การสะโปไนซ์ – กระบวนการทําสบู่ด้วยอัลตราโซนิก

Saponification เป็นกระบวนการทางเคมีของการทําสบู่ เป็นปฏิกิริยาที่วัตถุดิบของไขมันหรือน้ํามัน (ไตรกลีเซอไรด์) ทําปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอัลคาไลเพื่อสร้างสบู่ อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสส่งผลให้ความเร็วในการทําปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นการแปลงที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและหลีกเลี่ยงการใช้รีเอเจนต์เบสมากเกินไปเช่นทอแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) การไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ที่เริ่มต้นด้วยอัลตราโซนิกสามารถนําไปใช้ได้อย่างง่ายดายในการผลิตสบู่เชิงพาณิชย์ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสําหรับสบู่ให้ผลผลิตที่สูงขึ้นในเวลาอันสั้นโดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาใด ๆ หรือลดปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้

ซาพอนฟิเคชันที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก

กรณีศึกษาของ Saponification อัลตราโซนิก

การศึกษาวิจัยหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าการ sonication ส่งเสริมการเป็นสบู่ของไตรกลีเซอไรด์เป็นสบู่ ซาพอนไนเคชันอัลตราโซนิกเร่งและเพิ่มการแปลงในขณะที่ประหยัดหรือหลีกเลี่ยงการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งนี้ทําให้ซาพอนไนซ์อัลตราโซนิกเป็นวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูง

การเริ่มต้นอัลตราโซนิกของการไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ของไตรกลีเซอไรด์ (Saponification) โดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาเฟส

Mercantili et al. (2013) ศึกษาผลกระทบของอัลตราโซนิกต่อการไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ของไตรกลีเซอไรด์ที่เรียกว่า saponification พวกเขาใช้การ sonication เพื่อเริ่มการไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ของน้ํามันดอกทานตะวัน โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ถูกใช้เป็นฐานอัลคาไล แสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพในการเป็นแหล่งพลังงานในการเริ่มต้นและขับเคลื่อนปฏิกิริยา ซึ่งผลผลิตปฏิกิริยาสูงสามารถทําได้ในเวลาเพียง 15 นาทีของการใช้พลังงานทั้งหมดในขณะที่ทํางานที่อุณหภูมิแวดล้อม และไม่มีผลพลอยได้ที่ตรวจพบเกิดขึ้นในระหว่างปฏิกิริยา การเปรียบเทียบอ่างอัลตราโซนิกและอัลตราโซโนคาเตอร์แบบโพรบแสดงให้เห็นว่าโพรบอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่เหนือกว่า การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการผาสุกด้วยอัลตราโซนิกให้ผลตอบแทนในการแปลงที่ดีโดยไม่จําเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด่างหรือการถ่ายโอนเฟสมากเกินไป

การไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ของไตรอะซิลกลีเซอรอล

ปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกสําหรับการสะโปไนซ์

Bhatkhande et al. (1998) แสดงให้เห็นว่าการ sonication ของน้ํามันพืชเช่นน้ํามันถั่วเหลืองสามารถเป็นสบู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ KOH ในน้ําและ PTCs ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิห้อง ขอบเขตของซาพอนฟิเคชันได้รับการศึกษาโดยใช้ค่าซาพอนฟิเคชันเป็นข้อมูลอ้างอิง การเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์ต่างๆเช่นเวลาการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ปริมาณ KOH และปริมาณน้ําดําเนินการโดยใช้ sonication และการกวน ในการศึกษาผลของอัลตราซาวนด์ การฆ่าเชื้อยังดําเนินการที่อุณหภูมิ 35ºC ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน ได้แก่ การกวน การ sonication การกวนและการ sonication และการให้ความร้อนที่ 100ºC พบว่าการสะพอนเฟสของเหลวและของเหลวที่แตกต่างกันของน้ํามันพืชที่แตกต่างกันโดยใช้ KOH? CTAB ในน้ําถูกเร่งอย่างมีนัยสําคัญที่ 35ºC ภายใต้การ sonication และการกวน

เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic equipment for lab, pilot and industrial production. The robust and reliable ultrasonicators are used for various sonochemical reactions such as saponification. Hielscher’s probe-type ultrasonicators can be used in batch and inline mode. All important process parameters – แอมพลิจูด, ความดัน, อุณหภูมิ – สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําและรับประกันผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้
การควบคุมแบบดิจิตอลจะบันทึกพารามิเตอร์กระบวนการโดยอัตโนมัติและจัดเก็บไว้ในการ์ด SD ในตัว การตั้งค่าล่วงหน้าและการควบคุมเบราว์เซอร์ระยะไกลทําให้กระบวนการ sonication ง่ายมากและเป็นมิตรกับผู้ใช้
For many sonochemical reactions a certain temperature must be maintained, so temperature control is important. Hielscher’s digital ultrasonicators come with a thermo-couple and temperature control. Jacketed flow cell allow for heat dissipation.
ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

