Ultrazvučno potpomognuta katalitička ekstrakcija

Hielscher ultrazvučni reaktori koriste se u mnogim industrijama za pomoć i poboljšanje katalitičke ekstrakcije (CEP) ili takozvane fazno-transfer ekstrakcije (PTE). Katalitička ekstrakcija uključuje heterogeni fazni sustav koji se ne miješa, kao što je tekućina-tekućina ili tekućina-krutina. Ultrazvučne velike smične i kavitacijske sile poboljšavaju stope otapanja otopljenih tvari što značajno dovodi do brže i potpunije ekstrakcije. Dodatno, ovaj se učinak može koristiti za smanjenje količine korištenog otapala ili kiseline. Kao dokazana tehnika, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija sve se više koristi zbog rastuće potražnje za ekološki prihvatljivim tehnikama ekstrakcije sa skraćenim vremenom ekstrakcije i smanjenom potrošnjom organskog otapala.

Katalitička ekstrakcija/ekstrakcija prijenosom faza – Osnove

Uvjet “Obrada katalitičkom ekstrakcijom (CEP) ili ekstrakcija prijenosom faza (PTE) opisuje distribuciju tekućina-tekućina ili krutina-tekućina kada je fokusirana ekstrakcija i uklanjanje analita. Stoga se tekući ili čvrsti razrjeđivač mora dispergirati/emulgirati u otapalu (tekuća faza). Po terminu “ekstraktant” opisana je samo aktivna tvar u otapalu (tj. homogena 'organska faza’ koji se sastoji od ekstraktanta, razrjeđivača i/ili modifikatora) koji je prvenstveno odgovoran za prijenos otopljene tvari iz vodene’ na 'organsko’ faza. [IUPAC]. Ciljna tvar koja se ekstrahira naziva se ekstrakt.
Tradicionalne metode ekstrakcije kao što je soxhlet ekstrakcija, maceracija, mikrovalna pećnica, perkolacija, ekstrakcija pod refluksom i destilacija vodenom parom ili turbo ekstrakcija često su spore i neučinkovite i/ili zahtijevaju veliku količinu opasnih otapala što rezultira skupim i dugotrajnim procesom koji je štetan za okoliš.
Ultrazvuk je dokazana alternativa konvencionalnim metodama ekstrakcije koja omogućuje bržu i potpuniju ekstrakciju s manje ili bez opasnih otapala! Ultrazvuk je moćna tehnika za ekološki prihvatljivu obradu.

Princip ultrazvučno potpomognute katalitičke ekstrakcije

Za ekstrakciju tvari, faze koje se ne miješaju moraju se pomiješati tako da se tvar koju treba ekstrahirati može otopiti iz faze nosača u fazu otapala. Ekstrakcije faznog prijenosa najčešće se izvode iz disperzne faze u kontinuiranu fazu, što znači da se kapljice i čestice moraju homogeno raspršiti u otapalu.
Snažni ultrazvuk je dobro poznata tehnologija miješanja i ekstrakcije koja ima nekoliko pozitivnih učinaka na proces ekstrakcije:

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:

• razbiti granične slojeve
• nadjačati van-der-Waalsove sile
• premjestiti nezasićenu tekućinu na kontaktnu površinu
• smanjiti ili eliminirati potrebu za prijenosnim agensima
• smanjiti vrijeme, temperaturu i/ili koncentraciju
• manji višak u usporedbi s volumenom potrebnim za potpunu zasićenost
• manji volumen za pročišćavanje (npr. destilacijom, isparavanjem, sušenjem)
• nema reaktora s kontinuiranim miješanjem (CSR)
• štedi snagu
• nema grupiranja već inline obrade
• koristite manje kiselo ili jeftinije otapalo
• izbjegavajte otapala, umjesto njih koristite vodena
• obraditi visoke koncentracije krutih tvari ili kaše visoke viskoznosti
• zelena obrada: ekološki prihvatljiva
• koristite organske kiseline, poput jabučne kiseline ili limunske kiseline
• izbjegavajte višestupanjske procese ekstrakcije

