Sabun

SABUN

Sabun endüstrisi olarak bilinen, yıkama endüstrisinin kökleri geçmişte 2000 yıl öncesine kadar uzanır. Pompeli kazılarda bir sabun fabrikasına rastlanmıştır. Bununla birlikte, pek çok sayıdaki kimyasal proses endüstrisinin hiç birinde, yıkama endüstrisinde olduğu kadar, kimyasal ham maddelerinde temelde bir değişim olmamıştır. 1940 ve 1965 yılları arasında, sabun gereksinmesinin %80’nini deterjanlar tarafından sağlanmış bulunmaktadır. Bu deterjanlar, üretimleri için tamamıyla farklı yeni ham maddelere ve reaksiyonlara gereksinme duymaktadırlar.

Tarihçe : Sabunun kendisi hiçbir zaman gerçekten <>, fakat yağsı maddeler ve alkali karışımlardan yavaş yavaş geliştirilmişlerdir. Pliny the Elder, birinci yüzyılda sert ve yumuşak sabunun her ikisinin de üretildiğine değinmektedir, fakat on üçüncü yüzyıla gelinceye kadar sabun, bir endüstri olarak adlandırılacak miktarda üretilmemiştir. 1800 öncesine kadar sabunun, yağ ve alkalin mekanik bir karışımı olduğu sanılmaktaydı; bundan sonra bir Fransız kimyacısı olan Chevreul, sabun oluşumunun gerçek bir kimyasal reaksiyon olduğunu göstermiştir. Domeier aynı süre içerisinde, sabunlaştırma karışımından gliserinin kurtarılması konusundaki araştırmasını tamamlamıştır. Leblanc’ın sodyum klorürden ucuz sodyum karbonat üreten önemli buluşuna kadar, sabun üretimi için gerekli alkali odun külünün kaba bir şekilde ekstraksiyonu veya doğal kalevi sulardan örneğin Nil nehri gibi, evaporasyonla üretilmekteydi.

Sabun yapımında uygulanan temel proses 200 yıldan buyana değişmemiştir. Bu yöntemde, katı veya sıvı yağlar parti parti (süreksiz) olmak üzere bir alkali ile sabunlaştırmakta ve sonra karışıma tuz katılarak, sabun karışımdan ayrılmaktadır. Fabrika işletmesinde karşılaşılan başlıca değişmeler, katı ve sıvı yağların ön işlemlere sokulmaları ve hazırlanmış sabunun, örneğin püskürtme ile, kurutulması olmuştur. Hidroliz, hidrojenasyon, sıvı-sıvı ekstraksiyonu ve çeşitli katı ve sıvı yağların solventden kristalizasyonu, daha yeni ve daha iyi kalitede ham maddeler sağlanmıştır. Sürekli sabun üretim prosesi 1937’de, Procter and Gamble kuruluşunun yüksek basınçta hidroliz ve sürekli nötralizasyon prosesini Quiney (Mass-A.B.D.)’de kurmasıyla başlamıştır. Bunu izleyen gelişme, sürekli sabunlaştırma prosesi, Sharples and Lever Brothers kuruluşlarının müşterek çalışması sonucu ortaya çıkmış ve ilk fabrika 1945’de Baltimore’da kurulmuştur. O tarihten bu yana, her iki tipde de fabrikalar kurulmaktadır. Sürekli sabun üretim prosesi, önemli bir teknolojik gelişme olmamasına karşın, sentetik deterjanların piyasaya çıkarılmasıyla, kısmen de olsa önemini yitirmektedir.

Sabun : Sabun, daha çok oleik, stearik, palmitik, laurik ve miristik asidler olmak üzere, çeşitli yağ asidlerinin sodyum ve potasyum tuzlarını kapsar. Genel olarak sabun kullanımı, endüstriyel kapasitede üretimi, uygar insanın konfor ve sağlık amacıyla kullanımı gibi nedenlerle, giderek artmaktadır. Modern uygarlığın ilerleyişini, kişi başına tüketilen sabun ve deterjan miktarıyla ölçebiliriz