• Bhatkhande, BS; Samant, Shriniwas D. (1998): อัลตราซาวนด์ช่วย PTC เร่งปฏิกิริยาสบู่ของน้ํามันพืชโดยใช้ด่างในน้ํา Ultrasonics Sonochemistry ฉบับที่ 5 ฉบับที่ 1 ปี 1998 7-12.
• เมอร์คันติลี, ลอร่า; เซมัส, แฟรงค์ เดวิส; Higson, PJ (2014): การเริ่มต้นอัลตราโซนิกของการไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ของไตรกลีเซอไรด์ (Saponification) โดยไม่มีการเร่งปฏิกิริยาเฟส วารสารลดแรงตึงผิวและผงซักฟอก Vol. 17, Isssue 1, ม.ค. 2014. 133-141.

ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้

โซโนเคมี

อัลตราซาวนด์กําลังถูกนําไปใช้กับกระบวนการทางเคมีเช่นการสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยา (เรียกอีกอย่างว่าการสังเคราะห์โซโนและโซโนโคตาลิซิสตามลําดับ) เพื่อเริ่มต้นและเพิ่มปฏิกิริยา การประยุกต์ใช้การฉายรังสีอัลตราโซนิกในการสังเคราะห์อินทรีย์ได้รับการตรวจสอบและพัฒนาในเชิงลึกสําหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม การบําบัดด้วยโซโนเคมีสามารถเพิ่มอัตราปฏิกิริยาผลผลิตและการคัดเลือกของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการภายใต้สภาวะที่อ่อนกว่าอย่างมีนัยสําคัญ ทําให้การรักษาด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสด้วยอัลตราโซนิกช่วย (PTC) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากขึ้นอย่างมากสําหรับปฏิกิริยาอินทรีย์เมื่อเทียบกับปฏิกิริยาเดียวกันที่สภาวะเงียบ ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยา Cannizarro ที่เร่งปฏิกิริยาโดยการเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสด้วยอัลตราโซนิกช่วยเร่งขึ้นอย่างมีนัยสําคัญส่งผลให้เกิดการแปลงอย่างรวดเร็ว อีกตัวอย่างที่โดดเด่นคือการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของไตรกลีเซอไรด์ (เช่น น้ํามันพืช ไขมันสัตว์) และเมทานอลเมื่อมี KOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและอัลตราซาวนด์กําลัง การทรานส์เอสเทอริเคชันอัลตราโซนิกให้ผลผลิตในไบโอดีเซลคุณภาพสูงที่ผลิตในการแปลงอย่างรวดเร็วและเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและประหยัดมาก

การสกัดด้วยอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับโพรงอากาศทางเสียงและแรงเฉือนอุทกพลศาสตร์

การสะโปไนซ์

การทําให้เป็นซาโปนิกส์อธิบายปฏิกิริยาเคมีที่ผลิตสบู่ ในกระบวนการ saponification น้ํามันพืชหรือไขมันสัตว์จะถูกเปลี่ยนเป็นเกลือกรดไขมัน – พื้นที่ “สบู่” – และกลีเซอรอลซึ่งเป็นแอลกอฮอล์ ปฏิกิริยาต้องใช้สารละลายของฐานด่าง (เช่น NaOH หรือ KOH) ในน้ําและความร้อนเพื่อเริ่มปฏิกิริยา
ขั้นตอนปฏิกิริยาของสบู่มีดังต่อไปนี้:

1. การโจมตีนิวคลีโอฟิลิกของเอสเทอร์กรดไขมันโดยไฮดรอกไซด์
2. การออกจากการนํากลุ่มออก
3. ดีโปรตอนเนชัน

ปฏิกิริยาสบู่ใช้ในเชิงพาณิชย์เพื่อผลิตสบู่และสารหล่อลื่น
ในขณะที่สบู่แข็งโซเดียมไฮดรอกไซด์และสบู่อ่อนโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ใช้สําหรับทําความสะอาดทุกวัน แต่ก็มีสบู่พิเศษที่ผลิตโดยใช้โลหะไฮดรอกไซด์อื่นๆ ตัวอย่างเช่น สบู่ลิเธียมและสบู่แคลเซียมใช้เป็นจาระบีหล่อลื่น นอกจากนี้ยังมี “สบู่ที่ซับซ้อน” ประกอบด้วยส่วนผสมของสบู่โลหะ

