Ultrazvučno potpomognuta katalitička ekstrakcija

Hielscher ultrazvučni reaktori upotrebljavaju se u mnogim industrijama za potporu i poboljšanje postupka katalitičke ekstrakcije (CEP) ili takozvane ekstrakcije prijenosom između faza (PTE). Katalitička ekstrakcija uključuje heterogeni sustav faza koje se ne miješaju, primjerice tekuće–tekuće ili tekuće–kruto. Snažne ultrazvučne smične sile i kavitacijske sile znatno povećavaju brzinu otapanja otopljenih tvari, što dovodi do brže i potpunije ekstrakcije. Osim toga, taj se učinak može iskoristiti za smanjenje količine upotrijebljenog otapala ili kiseline. Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija kao dokazana tehnika sve se više upotrebljava zbog rastuće potražnje za ekološki prihvatljivim tehnikama ekstrakcije s kraćim vremenom ekstrakcije i smanjenom potrošnjom organskih otapala.

Katalitička ekstrakcija / ekstrakcija prijenosom između faza – osnove

Pojam „postupak katalitičke ekstrakcije (CEP) ili ekstrakcija prijenosom između faza (PTE)” opisuje raspodjelu između tekuće i tekuće ili krute i tekuće faze kada je naglasak na ekstrakciji i uklanjanju analita. Stoga se tekući ili kruti razrjeđivač mora dispergirati/emulgirati u otapalu (tekućoj fazi). Pojam „ekstrakcijsko sredstvo” označava samo aktivnu tvar u otapalu (tj. homogenu „organsku fazu” koja obuhvaća ekstrakcijsko sredstvo, razrjeđivač i/ili modifikator), koja je prvenstveno odgovorna za prijenos otopljene tvari iz „vodene” u „organsku” fazu. [IUPAC]. Ciljana tvar koja se ekstrahira naziva se ekstrakt.
Tradicionalne metode ekstrakcije, kao što su Soxhletova ekstrakcija, maceracija, mikrovalna ekstrakcija, perkolacija, ekstrakcija uz refluks i destilacija vodenom parom ili turboekstrakcija, često su spore i neučinkovite i/ili zahtijevaju velike količine opasnih otapala, što rezultira skupim i dugotrajnim postupkom koji šteti okolišu.
Ultrazvuk je dokazana alternativa konvencionalnim metodama ekstrakcije koja omogućuje bržu i potpuniju ekstrakciju uz manje opasnih otapala ili potpuno bez njih! Ultrazvuk je moćna tehnika za zelenu, ekološki prihvatljivu obradu.

Načelo ultrazvučno potpomognute katalitičke ekstrakcije

Za ekstrakciju tvari potrebno je pomiješati faze koje se ne miješaju kako bi se tvar koju treba ekstrahirati mogla otopiti iz faze nosača u fazi otapala. Ekstrakcije prijenosom između faza najčešće se provode iz disperzne faze u kontinuiranu fazu, što znači da se kapljice i čestice moraju homogeno dispergirati u otapalu.
Ultrazvuk velike snage dobro je poznata tehnologija miješanja i ekstrakcije koja ima nekoliko pozitivnih učinaka na postupak ekstrakcije:

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:

• razbijanje graničnih slojeva
• prevladavanje van der Waalsovih sila
• dovođenje nezasićene tekućine na dodirnu površinu
• smanjenje ili uklanjanje potrebe za sredstvima za prijenos
• smanjenje vremena, temperature i/ili koncentracije
• manji višak u odnosu na volumen potreban za potpuno zasićenje
• manji volumen za pročišćavanje (npr. destilacijom, isparavanjem, sušenjem)
• bez reaktora s kontinuiranim miješanjem (CSR)
• ušteda energije
• protočna obrada umjesto šaržne obrade
• uporaba manje kiselog ili jeftinijeg otapala
• izbjegavanje otapala i uporaba vodenog medija umjesto njih
• obrada suspenzija s visokim koncentracijama krutih tvari ili visokom viskoznošću
• zelena obrada: prihvatljiva za okoliš
• uporaba organskih kiselina, poput jabučne ili limunske kiseline
• izbjegavanje višestupanjskih postupaka ekstrakcije

Ekstrakcija tekuće–tekuće

Konvencionalni postupak: Ekstrakcija tekuće–tekuće metoda je razdjeljivanja kojom se tvari ekstrahiraju iz jedne tekuće faze u drugu na temelju njihove relativne topljivosti u dvjema različitim tekućim fazama koje se međusobno ne miješaju. Primjena ultrazvuka povećava brzinu prijenosa otopljene tvari između dviju faza visokoučinkovitim miješanjem, emulgiranjem i otapanjem!
Ekstrakcija tekuće–tekuće tehnika je odvajanja kojom se vrijedne komponente izoliraju i koncentriraju iz vodene otopine uporabom organskog otapala. Ekstrakcija tekuće–tekuće često se primjenjuje kada su druge tehnike odvajanja (npr. destilacija) neučinkovite. Ekstrakcija tekuće–tekuće primjenjuje se u farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji (aktivni spojevi, djelatne farmaceutske tvari (API), mirisi), kao i u prehrambenoj industriji i poljoprivredi, u organskoj i anorganskoj kemiji, petrokemijskoj industriji i hidrometalurgiji.

