Омилення – процес виготовлення мила за допомогою ультразвуку

Омилення – це хімічний процес виготовлення мила. Це реакція, у якій жирова або олійна сировина (тригліцериди) реагує з лужним реагентом з утворенням мила. Ультразвукова обробка поліпшує міжфазний каталіз, що підвищує швидкість реакції, забезпечує повніше перетворення та дає змогу уникнути надмірного використання основних реагентів, таких як гідроксид калію (KOH) або гідроксид натрію (NaOH). Лужний гідроліз, ініційований ультразвуком, можна легко впровадити у промислове виробництво мила. Ультразвукові реактори для омилення забезпечують більший обсяг виробництва за коротший час без використання будь-якого каталізатора або зі зменшенням кількості використовуваного каталізатора.

Омилення, інтенсифіковане ультразвуком

Приклади досліджень ультразвукового омилення

Різні дослідження показали, що ультразвукова обробка сприяє омиленню тригліцеридів з утворенням мила. Ультразвукове омилення прискорює перетворення та підвищує його ступінь, водночас даючи змогу зменшити використання каталізатора або уникнути його застосування. Це робить ультразвукове омилення високоефективним методом виробництва.

Ультразвукове ініціювання лужного гідролізу тригліцеридів (омилення) без фазового каталізатора

Mercantili та співавт. (2013) досліджували вплив ультразвукової обробки на лужний гідроліз тригліцеридів, відомий як омилення. Вони використовували ультразвукову обробку для ініціювання лужного гідролізу соняшникової олії. Як лужну основу використовували гідроксид калію (KOH). Було показано, що ультразвук є ефективним джерелом енергії для ініціювання та підтримання реакції, що високого виходу реакції можна досягти лише за 15 min сумарного підведення енергії за температури навколишнього середовища і що під час реакції не утворюються побічні продукти, які можна виявити. Порівняння ультразвукової ванни та ультразвукового пристрою зондового типу показує перевагу методу з використанням ультразвукового зонда. Дослідження демонструє, що ультразвукове омилення забезпечує добрий ступінь перетворення без потреби в надлишку лугу або міжфазному каталізі.

Лужний гідроліз триацилгліцеролу

Реакція міжфазного перенесення для омилення, інтенсифікована ультразвуком

Bhatkhande та співавт. (1998) показали, що рослинні олії, такі як соєва олія, можна ефективно омилювати за допомогою ультразвукової обробки з використанням водного розчину KOH та різних каталізаторів міжфазного перенесення (PTC) за кімнатної температури. Ступінь омилення досліджували, використовуючи число омилення як контрольний показник. Оптимізацію різних параметрів, таких як час, вибір каталізаторів міжфазного перенесення, кількість використовуваного каталізатора, кількість KOH та кількість води, проводили із застосуванням ультразвукової обробки та перемішування. Для дослідження впливу ультразвуку омилення також проводили за 35ºC за різних умов, а саме: перемішування, ультразвукової обробки, перемішування та ультразвукової обробки, а також нагрівання за 100ºC. Було встановлено, що гетерогенне омилення різних рослинних олій у системі рідина–рідина з використанням водного розчину KOH/CTAB значно прискорювалося за 35ºC під дією ультразвукової обробки та перемішування.

Високопродуктивні ультразвукові пристрої

Hielscher Ultrasonics постачає високопродуктивне ультразвукове обладнання для лабораторного, пілотного та промислового виробництва. Міцні та надійні ультразвукові пристрої використовують для різних сонохімічних реакцій, таких як омилення. Ультразвукові пристрої Hielscher зондового типу можна використовувати в періодичному та поточному режимах. Усі важливі параметри процесу – амплітуду, тиск, температуру – можна точно контролювати, забезпечуючи відтворювані результати.
Цифрова система керування автоматично реєструє параметри процесу та зберігає їх на вбудованій SD-карті. Попередні налаштування та дистанційне керування через браузер роблять процес ультразвукової обробки дуже простим і зручним для користувача.
Для багатьох сонохімічних реакцій необхідно підтримувати певну температуру, тому контроль температури є важливим. Цифрові ультразвукові апарати Hielscher оснащені термопарою та системою контролю температури. Проточна комірка з сорочкою забезпечує відведення тепла.
Міцність ультразвукового обладнання Hielscher дає змогу працювати в режимі 24/7 за високих навантажень і в складних умовах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Омилення рослинних олій водним розчином лугу за допомогою ультразвуку та каталізаторів міжфазного перенесення. Ultrasonics Sonochemistry Том 5, Випуск 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Ультразвукове ініціювання лужного гідролізу тригліцеридів (омилення) без фазового каталізу. Journal of Surfactant and Detergents Том 17, Випуск 1, Jan 2014. 133–141.

