Ultraäänellä avustettu katalyyttinen uutto
Hielscherin ultraäänireaktoreita käytetään monilla teollisuudenaloilla katalyyttisen uuttoprosessin (CEP) tai niin sanotun vaiheensiirron uuttamisen (PTE) avustamiseksi ja parantamiseksi. Katalyyttiseen uuttamiseen liittyy heterogeeninen sekoittumaton faasijärjestelmä, kuten neste-neste tai neste-kiinteä. Ultraääni korkeat leikkaus- ja kavitaatiovoimat parantavat liuenneiden aineiden liukenemisnopeutta, mikä johtaa merkittävästi nopeampaan ja täydellisempään uuttamiseen. Lisäksi tätä vaikutusta voidaan käyttää vähentämään käytetyn liuottimen tai hapon määrää. Todistettuna tekniikkana ultraäänellä avustettua uuttoa käytetään yhä enemmän, koska ympäristöystävällisten uuttotekniikoiden kysyntä kasvaa, kun uuttoaika lyhenee ja orgaanisten liuottimien kulutus vähenee.
Katalyyttinen uuttaminen / vaiheensiirron uuttaminen – Perusteet
Termi “Katalyyttinen uuttoprosessi (CEP) tai faasinsiirtouutto (PTE) kuvaa nestemäisen tai kiinteän ja nesteen jakautumista, kun analyyttien uuttaminen ja poistaminen on keskitetty. Siksi nestemäinen tai kiinteä laimennin on dispergoitava/emulgoitava liuottimeen (nestefaasi). Termin mukaan “uuttoaine” Vain liuottimen sisältämä tehoaine kuvataan (homogeeninen orgaaninen faasi’ joka käsittää uuttoaineen, laimennusaineen ja/tai modifioijan), joka on ensisijaisesti vastuussa liuenneen aineen siirtymisestä vesipitoisesta’ että "luonnonmukainen’ vaihe. [IUPAC]. Kohdeainetta, joka uutetaan, kutsutaan uutteeksi.
Perinteiset uuttomenetelmät, kuten soxhlet-uutto, maserointi, mikroaalto, suodatus, uuttaminen palautusjäähdyttimellä ja höyrytislaus tai turbouutto, ovat usein hitaita ja tehottomia ja/tai vaativat suuren määrän vaarallisia liuottimia, mikä johtaa kustannusintensiiviseen ja aikaa vievään prosessiin, joka on haitallista ympäristölle.
Ultraääni on todistettu vaihtoehto tavanomaisille uuttomenetelmille, jotka tarjoavat nopeamman ja täydellisemmän uuttamisen vähemmän tai ei lainkaan vaarallisia liuottimia! Ultraääni on tehokas tekniikka vihreään, evironmentaaliseen käsittelyyn.

Sonikaattori UP400St Soveltaa tehon ultraääntä katalyyttisen uuton parantamiseksi
Ultraäänellä avustetun katalyyttisen uuttamisen periaate
Ainetta uuttamiseksi sekoittumattomat faasit on sekoitettava siten, että uutettava aine voidaan liuottaa kantajafaasista liuotinfaasiin. Yleisimmin faasisiirtouutot suoritetaan dispergointifaasista jatkuvaan faasiin, mikä tarkoittaa, että pisarat ja hiukkaset on dispergoitava homogeenisesti liuottimeen.
Power-ultraääni on tunnettu sekoitus- ja uuttotekniikka, jolla on useita positiivisia vaikutuksia uuttoprosessiin:
- Parannettu reaktiokinetiikka
- Kantaja-aineen (sorbeenit) ja liuottimen hieno seos
- Lisääntynyt rajapinta näiden kahden vaiheen välillä
- lisääntynyt massansiirto
- Passiivisten kerrosten poistaminen hiukkasten pinnalta
- solujen häiriöt & hajoaminen
- Täydellisempi uutto, mikä johtaa suurempiin saantoihin
- Yksinkertainen & Tallenna toiminta
- Vihreä prosessi: ympäristöystävällinen
Ultraäänikavitaation toimintaperiaate ja sen vaikutukset katalyyttiseen uuttamiseen
Uuttamistarkoituksiin kaksi vaihetta sekoitetaan intensiivisesti ultraäänikavitaatiokentässä. Pisarat ja hiukkaset hajoavat submikroni- ja nanokokoisiksi. Tämä kehittää suurennettuja pintoja, jotka parantavat massansiirtoa vaiheesta toiseen. Lisääntynyt rajapinta kahden faasin välillä johtaa suurempaan kosketuspinta-alaan uuttamista varten siten, että massansiirto tehostuu seisovien nestekerrosten poistamisen vuoksi vaiheen rajalla. Massansiirto lisääntyy edelleen, koska passiiviset kerrokset poistetaan hiukkasten pinnalta. Biologisen aineen uuttamiseksi soluista ja kudoksista massansiirtoa lisää ultraäänisolujen häiriö. Kaikki nämä vaikutukset johtavat täydellisempään uuttamiseen, mikä johtaa suurempiin saantoihin.
