Ultrasoon ondersteunde katalytische extractie

Ultrasone reactoren van Hielscher worden in veel industrieën gebruikt om katalytische extractieverwerking (CEP), ook wel fasetransferextractie (PTE) genoemd, te ondersteunen en te verbeteren. Katalytische extractie omvat een heterogeen systeem van niet-mengbare fasen, zoals vloeistof-vloeistof of vloeistof-vaste stof. Hoge ultrasone afschuiving en cavitatiekrachten verhogen de oplossnelheid van opgeloste stoffen aanzienlijk, wat leidt tot een snellere en volledigere extractie. Bovendien kan dit effect worden gebruikt om de gebruikte hoeveelheid oplosmiddel of zuur te verminderen. Als beproefde techniek wordt ultrasoon ondersteunde extractie steeds vaker toegepast vanwege een groeiende vraag naar milieuvriendelijke extractietechnieken met een kortere extractietijd en een lager verbruik van organische oplosmiddelen.

Katalytische extractie/fasetransferextractie – grondslagen

De term “katalytische extractieverwerking (CEP) of fasetransferextractie (PTE) beschrijft de vloeistof-vloeistof- of vaste stof-vloeistofverdeling wanneer de nadruk ligt op de extractie en verwijdering van analyten. Daarom moet het vloeibare of vaste verdunningsmiddel in het oplosmiddel (vloeibare fase) worden gedispergeerd/geëmulgeerd. De term “extractiemiddel” beschrijft alleen de actieve stof in het oplosmiddel (d.w.z. de homogene ‘organische fase’, die het extractiemiddel, het verdunningsmiddel en/of de modificator omvat), die hoofdzakelijk verantwoordelijk is voor de overdracht van de opgeloste stof van de ‘waterige’ naar de ‘organische’ fase. [IUPAC]. De doelstof die wordt geëxtraheerd, wordt extract genoemd.
Traditionele extractiemethoden zoals Soxhlet-extractie, maceratie, microgolfextractie, percolatie, extractie onder reflux en stoomdestillatie, of turbo-extractie zijn vaak langzaam en inefficiënt en/of vereisen een grote hoeveelheid gevaarlijke oplosmiddelen, wat resulteert in een kostbaar en tijdrovend proces dat schadelijk is voor het milieu.
Ultrasoon geluid is een beproefd alternatief voor conventionele extractiemethoden en zorgt voor een snellere en volledigere extractie met minder of geen gevaarlijke oplosmiddelen! Ultrasoon geluid is een krachtige techniek voor groene, milieuvriendelijke verwerking.

Principe van ultrasoon ondersteunde katalytische extractie

Voor de extractie van een stof moeten de niet-mengbare fasen worden gemengd, zodat de te extraheren stof vanuit de dragerfase in de oplosmiddelfase kan oplossen. Fasetransferextracties worden meestal uitgevoerd vanuit een disperse fase naar een continue fase, wat betekent dat druppels en deeltjes homogeen in het oplosmiddel moeten worden gedispergeerd.
Hoogvermogen-ultrasoon geluid is een bekende meng- en extractietechnologie die verschillende positieve effecten heeft op het extractieproces:

Voordelen van ultrasone extractie:

• grenslagen doorbreken
• vanderwaalskrachten overwinnen
• onverzadigde vloeistof naar het contactoppervlak verplaatsen
• de behoefte aan overdrachtsmiddelen verminderen of elimineren
• tijd, temperatuur en/of concentratie verminderen
• minder overmaat ten opzichte van het volume dat nodig is voor volledige verzadiging
• minder volume om te zuiveren (bijv. door destillatie, verdamping, droging)
• geen continu geroerde reactoren (CSR)
• energie besparen
• geen batchverwerking, maar inlineverwerking
• een minder zuur of goedkoper oplosmiddel gebruiken
• oplosmiddelen vermijden, in plaats daarvan een waterig medium gebruiken
• hoge concentraties vaste stoffen of slurries met een hoge viscositeit verwerken
• groene verwerking: milieuvriendelijk
• organische zuren gebruiken, zoals appelzuur of citroenzuur
• meertraps-extractieprocessen vermijden

Vloeistof-vloeistofextractie

Conventioneel proces: Vloeistof-vloeistofextractie is een verdelingsmethode om stoffen uit de ene vloeibare fase naar een andere vloeibare fase te extraheren op basis van de relatieve oplosbaarheid van de stoffen in de twee verschillende niet-mengbare vloeibare fasen. Het gebruik van ultrasoon geluid verhoogt de snelheid waarmee de opgeloste stof tussen de twee fasen wordt overgedragen door zeer effectief mengen, emulgeren en oplossen!
Vloeistof-vloeistofextractie is een scheidingstechniek om waardevolle componenten uit een waterige oplossing te isoleren en te concentreren met behulp van een organisch oplosmiddel. Vloeistof-vloeistofextractie wordt vaak toegepast wanneer andere scheidingstechnieken (bijv. destillatie) niet effectief zijn. Vloeistof-vloeistofextractie wordt gebruikt in de farmaceutische en cosmetische industrie (actieve verbindingen, API’s, geurstoffen), evenals in de voedingsindustrie en landbouw, in de organische en anorganische chemie, de petrochemische industrie en de hydrometallurgie.

