålning på grund av dess rika innehåll av oljesyra, vilket ger en mild, fuktgivande tvål med goda rengörande egenskaper och ett stabilt lödder.
• Hur förvandlar man fett till tvål? Fetter omvandlas till tvål genom förtvålning genom upphettning med en stark alkalilösning, vanligtvis natriumhydroxid, som bryter ner fettet till fettsyrasalter (tvål) och glycerol.
• Vilken olja har högt förtvålningsvärde? Kokosolja har ett högt förtvålningsvärde, vilket indikerar en högre andel mindre fettsyramolekyler, vilket gör den mycket reaktiv med alkali för att producera tvål.
• Vad händer med oljor vid förtvålning? Under förtvålning hydrolyseras oljor av alkali till glycerol och fettsyrasalter, de senare bildar tvålen.
• Vilket är det bästa fettet för tvål? Talg (nötköttsfett) och kokosolja anses vara några av de bästa fetterna för tvåltillverkning på grund av deras löddrande och härdande egenskaper i den slutliga tvålprodukten.
• Hur förtvålar man oljor utan lut? Förtvålande oljor utan lut är inte möjligt för traditionell tvåltillverkning; Tvålliknande rengöringsmedel kan dock tillverkas med hjälp av ytaktiva ämnen och emulgeringsmedel istället för lutbaserad förtvålning.