Sabun Üretimi : Ufak imalathaneler veya özel sınırlı üretimler için daha çok, uzun bir süredir yerleşmiş olan tekne (kazan) prosesi uygulanmaktadır. Sabun teknolojisinin değişmesi ile, sürekli alkali sabunlaştırması kullanılmaya başlanılmıştır. Daha önceleri, alışılmış kazan prosesi ile 2-5 günde üretilen sabun; şimdilerde bilgisayar kontrollü fabrikalarda, katı ve sıvı yağların NaOH ile sabunlaştırarak (300 ton/gün’den fazla bir kapasite ile), 2 saatte üretilmektedir.
Şimdilik yöntem, 29.2’de gösterildiği gibi, sürekli parçalama ve hidroliz şeklindedir. Gliserinin ayırılmasından sonra yağ asidleri sabuna nötürleştirilir.
Sabun üretiminde temel kimyasal reaksiyon, sabunlaştırma olarak ifade edilebilir.

3NaOH + (C17H35COO)3C3H5 -----> 3C17H35COONa + C3H5(OH) 3

Kostik Soda Gliseril stearat Sodyum stearat Gliserin

Yöntem, önce yağları parçalamak veya hidrolizlemek ve değerli olan gliserinin ayrılmasından sonra, yağ asidlerini kostik soda çözeltisi ile nötürleştirmekten ibarettir.:

(C17H35COO)3C3H5 + 3H2O -----> 3C17H35COOH + C3H5(OH) 3

Gliseril stearat stearik asid Gliserin


C17H35H + NaOH -----> C17H35COONa + H2O

stearik asid Kostik soda Sodyum stearat

Ticari amaçlı katı ve sıvı yağlar, yağ asidlerinden herhangi birinin gliseridi olmayıp, yağ asidi karışımlarının gliseridleridir. Fakat %90 veya daha yüksek, tek bir yağ asidinin gliseridini elde etmek mümkündür. Çeşitli yağ asidlerinin sodyum tuzları, çözünürlük ve sertlik yönünden (Tablo 29.6) birbirlerinden oldukça farklı olduğu için sabun üreticileri hem Pazar fiyatlarına ve hem de sabundan beklenen özelliklere bağlı olarak, ham maddeleri seçerler.

Ham Maddeler : Sabun yapımında kullanılan ham maddelerin başında donyağı gelir. Sabun yapımında kullanılan tüm katı ve sıvı yağların, yaklaşık dörtte üçünü oluşturur. Sığır katı yağlarından, su buharı ile eritme yöntemi uygulanarak elde edilen, gliseridler karışımından ibarettir. Bu katı yağ, su buharı ile çözünürleştirilir (eritilir) ve donyağı, su yüzeyinde bir tabaka oluşturur ve bu nedenle, kolaylıkla uzaklaştırılabilir. Sabunun çözünürlüğünü arttırmak için donyağı çoğunlukla, sabun kazanında veya hidrolizörde, hindistancevizi yağı ile karıştırılır. Gresler(yaklaşık %20), sabun yapımında kullanılan ham maddeler içerisinde, ikinci önemli sırayı alırlar. Bunlar evcil domuzlardan ve diğer ufak evcil hayvanlardan elde edilirler.; yağ asidi gliseridlerin önemli bir kaynağıdır. Su buharı ile eritilerek veya solvent ekstraksiyonu yapılarak, rafine edilirler ve diğer yağlarla karıştırılmaksızın kullanımları çok azdır. Bazı durumlarda, yağ asidlerini serbest bırakacak şekilde işlem görürüler. Bu yağ asidleri, gresler gibi sabun yapımında kullanılırlar. Hindistancevizi yağı uzun bir süredir, bu alanda önemli bir ham madde olmuştur. Hindistancevizi yağından yapılan sabun sert olup, iyi köpürür. Laurik ve miristik asid gliseridlerinden, oldukça fazla oranda bulundurur. Serbest yağ asidlerinden sabun, deterjan, kozmetik, yağlı boya, tekstil ve daha pek çok endüstride yararlanılır. Sıvı yağların alkali rafinasyonunda elde edilen >>altlıklar<< (foots) veya yan ürünler (stock) de yağ asidleri veririler. Yağların parçalanmada kullanılan önemli genel yöntemlerden Twitchell prosesi bunların en eskisidir. Sürekli zıt akım prosesleri, şimdi en yaygın kullanılmaktadır.

