Ultralydsassisteret katalytisk ekstraktion

Hielscher ultralydsreaktorer anvendes i mange industrier til at understøtte og forbedre katalytisk ekstraktionsbehandling (CEP) eller såkaldt faseoverførselsekstraktion (PTE). Katalytisk ekstraktion involverer et heterogent system af ikke-blandbare faser, såsom væske-væske eller væske-faststof. De høje forskydningskræfter og kavitationskræfter fra ultralyd øger opløsningshastigheden for opløste stoffer betydeligt, hvilket fører til hurtigere og mere fuldstændig ekstraktion. Derudover kan denne effekt anvendes til at reducere den anvendte mængde opløsningsmiddel eller syre. Som en dokumenteret teknik anvendes ultralydsassisteret ekstraktion i stigende grad på grund af en voksende efterspørgsel efter miljøvenlige ekstraktionsteknikker med kortere ekstraktionstid og reduceret forbrug af organiske opløsningsmidler.

Katalytisk ekstraktion/faseoverførselsekstraktion – grundprincipper

Betegnelsen “katalytisk ekstraktionsbehandling (CEP) eller faseoverførselsekstraktion (PTE)” beskriver væske-væske- eller faststof-væske-fordelingen, når fokus er på ekstraktion og fjernelse af analytter. Derfor skal det flydende eller faste fortyndingsmiddel dispergeres/emulgeres i opløsningsmidlet (væskefasen). Betegnelsen “ekstraktionsmiddel” beskriver kun det aktive stof i opløsningsmidlet (dvs. den homogene ‘organiske fase’, som omfatter ekstraktionsmidlet, fortyndingsmidlet og/eller modifikatoren), som primært er ansvarligt for overførslen af det opløste stof fra den ‘vandige’ til den ‘organiske’ fase. [IUPAC]. Det målstof, der ekstraheres, betegnes ekstrakt.
Traditionelle ekstraktionsmetoder såsom Soxhlet-ekstraktion, maceration, mikrobølger, perkolation, ekstraktion under tilbagesvaling og dampdestillation eller turboekstraktion er ofte langsomme og ineffektive og/eller kræver store mængder farlige opløsningsmidler, hvilket resulterer i en omkostningskrævende og tidskrævende proces, der er skadelig for miljøet.
Ultralyd er et dokumenteret alternativ til konventionelle ekstraktionsmetoder og giver hurtigere og mere fuldstændig ekstraktion med færre eller ingen farlige opløsningsmidler! Ultralyd er en effektiv teknik til grøn, miljøvenlig behandling.

Princippet bag ultralydsassisteret katalytisk ekstraktion

Ved ekstraktion af et stof skal de ikke-blandbare faser blandes, så det stof, der skal ekstraheres, kan opløses fra bærerfasen til opløsningsmiddelfasen. Faseoverførselsekstraktion udføres oftest fra en dispers fase til en kontinuert fase, hvilket betyder, at dråber og partikler skal dispergeres homogent i opløsningsmidlet.
Højintensiv ultralyd er en velkendt blandings- og ekstraktionsteknologi, som har flere positive virkninger på ekstraktionsprocessen:

Fordele ved ultralydsekstraktion:

• bryd grænselag
• overvind van der Waals-kræfter
• før umættet væske hen til kontaktfladen
• reducer eller eliminer behovet for overførselsmidler
• reducer tid, temperatur og/eller koncentration
• mindre overskud i forhold til det volumen, der kræves for fuld mætning
• mindre volumen, der skal raffineres (f.eks. ved destillation, fordampning, tørring)
• ingen kontinuerligt omrørte reaktorer (CSR)
• spar energi
• ingen batchbehandling, men inlinebehandling
• brug et mindre surt eller billigere opløsningsmiddel
• undgå opløsningsmidler, brug et vandigt medium i stedet
• behandl høje faststofkoncentrationer eller suspensioner med høj viskositet
• grøn behandling: miljøvenlig
• brug organiske syrer, såsom æblesyre eller citronsyre
• undgå ekstraktionsprocesser med flere trin

Væske-væske-ekstraktion

Konventionel proces: Væske-væske-ekstraktion er en fordelingsmetode til at ekstrahere stoffer fra én væskefase til en anden væskefase baseret på stoffernes relative opløselighed i de to forskellige ikke-blandbare væskefaser. Anvendelsen af ultralyd øger den hastighed, hvormed det opløste stof overføres mellem de to faser, gennem højeffektiv blanding, emulgering og opløsning!
Væske-væske-ekstraktion er en separationsteknik til at isolere og koncentrere værdifulde komponenter fra en vandig opløsning ved hjælp af et organisk opløsningsmiddel. Væske-væske-ekstraktion anvendes ofte, når andre separationsteknikker (f.eks. destillation) er ineffektive. Væske-væske-ekstraktion anvendes i lægemiddel- og kosmetikindustrien (aktive forbindelser, API’er, duftstoffer) samt i fødevareindustrien og landbruget, inden for organisk og uorganisk kemi, i den petrokemiske industri og inden for hydrometallurgi.

