СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТВЕРДОГО МЫЛА

Изобретение относится к производству моющих средств.

До середины прошлого века мыло варили и промывали только в котлах периодического действия. Эта технология, известная как котловой или «Марсельский способ» сохранилась во многих странах и до наших дней.

В частности, в РФ практически все мыловаренные заводы производят мыло именно котловым способом, для которого характерна многостадийность операций, большая длительность полного технологического цикла (до 5-7 суток), технологические потери исходного сырья и существенное количество отходов.

Известен способ производства мыла, при котором бак для сырья через загрузочное окно загружают нужные жиры, но не полностью, а оставляют часть их (3-5%) для возможной надобности исправления мыла. Затем приготовляют щелочь. Так как при горячей варке процесс омыления совершается скорее, если действовать сначала слабыми щелочами, а затем более крепкими, то всю нужную твердую щелочь делят на четыре части. Насосом подается в бак вода. Затем она нагревается до состояния пара. Пар подается в рубашку котла для разогрева компонентов (нагрев можно производить электрическими тэнами). К расплавленной массе постепенно подается раствор каустической соды при работающей мешалке. Всю смесь кипятят до образования беловатого, похожего на молоко раствора, так называемой эмульсии. Образование эмульсии указывает на то, что щелочь начинает превращать жир в мыло.

Начиная с 50-х годов XX века стали все шире распространяться непрерывные технологии производства мыла. В последнее десятилетие большинство ведущих фирм-производителей мыла, в частности Procter and Gamble (США), Mazzoni LB (Италия), Lurgi (Германия) и др. перешли на непрерывную технологию варки мыла при давлении 3-3,5 кгс/см2 и температурах 135-145°С. Это позволило по сравнению с котловым способом существенно, - до нескольких часов сократить производственно-технологический цикл, снизить энергозатраты.

Вместе с тем, для непрерывной технологии характерна та же самая многостадийность производства, использование значительного количества электроэнергии, острого пара, сжатого воздуха, применение в процессах производства красителей (родамин, метанил, флюоресцеин, цинковые белила, двуокись титана и др.), пластификаторов, антиоксидантов.

Для нейтрализации подмыльного щелока используется серная кислота, каустическая сода, сернокислый алюминий. Совокупный объем выхода подмыльного щелока при текущих объемах производства мыла в РФ оценивается на уровне 70 тыс. тонн/год. Потери сырых жирных кислот с подмыльными щелоками составляют 3,5 - 5 % от исходного количества сырых кислот в соапстоке. В настоящее время еще не разработан способ выделения соапстоков, обеспечивающий экономию материальных ресурсов с одновременным уменьшением вредных выбросов в окружающую среду.

При производстве 1 тн мыла в результате высолки, отстоя и утилизации подмыльного щелока образуется до 800 литров воды, загрязненной остатками мыла, щелочью, солью, содой, кислотой и пр., большая часть которой после очистки сбрасывается в канализацию и водоемы, что не только приводит к дополнительным расходам, но и наносит вред окружающей среде.

Таким образом, даже при использовании современных непрерывных технологий производства мыла сохраняется существенное негативное воздействие их на окружающую среду.

Анализ научно-технической информации показал, что применяемые в настоящее время технологии получения мыл на основе жирных кислот энергоемки, продолжительны и имеют ряд других недостатков. Использование новых технологий позволяет оптимизировать технологический процесс.

В связи с тем, что в данном случае мы имеем дело с гетерогенными системами, для них характерно наличие между образующими их фазами поверхностей раздела, которые оказывают большое влияние на поведение всей системы в целом. При рассмотрении свойств междуфазных поверхностей раздела следует иметь в виду, что, несмотря на интенсивное перемещение молекул при обычных температурах через поверхность раздела, толщина граничного слоя статистически не превышает размера одного-двух молекулярных диаметров. (А.Шварц, Дж. Перри, Поверхностноактивные вещества, И.Л. М. 1953 г.)

В настоящее время меняется представление о возможностях самого процесса перемешивания, который становится способом получения материалов с комплексом требуемых свойств. Все чаще процесс смешения рассматривают как целостную химико-технологическую систему, в которой оборудование является центральным звеном. К такому оборудованию предъявляются требования обеспечения непрерывности технологического процесса, регулирования параметров смешения в широком диапазоне, простоты и надежности аппаратурного оформления.