Sabun üreticiler aynı zamanda, özellikle kostik soda, tuz, susuz soda, kostik potas ve ayrıca sodyum silikast, sadyum bikarbonat ve trisodyum fosfat olmak üzere fazla miktarda kimyasal madde tüketicileridir. Sabuna ilave edilen inorganik kimyasal maddeler yardımcılar (builders) adı verilir. Monsanto (A:B kuruluşundan Harris ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan önemli bir çalışmada, özellikle tetrasodyum prifosfat ve sodyum trilifosfatın, alışılmışın dışında etkili yardımcılar oldukları, ortaya konulmuştur. Susuz soda gibi, pahalı olmayan yardımcılar ile, daha etkili (ve pahalı) tetra sodyum pirofosfat veya sodyum tripolifosfatın birlikte kullanılmalarının, fosfatın tek başına kullanılmasına oranla daha iyi sonuç verdiği ve oldukça önemli üstünlüğü bulunduğu gösterilmiştir. Ayrıca, bu karışımların kullanılması halinde, aynı veya daha etkili kir uzaklaştırması, daha az sabunla mümkün olmaktadır.
Sürekli, zıt akım parçalama prosesinde, proses sürecinde yağların oksidlenerek renklenmelerini önlemek için, yağlar vakum altında havadan kurtarılmalıdır. Yağlar, kontrol altında tutulan bir debide, bir dağıtma halkasından geçirilerek, hidrolizin yapılacağı kule tabanına gönderilir. Bu dağıtma halkası yağı, damlacıklara parçalar. Bu kuleler yaklaşık 19.8 m yükseklikte ve 0.6 m çapında, Tip 316 paslanmaz çelikten (Şekil 29.8) yapılmışlardır. Tabanda temas bölümündeki yağ düşük yoğunluğu nedeniyle, yükselir ve sulu gliserin fazında çözünmüş bulunan az miktardaki yağsı maddeler, ekstrakte eder. Aynı anda, tepedeki temas bölümüne havası alınmış demineralize su beslemesi yapılır ve bu su yağsı fazda çözünmüş gliserini ekstrakte eder. Bu iki akım, temas bölümünü terk ettikten sonra, reaksiyon bölümüne girerler. Burada, yüksek basınçta doğrudan su buharı enjekte edilerek, reaksiyon temperatürüne ısıtılırlar ve parçalanma meydana gelir. Yağ asidleri, parçalanma kolonunun veya hidrolizörün tepesinden bir dekantöre boşaltılır ve burada, taşınmış olan su, ayrılır. Gliserin-su çözeltisi, otomatik bir ara yüzey kontrolörünün tabanından, bir durultma tankına alınır.

Yağ Asidlerinin Saflaştırması : Yukarıdaki yöntemlerden herhangi birinden elde olunan yağ asidleri ham karışımı, çoğunlukla daha yararlı kompenentlere ayırılarak, kullanılır. Parçalayıcıdan elde olunan yağ asidlerinin bileşimi, üretildikleri katı veya sıvı yağa bağlıdır. Yağ asidlerinin üretimi için en yaygın kullanılan yağlar, sığır donyağı, hindistancevizi yağı, hurma yağı, pamuk çekirdeği yağı ve soya fasulyesi yağı gibi yağlardır. Eski proseslerin en yaygın kullanılanları, tavada kavurma ve presleme şeklindedir. Bu fraksiyonlu kristallendirme prosesi, donyağı yağ asidlerinde olduğu gibi, hemen katılaşan yağ asidi karışımları ile sınırlandırılmıştır. Eritilmiş yağ asidi tavalara alınır, soğutulur, bez çuvallara doldurulur ve preslenir. Bu bastırma (presleme), kırmızı renkli sıvı yağın (başlıca oleik asid) çuval dışına sızmasına ve katı halde olan stearik asidin ise, çuval içinde kalmasına neden olur. Preslemenin toplam sayısı, ürünün saflığını gösterir. Değişik zincir uzunluklarına sahip yağ asidlerinin birbirlerinden ayrılması için, distilasyon kullanılır ve vakum distilasyonu en yaygın uygulananıdır. Yaygın olan raflı tipte, üç fraksiyon kulesi vakum altında çalıştırılır. Önceden ısıtılmış ham yağ asidleri karışımı sıyırma (stripping) kulesinin baş kısmına gönderilir. Bu karışım aşağıya doğru akarken hava, rutubet ve düşük kaynayan yağ asidleri, kulenin üst kısmından uzaklaştırılır. Kondensatın bir kısmı riflax olarak kolana geri verilirken, diğer kısmı ana fraksinasyon kolonuna geçer ve bu kolonun üst kısmında, yüksek bir vakum sağlanır. Kolonun üst kısmı yakınlardaki sıvı bir yan çıkan (akım), düşük kaynayan kompenentler, kolonun baş kısmından alınır. Sıvı kondensat (yüksek kaynayan asidler) son püskürtme (flaş) kulesine pompalanır; burada baş ürün yoğunlaştırılır. ve ikincil yağ asidi fraksiyonu oluşturulur. Taban ürünü sıyırma kolonuna geri gönderilir, yeniden işlenir ve son artık, katran halinde uzaklaştırılır. Yağ asidleri bu haliyle satılır veya çok sayıda yeni kimyasal maddeler dönüştürülürler.

