الاستخلاص التحفيزي بمساعدة الموجات فوق الصوتية
تُستخدم مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية في العديد من الصناعات لدعم وتحسين عمليات الاستخلاص التحفيزي (CEP)، أو ما يُسمى بالاستخلاص بنقل الطور (PTE). يتضمن الاستخلاص التحفيزي نظام أطوار غير متجانسة وغير قابلة للامتزاج، مثل سائل–سائل أو سائل–صلب. تُحسّن قوى القص العالية وقوى التجويف الناتجة عن الموجات فوق الصوتية معدلات ذوبان المواد المذابة بدرجة كبيرة، مما يؤدي إلى استخلاص أسرع وأكثر اكتمالًا. ويمكن أيضًا استخدام هذا التأثير لتقليل كمية المذيب أو الحمض المستخدم. وبوصفه تقنية مثبتة، يتزايد استخدام الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية نتيجة تزايد الطلب على تقنيات استخلاص صديقة للبيئة تُقلّل زمن الاستخلاص واستهلاك المذيبات العضوية.
الاستخلاص التحفيزي/الاستخلاص بنقل الطور – الأساسيات
يصف مصطلح «عمليات الاستخلاص التحفيزي (CEP) أو الاستخلاص بنقل الطور (PTE)» التوزيع بين سائل–سائل أو صلب–سائل عند التركيز على استخلاص المواد المراد تحليلها وإزالتها. ولذلك، يجب تشتيت المادة المخفِّفة السائلة أو الصلبة/استحلابها في المذيب (الطور السائل). ويشير مصطلح «عامل الاستخلاص» فقط إلى المادة الفعالة في المذيب (أي «الطور العضوي» المتجانس الذي يضم عامل الاستخلاص والمادة المخفِّفة و/أو المادة المعدِّلة)، وهي المسؤولة أساسًا عن انتقال المادة المذابة من الطور «المائي» إلى الطور «العضوي». [IUPAC]. وتُسمّى المادة المستهدفة التي يجري استخلاصها بالمستخلَص.
غالبًا ما تكون طرق الاستخلاص التقليدية، مثل الاستخلاص بسوكسلت والنقع والموجات الدقيقة والنضح والاستخلاص تحت الارتجاع والتقطير بالبخار أو الاستخلاص التوربيني، بطيئة وغير فعالة و/أو تتطلب كميات كبيرة من المذيبات الخطرة، مما يؤدي إلى عملية مرتفعة التكلفة وتستهلك وقتًا طويلًا وتضر بالبيئة.
الموجات فوق الصوتية بديل مثبت لطرق الاستخلاص التقليدية، وتتيح استخلاصًا أسرع وأكثر اكتمالًا باستخدام كميات أقل من المذيبات الخطرة أو دون استخدامها! الموجات فوق الصوتية تقنية قوية للمعالجة الخضراء الصديقة للبيئة.
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St يستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتحسين الاستخلاص التحفيزي
مبدأ الاستخلاص التحفيزي بمساعدة الموجات فوق الصوتية
لاستخلاص مادة ما، يجب خلط الأطوار غير القابلة للامتزاج بحيث يمكن إذابة المادة المراد استخلاصها ونقلها من الطور الحامل إلى طور المذيب. ويُجرى الاستخلاص بنقل الطور غالبًا من طور مشتّت إلى طور مستمر، مما يعني ضرورة تشتيت القطرات والجسيمات بصورة متجانسة في المذيب.
الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تقنية معروفة للخلط والاستخلاص، ولها عدة تأثيرات إيجابية في عملية الاستخلاص:
- تحسين حركية التفاعل
- خلط دقيق للمادة الحاملة (المادة الماصّة) والمذيب
- زيادة المساحة البينية بين الطورين
- زيادة انتقال الكتلة
- إزالة طبقات التخميل من سطح الجسيمات
- تفكيك الخلايا وتفتيتها
- استخلاص أكثر اكتمالًا يؤدي إلى مردود أعلى
- تشغيل بسيط وآمن
- عملية خضراء: صديقة للبيئة
مبدأ عمل التجويف بالموجات فوق الصوتية وتأثيراته على الاستخلاص الحفزي
لأغراض الاستخلاص، يُخلط طوران خلطًا مكثفًا في مجال التجويف بالموجات فوق الصوتية. وتُفتّت القطرات والجسيمات إلى أحجام دون ميكرونية ونانوية. ويؤدي ذلك إلى توسيع المساحات السطحية لتحسين انتقال الكتلة من طور إلى آخر. وتؤدي زيادة المساحة البينية بين الطورين إلى زيادة مساحة التلامس اللازمة للاستخلاص، فيتعزز انتقال الكتلة نتيجة إزالة طبقات السائل الراكدة عند الحد الفاصل بين الطورين. كما يزداد انتقال الكتلة نتيجة إزالة طبقات التخميل من سطح الجسيمات. وعند استخلاص المواد البيولوجية من الخلايا والأنسجة، يزداد انتقال الكتلة بفعل تفكيك الخلايا بالموجات فوق الصوتية. وتؤدي جميع هذه التأثيرات إلى استخلاص أكثر اكتمالًا بمردود أعلى.
فوائد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية:
- تفكيك الطبقات الحدّية
- التغلب على قوى فان دير فالس
- نقل السائل غير المشبع إلى سطح التلامس
- تقليل الحاجة إلى عوامل النقل أو الاستغناء عنها
- تقليل الزمن ودرجة الحرارة و/أو التركيز
- تقليل الفائض مقارنة بالحجم اللازم للتشبع الكامل
- تقليل الحجم المطلوب تنقيته (مثلًا بالتقطير أو التبخير أو التجفيف)
- الاستغناء عن المفاعلات ذات التحريك المستمر (CSR)
- توفير الطاقة
- المعالجة ضمن خط التشغيل بدلًا من المعالجة على دفعات
- استخدام مذيب أقل حموضة أو أقل تكلفة
- تجنب المذيبات واستخدام وسط مائي بدلًا منها
- معالجة تركيزات عالية من المواد الصلبة أو المعلّقات عالية اللزوجة
- معالجة خضراء: صديقة للبيئة
- استخدام أحماض عضوية، مثل حمض الماليك أو حمض الستريك
- تجنب عمليات الاستخلاص متعددة المراحل
يُحسّن MultiSonoReactor معدل التفاعل ومردود عمليات الاستخلاص التحفيزي
- علم الأحياء
- الكيمياء
- الأغذية والمستحضرات الصيدلانية
- التحليل
- المعالجة النووية
- تطبيقات التعدين
- إزالة الكبريت
- المركبات العضوية
- الكيمياء الجيولوجية
- التنقية
الاستخلاص سائل–سائل
العملية التقليدية: الاستخلاص سائل–سائل هو طريقة توزيع لاستخلاص المواد من طور سائل إلى طور سائل آخر، استنادًا إلى قابلية ذوبانها النسبية في الطورين السائلين المختلفين وغير القابلين للامتزاج. ويُحسّن استخدام الموجات فوق الصوتية معدل انتقال المادة المذابة بين الطورين من خلال العمليات عالية الأداء التالية: الخلط, الاستحلاب، و الإذابة!
الاستخلاص سائل–سائل تقنية فصل لعزل المكوّنات القيّمة وتركيزها من محلول مائي باستخدام مذيب عضوي. وغالبًا ما يُطبّق الاستخلاص سائل–سائل عندما تكون تقنيات الفصل الأخرى (مثل التقطير) غير فعالة. ويُستخدم الاستخلاص سائل–سائل في صناعات المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل (المركبات الفعالة والمكوّنات الصيدلانية الفعالة APIs والعطور)، وكذلك الصناعات الغذائية والزراعية، وفي الكيمياء العضوية وغير العضوية، وصناعة البتروكيماويات، واستخلاص الفلزات بالمحاليل المائية.
