מיצוי קטליטי בסיוע אולטרה-סאונד
כורים קוליים Hielscher משמשים בתעשיות רבות כדי לסייע ולשפר את עיבוד מיצוי קטליטי (CEP) או מה שנקרא מיצוי העברת פאזה (PTE). מיצוי קטליטי כרוך במערכת פאזות הטרוגנית בלתי ניתנת להפרעה, כגון נוזל-נוזל או נוזל-מוצק. כוחות גזירה וקוויטציה אולטראסוניים גבוהים משפרים את קצב המסת המומסים באופן משמעותי, מה שמוביל למיצוי מהיר ושלם יותר. בנוסף, השפעה זו יכולה לשמש כדי להפחית את כמות ממס או חומצה בשימוש. כטכניקה מוכחת, מיצוי בסיוע אולטרה-סאונד משמש יותר ויותר בשל ביקוש גובר לטכניקות מיצוי ידידותיות לסביבה עם זמן מיצוי מקוצר וצריכת ממס אורגני מופחתת.
מיצוי קטליטי / מיצוי העברת פאזה – יסודות
המונח “עיבוד מיצוי קטליטי (CEP) או מיצוי העברת פאזה (PTE) מתאר את התפלגות נוזל-נוזל או מוצק-נוזל כאשר החילוץ וההסרה של אנליטים ממוקדים. לכן, יש לפזר/להתחלב את המדלל הנוזלי או המוצק לממס (הפאזה הנוזלית). לפי המונח “חילוץ” רק החומר הפעיל בממס מתואר (כלומר "השלב האורגני" ההומוגני’ המהווה את המיצוי, המדלל ו/או המשנה) האחראי העיקרי להעברת המומס מה'מימי'’ ל'אורגני'’ שלב. [IUPAC]. חומר המטרה, המופק נקרא תמצית.
שיטות מיצוי מסורתיות כגון מיצוי סוקסלט, מקרציה, מיקרוגל, חלחול, מיצוי תחת ריפלוקס וזיקוק קיטור, או מיצוי טורבו הן לעתים קרובות איטיות ולא יעילות ו / או דורשות כמות גבוהה של ממסים מסוכנים וכתוצאה מכך תהליך עתיר עלויות וגוזל זמן המזיק לסביבה.
אולטרסאונד הוא חלופה מוכחת לשיטות מיצוי קונבנציונליות המספקות מיצוי מהיר ומלא יותר עם פחות או ללא ממסים מסוכנים! אולטרסאונד היא טכניקה רבת עוצמה לעיבוד ירוק, ידידותי לאינטליגנציה.
סוניק UP400St מפעיל אולטרסאונד כוח כדי לשפר את המיצוי הקטליטי
עקרון מיצוי קטליטי בסיוע אולטרה-סאונד
לצורך מיצוי חומר, יש לערבב את השלבים הבלתי ניתנים לערבוב כך שניתן יהיה להמיס את החומר שיש לחלץ משלב המוביל לשלב הממס. לרוב מיצוי מעבר פאזה מתבצע משלב פיזור לשלב רציף, כלומר טיפות וחלקיקים צריכים להיות מפוזרים בצורה הומוגנית לתוך הממס.
אולטרסאונד כוח היא טכנולוגיית ערבוב וחילוץ ידועה שיש לה מספר השפעות חיוביות על תהליך החילוץ:
- קינטיקה משופרת של תגובה
- תערובת עדינה של נשא (סורבנס) וממס
- אינטראקציה מוגברת בין שני השלבים
- העברה המונית מוגברת
- הסרת שכבות פסיביות מפני השטח של החלקיקים
- הפרעה לתאים & התפוררות
- מיצוי מלא יותר וכתוצאה מכך יבולים גבוהים יותר
- פשוט & שמור פעולה
- תהליך ירוק: ידידותי לסביבה
עקרון העבודה של קביטציה קולית והשפעותיה על מיצוי קטליטי
למטרות מיצוי, שני שלבים מעורבים באופן אינטנסיבי בשדה קוויטציה קולי. טיפות וחלקיקים מתפרקים לגדלים תת-מיקרוניים וננומטריים. זה מפתח משטחים מוגדלים להעברת מסה משופרת משלב אחד למשנהו. האינטראקציה המוגברת בין שני השלבים גורמת להגדלת שטח הפנים של המגע לצורך המיצוי, כך שהעברת המסה משופרת עקב הסרת שכבות נוזל עומדות בגבול הפאזה. העברת המסה מוגברת עוד יותר עקב הסרת שכבות פסיביות מפני השטח של החלקיקים. עבור מיצוי של חומר ביולוגי מתאים ורקמות, העברת המסה מוגברת על ידי שיבוש תאים קולי. כל ההשפעות הללו מובילות למיצוי מלא יותר וכתוצאה מכך לתפוקות גבוהות יותר.