tekućina-tekuća ekstrakcija

Konvencionalni postupak: Ekstrakcija tekućina-tekućina je metoda dijeljenja za ekstrahiranje tvari iz jedne tekuće faze u drugu tekuću fazu na temelju relativne topljivosti tvari u dvije različite tekuće faze koje se ne miješaju. Korištenje ultrazvuka poboljšava brzinu kojom se otopljena tvar prenosi između dviju faza zahvaljujući visokoj učinkovitosti miješanje, Emulgiranje, i otapanje!
Ekstrakcija tekućina-tekućina je tehnika odvajanja za izolaciju i koncentriranje vrijednih komponenti iz vodene otopine korištenjem organskog otapala. Ekstrakcija tekućina-tekućina često se primjenjuje kada su druge tehnike odvajanja (npr. destilacija) neučinkovite. Tekuća ekstrakcija se koristi u farmaciji & kozmetika (aktivni spojevi, API, mirisi), kao i prehrambena i poljoprivredna industrija, za organsku i anorgansku kemiju, petrokemijsku industriju i hidrometalurgiju.

Problem: Čest problem je nemiješanje tekućih faza (otapalo i razrjeđivač se ne miješaju), tako da je potrebna odgovarajuća metoda miješanja. Budući da ravnomjerno miješanje obje tekuće faze potiče fazni prijenos između razrjeđivača i otapala, pouzdana metoda dispergiranja ili emulgiranja je ključna. Što je smjesa finija i što je veća kontaktna površina između obje faze, to otapalo može bolje putovati iz jedne tekuće faze u drugu tekuću fazu. Konvencionalnim postupcima ekstrakcije uglavnom nedostaje poticanje prijenosa mase, tako da je proces ekstrakcije spor i često nepotpun. Za poboljšanje ekstrakcije često se koriste prevelike količine otapala, što proces čini skupim i zagađuje okoliš.
 

 
Riješenje: Ultrazvučna ekstrakcija tekućina-tekućina nadmašuje tradicionalne tehnike ekstrakcije tekućina-tekućina u različitim točkama:
Snažni ultrazvuk pouzdano i jednostavno miješa dvije ili više tekućih faza. Ultrazvučnom obradom, kapljice se mogu smanjiti na nano-veličinu tako da je fino mikro- i nano-emulzije dobivaju se. Na taj način generirane kavitacijske sile potiču prijenos mase između tekućih faza. Kako se ultrazvuk može izvoditi u kontinuiranom inline sustavu, velike količine i visoko viskozne tekućine može se rukovati bez problema.
Ali i mikro ekstrakcija, npr. u analitičke svrhe, također se može poboljšati sonikacijom (npr. mikroekstrakcija na bazi ionske tekućine s ultrazvučnom emulzifikacijom).

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije:
Snažne ultrazvučne sile – generiran ultrazvukom niske frekvencije/visoke snage – pomaže da se

• preoblikovati kapljice
• izbjegavajte sredstva za prijenos emulzije ili amfifilne katalizatore
• izbjegavajte upotrebu deterdženata ili surfaktanata
• izbjegavajte amfifilne katalizatore, deterdžente ili površinski aktivne tvari
• stvaraju turbulentne nestabilne emulzije bez površinski aktivnih slojeva

Ekstrakcija kruto-tekuće poboljšana ultrazvukom

Cilj kruto-tekuće ekstrakcije ili ekstrakcije krute faze (SPE) je odvajanje analita, koji su otopljeni ili suspendirani u tekućoj smjesi, i njihovo izdvajanje iz matrice u skladu s njihovim fizičkim i kemijskim svojstvima. Stoga se izolat eluira iz sorbena uz pomoć odgovarajućeg otapala. Ekstrahirana tvar naziva se elut.
Konvencionalne SPE tehnike su maceracija, soxhlet ekstrakcija, perkolacija, kombinacija refluksa i parne destilacije ili miješanje/turboekstrakcija velikom brzinom. Ekstrakcija kruto-tekuće uobičajen je postupak za odvajanje spojeva u biologiji, kemiji, kao iu prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji. Ekstrakcija metala također je poznata kao ispiranje.
Problem: Konvencionalne SPE tehnike poznate su kao dugotrajne i zahtijevaju relativno velike količine otapala koja su uglavnom opasna za okoliš i onečišćuju. Visoke procesne temperature mogu čak dovesti do uništenja ekstrakata osjetljivih na toplinu.
Riješenje: S ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom kruto-tekuće, uobičajeni problemi tradicionalnog SPE-a mogu se normalno prevladati. Budući da ultrazvuk osigurava finu distribuciju krutina u fazi otapala, dostupna je veća međupovršinska granica tako da je prijenos mase ciljne tvari u otapalo poboljšan. To rezultira bržom i potpunijom ekstrakcijom dok je upotreba otapala smanjena ili potpuno izbjegnuta (umjesto toga koristite vodu kao tekuću fazu). Primjenom snažnog ultrazvuka, ekstrakcija čvrste faze može se izvesti učinkovitije, ekonomičnije i ekološki prihvatljivije. Zbog smanjenja ili izbjegavanja zagađujućih ili opasnih otapala, ultrazvučna ekstrakcija može se smatrati ekološki prihvatljivom Zeleni proces. Ekonomski, troškovi procesa su smanjeni zbog uštede energije, otapala i vremena.

