Ultraschall-gestützte Phasen-Transfer-Extraktion

Hielscher Ultraschallreaktoren werden in vielen Branchen eingesetzt, um die katalytische Extraktion (catalytic extraction processing - CEP) bzw. die sogenannte Phasentransfer-Extraktion (PTE) zu unterstützen und verbessern. Die katalytische Extraktion basiert auf einem heterogenen nicht-mischbarem Zwei- oder Mehr-Phasen-System, z.B. einem Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Feststoff-System. Die hohen Scherkräfte sowie die Kavitation, die beim Eintrag von Hochleistungs-Ultraschall in Flüssigkeiten entstehen, verbessern das Lösen von Analyten erheblich und führen damit zu eine schnelleren und vollständigeren Extraktion. Zusätzlich erlaubt Ultraschall oftmals einen verringerten Einsatz an Lösungsmitteln oder Säuren. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Extraktionstechniken mit verkürzter Extraktionszeit und reduziertem organischen Lösungsmittelverbrauch, wird die ultraschall-gestützte Extraktion zunehmend als "green chemistry"-Verfahren eingesetzt.

Katalytische Extraktion/Phasentransfer-Extraktion – Grundlagen

Der Begriff „Katalytische Extraktionsverfahren (CEP) oder Phasentransferextraktion (PTE) beschreiben die Flüssig-Flüssig- oder Fest-Flüssig-Verteilung, wenn die Extraktion und Entfernung von Analyten im Mittelpunkt steht. Dazu muss das flüssige oder feste Verdünnungsmittel in das Lösungsmittel (flüssige Phase) dispergiert/emulgiert werden. Mit dem Begriff „Extraktionsmittel“ nur der Wirkstoff im Lösungsmittel beschrieben wird (d. h. die homogene ‚organische Phase‘ die das Extraktionsmittel, das Verdünnungsmittel und/oder das Modifizierungsmittel umfasst), das in erster Linie für den Transfer der gelösten Stoffe aus dem ‚wässrige‘ bis zu ‚Bio‘ Phase" zuständig ist. [IUPAC]. Die Substanz, die extrahiert wird, ist das sogenannte Extrakt.
Traditionelle Extraktionsmethoden wie Soxhlet-Extraktion, Mazeration, Mikrowelle, Filtration, Extraktion mittels Reflux und Dampf-Destillation oder Turbo-Extraktion sind oft langsam und ineffizient und/oder erfordern ein hohes Maß an gefährlichen Lösungsmitteln, wodurch kostenintensive und zeitaufwändige Prozesse entstehen, welche sehr umweltschädlich sind.
Ultraschall ist eine bewährte Alternative zu den konventionellen Extraktionsmethoden und bietet eine schnellere und vollständigere Extraktion mit weniger oder vollständig ohne gefährliche Lösungsmittel! Ultraschall ist eine leistungsfähige Technik für eine grüne, umwelt-freundliche Verarbeitung.

Prinzip der ultraschallgestützten Phasen-Transfer-Extraktion

Um eine bestimmte Substanz zu extrahieren, müssen die nicht-mischbarer Phasen vermischt werden, so dass die Substanz aus der Trägerphase gelöst werden kann und anschließend in der Lösungsmittel-Phase vorliegt. Am häufigsten werden bei der Phasentransfer-Extraktionen Substanzen aus einer dispersen Phase in eine kontinuierliche Phase extrahiert, d.h. Tröpfchen bzw. Partikel müssen homogen in das Lösungsmittel dispergiert werden.
Leistungs-Ultraschall ist eine bekannte Misch- und Extraktions-Technologie, die verschiedene positive Effekte auf den Extraktionsprozess hat:

Vorteile der Ultraschall-Extraktion:

• Grenzschichten werden aufgebrochen
• Van-der-Waals-Kräfte werden überwunden
• ungesättigte Flüssigkeit wird an die Kontaktfläche transportiert
• reduzierter Einsatz oder vollständiger Verzicht auf Transfer-Substanzen
• Prozesseffizienz: Zeitersparnis, niedrigere Temperaturen, niedrigere Solvent-Konzentration
• weniger Überschuss für vollständige Sättigung
• weniger Volumen, das raffiniert werden muss (z.B. durch Destillation, Verdampfung, Trocknung)
• keine kontinuierlich-gerührten Reaktoren (CSR)
• Energie-Effizienz: Stromeinsparung
• kein Batch-Prozess, sondern Inline-Verarbeitung
• Verwenden Sie weniger saure oder billigere Lösungsmittel!
• Vermeiden Sie Lösemittel und verwenden Sie stattdessen wässrige Lösungen
• Verarbeiten Sie hohe Feststoffkonzentrationen und hochviskose Slurries!
• Green Chemistry: umweltfreundlich
• Verwenden Sie organische Säuren wie Apfel- oder Zitronensäure
• Vermeiden Sie mehrstufige Extraktionsprozesse!

Flüssig-Flüssig-Extraktion

Konventionelle Verfahren: Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein Trennverfahren, bei dem eine Substanz aus einer flüssigen Phase in eine andere flüssige Phase extrahiert wird. Die Extraktion basierend auf relativen Löslichkeit der Substanz in den zwei verschiedenen nicht-mischbaren Flüssig-Phasen. Mittels Ultraschall wird der Phasen-Transfer verbessert, da durch ultraschall-gestütztes Mischen, Emulgieren und Lösen!
Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine Trennungstechnik, mittels deren wertvolle Bestandteile aus einer wässrigen Lösung mit einem organischen Lösemittel isoliert und konzentriert werden. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion wird häufig angewendet, wenn andere Trennverfahren (z.B. Destillation) nicht effektiv sind. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion wird häufig in der Pharma- und & Kosmetikindustrie ( für aktive Verbindungen, APIs, Düfte), sowie in der Lebensmittel- und Agrarindustrie, in der organischen und anorganischen Chemie, der Petrochemie und der Hydrometallurgie eingesetzt.

Problem: Ein häufiges Problem ist die Nicht-Mischbarkeit der flüssigen Phasen (d.h. Lösemittel und Verdünnungsmittel sind nicht mischbar), so dass ein effektives Mischverfahren notwendig ist. Da eine gleichmäßige und feine Durchmischung der beiden Flüssig-Phasen den Phasen-Transfer zwischen Extraktionsstoff und Lösungsmittel fördert, ist eine zuverlässige Dispersions- oder Emulsionstechnik von entscheidender Bedeutung. Je feiner die Mischung und je höher die Kontaktfläche zwischen den beiden Phasen ist, desto besser die zu extrahierende Substanz von einer flüssigen Phase in die andere flüssige Phase übergehen. Konventionelle Extraktionsprozesse haben meist nur einen schwachen Stoffaustausch, so dass die Extraktion langsam und oftmals nur unvollständig abläuft. Um die Extraktionsrate zu verbessern, werden deshalb oft große Mengen an Lösemittel verwendet, wodurch der Prozess teuer und ökologisch schädlich wird.
 

 
Lösung: Die ultraschall-gestützte Flüssig-Flüssig-Extraktion ist in mehreren Punkten deutlich besser als die traditionellen Flüssig-Flüssig-Extraktionstechniken:
Leistungs-Ultraschall mischt zwei oder mehrere flüssige Phasen zuverlässig und problemlos. Mittels Ultraschall können die Tröpfchen auf Nanogrößen reduziert werden, so dass feine Mikro- und Nano-Emulsionen entstehen. Die ultraschall-generierten Kavitationskräfte Kräfte unterstützen den Stoffaustausch zwischen den beiden flüssigen Phasen. Da Ultraschallprozesse in einem kontinuierlichen Inline-System ausgeführt werden können, große Volumenströme und hochviskose Flüssigkeiten problemlos beschallt werden.
Aber auch die Mikro-Extraktion, z.B. für analytische Zwecke, lässt sich mittels Ultraschall verbessern (z.B. die auf ionischer Flüssigkeit basierende Mikro-Extraktion durch Ultraschall-Emulgierung).

