soapformulator
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参考資料

すべての計算式とその出典

計算ツールは、小さなオープンの計算式ライブラリの上に薄く重ねたものです。このページは、そのライブラリを書き出したものです。慣例は慣例と明記し、定数には出典を付けています。

このページの内容

鹸化と苛性ソーダ

SAP_NaOH (mg/g) = SAP_KOH × 39.997 ÷ 56.106                # molar masses, IUPAC 2013
KOH_100 (g)     = Σ oilᵢ (g) × SAP_KOHᵢ ÷ 1000               # SAP defined as mg KOH per g fat
KOH_sf          = KOH_100 × (1 − superfat ÷ 100)
NaOH to weigh   = KOH_sf × (1 − f_KOH) × 39.997 ÷ 56.106 ÷ (purity_NaOH ÷ 100)
KOH to weigh    = KOH_sf × f_KOH ÷ (purity_KOH ÷ 100)
superfat from a given lye = (1 − lye_supplied_KOHeq ÷ KOH_100) × 100

水分の3通りの指定とマスターバッチ

water = oils × p ÷ 100                    # p = water as % of oils (38 is the old default)
water = lye × (100 − c) ÷ c               # c = lye concentration % (33 is our default)
water = lye × r                           # r = water : lye ratio
c = lye ÷ (lye + water) × 100;  r = water ÷ lye;  p = water ÷ oils × 100

Master batch at strength s %:
solution = lye ÷ (s ÷ 100);  water_in = solution − lye;  water_add = water − water_in

Liquids replacing water:
plain water = max(0, water − Σ liquidᵢ × water%ᵢ ÷ 100)
  • Dunn, Kevin M. Scientific Soapmaking: The Chemistry of the Cold Process. Clavicula Press, 2010. Lye solution concentration and its effect on trace and gel.
  • Community convention: "full water" = 38 % of oil weight, the default that most hobby calculators have used since the 2000s; roughly a 27–28 % lye solution for a typical bar recipe. — A convention, not a chemical constant. Lye concentration is the better control variable because it does not drift with the oil blend.

酸と脂肪分を含む液体

NaOH consumed (g) = mass × purity × n × 39.997 ÷ M_acid
  citric acid (anhydrous, triprotic, M 192.124):  0.6246 g NaOH per g   (0.8760 g KOH)
  citric acid monohydrate (M 210.139):            0.5710
  acetic acid (M 60.052):                         0.6660   → 5 % vinegar: 0.0333 per g
  lactic acid (M 90.078):                         0.4440
effective superfat = (oils × sf ÷ 100 + fat from milks) ÷ (oils + fat from milks) × 100

組成から鹸化価を算出する

M̄_fatty acid   = Σ wᵢ ÷ Σ(wᵢ ÷ Mᵢ)             # wᵢ = mass % of each acid: the number average
M_triglyceride = 3 × M̄_fatty acid + 38.049     # glycerol 92.094 less three waters
SAP (mg KOH/g) = 3 × 56 106 ÷ M_triglyceride    # three KOH per triglyceride

free fatty acids (stearic acid, lauric acid and the like) take one KOH each:
SAP = 56 106 ÷ M̄_fatty acid

Validated on the 36 Codex oils where the saponification range and the
fatty-acid ranges come from the same standard:
  median absolute error  0.84 %
  90th percentile        2.44 %
  worst                  3.57 %
  bias                  +0.55 %   # high: unsaponifiable matter
A derived value therefore carries a ±3 % band, and is offered only where the
published profile sums to between 95 % and 115 %.

公表データで苛性ソーダ量がどこまで定まるか

KOH_low  = Σ(oilᵢ × SAP_minᵢ ÷ 1000)       # every oil at the bottom of its published range
KOH_high = Σ(oilᵢ × SAP_maxᵢ ÷ 1000)       # ...and at the top
KOH_mid  = Σ(oilᵢ × SAP_repᵢ ÷ 1000)       # what the lye is actually weighed from

supplied (as KOH equivalent) = KOH_mid × (1 − sf ÷ 100)

superfat actually achieved:
  worst case = (1 − supplied ÷ KOH_low)  × 100   # fat needs LESS lye than was weighed
  best case  = (1 − supplied ÷ KOH_high) × 100   # fat needs MORE, so more is left unsaponified

smallest nominal superfat whose worst case clears a floor f:
  sf ≥ (1 − (1 − f) × KOH_low ÷ KOH_mid) × 100