Известен способ получения твердого хозяйственного мыла (А.С. 1828 656 от 27.05.1995), заключающийся в том, что жировой набор и водный раствор кальцинированной соды с концентрацией 20-24 мас. дозирующими устройствами подают через теплообменник, где они нагреваются до температуры 100-180°С, в раствор, обеспечивающий проведение карбонатного омыления в тонкой высокотурбулизованной пленке в режиме, характеризующемся критерием Эйлера от 500 до 2000. Омыленные углекислой содой нейтральные жиры и жирные кислоты доомыляют 42%-ным водным раствором каустической соды до содержания свободной едкой щелочи в омыленной массе равного 0,15% Затем омыленную массу шлифуют горячей водой и раствором NaCl и отстаивают в течение 10 ч. После чего отделяют мыльную основу, проводят ее вакуумную сушку и пилирование.

Недостатки способа - многостадийность, сложность проведения и проведение процесса омыления при высоких высоких температурах техпроцесса.

Известен способ получения мыла (А.С. 1817 900 от 09.07.1995) в соответствии с которым, раствор углекислой соды концентрацией 28% нагретый до температуры 98°С, и смесь жирных кислот, нагретую до 120°С, подают насосами-дозаторами через сетчатые фильтры в аппарат для карбонатного омыления. Затем омыленную карбонатом натрия массу направляют насосом-дозатором в аппарат типа ротор-статор. Одновременно в этот аппарат подают насосом-дозатором 42%-ный раствор гидроксида натрия в соотношении 1:50 к омыленной карбонатом натрия массе. В аппарате смешение компонентов происходит в высокотурбулизованной пленке при следующих параметрах: Толщина пленки 1-3 мм, Скорость сдвига 1000-20000 с -1 Полученную мыльную основу с содержанием свободного гидроксида натрия в омыленной массе, равным 0,3% шлифуют горячей водой и раствором хлорида натрия и отстаивают в течение 10 ч с получением мыльного клея и ядра. Готовую мыльную основу после отделения клея направляют на сушку и пилирование.

Указанный способ является многостадийным и высокотемпературным.

Техническая проблема заключается в разработке способа получения экологически чистого мыла по технологии исключающей негативное воздействие на окружающую среду, не требующей высоких температур ингредиентов и обеспечивающей в готовом продукте массовую долю жирных кислот на уровне не менее 65%, что соответствует высококачественным сортам твердого мыла.

Технический результат заключается в упрощении технологии получения готового продукта, обеспечении проведения процесса при комнатной или минимальной исходной температуре текучести используемых масел и других ингредиентов, обеспечивающих получение твердого мыла высокого качества с содержанием массовой доли жирных кислот более 65 % .

Способ получения твердого мыла, включающий омыление жировой фазы, едкими щелочами в гидродинамическом режиме, отличается тем, что в качестве жировой фазы используют растительные масла, в частности масло пальмовое, масло пальмоядровое или масло кокосовое. Предварительно в раствор щелочи при комнатной температуре вводят ПАВ в количестве 0,05-0,5%, Смешиваемые ингредиенты растительное масло и щелочь берут в стехиометрическом соотношении, процесс омыления растительных масел с ранее приготовленным раствором щелочи осуществляют в виброкавитационным смесителе - гомогенизаторе с рабочим элементом перфорированным ротором и неподвижным рабочим элементом перфорированным статором с максимальным размером перфораций не более 0,05 диаметра ротора и окружной скоростью вращения ротора не менее 20 м/с для получения микроэмульсии, полученную микроэмульсию подают в емкость на созревание в течение 20-40 минут с последующей передачей на формование готового продукта.

Растительные масла используют при температуре 20-60°С и раствор щелочи 15-25°С.

Способ в частном случае характеризуется тем, что в работающий виброкавитационный смеситель - гомогенизатор при обработке жировой фазы в непрерывном режиме постепенно вводят раствор щелочи или в другом случае жировая фаза и раствор щелочи непрерывно и одновременно в заданном соотношении подают в виброкавитационный смеситель-гомогенизатор.

Использование растительных масел, например, таких как масло пальмовое, масло пальмоядровое или масло кокосовое связано с тем, что строение молекул (насыщенные жирные кислоты) этих масел позволяет получать твердые мыла.