היתרונות של מיצוי קולי:
- שבירת שכבות גבול
- להתגבר על כוחות ואן-דר-ואלס
- העברת נוזל בלתי רווי למשטח מגע
- להפחית או לבטל את הצורך בסוכני העברה
- הפחתת זמן, טמפרטורה ו/או ריכוז
- פחות עודף בהשוואה לנפח הנדרש לרוויה מלאה
- פחות נפח לזיקוק (למשל על ידי זיקוק, אידוי, ייבוש)
- אין ערבוב מתמשך של כורים (CSR)
- חיסכון בחשמל
- ללא אצווה אלא עיבוד מוטבע
- השתמשו בממס פחות חומצי או זול יותר
- הימנעו מממסים, השתמשו במקום זאת במימיים
- עיבוד ריכוזי מוצקים גבוהים או תרחיפים בעלי צמיגות גבוהה
- עיבוד ירוק: ידידותי לסביבה
- השתמש בחומצות אורגניות, כגון חומצה מאלית או חומצת לימון
- הימנע מתהליכי חילוץ רב-שלביים
MultiSonoReactor משפר את קצב התגובה ואת התפוקה של תהליכי מיצוי קטליטיים
- ביולוגיה
- כימיה
- מזון & פארמה
- ניתוח
- עיבוד גרעיני
- יישומי כרייה
- דה-גופריזציה
- תרכובות אורגניות
- גיאוכימיה
- טיהור
מיצוי נוזלי-נוזלי
תהליך קונבנציונלי: מיצוי נוזל-נוזל היא שיטת חלוקה למיצוי חומרים משלב נוזלי אחד לשלב נוזלי אחר בהתבסס על המסיסות היחסית של החומרים בשני השלבים הנוזליים השונים שאינם ניתנים להפרעה. השימוש באולטרסאונד משפר את קצב העברת המומס בין שני השלבים על ידי ביצועים גבוהים ערבוב, תחליבו התמוססות!
מיצוי נוזל-נוזל היא טכניקת הפרדה לבידוד וריכוז רכיבים יקרי ערך מתמיסה מימית באמצעות ממס אורגני. מיצוי נוזל-נוזל מיושם לעתים קרובות כאשר טכניקות הפרדה אחרות (למשל זיקוק) אינן יעילות. מיצוי נוזלי-נוזלי משמש בתרופה & קוסמטיקה (חומרים פעילים, APIs, ניחוחות), כמו גם תעשיית המזון והחקלאות, לכימיה אורגנית ואי-אורגנית, תעשייה פטרוכימית והידרומטלורגיה.
בעיה: בעיה נפוצה היא חוסר ההתאמה של השלבים הנוזליים (ממס ודילול אינם ניתנים לערבוב), כך שנדרשת שיטת ערבוב נכונה. מכיוון שערבוב אחיד של שני השלבים הנוזליים מקדם את מעבר הפאזה בין מדלל לממס, שיטת פיזור או תחליב אמינה היא חיונית. ככל שהתערובת עדינה יותר ושטח המגע בין שני השלבים גבוה יותר, כך המסיס יכול לעבור טוב יותר משלב נוזלי אחד לשלב נוזלי אחר. תהליכי מיצוי קונבנציונליים חסרים בעיקר בקידום העברת המונים, כך שתהליך החילוץ איטי ולעיתים קרובות לא שלם. כדי לשפר את המיצוי, לעתים קרובות כמויות מוגזמות של ממס משמשים, מה שהופך את התהליך יקר ומזהם מבחינה סביבתית.
תמיסה: Ultrasonic Liquid-Liquid Extraction מצטיין בטכניקות מסורתיות של מיצוי נוזל-נוזל בנקודות שונות:
אולטרסאונד כוח מערבב שני שלבים נוזליים או יותר, אמין וקל יחד. על ידי אולטרסוניקציה, טיפות ניתן להקטין לגודל ננו כך בסדר מיקרו וננו-תחליבים מתקבלים. בכך, הכוחות הקוויטציוניים הנוצרים מקדמים את העברת המסה בין השלבים הנוזליים. מכיוון שניתן להריץ סוניקציה במערכת פנימית רציפה, נפחים גדולים ו נוזלים צמיגים במיוחד ניתן לטפל ללא בעיות.