Vorteile der Ultraschall-Extraktion:
Leistungsstarke Ultraschalkräfte – erzeugt durch Niederfrequenz-/ Hochleistungs-Ultraschall – trägt dazu bei,

• Tröpfchen umzuformen
• Emulsions-Transfer-Agenzien oder amphiphile Katalysatoren zu vermeiden
• Detergenzien oder Tenside zu vermeiden
• amphiphile Katalysatoren, Detergenzien oder Tenside zu vermeiden
• turbulente unstabile Emulsionen ohne Tensid-Schichten zu generieren

Verbesserte Fest-Flüssig-Extraktion durch Ultraschall

Ziel der Fest-Flüssig-Extraktion bzw. Festphasen-Extraktion (solid-phase extraction - SPE) ist es, Analyten, die gelöst oder in einer flüssigen Mischung vorliegen, zu trennen und diese entsprechend ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften aus einer Matrix zu isolieren. Daher wird das Isolat vom Sorbens mit Hilfe eines geeigneten Lösemittels herausgelöst.
zu den konventionellen SPE-Techniken zählen die Mazeration, Soxhlet-Extraktion, Verdampfung, die Kombination von Reflux und Dampf-Destillation oder High-Speed-Mixing-/ Turbo-Extraktion. Die Fest-Flüssig-Extraktion ist ein gängiges Verfahren zum Trennen von Verbindungen in Biologie, Chemie, wie auch in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie. Für die Metallextraktion wird der Begriff "Auslaugung" verwendet.
Problem: Die konventionellen SPE-Techniken sind zeitaufwändig und erfordern relativ große Mengen an Lösemitteln, die größtenteils ökologisch gefährlich und umweltschädlich sind. Hohe Prozesstemperaturen können sogar zur Zerstörung von temperaturempfindlichen Extrakten führen.
Lösung: Mit der ultraschallgestützten Fest-Flüssig-Extraktion können die herkömmlichen Probleme der traditionellen SPE normalerweise überwunden werden. Da Ultraschall die Feststoffe in der Solvent-Phase sehr fein verteilt, steht eine größere Grenzfläche zur Verfügung, so dass der Stofftransfer der Ziel-Substanz in das Lösungsmittel verbessert wird. Das Ergebnis ist eine schnellere und vollständigere Extraktion, während der Lösemittelverbrauch reduziert oder komplett vermieden werden kann (indem Wasser anstelle eines Lösemittels die flüssige Phase bildet). Durch die Anwendung von Ultraschall kann die Festphasen-Extraktion effektiver, effizienter sowie umweltfreundlich durchgeführt werden. Durch die Reduzierung bzw. Vermeidung von gefährlichen Lösungsmitteln ist die Ultraschall-Extraktion eine ökologische Alternative und kann als Green Processbezeichnet werden. Wirtschaftlich betrachtet sinken die Prozesskosten durch die Einsparung von Energie, Lösemittel und Zeit.

Ultraschallextraktion mit Lösungsmitteln

Im Falle einer Lösemittelextraktion dient ein Lösungsmittel (z.B. ein organisches Lösemittel) dazu, um eine Verbindung aus einer anderen Flüssigkeit (z.B. einer wässrige Phase) zu lösen und zu trennen. Im Allgemeinen lösen sich polare Analyte in polaren Lösungsmitteln und weniger polare Analyte in weniger polaren Lösungsmitteln. Mittels der Lösemittelextraktion ist es möglich, oxidierte Thiophene (Sulfoxide, Sulfone) aus einer Ölphase mit Acetonitril oder anderen polaren Lösungsmitteln zu trennen. Die Lösemittelextraktion dient auch zum Extrahieren von Materialien wie Uran, Plutonium oder Thorium aus sauren Lösungen in phosphororganische Tri-n-Butyl-Phosphat (PUREX-Prozess).
Reduzieren Sie Ihren Lösemittel-Verbrauch: Mittels Ultraschall kann der Verbrauch von Lösungsmitteln im Prozess minimiert werden und die Extraktkonzentration im Lösemittel kann deutlich optimiert werden. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf die Extraktion aus, wodurch diese eine schneller und vollständiger abläuft.
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Ultraschall-unterstützte Soxhlet-Extraktion