Ultraääniuuton edut:
- rikkoa rajakerrokset
- voittaa van-der-Waalsin joukot
- siirrä tyydyttymätön neste kosketuspinnalle
- vähentää siirtoagenttien tarvetta tai poistaa se kokonaan
- vähentää aikaa, lämpötilaa ja/tai pitoisuutta
- vähemmän ylimääräistä verrattuna täyteen kylläisyyteen tarvittavaan tilavuuteen
- pienempi puhdistettava määrä (esim. tislaamalla, haihduttamalla, kuivaamalla)
- ei jatkuvasti sekoitettavia reaktoreita (CSR)
- Säästä virtaa
- Ei eräkäsittelyä, vaan inline-käsittely
- käytä vähemmän hapanta tai halvempaa liuotinta
- Vältä liuottimia, käytä sen sijaan vesipitoista
- käsitellä korkeita kiintoainepitoisuuksia tai korkean viskositeetin lietettä
- Vihreä jalostus: ympäristöystävällinen
- käytä orgaanisia happoja, kuten omenahappoa tai sitruunahappoa
- Vältä monivaiheisia uuttoprosesseja
- Biologia
- Kemia
- Ruoka & Lääketeollisuus
- analyysi
- ydinalan jalostus
- Kaivosteollisuuden sovellukset
- rikinpoisto
- orgaaniset yhdisteet
- geokemia
- puhdistus
neste-nesteuutto
Tavanomainen prosessi: Neste-nesteuutto on ositusmenetelmä aineiden uuttamiseksi yhdestä nestefaasista toiseen nestefaasiin, joka perustuu aineiden suhteellisiin liukoisuuksiin kahdessa eri sekoittumattomassa nestefaasissa. Ultrasonicsin käyttö parantaa nopeutta, jolla liuennut aine siirretään kahden vaiheen välillä korkealla suorituskyvyllä sekoittaminen, Emulgointiaineja Liuottamalla!
Neste-nesteuutto on erotustekniikka arvokkaiden komponenttien eristämiseksi ja konsentroimiseksi vesiliuoksesta käyttämällä orgaanista liuotinta. Neste-nesteuuttoa käytetään usein silloin, kun muut erotustekniikat (esim. tislaus) ovat tehottomia. Neste-nesteuuttoa käytetään farmaseuttisessa & kosmeettiset (aktiiviset yhdisteet, API: t, hajusteet) sekä elintarvike- ja maatalousteollisuus, orgaaninen ja epäorgaaninen kemia, petrokemian teollisuus ja hydrometallurgia.
Ongelma: Yleinen ongelma on nestefaasien sekoittumattomuus (liuotin ja laimennin ovat sekoittumattomia), joten tarvitaan oikea sekoitusmenetelmä. Koska molempien nestefaasien tasainen sekoittuminen edistää faasien siirtymistä laimennusaineen ja liuottimen välillä, luotettava dispergointi- tai emulgointimenetelmä on ratkaisevan tärkeä. Mitä hienompi seos on ja mitä suurempi kosketuspinta molempien faasien välillä on, sitä paremmin liukoinen aine voi kulkea nestefaasista toiseen nestefaasiin. Perinteisistä uuttoprosesseista puuttuu useimmiten massansiirron edistäminen, joten uuttoprosessi on hidas ja usein epätäydellinen. Uuttamisen parantamiseksi käytetään usein liiallisia määriä liuotinta, mikä tekee prosessista kalliin ja ympäristöä saastuttavan.
Ratkaisu: Ultraäänineste-nesteuutto ylittää perinteiset neste-nesteuuttotekniikat eri kohdissa:
Teho-ultraääni sekoittaa kaksi tai useampia nestefaaseja luotettavasti ja helposti yhteen. Ultraäänellä pisarat voidaan pienentää nanokokoon niin, että hieno mikro- ja nanoemulsiot saadaan. Siten syntyneet kavitaatiovoimat edistävät massansiirtoa nestefaasien välillä. Koska sonikaatiota voidaan suorittaa jatkuvassa inline-järjestelmässä, suuret määrät ja erittäin viskoosiset nesteet voidaan käsitellä ilman ongelmia.
Mutta myös mikrouuttoa, esimerkiksi analyyttisiin tarkoituksiin, voidaan parantaa myös sonikaatiolla (esim. ioninen nestepohjainen mikrouutto ultraääniemulgaatiolla).
