Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Estrazione catalitica ad ultrasuoni assistita

I reattori ad ultrasuoni Hielscher sono utilizzati in molte industrie per assistere e migliorare il processo di estrazione catalitica (CEP) o la cosiddetta estrazione a trasferimento di fase (PTE). L'estrazione catalitica comporta un sistema di fase immiscibile eterogeneo, come liquido-liquido o liquido-soffice. Le elevate forze di taglio ad ultrasuoni e le forze cavitazionali migliorano la velocità di dissoluzione dei soluti, portando ad un'estrazione più rapida e completa. Inoltre, questo effetto può essere utilizzato per ridurre la quantità di solvente o acido utilizzato. Come tecnica collaudata, l'estrazione assistita da ultrasuoni viene utilizzata sempre più spesso a causa della crescente richiesta di tecniche di estrazione rispettose dell'ambiente con tempi di estrazione più brevi e ridotto consumo di solventi organici.

Estrazione catalitica/estrazione a trasferimento di fase - Principi fondamentali

Il termine “Il processo di estrazione catalitica (CEP) o Phase Transfer Extraction (PTE) descrive la distribuzione liquido-liquido o solido-liquido quando l'estrazione e la rimozione degli analiti è focalizzata. Pertanto, il diluente liquido o solido deve essere disperso/emulsionato nel solvente (fase liquida). Con il termine “estratto” è descritta solo la sostanza attiva contenuta nel solvente (cioè la "fase organica" omogenea).’ che comprende l'estratto, il diluente e/o il modificatore), che è il principale responsabile del trasferimento del soluto dall'"acquoso’ al "biologico’ fase. E' STATO UN PIACERE CONOSCERTI. La materia bersaglio, che viene estratta, viene chiamata estratto.
I metodi di estrazione tradizionali, come l'estrazione di soxhlet, la macerazione, il microonde, la percolazione, l'estrazione a riflusso e la distillazione a vapore o la turbo-estrazione sono spesso lenti e inefficienti e/o richiedono un'elevata quantità di solventi pericolosi, il che comporta un processo costoso e dispendioso in termini di tempo e nocivo per l'ambiente.
Gli ultrasuoni sono un'alternativa collaudata ai metodi di estrazione convenzionali che consentono un'estrazione più rapida e completa con meno solventi pericolosi o senza solventi pericolosi! Gli ultrasuoni sono una tecnica potente per una lavorazione ecologica e rispettosa dell'ambiente.

Principio dell'estrazione catalitica ad ultrasuoni assistita

Per l'estrazione di una sostanza, le fasi immiscibili devono essere mescolate in modo che la sostanza da estrarre possa essere sciolta dalla fase portante alla fase solvente. La maggior parte delle estrazioni a trasferimento di fase sono effettuate da una fase dispersa in una fase continua, il che significa che le goccioline e le particelle devono essere disperse in modo omogeneo nel solvente.
L'ultrasuono di potenza è una ben nota tecnologia di miscelazione ed estrazione che ha diversi effetti positivi sul processo di estrazione:

  • Miglioramento della cinetica di reazione
  • Miscela fine di supporto (sorbens) e solvente
  • Aumento dell'interfacciale tra le due fasi
  • aumento del trasferimento di massa
  • Rimozione degli strati passivanti dalla superficie delle particelle
  • interruzione delle cellule & Disintegrazione
  • Estrazione più completa con conseguente aumento dei rendimenti
  • Semplice & operazione di salvataggio
  • Processo verde: Rispettoso dell'ambiente

Principio di funzionamento della cavitazione ultrasonica

I suddetti vantaggi degli ultrasuoni sui processi di estrazione sono gli effetti degli ultrasuoni. cavitazione. Quando potenti onde ultrasoniche vengono accoppiate in un mezzo liquido, le onde creano cicli ad alta pressione/bassa pressione. Durante i cicli di bassa pressione, piccole bolle o vuoti emergono nel liquido sonicato. Queste bolle crescono in diversi cicli a bassa pressione fino a quando non sono in grado di assorbire più energia. Quando le bolle hanno raggiunto lo stadio di massimo assorbimento di energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. L'implosione della bolla crea localmente condizioni molto estreme come temperature molto elevate (circa 5.000K), pressioni molto elevate (circa 2.000atm), velocità di raffreddamento molto elevate e getti di liquido con velocità fino a 280m/s (circa 630mph). Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Queste condizioni estreme fanno dell'ultrasonicazione un metodo potente e versatile per la lavorazione di liquidi.
Per l'estrazione, nel campo di cavitazione ad ultrasuoni, due fasi sono intensamente miscelate. Le gocce e le particelle vengono scomposte in dimensioni inferiori al micron e alle nanostrutture. Questo sviluppa superfici ingrandite per un migliore trasferimento di massa da una fase all'altra. L'aumento dell'interfacciale tra le due fasi si traduce in un'area di contatto più ampia per l'estrazione in modo che il trasferimento di massa sia migliorato grazie alla rimozione degli strati liquidi stagnanti al limite di fase. Il trasferimento di massa è ulteriormente aumentato grazie alla rimozione degli strati passivanti dalla superficie delle particelle. Per l'estrazione di materia biologica da cellule e tessuti, il trasferimento di massa è aumentato dalla perturbazione cellulare ad ultrasuoni. Tutti questi effetti portano ad un'estrazione più completa e quindi a rendimenti più elevati.