Die Soxhlet-Extraktion ist eine Fest-Flüssig-Extraktionstechnik, die häufig in synthetischen und analytischen Labors eingesetzt wird. Die Soxhlet-Extraktion wird vor allem dann angewandt, wenn ein Stoff nur begrenzt in einem Lösungsmittel löslich ist und die Verunreinigung in diesem Lösungsmittel unlöslich ist.
Ultraschall kann sehr erfolgreich mit der Soxhlet-Extraktion kombiniert werden, was zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt.
Bitte klicken Sie hier, um mehr über die ultraschallunterstützte Soxhlet-Extraktion zu erfahren!

Extraktion in Schmelzen durch Sonikation

Flüssig-Flüssig-Extraktionen können in Gemischen durchgeführt werden, bei denen entweder eine oder beide flüssigen Phasen Schmelzen sind, z. B. geschmolzene Salze oder geschmolzene Metalle wie Quecksilber. Leistungsstarke Inline-Beschallung in Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren ermöglicht die Verarbeitung selbst von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität wie Schmelzen.

Ultraschall-unterstützte Auslaugung

Unter Auslaugung bzw. chemischer Laugung versteht man das selektive Herauslösen einer Substanz aus einem inerten unlöslichen Feststoff unter Verwendung von Säuren, Lösemitteln oder heißem Wasser. Das Verfahren der Auslaugung wird hauptsächlich im Bergbau eingesetzt, um Metalle aus Erzen zu extrahieren.
Vorteile der Ultraschall-Auslaugung:

• Auswaschung selbst aus kleinen Öffnungen in porösen Materialien
• Membranselektivitäten überwinden
• Feststoffe werden zerstört, abgelöst und desagglomeriert
• passive Schichten werden entfernt
• Oxidschichten werden entfernt
• Stoffoberflächen werden komplett benetzt - auch bei hochviskosen Flüssigkeiten
• Scherverdünnung

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Hielscher Sonicators für jedes Produktionsvolumen

Beschallung im Labor-, Bench-Top- und Produktionsmaßstab: Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind für den 24h/7d-Betrieb ausgelegt, selbst die Ultraschall-Laborhomogenisatoren können große Mengen im Chargen- oder Durchflussbetrieb verarbeiten. Die Tisch- und Industrie-Ultraschallgeräte sind in Industriequalität konstruiert und gebaut, so dass auch große Mengen und hohe Viskositäten problemlos verarbeitet werden können. – auch unter anspruchsvollen Bedingungen wie hohen Drücken und hohen Temperaturen (z.B. in Kombination mit überkritischem CO2, bei Extrusionsprozessen etc.). Die robusten Ultraschallgeräte von Hielscher sind in der Lage, Lösungsmittel, abrasive Flüssigkeiten und korrosive Stoffe zu verarbeiten. Mit dem passenden Zubehör lässt sich das Ultraschallsystem optimal an die Anforderungen des Extraktionsprozesses anpassen. Für die Installation in explosionsgefährdeten Umgebungen, ATEX- oder FM-zertifiziert Explosionsgeschützte Ultraschall-Systeme zur Verfügung.
Dabei ermöglichen die robusten und leistungsstarken Hielscher-Schallköpfe und das umfangreiche Zubehör die Beschallung von Materialien wie Heißwasser/Flüssigkeiten, Säuren, Metallschmelzen, Salzschmelzen, Lösungsmitteln (z.B. Methanol, Hexan; organische, polare Lösungsmittel wie z.B. Acetonitril).

Flussdiagramm: Stufen der ultraschall-gestützten Phasen-Transfer-Extraktion