초음파 보조 촉매 추출

Hielscher 초음파 반응기는 여러 산업에서 촉매 추출 공정(CEP), 이른바 상간 이동 추출(PTE)을 보조하고 개선하는 데 사용됩니다. 촉매 추출에는 액체–액체 또는 액체–고체와 같이 서로 혼화되지 않는 불균일 상계가 관여합니다. 초음파의 높은 전단력과 캐비테이션 힘은 용질의 용해 속도를 크게 높여 더 빠르고 완전한 추출을 가능하게 합니다. 또한 이 효과를 이용하여 용매나 산의 사용량을 줄일 수 있습니다. 추출 시간을 단축하고 유기 용매 소비를 줄이는 친환경 추출 기술에 대한 수요가 증가함에 따라, 검증된 기술인 초음파 보조 추출의 사용이 늘어나고 있습니다.

촉매 추출/상간 이동 추출 – 기초

‘촉매 추출 공정(CEP) 또는 상간 이동 추출(PTE)’이라는 용어는 분석 대상 물질의 추출과 제거에 초점을 둔 액체–액체 또는 고체–액체 간 분배를 설명합니다. 따라서 액체 또는 고체 희석제를 용매(액상)에 분산/유화해야 합니다. ‘추출제’라는 용어는 용매 내의 활성 물질만을 가리키며, 이 물질은 주로 용질을 ‘수상’에서 ‘유기상’으로 이동시키는 역할을 합니다(여기서 용매는 추출제, 희석제 및/또는 개질제를 포함하는 균일한 ‘유기상’을 의미합니다). [IUPAC]. 추출되는 대상 물질을 추출물이라고 합니다.
속슬렛 추출, 침용, 마이크로파, 침출, 환류 추출과 수증기 증류 또는 터보 추출과 같은 기존 추출 방법은 흔히 느리고 비효율적이며, 많은 양의 유해 용매를 필요로 하기도 하므로 비용과 시간이 많이 들고 환경에 해로운 공정이 됩니다.
초음파는 유해 용매를 더 적게 사용하거나 전혀 사용하지 않으면서 더 빠르고 완전한 추출을 제공하는, 기존 추출 방법의 검증된 대안입니다! 초음파는 친환경 공정을 위한 강력한 기술입니다.

초음파 보조 촉매 추출의 원리

물질을 추출하려면 추출 대상 물질이 담체상에서 용매상으로 용해되어 이동할 수 있도록 서로 혼화되지 않는 상들을 혼합해야 합니다. 상간 이동 추출은 대부분 분산상에서 연속상으로 이루어지므로, 액적과 입자를 용매에 균일하게 분산시켜야 합니다.
고출력 초음파는 추출 공정에 다음과 같은 여러 긍정적인 효과를 제공하는 잘 알려진 혼합 및 추출 기술입니다:

초음파 추출의 이점:

• 경계층 파괴
• 반데르발스 힘 극복
• 불포화 액체를 접촉 표면으로 이동
• 전달제의 필요성 감소 또는 제거
• 시간, 온도 및/또는 농도 감소
• 완전 포화에 필요한 부피에 비해 초과량 감소
• 정제해야 할 부피 감소(예: 증류, 증발, 건조를 통한 정제)
• 연속 교반 반응기(CSR) 불필요
• 전력 절약
• 배치 처리 대신 인라인 처리
• 산성이 더 약하거나 더 저렴한 용매 사용
• 용매 사용을 피하고 대신 수계 매질 사용
• 고형물 농도가 높은 슬러리 또는 고점도 슬러리 처리
• 친환경 공정: 환경친화적
• 말산 또는 구연산과 같은 유기산 사용
• 다단계 추출 공정 회피

액체–액체 추출

기존 공정: 액체–액체 추출은 서로 섞이지 않는 두 액상에서 물질의 상대적인 용해도를 바탕으로 한 액상에서 다른 액상으로 물질을 추출하는 분배 방법입니다. 초음파를 사용하면 고성능 혼합, 유화, 그리고 용해를 통해 두 상 사이에서 용질이 전달되는 속도가 향상됩니다!
액체–액체 추출은 유기 용매를 사용하여 수용액에서 유용 성분을 분리하고 농축하는 분리 기술입니다. 액체–액체 추출은 다른 분리 기술(예: 증류)이 효과적이지 않을 때 자주 적용됩니다. 액체–액체 추출은 제약 및 화장품 산업(활성 화합물, 원료의약품(API), 향료)뿐만 아니라 식품 및 농업 산업, 유기 및 무기 화학, 석유화학 산업, 습식 제련에도 사용됩니다.