Problem: Čest je problem nemješljivost tekućih faza (otapalo i razrjeđivač međusobno se ne miješaju), pa je potrebna odgovarajuća metoda miješanja. Budući da ravnomjerno miješanje obiju tekućih faza potiče prijenos između faza razrjeđivača i otapala, pouzdana metoda dispergiranja ili emulgiranja ključna je. Što je smjesa finija i što je dodirna površina između obiju faza veća, to otapalo lakše prelazi iz jedne tekuće faze u drugu. Konvencionalni postupci ekstrakcije uglavnom nedovoljno potiču prijenos tvari, zbog čega je postupak ekstrakcije spor i često nepotpun. Za poboljšanje ekstrakcije često se upotrebljavaju prekomjerne količine otapala, što postupak čini skupim i onečišćuje okoliš.
 

 
Rješenje: Ultrazvučna ekstrakcija tekuće–tekuće nadmašuje tradicionalne tehnike ekstrakcije tekuće–tekuće u nekoliko aspekata:
Ultrazvuk velike snage pouzdano i lako miješa dvije ili više tekućih faza. Ultrazvučnom obradom kapljice se mogu smanjiti do nanometarskih veličina, tako da se dobivaju fine mikroemulzije i nanoemulzije . Pritom nastale kavitacijske sile potiču prijenos tvari između tekućih faza. Budući da se sonikacija može provoditi u kontinuiranom protočnom sustavu, veliki volumeni i visoko viskozne tekućine mogu se obrađivati bez problema.
No sonikacijom se može poboljšati i mikroekstrakcija, primjerice u analitičke svrhe (npr. mikroekstrakcija na bazi ionskih tekućina uz ultrazvučno emulgiranje).

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:
Snažne ultrazvučne sile – koje stvara ultrazvuk niske frekvencije i velike snage – pomažu

• preoblikovati kapljice
• izbjeći sredstva za prijenos emulzija ili amfifilne katalizatore
• izbjeći uporabu deterdženata ili površinski aktivnih tvari
• izbjeći amfifilne katalizatore, deterdžente ili površinski aktivne tvari
• stvarati turbulentne nestabilne emulzije bez slojeva površinski aktivnih tvari

Ekstrakcija kruto–tekuće poboljšana ultrazvukom

Cilj ekstrakcije kruto–tekuće ili ekstrakcije na čvrstoj fazi (SPE) jest odvojiti analite koji su otopljeni ili suspendirani u tekućoj smjesi te ih izolirati iz matrice prema njihovim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Stoga se izolat eluira sa sorbensa pomoću odgovarajućeg otapala. Ekstrahirana tvar naziva se „elute”.
Konvencionalne tehnike SPE-a uključuju maceraciju, Soxhletovu ekstrakciju, perkolaciju, kombinaciju refluksa i destilacije vodenom parom ili miješanje velikom brzinom / turboekstrakciju. Ekstrakcija kruto–tekuće uobičajen je postupak za odvajanje spojeva u biologiji, kemiji te prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji. Ekstrakcija metala poznata je i kao izluživanje.
Problem: Konvencionalne tehnike SPE-a poznate su kao dugotrajne i zahtijevaju razmjerno velike količine otapala koja su uglavnom opasna za okoliš i onečišćuju ga. Visoke procesne temperature mogu čak dovesti do uništenja toplinski osjetljivih ekstrakata.
Rješenje: Ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom kruto–tekuće obično se mogu prevladati uobičajeni problemi tradicionalnog SPE-a. Budući da sonikacija omogućuje finu raspodjelu krutih tvari u fazi otapala, dostupna je veća međufazna površina, čime se poboljšava prijenos mase ciljne tvari u otapalo. Time se postiže brža i potpunija ekstrakcija, dok se uporaba otapala smanjuje ili potpuno izbjegava (umjesto njega kao tekuću fazu upotrijebite vodu). Primjenom ultrazvuka velike snage ekstrakcija na čvrstoj fazi može se provoditi učinkovitije, ekonomičnije i prihvatljivije za okoliš. Zbog smanjenja ili izbjegavanja uporabe onečišćujućih ili opasnih otapala, ultrazvučna ekstrakcija može se smatrati ekološki prihvatljivim zelenim procesom. S ekonomskog gledišta troškovi procesa smanjuju se zahvaljujući uštedama energije, otapala i vremena.