ไฮโดรไลซิส

ไฮโดรไลซิสเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของสารเคมีอินทรีย์กับน้ําเพื่อสร้างสารใหม่ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และมักจะหมายถึงการแตกแยกของพันธะเคมีโดยการเติมน้ํา เอสเทอร์สามารถแยกกลับเป็นกรดคาร์บอกซิลิกและแอลกอฮอล์โดยทําปฏิกิริยากับน้ําและเบส สบู่ผลิตโดยการไฮโดรไลซิสของเอสเทอร์ของไขมันหรือน้ํามัน

ฐานอัลคาไลน์

สารตั้งต้นอัลคาไลน์เบส (สารละลาย) เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการเป็นสบู่ของน้ํามันและไขมัน ไตรกลีเซอไรด์ทําปฏิกิริยากับเบส – โซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ – in order to produce glycerol and a fatty acid salt, the so-called “สบู่”. Potassium hydroxide is an inorganic compound with the formula KOH, and is commonly called caustic potash. Sodium hydroxide (NaOH) is another prototypical strong base. When sodium hydroxide is used, a hard soap is produced, whilst the use of potassium hydroxide results in a soft soap.

สารตั้งต้น vs รีเอเจนต์

สารตั้งต้นเป็นสารที่ใช้หรือบริโภคในปฏิกิริยาเคมี เมื่อเปรียบเทียบกับรีเอเจนต์ จําเป็นต้องมีสารตั้งต้นในปริมาณที่มากขึ้น รีเอเจนต์เป็นสารที่ใช้ในการเริ่มต้นปฏิกิริยาเพื่อสนับสนุนปฏิกิริยาและถูกบริโภคในปฏิกิริยาตรงกันข้ามกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ได้ใช้ในปฏิกิริยา