문제: 일반적인 문제는 액상들이 서로 섞이지 않는다는 점(용매와 희석제가 서로 섞이지 않음)이므로 적절한 혼합 방법이 필요합니다. 두 액상을 균일하게 혼합하면 희석제와 용매 사이의 상간 전달이 촉진되므로 신뢰할 수 있는 분산 또는 유화 방법이 매우 중요합니다. 혼합물이 더 미세하고 두 상 사이의 접촉 면적이 더 클수록 용매가 한 액상에서 다른 액상으로 더 잘 이동할 수 있습니다. 기존 추출 공정은 대부분 물질 전달을 충분히 촉진하지 못하므로 추출 과정이 느리고 종종 불완전합니다. 추출을 개선하기 위해 과도한 양의 용매를 사용하는 경우가 많으며, 이로 인해 공정 비용이 높아지고 환경오염이 발생합니다.
 

 
해결책: 초음파 액체–액체 추출은 여러 측면에서 기존 액체–액체 추출 기술보다 뛰어납니다.
고출력 초음파는 둘 이상의 액상을 안정적이고 쉽게 서로 혼합합니다. 초음파 처리를 통해 액적을 나노 크기로 줄일 수 있으므로 미세한 마이크로 및 나노 에멀젼을 얻을 수 있습니다. 이때 발생하는 캐비테이션 힘은 액상 사이의 물질 전달을 촉진합니다. 초음파 처리는 연속 인라인 시스템에서 수행할 수 있으므로, 대용량 및 고점도 액체를 문제없이 처리할 수 있습니다.
또한 분석 목적 등의 미량 추출도 초음파 처리로 개선할 수 있습니다(예: 초음파 유화를 이용한 이온성 액체 기반 미량 추출).

초음파 추출의 이점:
저주파/고출력 초음파로 생성되는 강력한 초음파 힘은 다음과 같은 효과를 얻는 데 도움을 줍니다.

• 액적의 형태 변경
• 유화 전달제 또는 양친매성 촉매의 사용 방지
• 세정제 또는 계면활성제의 사용 방지
• 양친매성 촉매, 세정제 또는 계면활성제의 사용 방지
• 계면활성제층 없이 난류 상태의 불안정한 에멀젼 생성

초음파로 개선하는 고체–액체 추출

고체–액체 추출 또는 고체상 추출(SPE)의 목적은 액체 혼합물에 용해되거나 현탁된 분석 대상 물질을 분리하고, 물리적 및 화학적 특성에 따라 매트릭스에서 분리해 내는 것입니다. 이를 위해 적절한 용매를 사용하여 흡착제에서 분리 대상 물질을 용출합니다. 추출된 물질을 용출물이라고 합니다.
기존 SPE 기법에는 침지법, 속슬렛 추출, 침출법, 환류와 수증기 증류의 조합, 고속 혼합/터보 추출 등이 있습니다. 고체–액체 추출은 생물학, 화학뿐 아니라 식품, 제약 및 화장품 산업에서도 화합물을 분리하는 데 일반적으로 사용하는 방법입니다. 금속 추출은 침출이라고도 합니다.
문제점: 기존 SPE 기법은 시간이 많이 소요되는 것으로 알려져 있으며, 대부분 환경에 유해하고 오염을 유발하는 용매를 비교적 다량으로 사용해야 합니다. 높은 공정 온도는 열에 민감한 추출물을 파괴할 수도 있습니다.
해결책: 초음파 보조 고체–액체 추출을 사용하면 일반적으로 기존 SPE의 흔한 문제점을 극복할 수 있습니다. 초음파 처리는 용매상 내에 고체를 미세하게 분포시키므로 계면이 넓어져 대상 물질이 용매로 이동하는 물질 전달이 향상됩니다. 그 결과 더 빠르고 완전한 추출이 이루어지며, 용매 사용량이 줄어들거나 용매 사용을 완전히 피할 수 있습니다(대신 물을 액상으로 사용). 고출력 초음파를 적용하면 고체상 추출을 더욱 효율적이고 경제적이며 환경친화적으로 수행할 수 있습니다. 오염을 유발하거나 유해한 용매의 사용을 줄이거나 피할 수 있으므로 초음파 추출은 환경친화적인 녹색 공정으로 간주할 수 있습니다. 경제적인 측면에서는 에너지, 용매 및 시간을 절약하여 공정 비용을 줄일 수 있습니다.

