Ultraschallunterstützte katalytische Extraktion

Die Ultraschallreaktoren von Hielscher werden in vielen Branchen eingesetzt, um katalytische Extraktionsverfahren (CEP), auch als Phasentransferextraktion (PTE) bezeichnet, zu unterstützen und zu verbessern. Bei der katalytischen Extraktion kommt ein heterogenes System nicht mischbarer Phasen zum Einsatz, beispielsweise Flüssig-Flüssig oder Flüssig-Fest. Die durch Ultraschall erzeugten hohen Scherkräfte und Kavitationskräfte erhöhen die Auflösungsgeschwindigkeit gelöster Stoffe erheblich und führen dadurch zu einer schnelleren und vollständigeren Extraktion. Darüber hinaus lässt sich dieser Effekt nutzen, um die eingesetzte Lösungsmittel- oder Säuremenge zu reduzieren. Als bewährtes Verfahren wird die ultraschallunterstützte Extraktion zunehmend eingesetzt, da die Nachfrage nach umweltfreundlichen Extraktionsverfahren mit kürzeren Extraktionszeiten und geringerem Verbrauch organischer Lösungsmittel wächst.

Katalytische Extraktion/Phasentransferextraktion – Grundlagen

Der Begriff „katalytisches Extraktionsverfahren (CEP)“ oder „Phasentransferextraktion (PTE)“ beschreibt die Flüssig-Flüssig- oder Fest-Flüssig-Verteilung, wenn die Extraktion und Abtrennung von Analyten im Mittelpunkt steht. Dazu muss das flüssige oder feste Verdünnungsmittel im Lösungsmittel (flüssige Phase) dispergiert bzw. emulgiert werden. Der Begriff „Extraktionsmittel“ bezeichnet ausschließlich die aktive Substanz im Lösungsmittel (d. h. in der homogenen „organischen Phase“, die das Extraktionsmittel, das Verdünnungsmittel und/oder den Modifikator enthält), die hauptsächlich für den Übergang des gelösten Stoffes von der „wässrigen“ in die „organische“ Phase verantwortlich ist. [IUPAC]. Der extrahierte Zielstoff wird als Extrakt bezeichnet.
Herkömmliche Extraktionsverfahren wie Soxhlet-Extraktion, Mazeration, Mikrowellenextraktion, Perkolation, Extraktion unter Rückfluss und Wasserdampfdestillation oder Turboextraktion sind häufig langsam und ineffizient und/oder erfordern große Mengen gefährlicher Lösungsmittel. Dies führt zu einem kostenintensiven, zeitaufwendigen und umweltschädlichen Prozess.
Ultraschall ist eine bewährte Alternative zu herkömmlichen Extraktionsverfahren und ermöglicht eine schnellere und vollständigere Extraktion mit weniger oder ganz ohne gefährliche Lösungsmittel! Ultraschall ist ein leistungsfähiges Verfahren für eine umweltfreundliche Verarbeitung.

Prinzip der ultraschallunterstützten katalytischen Extraktion

Zur Extraktion eines Stoffes müssen die nicht mischbaren Phasen so vermischt werden, dass der zu extrahierende Stoff aus der Trägerphase herausgelöst und in die Lösungsmittelphase überführt werden kann. Phasentransferextraktionen erfolgen meist aus einer dispersen Phase in eine kontinuierliche Phase. Das bedeutet, dass Tröpfchen und Partikel homogen im Lösungsmittel dispergiert werden müssen.
Leistungsultraschall ist eine etablierte Misch- und Extraktionstechnologie, die mehrere positive Auswirkungen auf den Extraktionsprozess hat:

Vorteile der Ultraschallextraktion:

• Grenzschichten aufbrechen
• Van-der-Waals-Kräfte überwinden
• Ungesättigte Flüssigkeit zur Kontaktfläche transportieren
• Den Bedarf an Transfermitteln reduzieren oder beseitigen
• Zeit, Temperatur und/oder Konzentration reduzieren
• Geringerer Überschuss gegenüber dem für die vollständige Sättigung erforderlichen Volumen
• Geringeres aufzubereitendes Volumen (z. B. durch Destillation, Verdampfung oder Trocknung)
• Keine kontinuierlich gerührten Reaktoren (CSR)
• Energie sparen
• Inline-Verarbeitung statt Chargenverarbeitung
• Weniger saure oder kostengünstigere Lösungsmittel verwenden
• Lösungsmittel vermeiden und stattdessen wässrige Medien verwenden
• Hohe Feststoffkonzentrationen oder hochviskose Suspensionen verarbeiten
• Grüne Verarbeitung: umweltfreundlich
• Organische Säuren wie Äpfelsäure oder Zitronensäure verwenden
• Mehrstufige Extraktionsprozesse vermeiden

Flüssig-Flüssig-Extraktion

Herkömmliches Verfahren: Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein Verteilungsverfahren, bei dem Stoffe aus einer flüssigen Phase in eine andere flüssige Phase extrahiert werden. Es beruht auf den relativen Löslichkeiten der Stoffe in den beiden unterschiedlichen, nicht mischbaren Flüssigphasen. Der Einsatz von Ultraschall erhöht die Geschwindigkeit, mit der der gelöste Stoff zwischen den beiden Phasen übertragen wird, durch leistungsfähiges Mischen, Emulgieren und Auflösen!
Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein Trennverfahren, mit dem wertvolle Bestandteile aus einer wässrigen Lösung mithilfe eines organischen Lösungsmittels isoliert und konzentriert werden. Sie wird häufig eingesetzt, wenn andere Trennverfahren (z. B. Destillation) unwirksam sind. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion wird in der Pharma- und Kosmetikindustrie (aktive Verbindungen, pharmazeutische Wirkstoffe, Duftstoffe) sowie in der Lebensmittel- und Agrarindustrie, in der organischen und anorganischen Chemie, in der petrochemischen Industrie und in der Hydrometallurgie eingesetzt.

Problem: Ein häufiges Problem ist die fehlende Mischbarkeit der Flüssigphasen (Lösungsmittel und Verdünnungsmittel sind nicht mischbar), sodass ein geeignetes Mischverfahren erforderlich ist. Da eine gleichmäßige Durchmischung beider Flüssigphasen den Phasentransfer zwischen Verdünnungsmittel und Lösungsmittel fördert, ist ein zuverlässiges Dispergier- oder Emulgierverfahren entscheidend. Je feiner die Mischung und je größer die Kontaktfläche zwischen beiden Phasen ist, desto leichter kann das Lösungsmittel von einer Flüssigphase in die andere übergehen. Herkömmliche Extraktionsverfahren fördern den Stofftransport meist nur unzureichend, sodass die Extraktion langsam und häufig unvollständig ist. Zur Verbesserung der Extraktion werden oft übermäßige Lösungsmittelmengen eingesetzt, was den Prozess teuer und umweltbelastend macht.
 

 
Lösung: Die ultraschallunterstützte Flüssig-Flüssig-Extraktion übertrifft herkömmliche Verfahren der Flüssig-Flüssig-Extraktion in mehreren Punkten:
Leistungsultraschall vermischt zwei oder mehr Flüssigphasen zuverlässig und einfach miteinander. Durch Ultraschallbehandlung können Tröpfchen auf Nanogröße verkleinert werden, sodass feine Mikro- und Nanoemulsionen entstehen. Die dabei erzeugten Kavitationskräfte fördern den Stofftransport zwischen den Flüssigphasen. Da die Beschallung in einem kontinuierlichen Inline-System erfolgen kann, können große Volumina und hochviskose Flüssigkeiten problemlos verarbeitet werden.
Auch die Mikroextraktion, beispielsweise für analytische Zwecke, lässt sich durch Beschallung verbessern (z. B. Mikroextraktion auf Basis ionischer Flüssigkeiten mit Ultraschallemulgierung).