المشكلة: من المشكلات الشائعة عدم قابلية الأطوار السائلة للامتزاج (المذيب والمادة المخفِّفة غير قابلين للامتزاج)، مما يستلزم استخدام طريقة خلط مناسبة. ولأن الخلط المتجانس للطورين السائلين يعزز نقل الطور بين المادة المخفِّفة والمذيب، فإن استخدام طريقة موثوقة للتشتيت أو الاستحلاب أمر أساسي. وكلما كان المزيج أدق ومساحة التلامس بين الطورين أكبر، تحسّن انتقال المذيب من طور سائل إلى آخر. وغالبًا ما تفتقر عمليات الاستخلاص التقليدية إلى تعزيز انتقال الكتلة، فتكون عملية الاستخلاص بطيئة وغير مكتملة في كثير من الأحيان. ولتحسين الاستخلاص، تُستخدم غالبًا كميات مفرطة من المذيب، مما يجعل العملية مكلفة وملوِّثة للبيئة.
الحل: يتفوق الاستخلاص سائل–سائل بالموجات فوق الصوتية على تقنيات الاستخلاص سائل–سائل التقليدية من عدة جوانب:
تخلط الموجات فوق الصوتية عالية القدرة طورين سائلين أو أكثر معًا بسهولة وبصورة موثوقة. ويمكن بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية تقليص القطرات إلى أحجام نانوية، مما يتيح الحصول على مستحلبات دقيقة ونانوية ناعمة. وتعزز قوى التجويف المتولدة انتقال الكتلة بين الأطوار السائلة. وبما أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن إجراؤها في نظام مستمر ضمن خط التشغيل، يمكن التعامل مع أحجام كبيرة و سوائل عالية اللزوجة دون مشكلات.
كما يمكن تحسين الاستخلاص الدقيق، مثلًا للأغراض التحليلية، بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا (مثل الاستخلاص الدقيق القائم على السوائل الأيونية مع الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية).
فوائد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية:
تساعد القوى فوق الصوتية الشديدة – الناتجة عن موجات فوق صوتية منخفضة التردد/عالية القدرة – على
- إعادة تشكيل القطرات
- تجنب عوامل نقل المستحلبات أو المحفزات مزدوجة الألفة
- تجنب استخدام المنظفات أو المواد الخافضة للتوتر السطحي
- تجنب المحفزات مزدوجة الألفة أو المنظفات أو المواد الخافضة للتوتر السطحي
- توليد مستحلبات مضطربة وغير مستقرة دون طبقات من المواد الخافضة للتوتر السطحي
تُحسّن قوى التجويف والقوى الكيميائية الصوتية الاستخلاص التحفيزي للمركبات من المواد الصلبة.
تحسين الاستخلاص صلب–سائل بالموجات فوق الصوتية
يهدف الاستخلاص صلب–سائل، أو الاستخلاص بالطور الصلب (SPE)، إلى فصل المواد المراد تحليلها، التي تكون مذابة أو معلّقة في مزيج سائل، وعزلها من مصفوفة وفقًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية. ولذلك، تُستخلص المادة المعزولة بالإزاحة من المادة الماصّة بمساعدة مذيب مناسب. وتُسمّى المادة المستخلصة «elute».
تشمل تقنيات SPE التقليدية النقع والاستخلاص بسوكسلت والنضح والجمع بين الارتجاع والتقطير بالبخار، أو الخلط عالي السرعة/الاستخلاص التوربيني. ويُعد الاستخلاص صلب–سائل إجراءً شائعًا لفصل المركبات في علم الأحياء والكيمياء، وكذلك في صناعات الأغذية والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل. ويُعرف استخلاص الفلزات أيضًا بالنضّ.
المشكلة: تُعرف تقنيات SPE التقليدية بأنها تستغرق وقتًا طويلًا، وتتطلب كميات كبيرة نسبيًا من المذيبات التي تكون في معظمها خطرة على البيئة وملوِّثة لها. وقد تؤدي درجات حرارة المعالجة المرتفعة حتى إلى إتلاف المستخلصات الحساسة للحرارة.