초음파 용매 추출

용매 추출에서는 용매(예: 유기 용매)를 사용하여 다른 액체(예: 수상)에서 화합물을 용해하고 분리합니다. 일반적으로 극성이 더 높은 용질은 극성이 더 높은 용매에 용해되고, 극성이 더 낮은 용질은 극성이 더 낮은 용매에 용해됩니다. 용매 추출을 이용하면 아세토니트릴이나 다른 극성 용매를 사용하여 유상에서 산화된 티오펜(설폭사이드, 설폰)을 분리할 수 있습니다. 용매 추출은 산성 용액에서 우라늄, 플루토늄 또는 토륨과 같은 물질을 유기인산염인 트라이-n-부틸 포스페이트로 추출하는 데에도 사용됩니다(PUREX 공정).
용매 사용량을 줄이세요: 초음파를 사용하면 공정에서 용매 사용량을 최소화하고 용매 내 제품 부하량을 최적화할 수 있습니다. 또한 더 빠르고 완전한 추출이 가능합니다.
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초음파 보조 속슬렛 추출

속슬렛 추출은 합성 및 분석 실험실에서 자주 사용하는 고체–액체 추출 기법입니다. 속슬렛 추출은 주로 물질의 용매에 대한 용해도가 제한적이고 불순물은 해당 용매에 용해되지 않는 경우에 적용합니다.
초음파를 속슬렛 추출과 매우 성공적으로 결합하여 수율을 높이고 추출 시간을 단축할 수 있습니다.
초음파 보조 속슬렛 추출에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

초음파 처리를 이용한 용융물 내 추출

액체–액체 추출은 한쪽 또는 양쪽 액상이 용융물인 혼합물에서 수행할 수 있으며, 용융염이나 수은과 같은 용융 금속이 그 예입니다. 초음파 플로우 셀 반응기에서 강력한 인라인 초음파 처리를 수행하면 용융물과 같이 점도가 높은 액체도 처리할 수 있습니다.

초음파 보조 침출

침출은 산, 용매 또는 뜨거운 물을 사용하여 불활성이며 불용성인 고체 담체에서 용질을 선택적으로 용해하는 것을 말합니다. 침출은 광석에서 금속을 추출하기 위해 광업에서 흔히 사용됩니다.
초음파 침출의 이점:

• 다공성 물질의 작은 개구부 세척
• 막의 선택성 극복
• 고체 파괴, 박리 및 해응집
• 부동태층 제거
• 산화물층 제거
• 특히 표면 장력이 높은 액체로 물질의 모든 표면을 적심
• 전단 박화

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모든 생산 규모에 적합한 Hielscher 초음파 처리기

실험실, 벤치탑 및 생산 규모의 초음파 처리: 모든 Hielscher 초음파 장치는 24h/7d 운전하도록 제작되며, 실험실용 초음파 균질기도 배치 모드나 통과 흐름 모드로 상당한 양을 처리할 수 있습니다. 벤치탑 및 산업용 초음파 처리기는 산업용 등급으로 설계 및 제작되어 대용량 및 고점도 물질을 문제없이 처리할 수 있으며, 고압 및 고온과 같은 까다로운 조건에서도 가능합니다(예: 초임계 CO2와의 결합, 압출 공정 등). Hielscher의 견고한 초음파 처리기는 용매, 마모성 액체 및 부식성 물질을 처리할 수 있습니다. 적합한 액세서리를 사용하면 초음파 시스템을 추출 공정의 요구 사항에 최적으로 맞출 수 있습니다. 위험 환경에 설치할 수 있도록 ATEX 또는 FM 등급을 받은 방폭형 초음파 시스템을 사용할 수 있습니다.
이처럼 Hielscher의 견고하고 강력한 초음파 처리기와 다양한 액세서리를 사용하면 뜨거운 물/액체, 산, 용융 금속, 용융염, 용매(예: 메탄올, 헥산; 아세토니트릴과 같은 유기 극성 용매) 등의 물질을 초음파 처리할 수 있습니다.

흐름도: 초음파 상전이 추출의 단계