Ultraääniavusteinen katalyyttinen uutto

Valmistajan Hielscher ultraäänireaktoreita käytetään monilla teollisuudenaloilla tukemaan ja tehostamaan katalyyttistä uuttoprosessia (CEP) eli niin kutsuttua faasinsiirtouuttoa (PTE). Katalyyttiseen uuttoon kuuluu heterogeeninen, sekoittumattomien faasien järjestelmä, kuten neste–neste- tai neste–kiinteä-järjestelmä. Ultraäänen suuret leikkausvoimat ja kavitaatiovoimat lisäävät merkittävästi liukenevien aineiden liukenemisnopeutta, mikä johtaa nopeampaan ja täydellisempään uuttoon. Lisäksi tätä vaikutusta voidaan hyödyntää käytettävän liuottimen tai hapon määrän vähentämiseen. Ultraääniavusteista uuttoa käytetään yhä enemmän hyväksi todettuna menetelmänä, koska ympäristöystävällisten, uuttoaikaa lyhentävien ja orgaanisten liuottimien kulutusta vähentävien uuttotekniikoiden kysyntä kasvaa.

Katalyyttinen uutto / faasinsiirtouutto – perusteet

Termi ”katalyyttinen uuttoprosessi (CEP) tai faasinsiirtouutto (PTE)” kuvaa neste–neste- tai kiinteä–neste-jakautumista, kun tavoitteena on analyyttien uuttaminen ja poistaminen. Siksi nestemäinen tai kiinteä laimennusaine on dispergoitava tai emulgoitava liuottimeen (nestefaasiin). Termillä ”uuttoreagenssi” tarkoitetaan vain liuottimessa olevaa aktiivista ainetta (eli homogeenista ”orgaanista faasia”, joka sisältää uuttoreagenssin, laimennusaineen ja/tai modifiointiaineen), joka vastaa ensisijaisesti liuenneen aineen siirtymisestä ”vesifaasista” ”orgaaniseen faasiin”. [IUPAC]. Uutettavaa kohdeainetta kutsutaan uutteeksi.
Perinteiset uuttomenetelmät, kuten Soxhlet-uutto, maserointi, mikroaaltouutto, perkolointi, uutto palautusjäähdyttäen ja vesihöyrytislaus tai turbouutto, ovat usein hitaita ja tehottomia ja/tai vaativat suuren määrän vaarallisia liuottimia. Tämä johtaa kalliiseen ja aikaa vievään prosessiin, joka on ympäristölle haitallinen.
Ultraääni on hyväksi todettu vaihtoehto tavanomaisille uuttomenetelmille: se mahdollistaa nopeamman ja täydellisemmän uuton pienemmällä määrällä vaarallisia liuottimia tai kokonaan ilman niitä! Ultraääni on tehokas tekniikka vihreään, ympäristöystävälliseen käsittelyyn.

Ultraääniavusteisen katalyyttisen uuton periaate

Aineen uuttamiseksi sekoittumattomat faasit on sekoitettava, jotta uutettava aine voi liueta kantajafaasista liuotinfaasiin. Tavallisimmin faasinsiirtouutto tehdään dispergoituneesta faasista jatkuvaan faasiin, mikä tarkoittaa, että pisarat ja hiukkaset on dispergoitava tasaisesti liuottimeen.
Teho-ultraääni on tunnettu sekoitus- ja uuttotekniikka, jolla on useita myönteisiä vaikutuksia uuttoprosessiin:

Ultraääniuuton hyödyt:

• rajakerrosten rikkominen
• van der Waalsin voimien voittaminen
• kyllästymättömän nesteen siirtäminen kontaktipinnalle
• siirtoaineiden tarpeen vähentäminen tai poistaminen
• ajan, lämpötilan ja/tai pitoisuuden pienentäminen
• vähemmän ylimäärää suhteessa täydelliseen kyllästymiseen tarvittavaan tilavuuteen
• pienempi jalostettava tilavuus (esim. tislaamalla, haihduttamalla tai kuivaamalla)
• ei jatkuvasti sekoitettavia reaktoreita (CSR)
• energian säästäminen
• eräkäsittelyn sijaan käsittely virtaavassa prosessissa
• vähemmän happaman tai halvemman liuottimen käyttäminen
• liuottimien välttäminen ja vesipohjaisen väliaineen käyttäminen niiden sijaan
• suurten kiintoainepitoisuuksien tai erittäin viskoosien lietteiden käsittely
• vihreä käsittely: ympäristöystävällinen
• orgaanisten happojen, kuten omenahapon tai sitruunahapon, käyttäminen
• monivaiheisten uuttoprosessien välttäminen

Neste–neste-uutto

Tavanomainen prosessi: Neste–neste-uutto on jakautumiseen perustuva menetelmä, jolla aineita uutetaan yhdestä nestefaasista toiseen niiden suhteellisten liukoisuuksien perusteella kahdessa erilaisessa, keskenään sekoittumattomassa nestefaasissa. Ultraäänen käyttö lisää liuenneen aineen siirtymisnopeutta kahden faasin välillä tehokkaalla sekoittamisella, emulgoinnilla ja liuottamisella!
Neste–neste-uutto on erotustekniikka, jolla arvokkaita komponentteja eristetään ja väkevöidään vesiliuoksesta orgaanisen liuottimen avulla. Neste–neste-uuttoa käytetään usein silloin, kun muut erotustekniikat (esim. tislaus) ovat tehottomia. Neste–neste-uuttoa käytetään lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa (aktiiviset yhdisteet, lääkeaineet eli API:t, hajusteet) sekä elintarvike- ja maatalousteollisuudessa, orgaanisessa ja epäorgaanisessa kemiassa, petrokemian teollisuudessa ja hydrometallurgiassa.

Ongelma: Yleinen ongelma on nestefaasien sekoittumattomuus (liuotin ja laimennusaine eivät sekoitu keskenään), joten tarvitaan asianmukainen sekoitusmenetelmä. Koska molempien nestefaasien tasainen sekoittuminen edistää faasinsiirtoa laimennusaineen ja liuottimen välillä, luotettava dispergointi- tai emulgointimenetelmä on ratkaisevan tärkeä. Mitä hienojakoisempi seos on ja mitä suurempi kahden faasin välinen kontaktipinta-ala on, sitä paremmin liuotin voi siirtyä nestefaasista toiseen. Tavanomaiset uuttoprosessit eivät useimmiten edistä aineensiirtoa riittävästi, joten uuttoprosessi on hidas ja usein epätäydellinen. Uuton parantamiseksi käytetään usein liiallisia määriä liuotinta, mikä tekee prosessista kalliin ja ympäristöä saastuttavan.
 

 
Ratkaisu: Ultraääniavusteinen neste–neste-uutto päihittää perinteiset neste–neste-uuttotekniikat monessa suhteessa:
Teho-ultraääni sekoittaa kaksi tai useampia nestefaaseja luotettavasti ja helposti keskenään. Ultraäänikäsittelyllä pisarat voidaan pienentää nanokokoon, jolloin saadaan hienojakoisia mikro- ja nanoemulsioita . Syntyvät kavitaatiovoimat edistävät näin aineensiirtoa nestefaasien välillä. Koska ultraäänikäsittely voidaan toteuttaa jatkuvatoimisessa virtausjärjestelmässä, suuria tilavuuksia ja erittäin viskooseja nesteitä voidaan käsitellä ongelmitta.
Ultraäänikäsittelyllä voidaan parantaa myös mikrouuttoa esimerkiksi analyyttisiin tarkoituksiin (esim. ioniseen nesteeseen perustuva mikrouutto ultraääniemulgoinnilla).