Ultraääniuuton edut:
Tehokkaat ultraäänivoimat – tuotettu matalataajuisella / suuritehoisella ultraäänellä – auttaa
- Pisaroiden muotoileminen uudelleen
- Vältä emulsionsiirtoaineita tai amfimäkikatalyyttejä
- Vältä pesuaineiden tai pinta-aktiivisten aineiden käyttöä
- Vältä amfimäkikatalsteja, pesuaineita tai pinta-aktiivisia aineita
- tuottaa turbulentteja, epästabiileja emulsioita ilman pinta-aktiivisia ainekerroksia;
Kiinteän nesteen uuttaminen parani ultraäänellä
Kiinteän nesteen uuttamisen tai kiinteän faasin uuttamisen (SPE) tavoitteena on erottaa analyytit, jotka liuotetaan tai suspendoidaan nestemäiseen seokseen, ja eristää ne matriisista niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien mukaan. Siksi isolaatti eluoituu sorbeeneista sopivan liuottimen avulla. Uutettua ainetta kutsutaan eluitiksi.
Tavanomaisia SPE-tekniikoita ovat maserointi, soxhlet-uutto, suodatus, palautusjäähdytyksen ja höyrytislauksen yhdistelmä tai nopea sekoitus / turbouutto. Kiinteän nesteen uuttaminen on yleinen menetelmä yhdisteiden erottamiseksi biologiassa, kemiassa sekä elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa. Metallien uuttamista kutsutaan myös liuotukseksi.
Ongelma: Tavanomaisia SPE-tekniikoita kutsutaan aikaa vieviksi ja ne vaativat suhteellisen suuria määriä liuottimia, jotka ovat enimmäkseen ympäristölle vaarallisia ja saastuttavia. Korkeat prosessilämpötilat voivat jopa johtaa lämpöherkkien uutteiden tuhoutumiseen.
Ratkaisu: Ultraäänellä avustetulla kiinteän nesteen uuttamisella perinteisen SPE: n yleiset ongelmat voidaan yleensä voittaa. Koska sonikaatio tarjoaa kiinteiden aineiden hienon jakautumisen liuotinfaasissa, käytettävissä on suurempi rajapinta siten, että kohdeaineen massansiirto liuottimeen paranee. Tämä johtaa nopeampaan ja täydellisempään uuttoon, kun liuottimen käyttö vähenee tai vältetään kokonaan (käytä sen sijaan vettä nestemäisenä faasina). Tehon ultraäänellä kiinteän faasin uuttaminen voidaan suorittaa tehokkaammaksi, taloudellisemmaksi ja ympäristöystävällisemmäksi. Saastuttavien tai vaarallisten liuottimien vähentämisen tai välttämisen vuoksi ultraääniuuttoa voidaan pitää ympäristöystävällisenä vihreä prosessi. Taloudellisesti prosessikustannukset pienenevät energian, liuottimen ja ajan säästön ansiosta.
Ultraääniliuottimen uuttaminen
Jos kyseessä on liuotinuutto, liuotinta (esim. orgaanista liuotinta) käytetään yhdisteen liuottamiseen ja erottamiseen toisesta nesteestä (esim. vesifaasista). Yleensä mitä enemmän polaarisia liuenneita aineita liukenee polaarisempaan liuottimeen ja sitä vähemmän polaarisia liuenneita aineita vähemmän polaariseen liuottimeen. Liuotinuutolla on mahdollista erottaa hapettuneet tiofeenit (sulfoksidit, sulfonit) öljyfaasista käyttämällä asetonitriiliä tai muita polaarisia liuottimia. Liuotinuuttoa käytetään myös materiaalien, kuten uraanin, plutoniumin tai toriumin uuttamiseen happoliuoksista orgaaniseksi fosfaattitri-n-butyylifosfaatti (PUREX-prosessi).
Vähennä liuottimien käyttöä: Ultrasonicsin käyttö minimoi liuottimien käytön prosessissa ja optimoi tuotteen kuormituksen liuottimessa. Se johtaa myös nopeampaan ja täydellisempään uuttamiseen.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänellä avustetusta oksidatiivisesta rikinpoistosta!
Ultraäänellä avustettu Soxhlet-uutto
Soxhlet-uutto on kiinteän nesteen uuttotekniikka, jota käytetään usein synteettisissä ja analyyttisissä laboratorioissa. Soxhlet-uuttoa käytetään pääasiassa silloin, kun aineella on vain rajallinen liukoisuus liuottimeen ja epäpuhtaus ei liukene kyseiseen liuottimeen.
Ultraääni voidaan yhdistää erittäin onnistuneesti Soxhlet-uuttoon, mikä lisää saantoa ja lyhentää uuttoaikaa.
Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja ultraäänellä avustetusta Soxhlet-uuttamisesta!
Uuttaminen sulatuksissa sonikaatiolla
Neste-nesteuutot voidaan suorittaa seoksissa, joissa joko toinen tai molemmat nestefaasit ovat sulaa, kuten sulat suolat tai sulat metallit, kuten elohopea. Tehokas inline-sonikaatio ultraäänivirtaussolureaktoreissa mahdollistaa jopa sellaisten nesteiden käsittelyn, joilla on korkea viskositeetti, kuten sulat.
Ultraäänellä avustettu uutto
Liuotus kuvaa happojen, liuottimien tai kuuman veden käyttöä liuenneen aineen liuottamiseksi selektiivisesti inertistä liukenemattomasta kiinteästä kantaja-aineesta. Uuttoa käytetään usein kaivostoiminnassa metallien uuttamiseksi malmeista.
Ultraääniuuton edut:
- pese pienet aukot huokoisista materiaaleista
- voittaa kalvojen selektiivisyydet
- tuhota kiinteät aineet, delaminoida ja deagglomeroida kiinteät aineet
- passiivisten kerrosten poistaminen
- oksidikerrosten poistaminen
- Kostuta kaikki materiaalipinnat, erityisesti korkean pintajännityksen nesteiden varalta
- leikkauksen harvennus
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraääniuutosta!
Hielscher Sonicators mihin tahansa tuotantomäärään
Sonikaatio laboratoriossa, penkki- ja tuotantomittakaavassa: Kaikki Hielscherin ultraäänilaitteet on rakennettu toimimaan 24h / 7d, jopa ultraäänilaboratorion homogenisaattorit voivat käsitellä huomattavia määriä joko erä- tai läpivirtaustilassa. Penkki- ja teolliset ultraäänilaitteet on suunniteltu ja rakennettu teollisuusluokkaan siten, että suuria määriä ja korkeita viskositeetteja voidaan käsitellä ilman ongelmia – jopa vaativissa olosuhteissa, kuten korkeissa paineissa ja lämpötiloissa (esim. yhdessä ylikriittisen CO2:n kanssa, ekstruusioprosesseissa jne.). Hielscherin vankat ultraäänilaitteet pystyvät käsittelemään liuottimia, hankaavia nesteitä ja syövyttäviä aineita. Sopivat lisävarusteet mahdollistavat ultraäänijärjestelmän optimaalisen mukauttamisen uuttoprosessin vaatimuksiin. Asennettavaksi vaarallisiin ympäristöihin, ATEX- tai FM-luokiteltu räjähdyssuojatut ultraäänijärjestelmät ovat saatavilla.
Näin Hielscherin vankat ja tehokkaat sonikaattorit ja laaja valikoima lisävarusteita mahdollistavat materiaalien, kuten kuuman veden / nesteiden, happojen, metallisulat, suolasulat, liuottimet (esim. metanoli, heksaani; orgaaniset, polaariset liuottimet, esim. asetonitriili).
Kirjallisuus / Viitteet
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Ultrasound-assisted pretreatment of solid samples in the context of green analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 31, 2012. 50-60.
- Shayegan, Z.; Razzaghi, M.; Niaei, A.; Salari, D.; Tabar, M.T.S.; Akbari, A.N. (2013): Sulfur removal of gas oil using ultrasound-assisted catalytic oxidative process and study of its optimum conditions. Korean J. Chem. Eng., 30(9), 2013. 1751-1759.
- Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Ultraääninesteen käsittelyä kutsutaan usein sonikaatioksi, ultrasonicationiksi, sonifikaatioksi, insonaatioksi, ultraäänisäteilytykseksi tai akustisten kenttien soveltamiseksi. Kaikki nämä termit kuvaavat suuritehoisten ultraääniaaltojen kytkemistä nestemäiseen väliaineeseen ultraäänen saavuttamiseksi
- sekoittaminen & Sekoitus,
- homogenisointi,
- Emulgoituminen,
- Purkamalla & deagglomeraatio,
- hiukkaskoon pienentäminen (jyrsintä & jauhaminen),
- Liuottamalla,
- Kosteuttava & kostutus,
- Hajoaminen & solujen häiriöt,
- Uuttaminen,
- Kudosten homogenisointi,
- pirstoutuminen,
- kaasunpoisto & vaahdonpoisto,
- leikkausharvennus ja
- Sonokemiallinen reaktio.
Koska tehon ultraääni on niin monipuolinen käsittelytekniikka, ultraäänilaitteet tunnetaan eri termeillä, kuten koettimen sonikaattori, sonic lyser, ultraäänihäiritsijä, ultraäänihiomakone, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, solujen häiritsijä, ultraäänidispergointiaine tai liuotin.