脂肪酸組成、石けんの特性、ヨウ素価、INS値

profile = Σ (oilᵢ ÷ total oils) × fatty acidsᵢ           # mass-weighted percent
hardness     = lauric + myristic + palmitic + stearic        (29–54)
cleansing    = lauric + myristic                             (12–22)
conditioning = oleic + linoleic + linolenic + ricinoleic     (44–69)
bubbly       = lauric + myristic + ricinoleic                (14–46)
creamy       = palmitic + stearic + ricinoleic               (16–48)
iodine value = Σ wᵢ × IVᵢ                                    (41–70)
INS          = Σ wᵢ × (SAP_KOHᵢ − IVᵢ)                       (136–165, ideal 160)
  • Community convention for soap qualities, in continuous use in hobby lye calculators since c. 2005: hardness = lauric + myristic + palmitic + stearic; cleansing = lauric + myristic; conditioning = oleic + linoleic + linolenic + ricinoleic; bubbly lather = lauric + myristic + ricinoleic; creamy lather = palmitic + stearic + ricinoleic. Recommended bands: hardness 29–54, cleansing 12–22, conditioning 44–69, bubbly 14–46, creamy 16–48, and iodine value 41–70. — A convention, not a measurement. It ignores superfat, water, cure and additives, and treats every fatty acid in a group as equal. The iodine value itself is measured (AOCS Cd 1-25); the 41–70 band beside it belongs to this convention, not to the method.
  • AOCS Official Method Cd 1-25, "Iodine Value of Fats and Oils, Wijs Method". g I₂ absorbed per 100 g of fat; a measure of unsaturation.
  • McDaniel, Robert S. Essentially Soap. Krause Publications, 2000. INS = saponification value (mg KOH/g) − iodine value; recommended range 136–165, ideal 160.

香料の配合量、IFRA、アレルゲン

f = oils × p ÷ 100                          # p = % of oils (PPO)
f = base × p ÷ (100 − p)                    # p = % of finished batch; base = everything but fragrance
% of finished product = f ÷ (base + f) × 100 ≤ certificate maximum for the product's IFRA category
blends (conservative): Σ loadᵢ ÷ maxᵢ ≤ 1
allergen % in product = Σ (fragrance % × allergen % in fragrance ÷ 100) ÷ (1 − cure mass loss)
declare if > 0.001 % leave-on, > 0.01 % rinse-off
suggested on a pick: 3 % of oils, or less to stay under the maximum: f = min(oils × 0.03, base × M ÷ (100 − M))

型のサイズ計算

V (mL) = l × w × h  |  π (d ÷ 2)² h  |  cavities × volume each     # 1 in³ = 16.387064 mL
batch (g) = V × ρ × fill                                        # ρ ≈ 1.0 g/mL, calibrate
oils = batch ÷ (1 + lye/oil + water/oil + additives/oil + fragrance/oil)
for comparison: the "in³ × 0.4 oz" rule assumes full water and 5 % superfat
  • Volume of a rectangular prism V = l × w × h; of a cylinder V = π × (d ÷ 2)² × h. 1 in³ = 16.387064 mL.
  • Empirical default. Fresh cold-process soap batter has a density close to water, ≈ 0.95–1.0 g/mL; the community rule "in³ × 0.4 = oz of oils" implies about 0.69 g/mL of oils, which is ≈ 1.05 g/mL of batter at 38 % water and 5 % superfat. Calibrate by weighing a filled mold once. — Density varies with whipping, fragrance, temperature and how full the mold is poured. Treat the default as a starting point and calibrate.

液体石けんの希釈

solids = oils + pure KOH                 # mass is conserved in saponification
paste concentration = solids ÷ paste × 100
water to add = solids ÷ (target ÷ 100) − paste
  • Conservation of mass in saponification: the soap and glycerol formed weigh exactly what the fat and hydroxide weighed. Solids in a paste are therefore taken as oils + pure lye; the remainder is water.
  • Failor, Catherine. Making Natural Liquid Soaps. Storey Publishing, 2000. Paste method, dilution ratios and sequestering.