Факти, які варто знати

Сонохімія

Потужний ультразвук застосовують у хімічних процесах, таких як синтез і каталіз (які також називають соносинтезом і сонокаталізом відповідно), для ініціювання та інтенсифікації реакції. Різні способи застосування ультразвукового опромінення в органічному синтезі були ґрунтовно досліджені та розроблені для промислового виробництва. Сонохімічна обробка може підвищувати швидкість реакції, вихід і селективність утворення цільових продуктів за значно м’якших умов. Це робить ультразвукову обробку ефективним та екологічним технологічним методом. Доведено, що міжфазний каталіз (PTC) за допомогою ультразвуку є значно ефективнішим і результативнішим методом проведення органічних реакцій порівняно з тією самою реакцією за відсутності ультразвуку. Наприклад, реакція Cannizarro, що відбувається за участю каталізаторів міжфазного перенесення та ультразвуку, значно прискорюється, забезпечуючи швидке перетворення. Іншим показовим прикладом є переестерифікація тригліцеридів (тобто рослинних олій, тваринних жирів) і метанолу в присутності KOH як каталізатора та під дією потужного ультразвуку. Ультразвукова переестерифікація забезпечує отримання високоякісного біодизеля завдяки швидкому перетворенню та дуже ефективному й економічному процесу.

Ультразвукова екстракція ґрунтується на акустичній кавітації та зумовлених нею гідродинамічних зсувних силах

Омилення

Омилення – це хімічна реакція, унаслідок якої утворюється мило. У процесі омилення рослинні олії або тваринні жири перетворюються на солі жирних кислот – «мило» – та гліцерин, який є спиртом. Для ініціювання реакції потрібні водний розчин лужної основи (наприклад, NaOH або KOH), а також тепло.
Стадії реакції омилення такі:

1. Нуклеофільна атака гідроксид-іона на естери жирних кислот
2. Відщеплення відхідної групи
3. Депротонування

Реакцію омилення застосовують у промисловості для виробництва мила та мастильних матеріалів.
Тверде мило, отримане з використанням гідроксиду натрію, та м’яке мило, отримане з використанням гідроксиду калію, застосовують для повсякденного очищення, проте існують також спеціальні мила, які виробляють із використанням гідроксидів інших металів. Наприклад, літієві та кальцієві мила використовують як пластичні мастила. Існують також «комплексні мила», що складаються із суміші мил металів.

Гідроліз

Гідроліз передбачає реакцію органічної хімічної сполуки з водою з утворенням двох або більше нових речовин і зазвичай означає розщеплення хімічних зв’язків шляхом приєднання води. Естери можна розщепити знову на карбонову кислоту та спирт у реакції з водою й основою. Мило утворюється внаслідок гідролізу естерів, що входять до складу жиру або олії.

Лужна основа

Для омилення олій і жирів потрібні лужні реагенти (луги). Тригліцериди вводять у реакцію з основою – гідроксидом натрію або калію – для одержання гліцеролу та солі жирної кислоти, так званого «мила». Гідроксид калію – це неорганічна сполука з формулою KOH, яку зазвичай називають їдким калі. Гідроксид натрію (NaOH) – ще один типовий представник сильних основ. У разі використання гідроксиду натрію утворюється тверде мило, тоді як використання гідроксиду калію дає м’яке мило.

Реагент і реактив

Реагент – це речовина, яка витрачається або споживається під час хімічної реакції. Порівняно з реактивом, реагент потрібен у більших кількостях. Реактив – це речовина, яку використовують для ініціювання та підтримання реакції і яка витрачається під час реакції, на відміну від каталізаторів, які під час реакції не витрачаються.