Vorteile der Ultraschallextraktion:
Starke Ultraschallkräfte – erzeugt durch niederfrequenten Ultraschall mit hoher Leistung – helfen dabei,

• Tröpfchen umzuformen
• Emulsionstransfermittel oder amphiphile Katalysatoren zu vermeiden
• Den Einsatz von Detergenzien oder Tensiden zu vermeiden
• Amphiphile Katalysatoren, Detergenzien oder Tenside zu vermeiden
• Turbulente, instabile Emulsionen ohne Tensidschichten zu erzeugen

Durch Ultraschall verbesserte Fest-Flüssig-Extraktion

Ziel der Fest-Flüssig-Extraktion oder Festphasenextraktion (SPE) ist es, Analyten, die in einem flüssigen Gemisch gelöst oder suspendiert sind, abzutrennen und anhand ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften aus einer Matrix zu isolieren. Dazu wird das Isolat mithilfe eines geeigneten Lösungsmittels vom Sorbens eluiert. Die extrahierte Substanz wird als Eluat bezeichnet.
Herkömmliche SPE-Verfahren sind Mazeration, Soxhlet-Extraktion, Perkolation, die Kombination aus Rückfluss und Wasserdampfdestillation oder Hochgeschwindigkeitsmischen/Turboextraktion. Die Fest-Flüssig-Extraktion ist ein gängiges Verfahren zur Abtrennung von Verbindungen in der Biologie und Chemie sowie in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie. Die Extraktion von Metallen wird auch als Laugung bezeichnet.
Problem: Herkömmliche SPE-Verfahren gelten als zeitaufwendig und erfordern relativ große Mengen an Lösungsmitteln, die überwiegend umweltgefährdend und umweltbelastend sind. Hohe Prozesstemperaturen können sogar zur Zerstörung temperaturempfindlicher Extrakte führen.
Lösung: Mit einer ultraschallunterstützten Fest-Flüssig-Extraktion lassen sich die üblichen Probleme herkömmlicher SPE-Verfahren in der Regel überwinden. Da die Beschallung eine feine Verteilung der Feststoffe in der Lösungsmittelphase bewirkt, steht eine größere Phasengrenzfläche zur Verfügung, wodurch der Stofftransport des Zielstoffes in das Lösungsmittel verbessert wird. Dies führt zu einer schnelleren und vollständigeren Extraktion, während der Lösungsmittelverbrauch reduziert oder vollständig vermieden wird (stattdessen wird Wasser als Flüssigphase verwendet). Durch den Einsatz von Leistungsultraschall lässt sich die Festphasenextraktion effizienter, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher durchführen. Durch die Reduzierung oder Vermeidung umweltbelastender oder gefährlicher Lösungsmittel kann die Ultraschallextraktion als umweltfreundlicher grüner Prozess angesehen werden. Aus wirtschaftlicher Sicht sinken die Prozesskosten durch Einsparungen bei Energie, Lösungsmitteln und Zeit.

Lösungsmittelextraktion mit Ultraschall

Bei der Lösungsmittelextraktion wird ein Lösungsmittel (z. B. ein organisches Lösungsmittel) verwendet, um eine Verbindung aus einer anderen Flüssigkeit (z. B. einer wässrigen Phase) zu lösen und abzutrennen. Im Allgemeinen lösen sich stärker polare Stoffe im stärker polaren Lösungsmittel und weniger polare Stoffe im weniger polaren Lösungsmittel. Mithilfe der Lösungsmittelextraktion lassen sich oxidierte Thiophene (Sulfoxide, Sulfone) mit Acetonitril oder anderen polaren Lösungsmitteln aus einer Ölphase abtrennen. Die Lösungsmittelextraktion wird auch eingesetzt, um Stoffe wie Uran, Plutonium oder Thorium aus sauren Lösungen in das Organophosphat Tri-n-butylphosphat zu extrahieren (PUREX-Verfahren).
Reduzieren Sie Ihren Lösungsmittelverbrauch: Der Einsatz von Ultraschall minimiert den Lösungsmittelverbrauch im Prozess und optimiert die Produktbeladung des Lösungsmittels. Außerdem führt er zu einer schnelleren und vollständigeren Extraktion.
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Ultraschallunterstützte Soxhlet-Extraktion

