Ultrazvučno potpomognuta katalitička ekstrakcija

Hielscher ultrazvučni reaktori koriste se u mnogim industrijama za potporu i poboljšanje katalitičke ekstrakcijske obrade (CEP) ili tzv. ekstrakcije prijenosom faza (PTE). Katalitička ekstrakcija obuhvata heterogeni sistem nemješljivih faza, kao što je tečno-tečno ili tečno-čvrsto. Ultrazvučne visoke smične i kavitacijske sile znatno poboljšavaju brzinu otapanja otopljenih tvari, što dovodi do brže i potpunije ekstrakcije. Osim toga, ovaj efekat može se iskoristiti za smanjenje količine upotrijebljenog otapala ili kiseline. Kao dokazana tehnika, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija sve se više koristi zbog rastuće potražnje za ekološki prihvatljivim tehnikama ekstrakcije sa skraćenim vremenom ekstrakcije i smanjenom potrošnjom organskih otapala.

Katalitička ekstrakcija/ekstrakcija prijenosom faza – osnove

Pojam „katalitička ekstrakcijska obrada (CEP) ili ekstrakcija prijenosom faza (PTE)“ opisuje tečno-tečnu ili čvrsto-tečnu raspodjelu kada je naglasak na ekstrakciji i uklanjanju analita. Stoga se tečni ili čvrsti diluent mora dispergovati/emulgovati u otapalo (tečnu fazu). Pojmom „ekstraktant“ opisuje se samo aktivna tvar u otapalu (tj. homogena „organska faza“ koja sadrži ekstraktant, diluent i/ili modifikator) koja je prvenstveno odgovorna za prijenos otopljene tvari iz „vodene“ u „organsku“ fazu. [IUPAC]. Ciljna tvar koja se ekstrahuje naziva se ekstrakt.
Tradicionalne metode ekstrakcije, kao što su soxhletova ekstrakcija, maceracija, mikrotalasna ekstrakcija, perkolacija, ekstrakcija pod refluksom i destilacija vodenom parom ili turbo-ekstrakcija, često su spore i neefikasne i/ili zahtijevaju veliku količinu opasnih otapala, što rezultira skupim procesom koji oduzima mnogo vremena i štetan je za okoliš.
Ultrazvuk je dokazana alternativa konvencionalnim metodama ekstrakcije koja omogućava bržu i potpuniju ekstrakciju uz manje opasnih otapala ili bez njih! Ultrazvuk je snažna tehnika za zelenu, ekološki prihvatljivu obradu.

Princip ultrazvučno potpomognute katalitičke ekstrakcije

Za ekstrakciju tvari nemješljive faze moraju se pomiješati kako bi se tvar koja se ekstrahuje mogla otopiti iz noseće faze u fazu otapala. Najčešće se ekstrakcije prijenosom faza izvode iz disperzne faze u kontinuiranu fazu, što znači da se kapljice i čestice moraju homogeno dispergovati u otapalu.
Snažan ultrazvuk je dobro poznata tehnologija miješanja i ekstrakcije koja ima nekoliko pozitivnih efekata na proces ekstrakcije:

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:

• razbijanje graničnih slojeva
• savladavanje van der Waalsovih sila
• premještanje nezasićene tečnosti na kontaktnu površinu
• smanjenje ili uklanjanje potrebe za agensima za prijenos
• smanjenje vremena, temperature i/ili koncentracije
• manji višak u odnosu na volumen potreban za potpunu zasićenost
• manji volumen koji treba rafinisati (npr. destilacijom, isparavanjem, sušenjem)
• bez kontinuirano miješanih reaktora (CSR)
• ušteda energije
• bez šaržne obrade, nego inline obrada
• upotreba manje kiselog ili jeftinijeg otapala
• izbjegavanje otapala, umjesto toga upotreba vodenog medija
• obrada visokih koncentracija čvrstih tvari ili suspenzija visokog viskoziteta
• zelena obrada: ekološki prihvatljiva
• upotreba organskih kiselina, kao što su jabučna kiselina ili limunska kiselina
• izbjegavanje višestepenih procesa ekstrakcije

Tečno-tečna ekstrakcija

Konvencionalni proces: Tečno-tečna ekstrakcija je metoda raspodjele za ekstrakciju tvari iz jedne tečne faze u drugu tečnu fazu na osnovu relativne rastvorljivosti tvari u dvjema različitim nemješljivim tečnim fazama. Primjena ultrazvuka poboljšava brzinu kojom se otopljena tvar prenosi između dviju faza visokoučinkovitim miješanjem, emulgovanjem i otapanjem!
Tečno-tečna ekstrakcija je tehnika razdvajanja za izdvajanje i koncentrisanje vrijednih komponenata iz vodene otopine pomoću organskog otapala. Tečno-tečna ekstrakcija često se primjenjuje kada su druge tehnike razdvajanja (npr. destilacija) neučinkovite. Tečno-tečna ekstrakcija koristi se u farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji (aktivna jedinjenja, API, mirisne tvari), kao i u prehrambenoj i poljoprivrednoj industriji, za organsku i anorgansku hemiju, u petrohemijskoj industriji i hidrometalurgiji.