אבל גם מיצוי מיקרו, למשל למטרות אנליטיות, יכול להשתפר גם על ידי סוניקציה (למשל מיצוי מיקרו מבוסס נוזל יוני עם תחליב קולי).
היתרונות של מיצוי קולי:
כוחות קוליים רבי עוצמה – נוצר על ידי אולטרסאונד בתדר נמוך / עוצמה גבוהה – עוזר
- שינוי צורה של טיפות
- הימנע תחליב העברת סוכנים או זרזים amphiphillic
- הימנעו משימוש בדטרגנטים או חומרים פעילי שטח
- הימנעו מקטלטים אמפיפיליים, דטרגנטים או חומרים פעילי שטח
- יצירת תחליבים טורבולנטיים לא יציבים ללא שכבות פעילי שטח
כוחות קביטציה וכוחות סונוכימיים משפרים את המיצוי הקטליטי של תרכובות ממוצקים.
מיצוי מוצק-נוזלי משופר על ידי אולטרסאונד
מטרת מיצוי מוצק-נוזל או מיצוי שלב מוצק (SPE) היא להפריד אנליטים, המומסים או מרחפים בתערובת נוזלית, ולבודד אותם ממטריצה בהתאם לתכונותיהם הפיזיקליות והכימיות. לכן, המבודד הוא מדולל מן sorbens בעזרת ממס מתאים. החומר המופק נקרא elute.
טכניקות SPE קונבנציונליות הן מיצוי, מיצוי סוקסלט, חלחול, שילוב של ריפלוקס וזיקוק קיטור, או ערבוב במהירות גבוהה / מיצוי טורבו. מיצוי מוצק-נוזלי הוא הליך נפוץ להפרדת תרכובות בביולוגיה, כימיה וכן בתעשיית המזון, התרופות והקוסמטיקה. מיצוי של מתכות ידוע גם בשם שטיפה.
בעיה: טכניקות SPE קונבנציונליות ידועות כגוזלות זמן רב ודורשות כמויות גדולות יחסית של ממסים שהם בעיקר מסוכנים לסביבה ומזהמים. טמפרטורות תהליך גבוהות יכולות אפילו להוביל להרס של תמציות רגישות תרמית.
תמיסה: עם מיצוי מוצק-נוזלי בסיוע אולטרסאונד, ניתן להתגבר בדרך כלל על הבעיות הנפוצות של SPE מסורתי. מכיוון שהסוניקציה מספקת פיזור עדין של המוצקים בשלב הממס, קיים גבול בין-פנים גדול יותר, כך שהעברת המסה של חומר המטרה לממס משתפרת. התוצאה היא מיצוי מהיר ומלא יותר תוך הפחתת השימוש בממס או הימנעות מוחלטת (השתמשו במים כשלב נוזלי במקום). על ידי יישום של אולטרסאונד כוח, מיצוי שלב מוצק יכול להתבצע יעיל יותר, כלכלי, וידידותי לסביבה. בשל הפחתה או הימנעות של ממסים מזהמים או מסוכנים, מיצוי קולי יכול להיחשב ידידותי לסביבה תהליך ירוק. מבחינה כלכלית, עלויות התהליך מופחתות בשל חיסכון באנרגיה, ממס וזמן.
מיצוי ממס קולי
במקרה של מיצוי ממס, משתמשים בממס (למשל ממס אורגני) כדי להמיס ולהפריד תרכובת מנוזל אחר (למשל פאזה מימית). באופן כללי, ככל שיותר מומסים קוטביים מתמוססים בממס קוטבי יותר, ופחות מומסים קוטביים בממס פחות קוטבי. באמצעות מיצוי ממס, ניתן להפריד תיופנים מחומצנים (sulfoxides, sulfones) משלב שמן באמצעות acetonitrile או ממיסים קוטביים אחרים. מיצוי ממס משמש גם למיצוי חומרים, כגון אורניום, פלוטוניום או תוריום מתמיסות חומצה לתלת-זרחתי אורגנו-זרחתיN-בוטיל פוספט (תהליך PUREX).
צמצם את השימוש בממס: השימוש באולטרסאונד ממזער את השימוש בממסים בתהליך ומייעל את עומס המוצר בממס. זה גם מוביל מיצוי מהיר ומלא יותר.
לחצו כאן כדי לקרוא עוד על דה-סולפוריזציה חמצונית בסיוע אולטרה-סאונד!
חילוץ סוקסלט בסיוע אולטרה-סאונד
מיצוי Soxhlet היא טכניקת מיצוי מוצק-נוזלי המשמשת לעתים קרובות מעבדות סינתטיות ואנליטיות. מיצוי Soxhlet מיושם בעיקר כאשר לחומר יש מסיסות מוגבלת בלבד בממס, והטומאה אינה מסיסה באותו ממס.