Problem: Et almindeligt problem er, at væskefaserne ikke er blandbare (opløsningsmiddel og fortyndingsmiddel er ikke blandbare), hvilket kræver en passende blandingsmetode. Da en ensartet blanding af begge væskefaser fremmer faseoverførslen mellem fortyndingsmiddel og opløsningsmiddel, er en pålidelig dispergerings- eller emulgeringsmetode afgørende. Jo finere blandingen er, og jo større kontaktarealet mellem begge faser er, desto bedre kan opløsningsmidlet bevæge sig fra den ene væskefase til den anden. Konventionelle ekstraktionsprocesser fremmer som regel ikke masseoverførslen tilstrækkeligt, så ekstraktionsprocessen er langsom og ofte ufuldstændig. For at forbedre ekstraktionen anvendes der ofte for store mængder opløsningsmiddel, hvilket gør processen dyr og miljøforurenende.
 

 
Løsning: Ultralydsbaseret væske-væske-ekstraktion overgår traditionelle væske-væske-ekstraktionsteknikker på flere punkter:
Højintensiv ultralyd blander to eller flere væskefaser pålideligt og nemt. Ved sonikering kan dråber reduceres til nanostørrelse, så der opnås fine mikro- og nanoemulsioner . Dermed fremmer de genererede kavitationskræfter masseoverførslen mellem væskefaserne. Da sonikering kan udføres i et kontinuerligt inlinesystem, kan store volumener og meget viskøse væsker håndteres uden problemer.
Også mikroekstraktion, f.eks. til analytiske formål, kan forbedres ved sonikering (f.eks. mikroekstraktion baseret på ioniske væsker med ultralydsemulgering).

Fordele ved ultralydsekstraktion:
Kraftige ultralydskræfter – genereret af lavfrekvent ultralyd med høj effekt – hjælper med at

• ændre dråbers form
• undgå emulsionsoverførselsmidler eller amfifile katalysatorer
• undgå brug af detergenter eller overfladeaktive stoffer
• undgå amfifile katalysatorer, detergenter eller overfladeaktive stoffer
• generere turbulente, ustabile emulsioner uden lag af overfladeaktive stoffer

Faststof-væske-ekstraktion forbedret med ultralyd

Målet med faststof-væske-ekstraktion eller fastfaseekstraktion (SPE) er at separere analytter, der er opløst eller suspenderet i en væskeblanding, og isolere dem fra en matrix i henhold til deres fysiske og kemiske egenskaber. Derfor elueres isolatet fra sorbenten ved hjælp af et passende opløsningsmiddel. Det ekstraherede stof kaldes “elute”.
Konventionelle SPE-teknikker omfatter maceration, Soxhlet-ekstraktion, perkolation, en kombination af tilbagesvaling og dampdestillation eller højhastighedsblanding/turboekstraktion. Faststof-væske-ekstraktion er en almindelig procedure til at separere forbindelser inden for biologi og kemi samt i fødevare-, lægemiddel- og kosmetikindustrien. Ekstraktion af metaller kaldes også udludning.
Problem: Konventionelle SPE-teknikker er kendt for at være tidskrævende og kræver relativt store mængder opløsningsmidler, der for det meste er miljøfarlige og forurenende. Høje procestemperaturer kan endda føre til ødelæggelse af varmefølsomme ekstrakter.
Løsning: Med ultralydsassisteret faststof-væske-ekstraktion kan de almindelige problemer ved traditionel SPE normalt overvindes. Da sonikering giver en fin fordeling af de faste stoffer i opløsningsmiddelfasen, er der et større grænsefladeareal til rådighed, så masseoverførslen af målstoffet til opløsningsmidlet forbedres. Dette resulterer i hurtigere og mere fuldstændig ekstraktion, mens brugen af opløsningsmiddel reduceres eller helt undgås (brug vand som væskefase i stedet). Ved anvendelse af højintensiv ultralyd kan fastfaseekstraktionen udføres mere effektivt, økonomisk og miljøvenligt. På grund af reduktionen eller undgåelsen af forurenende eller farlige opløsningsmidler kan ultralydsekstraktion betragtes som en miljøvenlig grøn proces. Økonomisk reduceres procesomkostningerne gennem besparelser på energi, opløsningsmiddel og tid.