الحل: يمكن عادة التغلب على المشكلات الشائعة لتقنيات SPE التقليدية باستخدام الاستخلاص صلب–سائل بمساعدة الموجات فوق الصوتية. فبما أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية توفر توزيعًا دقيقًا للمواد الصلبة في طور المذيب، تتاح مساحة بينية أكبر، مما يُحسّن انتقال كتلة المادة المستهدفة إلى المذيب. ويؤدي ذلك إلى استخلاص أسرع وأكثر اكتمالًا مع تقليل استخدام المذيب أو الاستغناء عنه تمامًا (باستخدام الماء بوصفه الطور السائل بدلًا منه). وباستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، يمكن إجراء الاستخلاص بالطور الصلب بكفاءة أعلى وتكلفة أقل وبصورة أكثر مراعاة للبيئة. ونظرًا لتقليل استخدام المذيبات الملوِّثة أو الخطرة أو تجنبها، يمكن اعتبار الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عملية خضراء صديقة للبيئة. ومن الناحية الاقتصادية، تنخفض تكاليف العملية نتيجة توفير الطاقة والمذيب والوقت.
الاستخلاص بالمذيبات بالموجات فوق الصوتية
في الاستخلاص بالمذيبات، يُستخدم مذيب (مثل مذيب عضوي) لإذابة مركّب وفصله عن سائل آخر (مثل طور مائي). وبوجه عام، تذوب المواد المذابة الأكثر قطبية في المذيب الأكثر قطبية، والمواد المذابة الأقل قطبية في المذيب الأقل قطبية. وباستخدام الاستخلاص بالمذيبات، يمكن فصل الثيوفينات المؤكسدة (السلفوكسيدات والسلفونات) عن طور زيتي باستخدام الأسيتونتريل أو مذيبات قطبية أخرى. ويُستخدم الاستخلاص بالمذيبات أيضًا لاستخلاص مواد، مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم أو الثوريوم، من المحاليل الحمضية إلى المركّب الفوسفاتي العضوي فوسفات ثلاثي-n-بيوتيل (عملية PUREX).
قلّل استخدامك للمذيبات: يقلل استخدام الموجات فوق الصوتية استهلاك المذيبات في العملية إلى أدنى حد، ويُحسّن تحميل المنتج في المذيب. كما يؤدي إلى استخلاص أسرع وأكثر اكتمالًا.
انقر هنا لقراءة المزيد عن إزالة الكبريت التأكسدية بمساعدة الموجات فوق الصوتية!
الاستخلاص بسوكسلت بمساعدة الموجات فوق الصوتية
الاستخلاص بسوكسلت تقنية استخلاص صلب–سائل تُستخدم كثيرًا في مختبرات التخليق والتحليل. ويُطبّق الاستخلاص بسوكسلت أساسًا عندما تكون قابلية ذوبان مادة ما في مذيب محدودة، وتكون الشوائب غير قابلة للذوبان في ذلك المذيب.
يمكن الجمع بين الموجات فوق الصوتية والاستخلاص بسوكسلت بنجاح كبير، مما يؤدي إلى زيادة المردود وتقليل زمن الاستخلاص.
يُرجى النقر هنا لمعرفة المزيد عن الاستخلاص بسوكسلت بمساعدة الموجات فوق الصوتية!
الاستخلاص في المصهورات باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
يمكن إجراء عمليات الاستخلاص سائل–سائل في مخاليط يكون فيها أحد الطورين السائلين أو كلاهما مصهورًا، مثل الأملاح المنصهرة أو الفلزات المنصهرة، مثل الزئبق. وتتيح المعالجة القوية بالموجات فوق الصوتية ضمن خط التشغيل في مفاعلات خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية معالجة حتى السوائل عالية اللزوجة، مثل المصهورات.
النضّ بمساعدة الموجات فوق الصوتية
يشير النضّ إلى استخدام الأحماض أو المذيبات أو الماء الساخن لإذابة مادة مذابة بصورة انتقائية من مادة حاملة صلبة وخاملة وغير قابلة للذوبان. وغالبًا ما يُستخدم النضّ في التعدين لاستخلاص الفلزات من الخامات.