Sabun üretimi için gerekli enerji gideri, hammaddeler, ambalaj ve dağıtım giderleri yanında, büyük bir önem taşımaz. Bir kısım katı ve sıvı yağların sabun fabrikalarına taşınması için enerji gereksinmesi, bazı hallerde önemlidir. Sabun reaktöründe meydana gelen reaksiyon ekzotermiktir.
Su ile parçalayıp nötralize ederek çubuk şeklinde sabun yapımı şekil 29.8 dekiakım diyagramında gösterildiği gibi, aşağıdaki şekilde temel üretim adımlarına bölünebilir.

Katı ve sıvı yağların taşınması (Op.).
Kostik sodanın üretimi ve taşınması (Op. Ve Pr.).
Katalizör olan çinko oksidin, eritilmiş yağ ile karıştırılması ve karıştırma tankında, su buharı ile ısıtılması (Op.).
Sıcak haldeki yağ ve katalizör karışımının, hidrolizörün tabanına gönderilmesi. (Op.).
Yağların hidrolizördeki parçalanmaları, 2500C ve 41 atm’de meydana gelir. Yağ fazı sürekli olarak aşağıdan yukarıya doğru damlacıklar halinde akarken, sulu faz yukarıdan aşağıya doğru zıt yönde ve sürekli olarak akar (Pr. Ve Op.).
Parçalanma sonunda oluşan ve gliserini çözmüş bulunan (yaklaşık %12) sulu faz, kolonun dibine doğru iner ve ayrılır (Op.).
Hidrolizörün baş kısmından alınan yağ asidler, fazı, püskürtülerek kurutulur (Op.) ve daha fazla ısıtılır.
Yüksek vakumda çalışan bir kolonda, yağ asidleri distillenir ve rektifiye edilir (Op.).
Yüksek devirli bir karıştırıcıya sahip bir nötürleştirme tankında, yağ %50’lik kostik soda ile sürekli bir şekilde nötralize edilerek, sabun oluşturulur. (Pr.).
Saf ve temiz sabun, nötürleştirmedeki eşitsizlikleri ortadan kaldırmak için, 930C’da yavaş yavaş karıştırılan bir karıştırma tankına alınır (Op). Bu noktada sabunun bileşimi %0.002-0.10 NaOH, %0.3 NaCl ve yaklaşık %30H2O’dan ibarettir. Bu saf sabun, istenilen ürüne bağımlı olarak, haddeden (ekstruder) çekilebilir, öğütülebilir, pulcuklar haline getirilebilir. Şekil 29.8’deki akım diyagramı, yüzen çubuk sabunun bitirme işlemlerini göstermektedir.
Bu bitirme işlemleri şu şekilde açıklanabilir; Saf ve temiz sabun üzerindeki basınç 34 atm’e yükseltilir ve sabun, yüksek basınç su buharı değiştiricisinde yaklaşık 2050C’a ısıtılır. Isıtılmış bu sabun, atmosfer basıncında bulunan bir püskürtme tankında serbest bırakılır. Sabun, atmosfer basıncındaki kaynama noktasının çok üstünde bulunduğu için, püskürtme tankında kısmi kuruma meydana gelir. Bu viskoz, hamurumsu sabun, mekanik (duvar) kazıyıcılı bir ısı değiştiricide, istenilen miktar hava ile karıştırılır; aynı zamanda sabun, dış ceket de tuzlu su dolaştırılarak 1040C’dan 65.50C’a soğutulur. Bu temperatürde sabun, haddeden (ekstruder) şerit şeklinde sürekli olarak çekilir ve çubuklara kesilir. Daha fazla soğutma, üzerine üretici markasının basılması ve ambalaj, üretim işlemini tamamlar. Bu yöntemde işin tümü, yalnızca 6 saat de tamamlanır; halbuki kazan prosesinde aynı iş için, bir haftadan fazla zamana gerek duyulur. Bu prosesin kazan prosesine üstünlüklerini şöyle sıralayabiliriz; (1) fazla bir ön işlem yapmaksızın, ham yağdan iyileştirilmiş sabun rengi, (2) iyileştirilmiş gliserin geri kazanımı, (3) kontrolde esneklik, (4) daha az yer ve daha az işçilik. Bu sürekli prosesin başarılı olmasında, dikkatli ve hassas bir moleküler kontrol, anahtar rolü oynar. Örneğin, hidrolüzör de çeşitli fazların istenilen karşılıklı çözünürlükleri, uygun proses şartları ile sağlanır.