Probleem: Een veelvoorkomend probleem is de niet-mengbaarheid van de vloeibare fasen (oplosmiddel en verdunningsmiddel zijn niet mengbaar), waardoor een geschikte mengmethode nodig is. Omdat een gelijkmatige menging van beide vloeibare fasen de fasetransfer tussen verdunningsmiddel en oplosmiddel bevordert, is een betrouwbare dispergeer- of emulgeermethode cruciaal. Hoe fijner het mengsel en hoe groter het contactoppervlak tussen beide fasen, hoe beter het oplosmiddel zich van de ene vloeibare fase naar de andere vloeibare fase kan verplaatsen. Conventionele extractieprocessen bevorderen de massaoverdracht doorgaans onvoldoende, waardoor het extractieproces langzaam en vaak onvolledig is. Om de extractie te verbeteren, worden vaak overmatige hoeveelheden oplosmiddel gebruikt, wat het proces duur en milieuvervuilend maakt.
 

 
Oplossing: Ultrasone vloeistof-vloeistofextractie overtreft traditionele vloeistof-vloeistofextractietechnieken op verschillende punten:
Hoogvermogen-ultrasoon geluid mengt twee of meer vloeibare fasen betrouwbaar en gemakkelijk met elkaar. Door sonicatie kunnen druppels worden verkleind tot nanoafmetingen, waardoor fijne micro- en nano-emulsies worden verkregen. Daarbij bevorderen de opgewekte cavitatiekrachten de massaoverdracht tussen de vloeibare fasen. Omdat sonicatie in een continu inlinesysteem kan worden uitgevoerd, kunnen grote volumes en zeer viskeuze vloeistoffen zonder problemen worden verwerkt.
Maar ook micro-extractie, bijv. voor analytische doeleinden, kan door sonicatie worden verbeterd (bijv. micro-extractie op basis van ionische vloeistoffen met ultrasone emulgering).

Voordelen van ultrasone extractie:
Krachtige ultrasone krachten – opgewekt door ultrasoon geluid met een lage frequentie en een hoog vermogen – helpen bij het

• veranderen van de vorm van druppels
• vermijden van emulsieoverdrachtsmiddelen of amfifiele katalysatoren
• vermijden van het gebruik van detergentia of oppervlakteactieve stoffen
• vermijden van amfifiele katalysatoren, detergentia of oppervlakteactieve stoffen
• genereren van turbulente, instabiele emulsies zonder lagen van oppervlakteactieve stoffen

Vaste stof-vloeistofextractie verbeterd door ultrasoon geluid

Het doel van vaste stof-vloeistofextractie of vastefase-extractie (SPE) is om analyten die in een vloeibaar mengsel zijn opgelost of gesuspendeerd, te scheiden en op basis van hun fysische en chemische eigenschappen uit een matrix te isoleren. Daarom wordt het isolaat met behulp van een geschikt oplosmiddel uit het sorbens geëlueerd. De geëxtraheerde stof wordt ‘elute’ genoemd.
Conventionele SPE-technieken zijn maceratie, Soxhlet-extractie, percolatie, een combinatie van reflux en stoomdestillatie, of mengen op hoge snelheid/turbo-extractie. Vaste stof-vloeistofextractie is een veelgebruikte procedure om verbindingen te scheiden in de biologie, chemie en in de voedingsmiddelen-, farmaceutische en cosmetische industrie. De extractie van metalen staat ook bekend als uitloging.
Probleem: Conventionele SPE-technieken staan bekend als tijdrovend en vereisen relatief grote hoeveelheden oplosmiddelen die meestal milieugevaarlijk en vervuilend zijn. Hoge procestemperaturen kunnen zelfs leiden tot de vernietiging van warmtegevoelige extracten.
Oplossing: Met ultrasoon ondersteunde vaste stof-vloeistofextractie kunnen de veelvoorkomende problemen van traditionele SPE doorgaans worden overwonnen. Omdat sonicatie zorgt voor een fijne verdeling van de vaste stoffen in de oplosmiddelfase, is een groter grensvlak beschikbaar, zodat de massaoverdracht van de doelstof naar het oplosmiddel wordt verbeterd. Dit resulteert in een snellere en volledigere extractie, terwijl het gebruik van oplosmiddelen wordt verminderd of volledig vermeden (gebruik in plaats daarvan water als vloeibare fase). Door hoogvermogen-ultrasoon geluid toe te passen, kan vastefase-extractie efficiënter, economischer en milieuvriendelijker worden uitgevoerd. Door het verminderen of vermijden van vervuilende of gevaarlijke oplosmiddelen kan ultrasone extractie worden beschouwd als een milieuvriendelijk groen proces. Economisch gezien worden de proceskosten verlaagd door besparingen op energie, oplosmiddel en tijd.