Влияние качества диспергирования оказывает существенное влияние на скорость химических реакций и качество получаемого продукта. При диспергировании 1мм³ вещества до размера 1мкм³ удельная поверхность раздела увеличивается в 6×10⁹ раз, а это в свою очередь приводит к изменению параметров технологического процесса. Также на качество получаемой эмульсии оказывает значительное влияние применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Оптимальное количество ПАВ в данном процессе составляет 0,05-0,5%. В качестве ПАВ можно использовать пальмитат натрия (мыла, получаемые по данной технологии), олеат натрия, или аналогичные водорастворимые ПАВ (соли жирных кислот, ОП-10 и др.), которые позволяют получать микроэмульсии с максимальным размером капель не более 2мкм.

Для проведения реакций омыления предлагается использовать виброкавитационную технологию, при которой перемешивание двухфазных систем производится виброкавитационным смесителем - гомогенизатором (патент РФ №2131761 с рабочим элементом перфорированным ротором и неподвижным рабочим элементом перфорированным статором (с максимальным размером перфораций не более 0,05 диаметра ротора) и окружной скоростью вращения ротора не менее 20 м/с для получения микроэмульсии.

Применение виброкавитационного гомогенизатора позволяет получить микроэмульсии с равномерным распределением компонентов по объему композиции. При использовании стехиометрического соотношения ингредиентов полученная композиция подается на формование без дополнительной очистки. Остающийся в мыле глицерин - важный компонент, входящий в состав подавляющего большинства косметических средств. В тандеме с водой он обеспечивает хорошее увлажнение кожи.

Организация производства мыла по новой технологии требует значительно меньших площадей по сравнению с традиционным производством в силу ее большей эффективности. Производство экологически чистое, отсутствуют какие-либо твердые, жидкие или газообразные выбросы.

При осуществлении разработанного способа следующие ингредиенты используют для получения твердого мыла.

ГОСТ 31647-2012. Масло пальмовое рафинированное дезодорированное для пищевой промышленности. Технические условия

ГОСТ 10766-64 Масло кокосовое. Технические условия.

ТУ 9141-100-38826547-2015 Масла растительные Технические условия

ТУ 9141-334-37676459-2015 Масла растительные и масляные. Технические условия.

Олеат натрия ГОСТ 29213-91. Вещества поверхностно-активные.

ГОСТ 8433-81 Вещества вспомогательные ОП-7 и ОП-10. Технические условия

Готовность мыла анализируется по всем органолептическим и физико-химическим показателям, согласно ГОСТ 780-89.

Примеры реализации предлагаемого способа.

ПРИМЕР 1 Периодический способ (1). Масло пальмовое и щелочь берутся в стехиометрическом соотношении, а именно 600 г масла и 100 г щелочи.

100г NаOH растворяется в 250г волы. В раствор вводят 1г ПАВ (олеат натрия) - 0, 1 %. Полученная смесь, имеющая температуру 15-25°С, при перемешивании вводят в 600г подогретого до 50°С пальмового масла).

После образования грубой эмульсии она пропускается через виброкавитационный гомогенизатор (ВКГ) с вращающимся рабочим элементом перфорированным ротором и неподвижным рабочим элементом перфорированным статором (с максимальным размером перфораций не более 0,05 диаметра ротора) и окружной скоростью вращения ротора 25 м/с для получения микроэмульсии с максимальным размером капель не более 2 мкм. Далее микроэмульсию подают в термостатируемую емкость для созревания при температуре 70°С, установившейся в результате экзотермической реакции, в течение 20 минут.

После созревания в течение 30 минут композиция отправляется на дальнейшие технологические операции. Показатель рН готового мыла равен 7. В случае необходимости производится корректировка рецептуры до требуемых значений. Химический анализ показал, что готовое мыло содержит массовую долю жирных кислот - 71,7% (Испытания по ГОСТ790-89 п.3.2)

ПРИМЕР 2

Периодический способ (2). Жировая фаза и щелочь берутся в стехиометрическом соотношении. Пальмоядровое масло 572г и 350 г раствора щелочи.

100г NаOH растворяется в 250г воды, в раствор вводится 0,5 % - 4,6 г пальмитата натрия (полученного ранее мыла). Полученная смесь доводится до температуры 15-25°С. 572 г пальмоядрового масла подогревается до 60° и подается в ВКГ, где обрабатывается в режиме, аналогично примеру 1. В работающий гомогенизатор при обработке (гомогенизации) жировой фазы в непрерывном режиме постепенно вводится раствор щелочи. После окончания ввода раствора щелочи смесь подается на созревание.

Получаемое мыло относится к клеевым мылам и содержит повышенное содержание жирных кислот.