Ultrazvučna ekstrakcija otapalom

Pri ekstrakciji otapalom otapalo (npr. organsko otapalo) upotrebljava se za otapanje i odvajanje spoja iz druge tekućine (npr. vodene faze). Općenito, polarnije otopljene tvari otapaju se u polarnijem otapalu, a manje polarne otopljene tvari u manje polarnom otapalu. Ekstrakcijom otapalom moguće je odvojiti oksidirane tiofene (sulfokside, sulfone) iz uljne faze pomoću acetonitrila ili drugih polarnih otapala. Ekstrakcija otapalom također se upotrebljava za ekstrakciju materijala poput uranija, plutonija ili torija iz kiselih otopina u organofosfat tri-n-butil-fosfat (proces PUREX).
Smanjite potrošnju otapala: Primjena ultrazvuka svodi uporabu otapala u procesu na najmanju moguću mjeru i optimizira količinu proizvoda u otapalu. Također omogućuje bržu i potpuniju ekstrakciju.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno potpomognutom oksidacijskom odsumporavanju!

Ultrazvučno potpomognuta Soxhletova ekstrakcija

Soxhletova ekstrakcija tehnika je ekstrakcije kruto–tekuće koja se često upotrebljava u sintetskim i analitičkim laboratorijima. Soxhletova ekstrakcija uglavnom se primjenjuje kada tvar ima samo ograničenu topljivost u otapalu, a nečistoća je u tom otapalu netopljiva.
Ultrazvuk se može vrlo uspješno kombinirati sa Soxhletovom ekstrakcijom, čime se povećavaju prinosi i skraćuje vrijeme ekstrakcije.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučno potpomognutoj Soxhletovoj ekstrakciji!

Ekstrakcija u talinama primjenom sonikacije

Ekstrakcije tekuće–tekuće mogu se provoditi u smjesama u kojima su jedna ili obje tekuće faze taline, poput rastaljenih soli ili rastaljenih metala, primjerice žive. Snažna sonikacija u linijskom sustavu u reaktorima s ultrazvučnim protočnim ćelijama omogućuje obradu čak i tekućina visoke viskoznosti poput talina.

Izluživanje potpomognuto ultrazvukom

Izluživanje označava upotrebu kiselina, otapala ili vruće vode za selektivno otapanje otopljene tvari iz inertnog netopljivog čvrstog nosača. Izluživanje se često primjenjuje u rudarstvu za ekstrakciju metala iz ruda.
Prednosti ultrazvučnog izluživanja:

• ispiranje malih otvora poroznih materijala
• prevladavanje selektivnosti membrana
• razaranje, delaminacija i deaglomeracija čvrstih tvari
• uklanjanje pasivnih slojeva
• uklanjanje oksidnih slojeva
• kvašenje cijele površine materijala, osobito pri upotrebi tekućina visoke površinske napetosti
• smanjenje viskoznosti pri smicanju

Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnom izluživanju!

Hielscher sonikatori za svaki obujam proizvodnje

Sonikacija u laboratorijskom, stolnom i proizvodnom mjerilu: svi Hielscher ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24h/7d, a čak i laboratorijski ultrazvučni homogenizatori mogu obrađivati znatne volumene u šaržnom ili protočnom načinu rada. Stolni i industrijski ultrazvučni uređaji projektirani su i izrađeni prema industrijskim standardima kako bi se veliki volumeni i tekućine visoke viskoznosti mogli obrađivati bez problema – čak i u zahtjevnim uvjetima poput visokih tlakova i visokih temperatura (npr. u kombinaciji sa superkritičnim CO2, za postupke ekstrudiranja itd.). Robusni Hielscher ultrazvučni uređaji mogu obrađivati otapala, abrazivne tekućine i korozivne tvari. Odgovarajući pribor omogućuje optimalnu prilagodbu ultrazvučnog sustava zahtjevima postupka ekstrakcije. Za ugradnju u opasnim okruženjima dostupni su ultrazvučni sustavi zaštićeni od eksplozije s certifikatom ATEX ili FM.
Robusni i snažni Hielscher sonikatori te širok izbor pribora tako omogućuju sonikaciju materijala poput vruće vode / tekućina, kiselina, talina metala, talina soli i otapala (npr. metanola, heksana; organskih, polarnih otapala, npr. acetonitrila).

Dijagram toka: faze ultrazvučne ekstrakcije s prijenosom između faza