Ultrasone oplosmiddelextractie

Bij oplosmiddelextractie wordt een oplosmiddel (bijv. een organisch oplosmiddel) gebruikt om een verbinding uit een andere vloeistof (bijv. een waterige fase) op te lossen en te scheiden. Over het algemeen lossen de meer polaire stoffen op in het meer polaire oplosmiddel en de minder polaire stoffen in het minder polaire oplosmiddel. Met oplosmiddelextractie is het mogelijk om geoxideerde thiofenen (sulfoxiden, sulfonen) uit een oliefase te scheiden met behulp van acetonitril of andere polaire oplosmiddelen. Oplosmiddelextractie wordt ook gebruikt om materialen zoals uranium, plutonium of thorium uit zure oplossingen te extraheren naar het organofosfaat tri-n-butylfosfaat (PUREX-proces).
Verminder uw gebruik van oplosmiddelen: Het gebruik van ultrasoon geluid minimaliseert het gebruik van oplosmiddelen in het proces en optimaliseert de productbelading in het oplosmiddel. Het leidt ook tot een snellere en volledigere extractie.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon ondersteunde oxidatieve ontzwaveling!

Ultrasoon ondersteunde Soxhlet-extractie

Soxhlet-extractie is een vaste stof-vloeistofextractietechniek die vaak wordt gebruikt in synthetische en analytische laboratoria. Soxhlet-extractie wordt vooral toegepast wanneer een stof slechts beperkt oplosbaar is in een oplosmiddel en de verontreiniging niet oplosbaar is in dat oplosmiddel.
Ultrasoon geluid kan zeer succesvol worden gecombineerd met Soxhlet-extractie, wat resulteert in hogere opbrengsten en een kortere extractietijd.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon ondersteunde Soxhlet-extractie!

Extractie in smelten met behulp van sonicatie

Vloeistof-vloeistofextracties kunnen worden uitgevoerd in mengsels waarin een of beide vloeibare fasen smelten zijn, zoals gesmolten zouten of gesmolten metalen, zoals kwik. Krachtige inlinesonicatie in ultrasone doorstroomcelreactoren maakt het mogelijk om zelfs vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals smelten, te verwerken.

Ultrasoon ondersteunde uitloging

Uitloging beschrijft het gebruik van zuren, oplosmiddelen of heet water om selectief een opgeloste stof uit een inerte, onoplosbare vaste drager op te lossen. Uitloging wordt vaak in de mijnbouw gebruikt om metalen uit ertsen te extraheren.
Voordelen van ultrasone uitloging:

• kleine openingen van poreuze materialen spoelen
• selectiviteit van membranen overwinnen
• vaste stoffen vernietigen, delamineren en deagglomereren
• passieve lagen verwijderen
• verwijdering van oxidelagen
• het volledige materiaaloppervlak bevochtigen, in het bijzonder bij vloeistoffen met een hoge oppervlaktespanning
• afschuifverdunning

Klik hier voor meer informatie over ultrasone uitloging!

Hielscher sonicatoren voor elk productievolume

Sonicatie op laboratorium-, tafelmodel- en productieschaal: alle ultrasone apparaten van Hielscher zijn gebouwd voor gebruik gedurende 24h/7d; zelfs de ultrasone laboratoriumhomogenisatoren kunnen aanzienlijke volumes verwerken, zowel in batch- als in doorstroommodus. De ultrasone tafelmodellen en industriële ultrasone apparaten zijn ontworpen en gebouwd volgens industriële kwaliteitsnormen, zodat grote volumes en hoge viscositeiten zonder problemen kunnen worden verwerkt – zelfs onder veeleisende omstandigheden zoals hoge drukken en hoge temperaturen (bijv. in combinatie met superkritisch CO2, voor extrusieprocessen enz.). De robuuste ultrasone apparaten van Hielscher kunnen oplosmiddelen, abrasieve vloeistoffen en corrosieve stoffen verwerken. Geschikte accessoires maken het mogelijk om het ultrasone systeem optimaal aan te passen aan de eisen van het extractieproces. Voor installatie in gevaarlijke omgevingen zijn ATEX- of FM-gecertificeerde explosieveilige ultrasone systemen beschikbaar.
Daarbij maken de robuuste en krachtige sonicatoren van Hielscher en het brede assortiment accessoires het mogelijk om materialen zoals heet water/vloeistoffen, zuren, metaalsmelten, zoutsmelten en oplosmiddelen (bijv. methanol, hexaan; organische, polaire oplosmiddelen zoals acetonitril) aan sonicatie te onderwerpen.

Stroomschema: fasen van ultrasone fasetransferextractie