После созревания в течение 30 минут композиция отправляется на дальнейшие технологические операции. Показатель рН готового мыла равен 7. Химический анализ показал, что готовое мыло содержит массовую долю жирных кислот 73 % (Испытания по ГОСТ790-89 п.3.2).

ПРИМЕР 3

Непрерывный способ. Жировая фаза и щелочь берутся в стехиометрическом соотношении. Кокосовое масло 540 г и 350 г щелочи.

100г NаOH растворяют в 250г волы. В раствор щелочи вводится 0, 45 г (0 05%), ОП-10. Полученная смесь доводится до температуры 15-25°С. 540 г кокосового масла подогревают до 50°С. Кокосовое масло и раствор щелочи одновременно в заданном количественном соотношении подают в гомогенизатор, аналогично примеру 1. За один проход смесь обрабатывается и подается на созревание.

После созревания в течение 40 минут композиция отправляется на дальнейшие технологические операции. Показатель рН готового мыла равен 7. Химический анализ показал, что массовая доля жирных кислот в готовом мыле составляет 76 %. (Испытания по ГОСТ790-89 п.3.2)

ПРИМЕР 4

Периодический способ. Жировая фаза (Масло пальмовое) и щелочь берутся в стехиометрическом соотношении. 100 г NаOH растворяется в 250 г воды, в раствор вводится 1 г пальмитата натрия (0, 1 %). Полученная смесь доводится до температуры 15-25°С. 600 г пальмового масла подогревается до 50°С и подается в ВКГ, где обрабатывается в режиме, аналогично примеру 1. В работающий гомогенизатор при обработке (гомогенизации) жировой фазы в непрерывном режиме постепенно вводится раствор щелочи. После окончания ввода раствора щелочи смесь подается на созревание.

Получаемое мыло относится к клеевым мылам и содержит повышенное содержание жирных кислот.

После созревания в течении 40 минут композиция отправляется на дальнейшие технологические операции. Показатель рН готового мыла также около 7.

Химический анализ показал, что готовое мыло содержит массовую долю жирных кислот 75%.

Качественные показатели мыла приведены в табл.1. Физико-химические показатели указаны в табл. 2.

Таблица 1

Таблица.2

Разработанная технология имеет ряд отличий и преимуществ по сравнению с традиционными технологиями изготовления твердого мыла:

1. Энергоэффективность многократно (на порядок и более) превышает показатели традиционных технологий изготовления мыла и составляет не более 10 кВт*ч на тонну готовой продукции.

2. Все технологические процессы проходят при температурах не превышающих 70°С, что минимизирует окисление компонентов и повышает качество готового продукта. Несмотря на низкие температуры, технологические режимы работы оборудования обеспечивают уничтожение патогенных микроорганизмов, если они находились в исходном сырье.

3. Технологический процесс изготовления мыла занимает менее 1 часа, после чего мыльная масса разливается по формам для дозревания. Готовое мыло обладает необходимой пластичностью и гомогенной структурой, что минимизирует затраты на механическую обработку в случае последующего прессования.

4. Сбалансированные рецептуры и используемые технологические процессы практически полностью исключают отходы при производстве мыла.

5. Возможно изготовление мыла с растительными или минеральными добавками, прошедшими предварительное измельчение. Композиции имеют высокогомогенный состав, растительные и др. добавки в которых органолептически не ощущаются. Возможно изготовление мыла с эффектом скраба.

6. Мыло, изготовленное по разработанной технологии имеет высокое пенообразование, в том числе и в соленой (морской) воде.

7. Разработанная технология полностью исключает использование экологически вредных химических компонентов, широко применяемых в других современных технологиях мыльного производства.

8. Для производства мыла по новой технологии могут использоваться наиболее дешевые сорта масел с минимальными добавками дорогих масел при сохранении высокого качества готовой продукции. Мыло с относительно небольшим содержанием (до 10-15%) дорогих масел за счет технологических особенностей инновационного оборудования не уступает по эффективности и качеству мылу со значительно более высоким содержанием дорогих масел и, как следствие, существенно более высокой стоимостью готовой продукции.

9. Особенности технологии и применение исключительно натуральных компонентов позволяет обеспечить производство гипоаллергенных продуктов, применимых для любых групп населения, в том числе и для детей.

10. Организация производства мыла по новой технологии требует значительно меньших площадей по сравнению с традиционным производством в силу ее большей эффективности. Энергетические затраты и количество персонала минимальны.
Производство экологически чистое, отсутствуют какие-либо твердые, жидкие или газообразные выбросы.