Омилення – поширені запитання

• Що таке процес омилення? Омилення – це хімічний процес, під час якого жири або олії реагують із лугом (зазвичай гідроксидом натрію) з утворенням мила та гліцеролу. Ця реакція передбачає гідроліз тригліцеридів до солей жирних кислот і гліцеролу.
• До якого типу реакцій належить омилення? Омилення – це різновид реакції гідролізу, за якої естерні зв’язки в жирах або оліях розщеплюються під дією лугу.
• Чому цей процес називається омиленням? Його назва походить від кінцевого продукту – мила – та здатності утворювати мило шляхом гідролізу естерних зв’язків у тригліцеридах.
• Яка мета омилення? Основна мета – одержання мила, поверхнево-активної речовини, яку широко використовують для очищення та миття.
• Чи є омилення гідролізом? Так, омилення – це особливий різновид гідролізу, що передбачає розщеплення жирів або олій під дією лугу на гліцерол і солі жирних кислот (мило).
• Який механізм омилення? Він передбачає нуклеофільну атаку гідроксид-іонів на карбонільний атом вуглецю естерного зв’язку в тригліцеридах, що призводить до утворення спирту (гліцеролу) та мила.
• Чому перемішування важливе для омилення? Ефективне перемішування забезпечує тісний контакт між реагентами, сприяючи повнішому та рівномірнішому перебігу реакції, що має вирішальне значення для досягнення оптимального виходу продуктів. Ультразвукові змішувачі Hielscher можуть покращити цей процес завдяки інтенсивній кавітації та зсувним силам.
• Який приклад омилення? Змішування гідроксиду натрію з кокосовою олією з утворенням мила та гліцеролу за наявності ультразвукового реактора Hielscher є прикладом омилення.
• Який основний продукт омилення? Основними продуктами є мило (натрієві або калієві солі жирних кислот) і гліцерол.
• Чому число омилення важливе? Число омилення вказує на кількість лугу, необхідну для омилення певної кількості жиру або олії, і допомагає визначити молекулярну масу жирних кислот, що містяться в цьому жирі або олії.
• Чи є омилення оборотним? За звичайних умов омилення є необоротним через стійкість утвореного мила.
• Який процес є зворотним до омилення? Зворотним процесом є естерифікація, під час якої вода та спирти реагують із карбоновими кислотами з утворенням естерів і води.
• Чи потрібне тепло для омилення? Хоча тепло не є обов’язковим, воно може прискорити процес омилення, посилюючи рух молекул і підвищуючи швидкість реакції.
• Омилення – екзотермічна чи ендотермічна реакція? Омилення – це екзотермічна реакція, під час якої виділяється тепло.
• Омилення – основна чи кислотна реакція? Це основна реакція, оскільки вона передбачає дію основи (лугу) на естер (жир/олію).
• Як зупинити омилення? Додавання кислоти для нейтралізації лугу зупиняє реакцію, фактично припиняючи процес омилення.
• Що відбувається після омилення? Після завершення реакції суміш зазвичай складається з мила та гліцеролу, які можна очистити або додатково обробити залежно від призначення.
• Чи відбувається омилення в природі? Так, природне омилення може відбуватися, коли жир контактує з лужноземельними металами за певних геологічних умов, або під час традиційного миловаріння, коли давні народи змішували тваринні жири з попелом.
• Чому для омилення використовують оливкову олію? Оливковій олії віддають перевагу для омилення завдяки високому вмісту олеїнової кислоти, яка дає м’яке зволожувальне мило з добрими очищувальними властивостями та стійкою піною.
• Як перетворити жир на мило? Жири перетворюють на мило шляхом омилення, нагріваючи їх із розчином сильного лугу, зазвичай гідроксиду натрію, який розщеплює жир на солі жирних кислот (мило) та гліцерол.
• Яка олія має високе число омилення? Кокосова олія має високе число омилення, що вказує на більшу частку менших молекул жирних кислот, завдяки чому вона дуже активно реагує з лугом з утворенням мила.
• Що відбувається з оліями під час омилення? Під час омилення олії гідролізуються під дією лугу з утворенням гліцеролу та солей жирних кислот, причому останні утворюють мило.
• Який жир найкращий для виготовлення мила? Яловичий жир і кокосова олія вважаються одними з найкращих жирів для миловаріння завдяки їхній здатності забезпечувати піноутворення та твердість готового мила.
• Як омилити олії без лугу? Омилення олій без лугу в традиційному миловарінні неможливе; однак милоподібні очищувальні засоби можна виготовляти з використанням поверхнево-активних речовин та емульгаторів замість омилення лугом.