فوائد النضّ بالموجات فوق الصوتية:
- غسل الفتحات الصغيرة في المواد المسامية
- التغلب على انتقائية الأغشية
- تحطيم المواد الصلبة وفصل طبقاتها وتفكيك تكتلاتها
- إزالة الطبقات الخاملة
- إزالة طبقات الأكسيد
- تبليل كامل سطح المادة، ولا سيما عند استخدام السوائل ذات التوتر السطحي المرتفع
- الترقق بالقص
انقر هنا لمعرفة المزيد عن النضّ بالموجات فوق الصوتية!
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لأي حجم إنتاج
المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نطاق المختبر والأجهزة المنضدية والإنتاج: صُممت جميع أجهزة Hielscher بالموجات فوق الصوتية للعمل لمدة 24h/7d، ويمكن حتى للمجانسات المختبرية بالموجات فوق الصوتية معالجة أحجام كبيرة، سواء في نمط الدفعات أو نمط التدفق عبر الجهاز. وصُممت أجهزة المعالجة المنضدية والصناعية بالموجات فوق الصوتية وصُنعت وفق معايير صناعية، بحيث يمكن معالجة أحجام كبيرة ومواد عالية اللزوجة دون مشكلات – حتى في الظروف الصعبة مثل الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة (مثلًا بالاقتران مع CO2 فوق الحرج، ولعمليات البثق، وغيرها). وتستطيع أجهزة Hielscher المتينة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية التعامل مع المذيبات والسوائل الكاشطة والمواد الأكّالة. وتتيح الملحقات المناسبة تكييف نظام الموجات فوق الصوتية على نحو أمثل مع متطلبات عملية الاستخلاص. وللتركيب في البيئات الخطرة، تتوفر أنظمة موجات فوق صوتية مقاومة للانفجار مصنّفة وفق ATEX أو FM.
وبذلك، تتيح أجهزة Hielscher المتينة والقوية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية والمجموعة الواسعة من الملحقات معالجة مواد مثل الماء الساخن/السوائل الساخنة، والأحماض، ومصهورات الفلزات، ومصهورات الأملاح، والمذيبات (مثل الميثانول والهكسان؛ والمذيبات العضوية والقطبية مثل الأسيتونتريل) بالموجات فوق الصوتية.
مخطط انسيابي: مراحل الاستخلاص بنقل الطور بالموجات فوق الصوتية
المؤلفات / المراجع
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Ultrasound-assisted pretreatment of solid samples in the context of green analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 31, 2012. 50-60.
- Shayegan, Z.; Razzaghi, M.; Niaei, A.; Salari, D.; Tabar, M.T.S.; Akbari, A.N. (2013): Sulfur removal of gas oil using ultrasound-assisted catalytic oxidative process and study of its optimum conditions. Korean J. Chem. Eng., 30(9), 2013. 1751-1759.
- Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
حقائق جديرة بالمعرفة
غالبًا ما يُشار إلى معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بمصطلحات مثل المعالجة الصوتية، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية، والتصويت، والتعريض للصوت، والتشعيع بالموجات فوق الصوتية، أو تطبيق المجالات الصوتية. وتصف جميع هذه المصطلحات اقتران موجات فوق صوتية عالية القدرة بوسط سائل لتحقيق العمليات التالية بالموجات فوق الصوتية:
- الخلط والمزج,
- التجانس,
- الاستحلاب,
- التشتيت & تفكيك التكتلات,
- تقليل حجم الجسيمات (الطحن والسحق)،
- الإذابة,
- الإماهة والتبليل،
- التحلل الخلوي & تفكيك الخلايا,
- الاستخلاص,
- تجانس الأنسجة,
- التفتيت,
- إزالة الغازات وإزالة الرغوة,
- الترقق بالقص و
- التفاعل الكيميائي الصوتي.
نظرًا إلى أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تقنية معالجة متعددة الاستخدامات، تُعرف أجهزة الموجات فوق الصوتية بمصطلحات متنوعة، مثل جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية ذي مسبار، وجهاز تحليل خلوي صوتي، وجهاز تفكيك بالموجات فوق الصوتية، وطاحونة بالموجات فوق الصوتية، وجهاز تمزيق صوتي، وجهاز تصويت، وجهاز تفتيت صوتي، وجهاز تفكيك الخلايا، وجهاز تشتيت أو إذابة بالموجات فوق الصوتية.