Ultrazvukem podporovaná katalytická extrakce

Ultrazvukové reaktory Hielscher se používají v mnoha průmyslových odvětvích k podpoře a zlepšení katalytického extrakčního zpracování (CEP) neboli tzv. extrakce s fázovým přenosem (PTE). Katalytická extrakce zahrnuje heterogenní systém nemísitelných fází, jako je kapalina–kapalina nebo kapalina–pevná látka. Ultrazvukové vysoké smykové síly a kavitační síly výrazně zvyšují rychlost rozpouštění rozpuštěných látek, což vede k rychlejší a úplnější extrakci. Tento efekt lze navíc využít ke snížení množství použitého rozpouštědla nebo kyseliny. Jako osvědčená technika se ultrazvukem podporovaná extrakce používá stále častěji díky rostoucí poptávce po ekologických extrakčních technikách se zkrácenou dobou extrakce a sníženou spotřebou organických rozpouštědel.

Katalytická extrakce/extrakce s fázovým přenosem – základy

Termín „katalytické extrakční zpracování (CEP) neboli extrakce s fázovým přenosem (PTE)“ popisuje distribuci kapalina–kapalina nebo pevná látka–kapalina v případech, kdy je důraz kladen na extrakci a odstranění analytů. Proto musí být kapalné nebo pevné ředidlo dispergováno/emulgováno do rozpouštědla (kapalné fáze). Termínem „extrakční činidlo“ se označuje pouze účinná látka v rozpouštědle (tj. homogenní „organická fáze“, která zahrnuje extrakční činidlo, ředidlo a/nebo modifikátor), jež je primárně zodpovědná za přenos rozpuštěné látky z „vodné“ do „organické“ fáze. [IUPAC]. Cílová látka, která je extrahována, se nazývá extrakt.
Tradiční extrakční metody, jako je Soxhletova extrakce, macerace, mikrovlnná extrakce, perkolace, extrakce pod zpětným chladičem a destilace s vodní parou nebo turboextrakce, jsou často pomalé a neefektivní a/nebo vyžadují velké množství nebezpečných rozpouštědel, což vede k nákladnému a časově náročnému procesu, který škodí životnímu prostředí.
Ultrazvuk je osvědčenou alternativou ke konvenčním extrakčním metodám, která zajišťuje rychlejší a úplnější extrakci s menším množstvím nebezpečných rozpouštědel nebo zcela bez nich! Ultrazvuk je účinná technika pro zelené zpracování šetrné k životnímu prostředí.

Princip ultrazvukem podporované katalytické extrakce

Při extrakci látky je nutné nemísitelné fáze promíchat tak, aby se extrahovaná látka mohla rozpustit z nosné fáze do fáze rozpouštědla. Extrakce s fázovým přenosem se nejčastěji provádějí z disperzní fáze do kontinuální fáze, což znamená, že kapičky a částice musí být v rozpouštědle homogenně dispergovány.
Výkonový ultrazvuk je známá technologie míchání a extrakce, která má na extrakční proces několik pozitivních účinků:

Výhody ultrazvukové extrakce:

• rozrušit hraniční vrstvy
• překonat van der Waalsovy síly
• přivést nenasycenou kapalinu ke kontaktnímu povrchu
• snížit nebo eliminovat potřebu přenosových činidel
• snížit čas, teplotu a/nebo koncentraci
• menší přebytek v porovnání s objemem potřebným pro úplné nasycení
• menší objem k rafinaci (např. destilací, odpařováním, sušením)
• žádné kontinuálně míchané reaktory (CSR)
• ušetřit energii
• žádné vsádkové, ale inline zpracování
• použít méně kyselé nebo levnější rozpouštědlo
• vyhnout se rozpouštědlům a místo nich použít vodné prostředí
• zpracovat vysoké koncentrace pevných látek nebo suspenze s vysokou viskozitou
• zelené zpracování: šetrné k životnímu prostředí
• použít organické kyseliny, jako je kyselina jablečná nebo kyselina citronová
• vyhnout se vícestupňovým extrakčním procesům

Extrakce kapalina–kapalina

Konvenční proces: Extrakce kapalina–kapalina je separační metoda založená na rozdělování, při níž se látky extrahují z jedné kapalné fáze do jiné kapalné fáze na základě jejich relativní rozpustnosti ve dvou různých nemísitelných kapalných fázích. Použití ultrazvuku zvyšuje rychlost, s jakou se rozpuštěná látka přenáší mezi oběma fázemi, díky vysoce účinnému míchání, emulgaci a rozpouštění!
Extrakce kapalina–kapalina je separační technika k izolaci a zakoncentrování cenných složek z vodného roztoku pomocí organického rozpouštědla. Extrakce kapalina–kapalina se často používá tam, kde jsou jiné separační techniky (např. destilace) neúčinné. Extrakce kapalina–kapalina se uplatňuje ve farmaceutickém a kosmetickém průmyslu (účinné látky, API, vonné látky), stejně jako v potravinářském a zemědělském průmyslu, v organické a anorganické chemii, petrochemickém průmyslu a hydrometalurgii.