ניתן לשלב בהצלחה רבה אולטרסאונד עם מיצוי Soxhlet וכתוצאה מכך תפוקות מוגברות וזמן מיצוי קצר יותר.
אנא לחץ כאן כדי ללמוד עוד על מיצוי סוקסלט בסיוע אולטרה-סאונד!
חילוץ בהתכה באמצעות סוניקציה
מיצוי נוזלי-נוזלי יכול להתבצע בתערובות שבהן שלב נוזלי אחד או שניהם מותכים, כגון מלחים מותכים או מתכות מותכות, כגון כספית. סוניקציה מובנית עוצמתית בכורי תאי זרימה על-קוליים מאפשרת עיבוד אפילו נוזלים בעלי צמיגות גבוהה כגון התכה.
שטיפה בסיוע אולטרה-סאונד
שטיפה מתארת שימוש בחומצות, ממסים או מים חמים כדי להמיס באופן סלקטיבי מומס מנשא מוצק אינרטי בלתי מסיס. שטיפה משמשת לעתים קרובות בכרייה כדי לחלץ מתכות מעפרות.
היתרונות של שטיפה קולית:
- לשטוף פתחים קטנים של חומרים נקבוביים
- להתגבר על סלקטיביות של ממברנות
- להשמיד מוצקים, לדלמינט ולפרק מוצקים
- הסרת שכבות פסיביות
- הסרת שכבות תחמוצת
- יש להרטיב את כל פני השטח של החומר, במיוחד עבור נוזלים בעלי מתח פנים גבוה
- דילול גזירה
לחץ כאן כדי ללמוד עוד על שטיפה קולית!
Hielscher Sonicators עבור כל נפח הייצור
סוניקציה במעבדה, ספסל עליון וסולם ייצור: כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher בנויים לרוץ 24 שעות ביממה/7d, אפילו ההומוגנייזרים של המעבדה העל-קולית יכולים לעבד נפחים ניכרים במצב אצווה או זרימה. הספסל העליון ואת ultrasonicators תעשייתי מתוכננים ובנויים ברמה תעשייתית, כך נפחים גבוהים צמיגות גבוהה ניתן לעבד ללא בעיות – גם בתנאים תובעניים כגון לחצים גבוהים וטמפרטורות גבוהות (למשל בשילוב עם CO2 סופר-קריטי, לתהליכי אקסטרוזיה וכו'). האולטרסוניקטורים החזקים של Hielscher מסוגלים להתמודד עם ממסים, נוזלים שוחקים וקורוזיביים. אביזרים מתאימים מאפשרים להתאים את המערכת הקולית בצורה אופטימלית לדרישות תהליך החילוץ. להתקנה בסביבות מסוכנות, בדירוג ATEX או FM מערכות אולטראסוניות חסינות פיצוץ זמינים.
בכך, הסוניקטורים החזקים והחזקים של Hielscher והמגוון הרחב של אביזרים מאפשרים להסוניק חומרים כגון מים חמים / נוזלים, חומצות, נמס מתכות, מלחים נמסים, ממסים (למשל מתנול, הקסאן; אורגני, ממיסים קוטביים כגון אצטוניטריל).
תרשים זרימה: שלבי מיצוי העברת פאזה קולית
ספרות / מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
עיבוד נוזל על-קולי מכונה לעתים קרובות סוניקציה, אולטרה-סוניקציה, סוניפיקציה, תהודה, קרינה על-קולית או יישום שדות אקוסטיים. כל המונחים הללו מתארים את הצימוד של גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה למדיום נוזלי כדי להשיג קולי
- ערבוב & מיזוג,
- הומוגניזציה,
- תחליב,
- פיזור & deagglomeration,
- הקטנת גודל חלקיקים (כרסום & טחינה),
- התמוססות,
- מעניק לחות & הרטבה,
- ליזיס & הפרעה לתאים,
- חילוץ,
- הומוגניזציה של רקמות,
- פיצול,
- דה-גזיפיקציה & נטרול,
- גזירה דילול ו
- תגובה סונוכימית.
כמו אולטרסאונד כוח הוא כזה טכניקה עיבוד תכליתי, התקנים קוליים ידועים תחת מונחים שונים כגון סוניק בדיקה, לייזר קולי, משבש אולטרסאונד, מטחנה קולית, קרע סונו, sonifier, dismembrator קולי, משבש תאים, מפזר קולי או ממיס.