Benefici dell'estrazione ad ultrasuoni:

  • rompere gli strati limite
  • superare le forze dei van-der-Waals
  • spostare il liquido insaturo sulla superficie di contatto
  • ridurre o eliminare la necessità di agenti di trasferimento
  • ridurre il tempo, la temperatura e/o la concentrazione
  • minore eccesso rispetto al volume richiesto per la saturazione completa
  • volume inferiore da raffinare (ad esempio per distillazione, evaporazione, essiccazione)
  • nessun reattore a mescolamento continuo (CSR)
  • risparmiare energia
  • nessun dosaggio ma elaborazione in linea
  • utilizzare solventi meno acidi o meno costosi
  • evitare i solventi, utilizzare invece quelli acquosi
  • trattare elevate concentrazioni di solidi o fanghi ad alta viscosità
  • lavorazione ecologica: rispettosa dell'ambiente
  • utilizzare acidi organici, come l'acido malico o l'acido citrico
  • evitare processi di estrazione a più fasi
Gli ultrasuoni ad alta potenza sono una tecnica collaudata per estrarre i componenti con conseguente maggiore resa e lavorazione più veloce (Click to enlarge!).

Estrazione rapida ed efficiente tramite sonicazione

Estrazione ad ultrasuoni per:

  • Biologia
  • Chimica
  • Cibo & farmaceutico
  • Analisi
  • trattamento nucleare
  • applicazioni minerarie
  • desolforazione
  • composti organici
  • geochimica
  • Purificazione

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Estrazione Liquido-Liquido

Processo convenzionale: L'estrazione liquido-liquido è un metodo di separazione per estrarre le sostanze da una fase liquida in un'altra fase liquida in base alle relative solubilità delle sostanze nelle due diverse fasi liquide immiscibili. L'uso degli ultrasuoni migliora la velocità con cui il soluto viene trasferito tra le due fasi grazie a prestazioni elevate. Miscelazione, la emulsionee dissoluzione!
L'estrazione liquido-liquido è una tecnica di separazione per isolare e concentrare componenti preziosi da una soluzione acquosa utilizzando un solvente organico. L'estrazione liquido-liquido viene spesso applicata quando altre tecniche di separazione (ad esempio la distillazione) sono inefficaci. L'estrazione liquido-liquido è utilizzata nel settore farmaceutico. & cosmetica (composti attivi, API, profumi), così come l'industria alimentare e agricola, per la chimica organica e inorganica, l'industria petrolchimica e l'idrometallurgia.

Problema: Un problema comune è l'immiscibilità delle fasi liquide (solvente e diluente sono immiscibili), per cui è necessario un corretto metodo di miscelazione. Poiché una miscelazione uniforme di entrambe le fasi liquide favorisce il trasferimento di fase tra diluente e solvente, un metodo affidabile di dispersione o emulsione è fondamentale. Più fine è la miscela e più alta è l'area di contatto tra le due fasi, migliore è il passaggio del solvente da una fase liquida ad un'altra fase liquida. I processi estrattivi convenzionali sono per lo più carenti nella promozione del trasferimento di massa, cosicché il processo di estrazione è lento e spesso incompleto. Per migliorare l'estrazione si utilizzano spesso quantità eccessive di solvente, il che rende il processo costoso e inquinante per l'ambiente.