Problém: Běžným problémem je nemísitelnost kapalných fází (rozpouštědlo a ředidlo jsou nemísitelné), takže je zapotřebí vhodná metoda míchání. Jelikož rovnoměrné promíchání obou kapalných fází podporuje fázový přenos mezi ředidlem a rozpouštědlem, je spolehlivá metoda dispergace nebo emulgace zásadní. Čím jemnější je směs a čím větší je kontaktní plocha mezi oběma fázemi, tím lépe může rozpouštědlo přecházet z jedné kapalné fáze do druhé kapalné fáze. Konvenčním extrakčním procesům většinou chybí podpora přenosu hmoty, takže extrakční proces je pomalý a často neúplný. Ke zlepšení extrakce se často používá nadměrné množství rozpouštědla, což proces prodražuje a znečišťuje životní prostředí.

 
Řešení: Ultrazvuková extrakce kapalina–kapalina předčí tradiční techniky extrakce kapalina–kapalina v několika ohledech:
Výkonový ultrazvuk spolehlivě a snadno smíchá dvě nebo více kapalných fází. Sonikací lze kapičky zmenšit až na nanometrickou velikost, takže se získají jemné mikro- a nanoemulze a generované kavitační síly přitom podporují přenos hmoty mezi kapalnými fázemi. Jelikož lze sonikaci provozovat v kontinuálním inline systému, lze velké objemy a vysoce viskózní kapaliny bez problémů zpracovávat.
Sonikací lze však zlepšit i mikroextrakci, např. pro analytické účely (např. mikroextrakci na bázi iontových kapalin s ultrazvukovou emulgací).

Výhody ultrazvukové extrakce:
Výkonné ultrazvukové síly – generované nízkofrekvenčním/vysoce výkonným ultrazvukem – pomáhají

• přetvářet kapičky
• vyhnout se činidlům pro přenos emulzí nebo amfifilním katalyzátorům
• vyhnout se použití detergentů nebo povrchově aktivních látek
• vyhnout se amfifilním katalyzátorům, detergentům nebo povrchově aktivním látkám
• vytvářet turbulentní nestabilní emulze bez vrstev povrchově aktivních látek

Extrakce pevná látka–kapalina zlepšená ultrazvukem

Cílem extrakce pevná látka–kapalina neboli extrakce na pevné fázi (SPE) je oddělit analyty, které jsou rozpuštěny nebo suspendovány v kapalné směsi, a izolovat je z matrice podle jejich fyzikálních a chemických vlastností. Izolát se proto eluuje ze sorbentu pomocí vhodného rozpouštědla. Extrahovaná látka se nazývá „elute“.
Konvenčními technikami SPE jsou macerace, Soxhletova extrakce, perkolace, kombinace refluxu a destilace s vodní parou nebo vysokorychlostní míchání/turboextrakce. Extrakce pevná látka–kapalina je běžný postup k separaci sloučenin v biologii, chemii a také v potravinářském, farmaceutickém a kosmetickém průmyslu. Extrakce kovů je známá také jako loužení.
Problém: Konvenční techniky SPE jsou známé jako časově náročné a vyžadují relativně velká množství rozpouštědel, která jsou většinou nebezpečná pro životní prostředí a znečišťující. Vysoké procesní teploty mohou dokonce vést ke zničení tepelně citlivých extraktů.
Řešení: Pomocí ultrazvukem podporované extrakce pevná látka–kapalina lze běžné problémy tradiční SPE zpravidla překonat. Jelikož sonikace zajišťuje jemnou distribuci pevných látek ve fázi rozpouštědla, je k dispozici větší mezifázové rozhraní, takže se zlepšuje přenos hmoty cílové látky do rozpouštědla. To vede k rychlejší a úplnější extrakci, přičemž se spotřeba rozpouštědla snižuje nebo se mu lze zcela vyhnout (místo toho lze jako kapalnou fázi použít vodu). Použitím výkonového ultrazvuku lze extrakci na pevné fázi provádět efektivněji, ekonomičtěji a šetrněji k životnímu prostředí. Díky snížení nebo vyloučení znečišťujících či nebezpečných rozpouštědel lze ultrazvukovou extrakci považovat za ekologický zelený proces. Z ekonomického hlediska se procesní náklady snižují díky úsporám energie, rozpouštědla a času.