算出した鹸化価の根拠

データベースの油脂のうち40種類は、利用できるどの一次資料にも鹸化価がありません。計算ツールから外したり数値をでっち上げたりする代わりに、その油脂自体の実測された脂肪酸組成から値を計算しています。これは推測ではありません。3モルの水酸化物が1モルのトリグリセリドを鹸化し、トリグリセリドのモル質量は、それを構成する脂肪酸の鎖長から決まります。組成によって値が決まります。

問題はその精度で、それは測定できます。公平な検証に使えるのは、データベースのうちCodexのサブセットです。鹸化価の範囲と脂肪酸組成の範囲が同じ機関によって同じ試料から公表されている、Codex規格で名前が挙げられた油脂36種類です。これらに対して、この方法の絶対誤差の中央値は0.84%、90パーセンタイルは2.44%、最悪の場合で3.57%です。平均で0.55%わずかに高く出ます。この方法は純粋な脂肪を前提にしていますが、未精製の油には実測値を下げる不けん化物が少し含まれるためです。高く出るのは苛性ソーダが過剰になる方向で、算出値に付く幅はそれをカバーしています。同じデータベースで公表されている範囲の中央値は、その範囲の中心の±2.9%なので、算出値は規格から読み取った値とほぼ同じ程度に確かです。

データベースの残りのデータと比べると、見かけの誤差は大きくなります。中央値は1.7%、最悪の場合は22%です。これは方法の欠陥ではありません。もっとも大きく食い違うのは、整合性チェックですでに内部矛盾があると判定されているのと同じデータで、公表された鹸化価の横に、その値になりえない組成が並んでいます。そうしたデータと比べると方法の誤差とデータの誤差が混ざってしまうため、検証にはCodexのサブセットだけを使っています。

算出値は、表示されるすべての場所で算出値と明記され、不確かさのパネルには±3%の幅を付けて反映されます。手元のロットの実測値を入力すると、その時点で算出値はまったく使われなくなります。

苛性ソーダ量に幅がある理由

鹸化価は定数ではありません。Codexがココナッツオイルの鹸化価を248〜265 mg KOH/gとしているのは、脂肪そのものが産地、季節、精製によって実際に変わるからです。どの石けん計算ツールも、小数点以下1桁の数値を1つだけ示すことでそれを隠していますが、これは見せかけの精度です。その数値は手元のオイルを測った値のように見えますが、実際には他人の調査の中間値にすぎません。

この幅を最後まで計算に通すと、もっとも重要な数値に行き着きます。スーパーファットは、肌にやさしい石けんと苛性ソーダが残る石けんを分ける余裕であり、不確かさが削り取るのはまさにこの部分です。一般的なオリーブオイルとココナッツオイルでスーパーファット3%を指定したレシピは、実際には−0.2%から6%のどこにでもなりえます。マイナス側は苛性ソーダが過剰な石けんです。これは計算を疑う理由ではありません。石けん作りでスーパーファットがおよそ5%に落ち着いた理由がこれであり、私たちの知るかぎり、この慣習の裏付けとなる計算を示した計算ツールはこれまでありませんでした。

すべての油脂を同時に範囲の同じ端で取った値は限界値であり、信頼区間ではありません。実際のロットどうしは完全には連動しないので、実際に起こりうる幅はこれより狭く、どちらの端がどれだけ起こりやすいかについて、この計算は何も示しません。この幅をなくせるのは測定だけです。手元のロットの分析証明書(CoA)にある鹸化価を入力すると、その油脂による不確かさはまったくなくなります。

慣例と明記している慣例

5つの「石けんの特性」は、脂肪酸のグループごとの合計を、趣味の計算ツールが2000年代半ばから使ってきた目安の範囲と比べたものです。レシピどうしの比較には役立ちますが、実際の石けんの予測には役立ちません。スーパーファット、水分、熟成、添加物、作り方を考慮せず、同じグループの脂肪酸をすべて同等に扱うからです。38%という「フルウォーター」の初期値や、型の「× 0.4」の法則は習慣であって化学ではありません。作り手がその言葉で比較しているので、どれも正確にそのとおり実装し、それが何であるかを明記しています。

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