ultrazvučna ekstrakcija otapalom

U slučaju ekstrakcije otapalom, otapalo (npr. organsko otapalo) koristi se za otapanje i odvajanje spoja od 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 koristi za ekstrakciju materijala, kao što su uran, plutonij ili torij iz kiselih otopina u organofosfatne tri-N-butil fosfat (PUREX postupak).
Smanjite upotrebu otapala: Korištenje ultrazvuka smanjuje upotrebu otapala u procesu i optimizira količinu proizvoda u otapalu. Također dovodi do brže i potpunije ekstrakcije.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno potpomognutoj oksidativnoj desumporizaciji!

Ultrazvučno potpomognuta Soxhlet ekstrakcija

Soxhlet ekstrakcija je tehnika ekstrakcije kruto-tekuće koja se često koristi u sintetskim i analitičkim laboratorijima. Ekstrakcija po Soxhletu uglavnom se primjenjuje kada tvar ima samo ograničenu topljivost u otapalu, a nečistoća je netopljiva u tom otapalu.
Ultrazvuk se može vrlo uspješno kombinirati sa Soxhlet ekstrakcijom što rezultira povećanjem prinosa i kraćim vremenom ekstrakcije.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučno potpomognutoj Soxhlet ekstrakciji!

Ekstrakcija u talionicama pomoću sonikacije

Tekuće-tekuće ekstrakcije mogu se izvoditi u smjesama gdje su jedna ili obje tekuće faze taline, kao što su rastaljene soli ili rastaljeni metali, kao što je živa. Snažna inline sonikacija u ultrazvučnim reaktorima s protočnim ćelijama omogućuje obradu čak i tekućina s visokim viskozitetom kao što su taline.

Ultrazvučno potpomognuto ispiranje

Ispiranje opisuje upotrebu kiselina, otapala ili vruće vode za selektivno otapanje otopljene tvari iz inertnog netopljivog krutog nosača. Ispiranje se često koristi u rudarstvu za izdvajanje metala iz ruda.
Prednosti ultrazvučnog ispiranja:

• oprati male otvore poroznih materijala
• prevladati selektivnost membrana
• uništavanje čvrstih tvari, raslojavanje i deaglomeracija čvrstih tvari
• uklanjanje pasivnih slojeva
• uklanjanje oksidnih slojeva
• navlažite sve površine materijala, posebno za tekućine visoke površinske napetosti
• stanjivanje smicanjem

Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom ispiranju!

Hielscher sonikatori za bilo koju količinu proizvodnje

Ultrazvučna obrada u laboratoriju, stolnoj i proizvodnoj razini: svi Hielscher ultrazvučni uređaji napravljeni su za rad 24h/7d, čak i ultrazvučni laboratorijski homogenizatori mogu obraditi značajne količine bilo u šaržnom ili protočnom načinu rada. Stolni i industrijski ultrazvučni uređaji dizajnirani su i izrađeni na industrijskoj razini tako da se velike količine i visoke viskoznosti mogu obraditi bez problema – čak i pod zahtjevnim uvjetima kao što su visoki tlakovi i visoke temperature (npr. u kombinaciji sa superkritičnim CO2, za procese ekstruzije itd.). Hielscherovi robusni ultrazvučni uređaji mogu se nositi s otapalima, abrazivnim tekućinama i korozivima. Odgovarajući pribor omogućuje optimalnu prilagodbu ultrazvučnog sustava zahtjevima procesa ekstrakcije. Za ugradnju u opasnim okruženjima, ATEX ili FM ocjena ultrazvučni sustavi otporni na eksploziju su dostupni.
Zbog toga Hielscher robusni i snažni sonikatori i širok raspon dodataka omogućavaju sonikaciju materijala kao što su topla voda/tekućine, kiseline, metalne taline, taline soli, otapala (npr. metanol, heksan; organska, polarna otapala, npr. acetonitril).

Dijagram toka: Faze ekstrakcije ultrazvučnog faznog prijenosa