Soluzione: L'estrazione liquido-liquido ad ultrasuoni eccelle le tradizionali tecniche di estrazione liquido-liquido in vari punti:
Power ultrasuoni mescola due o più fasi liquide in modo affidabile e facilmente combinabili tra loro. Con l'ultrasonicazione, le gocce possono essere ridotte a nano-size in modo che l'ammenda micro e nanoemulsioni e nanoemulsioni sono stati ottenuti. In questo modo, le forze cavitazionali generate favoriscono il trasferimento di massa tra le fasi liquide. Come sonicazione può essere eseguito in un sistema continuo in linea, grandi volumi e liquidi altamente viscosi possono essere gestiti senza problemi.
Ma anche la microestrazione, ad esempio a fini analitici, può essere migliorata mediante sonicazione (ad esempio, microestrazione ionica a base liquida con emulsificazione ad ultrasuoni).

Le potenti forze ultrasoniche sono una tecnica di estrazione ben nota e affidabile (Click to enlarge!).

Cavitazione ultrasonica in liquido

Benefici dell'estrazione ad ultrasuoni:
Forze ultrasoniche potenti – generato da ultrasuoni a bassa frequenza/alta potenza – aiuta a

  • rimodellare le goccioline
  • evitare agenti di trasferimento di emulsione o catalizzatori anfillici
  • evitare l'uso di detergenti o tensioattivi
  • evitare catalli anfillici, detergenti o tensioattivi
  • generare emulsioni turbolente e instabili senza strati di tensioattivi

Estrazione Solido-Liquido

Lo scopo dell'estrazione solido-liquido o estrazione in fase solida (SPE) è quello di separare gli analiti, che vengono disciolti o sospesi in una miscela liquida, e di isolarli da una matrice in base alle loro proprietà fisiche e chimiche. Pertanto, l'isolato viene eluito dai sorbens con l'aiuto di un solvente appropriato. La sostanza estratta si chiama eluto.
Le tecniche SPE convenzionali sono la macerazione, l'estrazione di soxhlet, la percolazione, la combinazione di riflusso e distillazione a vapore, o la miscelazione ad alta velocità/turbo-estrazione. L'estrazione solido-liquido è una procedura comune per separare i composti in biologia, chimica e nell'industria alimentare, farmaceutica e cosmetica. L'estrazione dei metalli è nota anche come lisciviazione.
Problema: Le tecniche SPE convenzionali sono note come tecniche che richiedono molto tempo e richiedono quantità relativamente grandi di solventi, per lo più pericolosi e inquinanti per l'ambiente. Temperature di processo elevate possono anche portare alla distruzione di estratti termosensibili.
Soluzione: Con un'estrazione solido-liquido ultrasonicamente assistita, i problemi comuni della tradizionale SPE possono essere normalmente superati. Poiché la sonicazione fornisce una distribuzione fine dei solidi nella fase solvente, è disponibile un confine interfacciale più ampio in modo da migliorare il trasferimento di massa della sostanza bersaglio nel solvente. Questo si traduce in un'estrazione più rapida e completa, mentre l'uso del solvente è ridotto o completamente evitato (usare l'acqua come fase liquida). Con l'applicazione di ultrasuoni di potenza, l'estrazione in fase solida può essere effettuata in modo più efficiente, economico e rispettoso dell'ambiente. Grazie alla riduzione o all'eliminazione di solventi inquinanti o pericolosi, l'estrazione a ultrasuoni può essere considerata rispettosa dell'ambiente. Processo verde. Economicamente, i costi di processo sono ridotti grazie al risparmio di energia, solventi e tempo.

estrazione con solvente

In caso di estrazione con solvente, un solvente (ad esempio, un solvente organico) è utilizzato per sciogliere e separare un composto da un altro liquido (ad esempio, una fase acquosa). In generale, più i soluti polari si dissolvono nel solvente più polare, e meno soluti polari nel solvente meno polare. Con l'estrazione con solventi è possibile separare i tiofenici ossidati (solfossidi, solfoni) da una fase oleosa utilizzando acetonitrile o altri solventi polari. L'estrazione con solvente è anche usata per estrarre materiali, come l'uranio, il plutonio o il torio da soluzioni acide in organofosfato tri-n-butilfosfato di butile (processo PUREX).
Ridurre l'uso di solventi: L'uso degli ultrasuoni riduce al minimo l'uso di solventi nel processo e ottimizza il carico di prodotto nel solvente. Porta anche ad un'estrazione più rapida e completa.
Clicca qui per saperne di più sulla desolforazione ossidativa ad ultrasuoni assistita!