Ultraääniuuton hyödyt:
Voimakkaat ultraäänivoimat – joita synnyttää pienitaajuinen teho-ultraääni – auttavat

• muokkaamaan pisaroiden muotoa
• välttämään emulsioiden siirtoaineita tai amfifiilisiä katalyyttejä
• välttämään pesuaineiden tai pinta-aktiivisten aineiden käyttöä
• välttämään amfifiilisiä katalyyttejä, pesuaineita tai pinta-aktiivisia aineita
• muodostamaan turbulenttisia, epästabiileja emulsioita ilman pinta-aktiivisten aineiden kerroksia

Ultraäänellä tehostettu kiinteä–neste-uutto

Kiinteä–neste-uuton eli kiinteäfaasiuuton (SPE) tavoitteena on erottaa nesteseokseen liuenneet tai siihen suspendoituneet analyytit ja eristää ne matriisista niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Siksi eristettävä aine eluoidaan sorbentista sopivan liuottimen avulla. Uutettua ainetta kutsutaan nimellä ”elute”.
Tavanomaisia SPE-tekniikoita ovat maserointi, Soxhlet-uutto, perkolointi, palautusjäähdytyksen ja vesihöyrytislauksen yhdistelmä sekä suurinopeuksinen sekoitus / turbouutto. Kiinteä–neste-uutto on yleinen menetelmä yhdisteiden erottamiseen biologiassa ja kemiassa sekä elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa. Metallien uuttoa kutsutaan myös liuotukseksi.
Ongelma: Tavanomaisten SPE-tekniikoiden tiedetään olevan aikaa vieviä, ja ne vaativat suhteellisen suuria määriä liuottimia, jotka ovat enimmäkseen ympäristölle vaarallisia ja saastuttavia. Korkeat prosessilämpötilat voivat jopa johtaa lämpöherkkien uutteiden tuhoutumiseen.
Ratkaisu: Ultraääniavusteisella kiinteä–neste-uutolla voidaan yleensä ratkaista perinteisen SPE:n tavalliset ongelmat. Koska ultraäänikäsittely saa kiinteät aineet jakautumaan hienojakoisesti liuotinfaasiin, käytettävissä on suurempi faasirajapinta, mikä parantaa kohdeaineen siirtymistä liuottimeen. Tämä johtaa nopeampaan ja täydellisempään uuttoon, samalla kun liuottimen käyttö vähenee tai vältetään kokonaan (käyttämällä sen sijaan vettä nestefaasina). Teho-ultraäänen avulla kiinteäfaasiuutto voidaan toteuttaa tehokkaammin, taloudellisemmin ja ympäristöystävällisemmin. Koska saastuttavien tai vaarallisten liuottimien käyttöä vähennetään tai vältetään, ultraääniuuttoa voidaan pitää ympäristöystävällisenä vihreänä prosessina. Taloudellisesti prosessikustannukset pienenevät energian, liuottimen ja ajan säästöjen ansiosta.

Ultraääniavusteinen liuotinuutto

Liuotinuutossa liuotinta (esim. orgaanista liuotinta) käytetään yhdisteen liuottamiseen ja erottamiseen toisesta nesteestä (esim. vesifaasista). Yleensä poolisemmat liuenneet aineet liukenevat poolisempaan liuottimeen ja vähemmän pooliset aineet vähemmän pooliseen liuottimeen. Liuotinuutolla hapettuneet tiofeenit (sulfoksidit, sulfonit) voidaan erottaa öljyfaasista asetonitriilin tai muiden poolisten liuottimien avulla. Liuotinuuttoa käytetään myös uraanin, plutoniumin tai toriumin kaltaisten aineiden uuttamiseen happoliuoksista organofosfaattiin, tri-n-butyylifosfaattiin (PUREX-prosessi).
Vähennä liuottimen käyttöä: Ultraäänen käyttö minimoi liuottimien käytön prosessissa ja optimoi tuotteen määrän liuottimessa. Se johtaa myös nopeampaan ja täydellisempään uuttoon.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraääniavusteisesta oksidatiivisesta rikinpoistosta!