Die Soxhlet-Extraktion ist ein Fest-Flüssig-Extraktionsverfahren, das häufig in Synthese- und Analytiklaboren eingesetzt wird. Sie wird hauptsächlich angewendet, wenn ein Stoff in einem Lösungsmittel nur begrenzt löslich ist und die Verunreinigung in diesem Lösungsmittel unlöslich ist.
Ultraschall lässt sich sehr erfolgreich mit der Soxhlet-Extraktion kombinieren, wodurch höhere Ausbeuten und kürzere Extraktionszeiten erzielt werden.
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Extraktion in Schmelzen mittels Beschallung

Flüssig-Flüssig-Extraktionen können in Gemischen durchgeführt werden, in denen eine oder beide Flüssigphasen Schmelzen sind, beispielsweise geschmolzene Salze oder geschmolzene Metalle wie Quecksilber. Eine leistungsstarke Inline-Beschallung in Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren ermöglicht die Verarbeitung selbst hochviskoser Flüssigkeiten wie Schmelzen.

Ultraschallunterstützte Laugung

Laugung bezeichnet den Einsatz von Säuren, Lösungsmitteln oder heißem Wasser, um einen Stoff selektiv aus einem inerten, unlöslichen festen Träger herauszulösen. Die Laugung wird häufig im Bergbau eingesetzt, um Metalle aus Erzen zu extrahieren.
Vorteile der Ultraschalllaugung:

• Kleine Öffnungen poröser Materialien ausspülen
• Selektivitäten von Membranen überwinden
• Feststoffe zerstören, delaminieren und deagglomerieren
• Passivschichten entfernen
• Oxidschichten entfernen
• Die gesamte Materialoberfläche benetzen, insbesondere bei Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung
• Scherverdünnung

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Ultraschallgeräte von Hielscher für jedes Produktionsvolumen

Beschallung im Labor-, Tisch- und Produktionsmaßstab: Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den Betrieb über 24h/7d ausgelegt. Selbst die Ultraschallhomogenisatoren für das Labor können beträchtliche Volumina im Chargen- oder Durchflussbetrieb verarbeiten. Die Tisch- und Industrieultraschallgeräte werden nach industriellen Standards entwickelt und gebaut, sodass große Volumina und hohe Viskositäten problemlos verarbeitet werden können – auch unter anspruchsvollen Bedingungen wie hohen Drücken und hohen Temperaturen (z. B. in Kombination mit überkritischem CO2, für Extrusionsprozesse usw.). Die robusten Ultraschallgeräte von Hielscher können Lösungsmittel, abrasive Flüssigkeiten und korrosive Medien verarbeiten. Geeignetes Zubehör ermöglicht es, das Ultraschallsystem optimal an die Anforderungen des Extraktionsprozesses anzupassen. Für die Installation in explosionsgefährdeten Umgebungen sind nach ATEX oder FM zertifizierte explosionsgeschützte Ultraschallsysteme verfügbar.
Die robusten und leistungsstarken Ultraschallgeräte von Hielscher sowie das umfangreiche Zubehör ermöglichen somit die Beschallung von Materialien wie heißem Wasser bzw. heißen Flüssigkeiten, Säuren, Metallschmelzen, Salzschmelzen und Lösungsmitteln (z. B. Methanol, Hexan; organische, polare Lösungsmittel wie Acetonitril).

Flussdiagramm: Stufen der ultraschallunterstützten Phasentransferextraktion