Tipik Sabun : Önde gelen sabun türleri tuvalet sabunları ve endüstriyel sabunlardır. Bu çeşitli sabunlar, yukarıda açıklanan işlemlerden bir veya birkaçı yardımıyla yapılabilir. Deterjanlar, %80 oranında sabunların yerini almıştır. Çok saf olan tuvalet sabunları dışında, temizleme kalitesini iyileştirmek için, sabunlara yardımcı olarak, çeşitli kimyasal maddeler ilave edilir. Pazarlanan sabunların tümünde yaklaşık %10-20 su vardır. Sabun susuz olursa, çözğnmesi güçleşir. Hemen tüm sabunlarda parfüm vardırve bu, sabunun orijinal kokusunu örtmek için katılır. Tuvalet sabunları özel olarak seçilmiş ham maddelerden yapılır ve çoğunlukla %10-15 rutubete sahiptirler; parfüm ve beyazlatma maddesi olarak kullanılan az miktardaki titanyum dioksit dışında, tuvalet sabunlarına katkı maddeleri ilave edilmez. Traş sabunları oldukça fazla miktarda potasyum sabunu stearik asid fazlası ihtiva ederler. Bu bileşim, uzun süreli kalıcı bir köpük verir. >>Fırçasız<< traş kremleri, çok daha az sabun yanında stearik asid ve katı yağ bulundururlar.

Diğer bir tip sabun, yoğurulmuş tuvalet sabunudur. Burada yoğurulmuş terimi, üretim kademesinde sabunun birkaç grup ağır merdanelerden veya yoğuruculardan geçirilmiş olduğunu ifade eder. Bunlar sabunu karıştırır ve yoğururlar. Bu işlemler nedeniyle, sabun daha iyi köpürür ve özellikle soğuk suda, daha iyi iş görür. Ayrıca, bu işlem esnasında parfüm, soğuk sabun ile iyi bir birleşme sağlanır. Parfüm sıcak sabunla karıştırılacak olursa, parfümün büyük bir bölümü buharlaşarak uzaklaşır. Yoğurma işlemi sonunda sabun, düzgün bir silindirden geçirilerek, sürekli haddeden çekilir. Daha sonra belirli aralıklarla çubuklara (parçalara) kesilir., damgalanır ve ambalajlanır.

Çubuk sabunda kristal fazlar. Çubuk sabunun fiziksel özellikleri, kristal sabun fazlarının varlığına ve bu fazların durumuna bağımlıdır. Kullanılan katı yağa, rutubet, sistemin elektrolit bileşimine hazırlanma (üretim) şekline bağımlı olarak, sodyum sabunlarında üç veya daha fazla faz bulunabilir. Yoğurulmuş tuvalet sabunları, en azından kısmen de olsa , omega fazdan daha sert ve daha kolaylıkla çözüne bilen yarı saydam beta faza, mekanik işleme dönüştürülebilir. Haddeden (esktruderden) çekilmiş yüzer sabun, dondurucu içinde her iki kristal şekline sahip olur ve erimiş hal içerisinde büyüyen kristaller, daha sonra dondurucudan alınır. Proses sartları, çubuk sabuna dayanıklılık ve sertlik vererek, kristallenmiş matrisin (ana kütle) optimum oranını sağlayacak şekilde düzenlenir. Gereken hallerde çubuk sabun, güçlendirilmek için yeniden ısıtılarak, tavlanır.