超音波支援触媒抽出

Hielscherの超音波リアクターは、多くの産業で触媒抽出処理（CEP）、またはいわゆる相間移動抽出（PTE）を支援し、改善するために使用されています。触媒抽出では、液体–液体や液体–固体など、互いに混和しない不均一な相系を扱います。超音波による強いせん断力とキャビテーション力は、溶質の溶解速度を大幅に向上させ、より迅速で、より完全な抽出を実現します。また、この効果を利用して、使用する溶媒や酸の量を削減できます。実証済みの技術である超音波支援抽出は、抽出時間を短縮し、有機溶媒の消費量を削減する環境に優しい抽出技術への需要の高まりに伴い、利用が拡大しています。

触媒抽出／相間移動抽出 – 基礎

「触媒抽出処理（CEP）または相間移動抽出（PTE）」という用語は、分析対象物の抽出と除去に着目した場合の、液体–液体または固体–液体間の分配を表します。そのため、液体または固体の希釈剤を溶媒（液相）中に分散／乳化する必要があります。「抽出剤」という用語は、溶媒中の活性物質のみを指します（すなわち、抽出剤、希釈剤および／または改質剤からなる均一な「有機相」）。この活性物質は、主に溶質を「水相」から「有機相」へ移動させる役割を担います [IUPAC]。抽出される対象物質は、抽出物と呼ばれます。
ソックスレー抽出、浸漬、マイクロ波、浸出、還流下での抽出と水蒸気蒸留、またはターボ抽出などの従来の抽出法は、時間がかかり非効率であることが多く、また、多量の有害な溶媒を必要とする場合があります。その結果、コストと時間がかかり、環境に悪影響を及ぼす工程となります。
超音波は、従来の抽出法に代わる実証済みの手法であり、有害な溶媒の使用量を減らすか、まったく使用せずに、より迅速で、より完全な抽出を実現します！超音波は、環境に優しいグリーンな処理を実現する強力な技術です。

超音波支援触媒抽出の原理

物質を抽出するには、抽出対象の物質が担体相から溶媒相へ溶け出せるように、互いに混和しない相を混合する必要があります。相間移動抽出は、通常、分散相から連続相へ行われます。つまり、液滴と粒子を溶媒中に均一に分散させる必要があります。
高出力超音波は、よく知られた混合・抽出技術であり、抽出工程に次のような複数の好ましい効果をもたらします。

超音波抽出の利点：

• 境界層を破壊
• ファンデルワールス力に打ち勝つ
• 未飽和の液体を接触面へ移動
• 移動剤の必要性を低減または解消
• 時間、温度および／または濃度を低減
• 完全飽和に必要な体積に対する過剰量を低減
• 精製する体積を削減（例えば蒸留、蒸発、乾燥による精製）
• 連続撹拌リアクター（CSR）が不要
• 電力を節約
• バッチ処理ではなくインライン処理
• 酸性度の低い溶媒、またはより安価な溶媒を使用
• 溶媒を使用せず、代わりに水系媒体を使用
• 固形分濃度の高いスラリーや高粘度スラリーを処理
• グリーンな処理：環境に優しい処理
• リンゴ酸やクエン酸などの有機酸を使用
• 多段抽出工程を回避

液液抽出

従来の工程： 液液抽出は、互いに混和しない二種類の液相における物質の相対的な溶解度に基づいて、一方の液相からもう一方の液相へ物質を抽出する分配法です。超音波を用いると、高性能な 混合, 乳化、および 溶解によって、両相間での溶質の移動速度が向上します！
液液抽出は、有機溶媒を使用して水溶液から有用な成分を分離・濃縮する分離技術です。他の分離技術（例えば蒸留）が有効でない場合に、液液抽出がよく用いられます。液液抽出は、医薬品・化粧品分野（活性化合物、原薬（API）、香料）、食品・農業分野、有機化学・無機化学、石油化学産業、および湿式製錬で使用されています。

問題： 一般的な問題は、液相が互いに混和しないこと（溶媒と希釈剤が混和しないこと）であり、適切な混合方法が必要になります。両方の液相を均一に混合すると希釈剤と溶媒の間の相間移動が促進されるため、信頼性の高い分散または乳化方法が不可欠です。混合物が微細で、両相間の接触面積が大きいほど、溶媒は一方の液相から他方の液相へ移動しやすくなります。従来の抽出工程では、ほとんどの場合、物質移動の促進が不十分であるため、抽出に時間がかかり、抽出が不完全になることがよくあります。抽出を改善するために、多くの場合、過剰な量の溶媒が使用されます。その結果、工程のコストが高くなり、環境汚染を引き起こします。
 

 
解決策： 超音波液液抽出は、さまざまな点で従来の液液抽出技術を上回ります。
高出力超音波は、二つ以上の液相を確実かつ容易に混合します。超音波処理によって液滴をナノサイズまで小さくできるため、微細な マイクロエマルションとナノエマルション が得られます。このとき、発生したキャビテーション力が液相間の物質移動を促進します。超音波処理は連続インラインシステムで実施できるため、 大容量の液体 および 高粘度の液体 を問題なく処理できます。
また、例えば分析目的の微量抽出も、超音波処理によって改善できます（例えば超音波乳化を用いたイオン液体ベースの微量抽出）。