Ultraääniavusteinen Soxhlet-uutto

Soxhlet-uutto on kiinteä–neste-uuttotekniikka, jota käytetään usein synteesi- ja analyysilaboratorioissa. Soxhlet-uuttoa käytetään pääasiassa silloin, kun aine liukenee liuottimeen vain rajallisesti ja epäpuhtaus ei liukene kyseiseen liuottimeen.
Ultraääni voidaan yhdistää erittäin onnistuneesti Soxhlet-uuttoon, jolloin saanto kasvaa ja uuttoaika lyhenee.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraääniavusteisesta Soxhlet-uutosta!

Uutto sulissa ultraäänikäsittelyn avulla

Neste–neste-uuttoa voidaan tehdä seoksissa, joissa toinen tai molemmat nestefaasit ovat sulia, kuten sulat suolat tai sulat metallit, esimerkiksi elohopea. Tehokas ultraäänikäsittely virtaavassa prosessissa ultraäänivirtauskennoreaktoreissa mahdollistaa jopa erittäin viskoosien nesteiden, kuten sulien, käsittelyn.

Ultraääniavusteinen liuotus

Liuotuksella tarkoitetaan happojen, liuottimien tai kuuman veden käyttöä liukenevan aineen selektiiviseen liuottamiseen inertistä, liukenemattomasta kiinteästä kantajasta. Liuotusta käytetään usein kaivosteollisuudessa metallien uuttamiseen malmeista.
Ultraääniliuotuksen hyödyt:

• huokoisten materiaalien pienten aukkojen peseminen
• kalvojen selektiivisyyden voittaminen
• kiinteiden aineiden hajottaminen, kerrosten irrottaminen ja kiinteiden aineiden deagglomerointi
• passiivisten kerrosten poistaminen
• oksidikerrosten poistaminen
• materiaalin koko pinnan kostuttaminen erityisesti suuren pintajännityksen nesteillä
• leikkausohentuminen

Napsauta tästä ja lue lisää ultraääniliuotuksesta!

Hielscher – ultraäänilaitteet kaikkiin tuotantomääriin

Ultraäänikäsittely laboratorio-, pöytälaite- ja tuotantomittakaavassa: Kaikki valmistajan Hielscher ultraäänilaitteet on rakennettu toimimaan 24h/7d, ja jopa laboratorion ultraäänihomogenisaattorit voivat käsitellä huomattavia tilavuuksia joko erä- tai läpivirtaustilassa. Pöytämalliset ja teolliset ultraäänilaitteet suunnitellaan ja valmistetaan teollisuuslaatuisiksi, jotta suuria tilavuuksia ja erittäin viskooseja aineita voidaan käsitellä ongelmitta – jopa vaativissa olosuhteissa, kuten korkeissa paineissa ja lämpötiloissa (esim. yhdessä ylikriittisen CO2:n kanssa, ekstruusioprosesseissa jne.). Valmistajan Hielscher kestävät ultraäänilaitteet pystyvät käsittelemään liuottimia, hankaavia nesteitä ja syövyttäviä aineita. Sopivien lisävarusteiden avulla ultraäänijärjestelmä voidaan mukauttaa optimaalisesti uuttoprosessin vaatimuksiin. Vaarallisiin ympäristöihin asennettaviksi on saatavilla ATEX- tai FM-luokiteltuja räjähdyssuojattuja ultraäänijärjestelmiä .
Hielscherin kestävät ja tehokkaat ultraäänilaitteet sekä laaja lisävarustevalikoima mahdollistavat näin esimerkiksi kuuman veden ja nesteiden, happojen, metallisulien, suolasulien ja liuottimien (esim. metanoli, heksaani; orgaaniset, pooliset liuottimet, kuten asetonitriili) ultraäänikäsittelyn.

Vuokaavio: ultraääniavusteisen faasinsiirtouuton vaiheet