Ultralydsbaseret opløsningsmiddelekstraktion

Ved opløsningsmiddelekstraktion anvendes et opløsningsmiddel (f.eks. et organisk opløsningsmiddel) til at opløse og separere en forbindelse fra en anden væske (f.eks. en vandig fase). Generelt opløses de mere polære stoffer i det mere polære opløsningsmiddel og de mindre polære stoffer i det mindre polære opløsningsmiddel. Ved hjælp af opløsningsmiddelekstraktion er det muligt at separere oxiderede thiophener (sulfoxider, sulfoner) fra en oliefase ved hjælp af acetonitril eller andre polære opløsningsmidler. Opløsningsmiddelekstraktion anvendes også til at ekstrahere materialer såsom uran, plutonium eller thorium fra sure opløsninger til organofosfatet tri-n-butylfosfat (PUREX-processen).
Reducer dit forbrug af opløsningsmiddel: Anvendelsen af ultralyd minimerer brugen af opløsningsmidler i processen og optimerer produktindholdet i opløsningsmidlet. Det fører også til hurtigere og mere fuldstændig ekstraktion.
Klik her for at læse mere om ultralydsassisteret oxidativ afsvovling!

Ultralydsassisteret Soxhlet-ekstraktion

Soxhlet-ekstraktion er en faststof-væske-ekstraktionsteknik, der ofte anvendes i syntetiske og analytiske laboratorier. Soxhlet-ekstraktion anvendes primært, når et stof kun har begrænset opløselighed i et opløsningsmiddel, og urenheden er uopløselig i dette opløsningsmiddel.
Ultralyd kan med stor succes kombineres med Soxhlet-ekstraktion, hvilket giver øgede udbytter og kortere ekstraktionstid.
Klik her for at lære mere om ultralydsassisteret Soxhlet-ekstraktion!

Ekstraktion i smelter ved hjælp af sonikering

Væske-væske-ekstraktion kan udføres i blandinger, hvor enten den ene eller begge væskefaser er smelter, såsom smeltede salte eller smeltede metaller, såsom kviksølv. Kraftig inlinesonikering i ultralydsreaktorer med gennemstrømningsceller muliggør behandling af selv væsker med høj viskositet såsom smelter.

Ultralydsassisteret udludning

Udludning beskriver anvendelsen af syrer, opløsningsmidler eller varmt vand til selektivt at opløse et opløseligt stof fra en inert, uopløselig fast bærer. Udludning anvendes ofte i minedrift til at ekstrahere metaller fra malme.
Fordele ved ultralydsbaseret udludning:

• udvask små åbninger i porøse materialer
• overvind membraners selektivitet
• nedbryd faste stoffer, delaminer og deagglomerer faste stoffer
• fjern passive lag
• fjernelse af oxidlag
• befugt hele materialets overflade, især ved væsker med høj overfladespænding
• forskydningsfortynding

Klik her for at lære mere om ultralydsbaseret udludning!

Hielscher sonikatorer til ethvert produktionsvolumen

Sonikering i laboratorie-, bordapparat- og produktionsskala: Alle Hielscher ultralydsapparater er bygget til at køre 24h/7d, og selv ultralydshomogenisatorerne til laboratorier kan behandle betydelige volumener enten i batch- eller gennemstrømningstilstand. Ultralydsapparaterne til bordopstilling og industri er designet og bygget i industriel kvalitet, så store volumener og høje viskositeter kan behandles uden problemer – selv under krævende forhold såsom høje tryk og høje temperaturer (f.eks. i kombination med superkritisk CO2, til ekstruderingsprocesser osv.). Hielschers robuste ultralydsapparater kan håndtere opløsningsmidler, abrasive væsker og ætsende stoffer. Egnet tilbehør gør det muligt at tilpasse ultralydssystemet optimalt til ekstraktionsprocessens krav. Til installation i farlige miljøer fås ATEX- eller FM-klassificerede eksplosionssikre ultralydssystemer .
Dermed gør Hielschers robuste og kraftige sonikatorer og det brede udvalg af tilbehør det muligt at sonikere materialer såsom varmt vand/varme væsker, syrer, metalsmelter, saltsmelter og opløsningsmidler (f.eks. methanol, hexan; organiske, polære opløsningsmidler, f.eks. acetonitril).

Flowdiagram: Trin i ultralydsbaseret faseoverførselsekstraktion