超音波抽出の利点：
低周波／高出力超音波によって発生する強力な超音波の力は、次のことに役立ちます。

• 液滴の形状を変化させる
• エマルション移動剤や両親媒性触媒の使用を回避
• 洗浄剤や界面活性剤の使用を回避
• 両親媒性触媒、洗浄剤、界面活性剤の使用を回避
• 界面活性剤層を持たない、乱流状態の不安定なエマルションを生成

超音波によって改善される固液抽出

固液抽出または固相抽出（SPE）の目的は、液体混合物中に溶解または懸濁している分析対象物を分離し、その物理的・化学的特性に応じてマトリックスから単離することです。そのため、適切な溶媒を用いて、単離対象物を収着剤から溶出させます。抽出された物質は「elute」と呼ばれます。
従来のSPE技術には、浸漬、ソックスレー抽出、浸出、還流と水蒸気蒸留の組み合わせ、または高速混合／ターボ抽出があります。固液抽出は、生物学、化学、食品・医薬品・化粧品産業において、化合物を分離する一般的な手法です。金属の抽出は、浸出とも呼ばれます。
問題： 従来のSPE技術は時間がかかることで知られており、比較的多量の溶媒を必要とします。その多くは環境に有害で、汚染を引き起こします。処理温度が高いと、熱に敏感な抽出物が破壊されることさえあります。
解決策： 超音波支援固液抽出を用いれば、通常、従来のSPEに共通する問題を克服できます。超音波処理によって固体が溶媒相中に微細に分布するため、相境界の面積が拡大し、対象物質の溶媒への物質移動が改善されます。その結果、溶媒の使用量を削減するか、溶媒の使用を完全に回避しながら（代わりに液相として水を使用）、より迅速で、より完全な抽出を実現できます。高出力超音波を利用することで、固相抽出をより効率的、経済的、かつ環境に優しい方法で実施できます。汚染を引き起こす溶媒や有害な溶媒の使用を削減または回避するため、超音波抽出は環境に優しい グリーンプロセスと考えることができます。経済面では、エネルギー、溶媒、時間の節約によって工程コストが削減されます。

超音波溶媒抽出

溶媒抽出では、溶媒（例えば有機溶媒）を用いて、別の液体（例えば水相）から化合物を溶解・分離します。一般に、極性の高い溶質は極性の高い溶媒に溶解し、極性の低い溶質は極性の低い溶媒に溶解します。溶媒抽出を用いると、アセトニトリルや他の極性溶媒を使用して、酸化されたチオフェン類（スルホキシド、スルホン）を油相から分離できます。溶媒抽出は、ウラン、プルトニウム、トリウムなどの物質を、酸性溶液から有機リン酸エステルであるリン酸トリ-n-ブチルへ抽出するためにも用いられます（PUREX法）。
溶媒の使用量を削減： 超音波を用いると、工程における溶媒の使用量を最小限に抑え、溶媒中の生成物負荷量を最適化できます。また、より迅速で、より完全な抽出につながります。
超音波支援酸化脱硫の詳細は、こちらをクリックしてご覧ください！

超音波支援ソックスレー抽出

ソックスレー抽出は、合成・分析の実験室で頻繁に使用される固液抽出技術です。ソックスレー抽出は、主に、物質の溶媒への溶解度が限られており、不純物がその溶媒に溶解しない場合に用いられます。
超音波はソックスレー抽出と非常に効果的に組み合わせることができ、収率の向上と抽出時間の短縮を実現します。
超音波支援ソックスレー抽出の詳細は、こちらをクリックしてご覧ください！

超音波処理を用いた溶融物中での抽出

液液抽出は、一方または両方の液相が溶融物である混合物でも実施できます。例えば、溶融塩や、水銀などの溶融金属が該当します。超音波フローセルリアクターでの強力なインライン超音波処理により、溶融物のような高粘度の液体でも処理できます。

超音波支援浸出

浸出とは、酸、溶媒、または熱水を用いて、不活性で不溶性の固体担体から溶質を選択的に溶解させることを指します。浸出は、鉱石から金属を抽出するために、採鉱分野でよく用いられます。
超音波浸出の利点：

• 多孔質材料の微細な開口部を洗浄
• 膜の選択性を克服
• 固体を破壊し、剥離および解凝集
• 不動態層を除去
• 酸化物層を除去
• 特に表面張力の高い液体で、材料の表面全体を濡らす
• せん断薄化

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あらゆる生産量に対応するHielscherの超音波処理装置

実験室、卓上、生産規模での超音波処理：Hielscherのすべての超音波装置は、24h/7dの運転に対応するように製造されています。実験室用の超音波ホモジナイザーでも、バッチモードまたはフロースルーモードで相当量を処理できます。卓上型および産業用の超音波処理装置は、産業用の品質基準で設計・製造されており、大容量や高粘度の処理を問題なく行えます – 高圧や高温などの厳しい条件下でも同様です（例えば超臨界CO2との併用、押出工程など）。Hielscherの堅牢な超音波処理装置は、溶媒、摩耗性の液体、腐食性物質を扱うことができます。適切なアクセサリーにより、超音波システムを抽出工程の要件に最適に適合させることができます。危険環境への設置には、ATEXまたはFMの認証を受けた 防爆型超音波システム が用意されています。
このように、Hielscherの堅牢で強力な超音波処理装置と幅広いアクセサリーにより、熱水／液体、酸、溶融金属、溶融塩、溶媒（例えばメタノール、ヘキサン、アセトニトリルなどの有機極性溶媒）といった材料を超音波処理できます。

フローチャート：超音波相間移動抽出の各段階