Estrazione Soxhlet ad ultrasuoni assistita

L'estrazione Soxhlet è una tecnica di estrazione solido-liquido usata frequentemente nei laboratori sintetici e analitici. L'estrazione Soxhlet si applica principalmente quando una sostanza ha solo una solubilità limitata in un solvente e l'impurità è insolubile in quel solvente.
Gli ultrasuoni possono essere combinati con successo con l'estrazione Soxhlet, con conseguente aumento delle rese e tempi di estrazione più brevi.
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Estrazione in colata

Le estrazioni liquido-liquido possono essere eseguite in miscele in cui una o entrambe le fasi liquide si fondono, come i sali fusi o i metalli fusi, come il mercurio. La potente sonicazione in linea nei reattori a celle a flusso ultrasonico consente di trattare anche liquidi con viscosità elevate, come le fusioni.

Lisciviazione

La lisciviazione descrive l'uso di acidi, solventi o acqua calda per dissolvere selettivamente un soluto da un supporto solido inerte e insolubile. La lisciviazione è spesso utilizzata nell'estrazione mineraria per estrarre metalli dai minerali.
Benefici della lisciviazione ad ultrasuoni:

  • lavare piccoli orifizi di materiali porosi
  • superare le selettività delle membrane
  • distruggere i solidi, delaminare e deagglomerare i solidi
  • rimozione degli strati passivi
  • rimozione degli strati di ossido
  • bagnare tutta la superficie del materiale, in particolare per liquidi ad alta tensione superficiale
  • diradamento a taglio

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Attrezzatura Hielscher per qualsiasi bilancia

Sonicazione in laboratorio, da banco-Top e su scala di produzione
Tutti i dispositivi ad ultrasuoni Hielscher sono costruiti per funzionare 24h/7d, anche gli omogeneizzatori da laboratorio ad ultrasuoni possono trattare volumi considerevoli sia in modalità batch che a flusso continuo. Gli ultrasuoni da banco e industriali sono progettati e costruiti a livello industriale in modo che volumi elevati e viscosità elevate possano essere lavorati senza problemi. – anche in condizioni difficili come pressioni e temperature elevate (ad es. in combinazione con le emissioni supercritiche di CO2per processi di estrusione, ecc.) I robusti ultrasuoni Hielscher sono in grado di gestire solventi, liquidi abrasivi e corrosivi. Accessori adeguati consentono di adattare in modo ottimale il sistema a ultrasuoni alle esigenze del processo di estrazione. Per l'installazione in ambienti a rischio di esplosione, ATEX o FM. sistemi ad ultrasuoni antideflagranti sono disponibili.
In questo modo, i robusti e potenti sistemi ad ultrasuoni di Hielscher e l'ampia gamma di Accessori permette di sonicare materiali come acqua calda/liquidi, acidi, metalli fusi, sali fusi, solventi (ad es. metanolo, esano; organici, solventi polari ad es. acetonitrile).

L'estrazione a ultrasuoni a trasferimento di fase o l'estrazione catalitica può essere realizzata come semplice processo a due fasi

Diagramma di flusso: Fasi di estrazione a ultrasuoni a trasferimento di fase

Letteratura/riferimenti

  • Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Pretrattamento assistito da ultrasuoni di campioni solidi nell'ambito della chimica analitica verde. Tendenze in Chimica Analitica, Vol. 31, 2012. 50-60.
  • IUPAC. Compendio di Terminologia Chimica, 2a ed. (il “Libro d'oro”). Compilato da A.D. D. McNaught e A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML versione corretta online: http://goldbook.iupac.org (2006) creato da M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; aggiornamenti compilati da A. Jenkins. È DI 0-9678550-9-8.
  • Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Confronto delle tecniche di estrazione e di bonifica per la determinazione di idrocarburi policiclici aromatici in campioni di terreno contaminato. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
  • Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Estrazione di foglie di Boldo (Peumus boldus boldus Mol.). Rivista Internazionale di Scienze Molecolari 14, 2013. 5750-5764.
  • Wang, L.; Weller, C. L. L. (2006): Recenti progressi nell'estrazione di nutraceutici dalle piante. Tendenze nella scienza dell'alimentazione & Tecnologia 17, 2006. 300–312.

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Particolarità / Cose da sapere

L'elaborazione liquida ultrasonica è spesso indicata come sonicazione, ultrasonicazione, sonificazione, insonazione, insonazione, irradiazione ultrasonica o applicazione di campi acustici. Tutti questi termini descrivono l'accoppiamento di onde ultrasoniche ad alta potenza in un mezzo liquido per ottenere gli ultrasuoni.

Come ultrasuoni di potenza è una tecnica di elaborazione versatile, dispositivi ad ultrasuoni sono conosciuti in vari termini come sonda sonicator, sonic lyser, ultrasuoni disruptore, ultrasuoni macinatore, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, disrupter cellulare, ultrasuoni dispersore o dissolvente.