การสะโปไนซ์ – คําถามที่พบบ่อย

• กระบวนการผลิตสบู่คืออะไร? Saponification เป็นกระบวนการทางเคมีที่ไขมันหรือน้ํามันทําปฏิกิริยากับด่าง (โดยปกติคือโซเดียมไฮดรอกไซด์) เพื่อผลิตสบู่และกลีเซอรอล ปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับการไฮโดรไลซิสของไตรกลีเซอไรด์เป็นเกลือกรดไขมันและกลีเซอรอล
• ปฏิกิริยาประเภทใดเป็นสบู่? Saponification เป็นปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสชนิดหนึ่งที่พันธะเอสเทอร์ในไขมันหรือน้ํามันถูกทําลายโดยด่าง
• ทําไมถึงเรียกว่าสบู่? ตั้งชื่อตามผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สบู่ และความสามารถในการสร้างสบู่ผ่านการไฮโดรไลซิสของพันธะเอสเทอร์ในไตรกลีเซอไรด์
• จุดประสงค์ของสบู่คืออะไร? จุดประสงค์หลักคือการผลิตสบู่ซึ่งเป็นสารลดแรงตึงผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการทําความสะอาดและซัก
• เป็นไฮโดรไลซิสของซาพอนิเคชันหรือไม่? ใช่ ซาพอนฟิเคชันเป็นไฮโดรไลซิสประเภทหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวของไขมันหรือน้ํามันโดยด่างเป็นกลีเซอรอลและเกลือกรดไขมัน (สบู่)
• กลไกของสบู่คืออะไร? มันเกี่ยวข้องกับการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกของไอออนไฮดรอกไซด์บนคาร์บอนิลคาร์บอนของพันธะเอสเทอร์ในไตรกลีเซอไรด์ซึ่งนําไปสู่การก่อตัวของแอลกอฮอล์ (กลีเซอรอล) และสบู่
• เหตุใดการผสมจึงมีความสําคัญต่อการเป็นสบู่ การผสมที่มีประสิทธิภาพช่วยให้มั่นใจได้ถึงการสัมผัสที่ทั่วถึงระหว่างสารตั้งต้น ส่งเสริมปฏิกิริยาที่สมบูรณ์และสม่ําเสมอมากขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญสําหรับการได้ผลผลิตที่เหมาะสมที่สุด เครื่องผสมอัลตราโซนิก Hielscher สามารถปรับปรุงกระบวนการนี้ผ่านการเกิดโพรงอากาศและแรงเฉือนที่รุนแรง
• ตัวอย่างการสะพอนฟิเคชันคืออะไร? การผสมโซเดียมไฮดรอกไซด์กับน้ํามันมะพร้าวต่อหน้าเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher เพื่อผลิตสบู่และกลีเซอรอลเป็นตัวอย่างของซาพอนฟิเคชัน
• ผลิตภัณฑ์หลักของ saponification คืออะไร? ผลิตภัณฑ์หลักคือสบู่ (เกลือโซเดียมหรือโพแทสเซียมของกรดไขมัน) และกลีเซอรอล
• เหตุใดคุณค่าของสบู่จึงมีความสําคัญ ค่าซาพอนไนเคชันระบุปริมาณด่างที่จําเป็นในการทําให้ไขมันหรือน้ํามันในปริมาณที่กําหนด ซึ่งช่วยกําหนดน้ําหนักโมเลกุลของกรดไขมันที่มีอยู่
• การทําให้เป็นซาพอนฟิเคชันสามารถย้อนกลับได้หรือไม่? ภายใต้สภาวะทั่วไปสบู่ไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากลักษณะที่มั่นคงของสบู่ที่เกิดขึ้น
• อะไรคือสิ่งที่ตรงกันข้ามกับซาพอนไนเซชัน? เอสเทอริฟิเคชันซึ่งน้ําและแอลกอฮอล์ทําปฏิกิริยากับกรดคาร์บอกซิลิกเพื่อสร้างเอสเทอร์และน้ําเป็นกระบวนการย้อนกลับ
• การทําให้เป็นซาพอนต้องการความร้อนหรือไม่? แม้ว่าจะไม่จําเป็น แต่ความร้อนสามารถเร่งกระบวนการสบู่ได้โดยการเพิ่มการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและความเร็วในการตอบสนอง
• การคายความร้อนของสบู่เป็นคายความร้อนหรือดูดความร้อน? Saponification เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ปล่อยความร้อนขณะดําเนินไป
• สบู่เป็นพื้นฐานหรือเป็นกรด? เป็นปฏิกิริยาพื้นฐาน เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการกระทําของเบส (ด่าง) บนเอสเทอร์ (ไขมัน/น้ํามัน)
• คุณจะหยุดการเป็นสบู่ได้อย่างไร? การเพิ่มกรดเพื่อทําให้ด่างเป็นกลางจะหยุดปฏิกิริยา และหยุดกระบวนการสภาโซนิเคชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• จะเกิดอะไรขึ้นหลังจากการทําให้เป็นสบู่? หลังจากทําปฏิกิริยาเสร็จแล้วส่วนผสมมักจะประกอบด้วยสบู่และกลีเซอรอลซึ่งอาจทําให้บริสุทธิ์หรือแปรรูปเพิ่มเติมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์การใช้งาน
• การทําให้เป็นสบู่เป็นธรรมชาติหรือไม่? ใช่ สบู่ตามธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อไขมันสัมผัสกับโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธในสภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยาบางอย่าง หรือเมื่อคนโบราณผสมไขมันสัตว์กับขี้เถ้าในวิธีการทําสบู่แบบดั้งเดิม
• เหตุใดจึงใช้น้ํามันมะกอกในการเป็นสบู่? น้ํามันมะกอกเป็นที่ชื่นชอบในการเป็นซาพอนฟิเคชันเนื่องจากมีกรดโอเลอิกที่อุดมไปด้วยซึ่งให้สบู่ที่อ่อนโยนและให้ความชุ่มชื้นพร้อมคุณสมบัติในการทําความสะอาดที่ดีและมีฟองที่เสถียร
• วิธีเปลี่ยนไขมันให้เป็นสบู่? ไขมันจะถูกเปลี่ยนเป็นสบู่ผ่านการทําให้เป็นสบู่โดยการให้ความร้อนด้วยสารละลายด่างเข้มข้น ซึ่งโดยทั่วไปคือโซเดียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งจะสลายไขมันเป็นเกลือกรดไขมัน (สบู่) และกลีเซอรอล
• น้ํามันชนิดใดมีค่าสบู่สูง? น้ํามันมะพร้าวมีค่าสบู่สูง ซึ่งบ่งชี้ถึงสัดส่วนที่สูงกว่าของโมเลกุลของกรดไขมันขนาดเล็ก ทําให้ทําปฏิกิริยากับด่างมากในการผลิตสบู่
• จะเกิดอะไรขึ้นกับน้ํามันในระหว่างการทําให้เป็นสบู่? ในระหว่างการทําให้เป็นสบู่น้ํามันจะถูกไฮโดรไลซ์โดยด่างเป็นกลีเซอรอลและเกลือกรดไขมันซึ่งต่อมาจะก่อตัวเป็นสบู่
• ไขมันที่ดีที่สุดสําหรับสบู่คืออะไร? ไขมัน (ไขมันวัว) และน้ํามันมะพร้าวถือเป็นไขมันที่ดีที่สุดสําหรับการทําสบู่เนื่องจากมีคุณสมบัติในการเกิดฟองและการชุบแข็งในผลิตภัณฑ์สบู่ขั้นสุดท้าย
• วิธีการทําให้น้ํามันปราศจากน้ําด่าง? น้ํามันซาพอนิฟิกที่ไม่มีน้ําด่างเป็นไปไม่ได้สําหรับการทําสบู่แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม น้ํายาทําความสะอาดคล้ายสบู่สามารถทําได้โดยใช้สารลดแรงตึงผิวและอิมัลซิไฟเออร์แทนการเป็นซาพอนไนซ์จากน้ําด่าง