Problem: Čest problem je nemješljivost tečnih faza (otapalo i diluent su nemješljivi), pa je potrebna odgovarajuća metoda miješanja. Budući da ravnomjerno miješanje obje tečne faze potiče prijenos faza između diluenta i otapala, pouzdana metoda dispergovanja ili emulgovanja je presudna. Što je smjesa finija i što je veća kontaktna površina između obje faze, to se bolje otapalo može prenijeti iz jedne tečne faze u drugu tečnu fazu. Konvencionalni procesi ekstrakcije uglavnom ne potiču dovoljno prijenos mase, pa je proces ekstrakcije spor i često nepotpun. Da bi se ekstrakcija poboljšala, često se koriste prekomjerne količine otapala, što proces čini skupim i štetnim za okoliš.

 
Rješenje: Ultrazvučna tečno-tečna ekstrakcija nadmašuje tradicionalne tehnike tečno-tečne ekstrakcije u više tačaka:
Snažan ultrazvuk pouzdano i jednostavno miješa dvije ili više tečnih faza. Ultrazvučnom obradom kapljice se mogu smanjiti na nanoveličinu, tako da se dobivaju fine mikro- i nanoemulzije. Pritom stvorene kavitacijske sile potiču prijenos mase između tečnih faza. Budući da se ultrazvučna obrada može provoditi u kontinuiranom inline sistemu, veliki volumeni i tečnosti visokog viskoziteta mogu se obrađivati bez problema.
Osim toga, ultrazvučnom obradom može se poboljšati i mikroekstrakcija, npr. u analitičke svrhe (npr. mikroekstrakcija na bazi jonskih tečnosti uz ultrazvučno emulgovanje).

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:
Snažne ultrazvučne sile – koje stvara ultrazvuk niske frekvencije i velike snage – pomažu da se

• kapljice preoblikuju
• izbjegnu agensi za prijenos emulzije ili amfifilni katalizatori
• izbjegne upotreba deterdženata ili surfaktanata
• izbjegnu amfifilni katalizatori, deterdženti ili surfaktanti
• stvore turbulentne nestabilne emulzije bez slojeva surfaktanta

Čvrsto-tečna ekstrakcija poboljšana ultrazvukom

Cilj čvrsto-tečne ekstrakcije ili ekstrakcije na čvrstoj fazi (SPE) je razdvojiti analite koji su otopljeni ili suspendovani u tečnoj smjesi i izolovati ih iz matriksa prema njihovim fizičkim i hemijskim svojstvima. Pritom se izolat eluira iz sorbensa uz pomoć odgovarajućeg otapala. Ekstrahovana tvar naziva se elute.
Konvencionalne SPE tehnike su maceracija, soxhletova ekstrakcija, perkolacija, kombinacija refluksa i destilacije vodenom parom ili brzo miješanje/turbo-ekstrakcija. Čvrsto-tečna ekstrakcija uobičajen je postupak za razdvajanje jedinjenja u biologiji, hemiji, kao i u prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji. Ekstrakcija metala poznata je i kao luženje.
Problem: Konvencionalne SPE tehnike poznate su kao dugotrajne i zahtijevaju relativno velike količine otapala koja su uglavnom opasna za okoliš i zagađuju ga. Visoke procesne temperature čak mogu dovesti do uništenja termički osjetljivih ekstrakata.
Rješenje: Ultrazvučno potpomognutom čvrsto-tečnom ekstrakcijom uobičajeni problemi tradicionalne SPE obično se mogu savladati. Budući da ultrazvučna obrada osigurava finu raspodjelu čvrstih tvari u fazi otapala, na raspolaganju je veća međufazna granica, pa se prijenos mase ciljne tvari u otapalo poboljšava. To rezultira bržom i potpunijom ekstrakcijom, dok se upotreba otapala smanjuje ili potpuno izbjegava (umjesto toga se kao tečna faza koristi voda). Primjenom snažnog ultrazvuka ekstrakcija na čvrstoj fazi može se provoditi efikasnije, ekonomičnije i ekološki prihvatljivije. Zbog smanjenja ili izbjegavanja zagađujućih ili opasnih otapala ultrazvučna ekstrakcija može se smatrati ekološki prihvatljivim zelenim procesom. Ekonomski gledano, troškovi procesa smanjuju se zbog uštede energije, otapala i vremena.