Ultrazvuková extrakce rozpouštědlem

V případě extrakce rozpouštědlem se rozpouštědlo (např. organické rozpouštědlo) používá k rozpuštění a oddělení sloučeniny z jiné kapaliny (např. vodné fáze). Obecně se polárnější rozpuštěné látky rozpouštějí v polárnějším rozpouštědle a méně polární rozpuštěné látky v méně polárním rozpouštědle. Pomocí extrakce rozpouštědlem je možné oddělit oxidované thiofeny (sulfoxidy, sulfony) z olejové fáze pomocí acetonitrilu nebo jiných polárních rozpouštědel. Extrakce rozpouštědlem se používá také k extrakci materiálů, jako je uran, plutonium nebo thorium, z kyselých roztoků do organofosfátu tri-n-butylfosfátu (proces PUREX).
Snižte spotřebu rozpouštědel: Použití ultrazvuku minimalizuje spotřebu rozpouštědel v procesu a optimalizuje zatížení rozpouštědla produktem. Vede také k rychlejší a úplnější extrakci.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem podporovaném oxidačním odsiřování!

Ultrazvukem podporovaná Soxhletova extrakce

Soxhletova extrakce je technika extrakce pevná látka–kapalina často používaná v syntetických a analytických laboratořích. Soxhletova extrakce se uplatňuje především tehdy, když má látka v rozpouštědle pouze omezenou rozpustnost a nečistota je v tomto rozpouštědle nerozpustná.
Ultrazvuk lze velmi úspěšně kombinovat se Soxhletovou extrakcí, což vede ke zvýšeným výtěžkům a kratší době extrakce.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukem podporované Soxhletově extrakci!

Extrakce v taveninách pomocí sonikace

Extrakce kapalina–kapalina lze provádět ve směsích, kde jedna nebo obě kapalné fáze jsou taveniny, jako jsou roztavené soli nebo roztavené kovy, např. rtuť. Výkonná inline sonikace v reaktorech s ultrazvukovou průtokovou celou umožňuje zpracovávat i kapaliny s vysokou viskozitou, jako jsou taveniny.

Ultrazvukem podporované loužení

Loužení označuje použití kyselin, rozpouštědel nebo horké vody k selektivnímu rozpuštění rozpustné látky z inertního nerozpustného pevného nosiče. Loužení se často používá v hornictví k extrakci kovů z rud.
Výhody ultrazvukového loužení:

• promývat malé otvory porézních materiálů
• překonat selektivitu membrán
• rozrušovat pevné látky, delaminovat a deaglomerovat pevné látky
• odstraňovat pasivní vrstvy
• odstraňování oxidových vrstev
• smáčet celý povrch materiálu, zejména u kapalin s vysokým povrchovým napětím
• smykové ztenčování

Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukovém loužení!

Sonikátory Hielscher pro jakýkoli objem výroby

Sonikace v laboratorním, stolním a výrobním měřítku: Všechna ultrazvuková zařízení Hielscher jsou konstruována pro provoz 24h/7d; i laboratorní ultrazvukové homogenizátory dokážou zpracovat značné objemy, a to buď vsádkově, nebo v průtokovém režimu. Stolní a průmyslové ultrazvukové přístroje jsou navrženy a vyrobeny v průmyslové kvalitě, takže lze bez problémů zpracovávat velké objemy a vysoké viskozity – i za náročných podmínek, jako jsou vysoké tlaky a vysoké teploty (např. v kombinaci se superkritickým CO2, pro extruzní procesy atd.). Robustní ultrazvukové přístroje Hielscher si poradí s rozpouštědly, abrazivními kapalinami i korozivními látkami. Vhodné příslušenství umožňuje optimálně přizpůsobit ultrazvukový systém požadavkům extrakčního procesu. Pro instalaci v prostředí s nebezpečím výbuchu jsou k dispozici ultrazvukové systémy v nevýbušném provedení s certifikací ATEX nebo FM.
Robustní a výkonné sonikátory Hielscher a široká nabídka příslušenství tak umožňují sonikovat materiály, jako jsou horká voda/kapaliny, kyseliny, kovové taveniny, solné taveniny, rozpouštědla (např. methanol, hexan; organická, polární rozpouštědla, např. acetonitril).

Vývojový diagram: Stupně ultrazvukové extrakce s fázovým přenosem