Ultrazvučna ekstrakcija otapalom

Kod ekstrakcije otapalom otapalo (npr. organsko otapalo) koristi se za otapanje i izdvajanje jedinjenja iz druge tečnosti (npr. vodene faze). Općenito se polarnije otopljene tvari otapaju u polarnijem otapalu, a manje polarne otopljene tvari u manje polarnom otapalu. Ekstrakcijom otapalom moguće je izdvojiti oksidirane tiofene (sulfokside, sulfone) iz uljne faze pomoću acetonitrila ili drugih polarnih otapala. Ekstrakcija otapalom koristi se i za ekstrakciju materijala, kao što su uranij, plutonij ili torij, iz kiselih otopina u organofosfat tri-n-butil fosfat (PUREX proces).
Smanjite upotrebu otapala: Primjena ultrazvuka svodi upotrebu otapala u procesu na najmanju mjeru i optimizira opterećenje otapala proizvodom. Također dovodi do brže i potpunije ekstrakcije.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučno potpomognutoj oksidativnoj desulfurizaciji!

Ultrazvučno potpomognuta soxhletova ekstrakcija

Soxhletova ekstrakcija je tehnika čvrsto-tečne ekstrakcije koja se često koristi u sintetskim i analitičkim laboratorijima. Soxhletova ekstrakcija uglavnom se primjenjuje kada tvar ima samo ograničenu rastvorljivost u otapalu, a nečistoća je u tom otapalu nerastvorljiva.
Ultrazvuk se vrlo uspješno može kombinovati sa soxhletovom ekstrakcijom, što rezultira povećanim prinosima i kraćim vremenom ekstrakcije.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučno potpomognutoj soxhletovoj ekstrakciji!

Ekstrakcija u talinama primjenom ultrazvučne obrade

Tečno-tečne ekstrakcije mogu se provoditi u smjesama u kojima su jedna ili obje tečne faze taline, kao što su rastopljene soli ili rastopljeni metali, poput žive. Snažna inline ultrazvučna obrada u ultrazvučnim reaktorima s protočnom ćelijom omogućava obradu čak i tečnosti visokog viskoziteta, kao što su taline.

Ultrazvučno potpomognuto luženje

Luženje opisuje upotrebu kiselina, otapala ili tople vode za selektivno otapanje otopljene tvari iz inertnog nerastvorljivog čvrstog nosača. Luženje se često koristi u rudarstvu za ekstrakciju metala iz ruda.
Prednosti ultrazvučnog luženja:

• ispiranje malih otvora poroznih materijala
• savladavanje selektivnosti membrana
• razaranje čvrstih tvari, delaminacija i deaglomeracija čvrstih tvari
• uklanjanje pasivnih slojeva
• uklanjanje oksidnih slojeva
• vlaženje cijele površine materijala, posebno kod tečnosti visoke površinske napetosti
• smično razrjeđivanje

Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnom luženju!

Hielscher sonikatori za bilo koji proizvodni volumen

Ultrazvučna obrada u laboratorijskom, stolnom i proizvodnom mjerilu: Svi ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher izrađeni su za rad 24h/7d, a čak i laboratorijski ultrazvučni homogenizatori mogu obrađivati znatne volumene, bilo u šaržnom ili protočnom načinu rada. Stolni i industrijski ultrazvučni uređaji projektovani su i izrađeni u industrijskoj izvedbi, tako da se veliki volumeni i visoki viskoziteti mogu obrađivati bez problema – čak i u zahtjevnim uvjetima, kao što su visoki pritisci i visoke temperature (npr. u kombinaciji sa superkritičnim CO2, za procese ekstruzije itd.). Robusni ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher sposobni su obrađivati otapala, abrazivne tečnosti i korozivne tvari. Odgovarajući pribor omogućava optimalno prilagođavanje ultrazvučnog sistema zahtjevima procesa ekstrakcije. Za ugradnju u opasnim okruženjima dostupni su ATEX ili FM certificirani ultrazvučni sistemi zaštićeni od eksplozije. Hielscher robusni i snažni sonikatori i širok asortiman pribora omogućavaju ultrazvučnu obradu materijala kao što su topla voda/tečnosti, kiseline, metalne taline, solne taline, otapala (npr. metanol, heksan; organska, polarna otapala, npr. acetonitril).

Dijagram toka: faze ultrazvučne ekstrakcije prijenosom faza