Ekstrakcja katalityczna wspomagana ultradźwiękami

Reaktory ultradźwiękowe Hielscher są stosowane w wielu gałęziach przemysłu do wspomagania i usprawniania procesu ekstrakcji katalitycznej (CEP), zwanego również ekstrakcją z przeniesieniem międzyfazowym (PTE). Ekstrakcja katalityczna obejmuje heterogeniczny układ niemieszających się faz, takich jak ciecz–ciecz lub ciecz–ciało stałe. Intensywne ścinanie ultradźwiękowe i siły kawitacyjne znacznie zwiększają szybkość rozpuszczania substancji rozpuszczanych, prowadząc do szybszej i pełniejszej ekstrakcji. Ponadto efekt ten można wykorzystać do zmniejszenia ilości stosowanego rozpuszczalnika lub kwasu. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami, jako sprawdzona technika, jest stosowana coraz częściej ze względu na rosnące zapotrzebowanie na przyjazne dla środowiska techniki ekstrakcji o skróconym czasie procesu i zmniejszonym zużyciu rozpuszczalników organicznych.

Ekstrakcja katalityczna/ekstrakcja z przeniesieniem międzyfazowym – podstawy

Termin „proces ekstrakcji katalitycznej (CEP) lub ekstrakcja z przeniesieniem międzyfazowym (PTE)” opisuje podział między fazami ciecz–ciecz lub ciało stałe–ciecz, gdy celem jest ekstrakcja i usuwanie analitów. Dlatego ciekły lub stały rozcieńczalnik musi zostać zdyspergowany lub zemulgowany w rozpuszczalniku (fazie ciekłej). Termin „ekstrahent” oznacza wyłącznie substancję czynną w rozpuszczalniku (tj. jednorodną „fazę organiczną”, która obejmuje ekstrahent, rozcieńczalnik i/lub modyfikator), która odpowiada przede wszystkim za przenoszenie substancji rozpuszczonej z fazy „wodnej” do fazy „organicznej”. [IUPAC]. Docelowa substancja, która jest ekstrahowana, jest nazywana ekstraktem.
Tradycyjne metody ekstrakcji, takie jak ekstrakcja Soxhleta, maceracja, ekstrakcja mikrofalowa, perkolacja, ekstrakcja pod chłodnicą zwrotną i destylacja z parą wodną lub turboekstrakcja, są często powolne i mało wydajne i/lub wymagają dużych ilości niebezpiecznych rozpuszczalników, co skutkuje kosztownym i czasochłonnym procesem szkodliwym dla środowiska.
Ultradźwięki stanowią sprawdzoną alternatywę dla konwencjonalnych metod ekstrakcji, zapewniając szybszą i pełniejszą ekstrakcję przy mniejszym zużyciu niebezpiecznych rozpuszczalników lub bez ich stosowania! Ultradźwięki to skuteczna technika ekologicznego przetwarzania przyjaznego dla środowiska.

Zasada ekstrakcji katalitycznej wspomaganej ultradźwiękami

Aby wyekstrahować substancję, należy wymieszać niemieszające się fazy, tak aby ekstrahowana substancja mogła zostać rozpuszczona i przejść z fazy nośnej do fazy rozpuszczalnika. Ekstrakcję z przeniesieniem międzyfazowym najczęściej przeprowadza się z fazy rozproszonej do fazy ciągłej, co oznacza, że krople i cząstki muszą zostać jednorodnie zdyspergowane w rozpuszczalniku.
Ultradźwięki dużej mocy to dobrze znana technologia mieszania i ekstrakcji, która wywiera szereg pozytywnych efektów na proces ekstrakcji:

Korzyści z ekstrakcji ultradźwiękowej:

• rozbijanie warstw granicznych
• pokonywanie sił van der Waalsa
• doprowadzanie nienasyconej cieczy do powierzchni kontaktu
• ograniczanie lub eliminowanie zapotrzebowania na środki wspomagające przenoszenie
• skracanie czasu, obniżanie temperatury i/lub zmniejszanie stężenia
• mniejszy nadmiar w porównaniu z objętością wymaganą do pełnego nasycenia
• mniejsza objętość wymagająca oczyszczania (np. przez destylację, odparowanie, suszenie)
• brak reaktorów z ciągłym mieszaniem (CSR)
• oszczędność energii
• przetwarzanie w linii zamiast przetwarzania partiami
• stosowanie mniej kwaśnego lub tańszego rozpuszczalnika
• unikanie rozpuszczalników i stosowanie zamiast nich medium wodnego
• przetwarzanie zawiesin o wysokim stężeniu substancji stałych lub dużej lepkości
• ekologiczne przetwarzanie: przyjazne dla środowiska
• stosowanie kwasów organicznych, takich jak kwas jabłkowy lub kwas cytrynowy
• unikanie wielostopniowych procesów ekstrakcji

Ekstrakcja ciecz–ciecz

Proces konwencjonalny: Ekstrakcja ciecz–ciecz jest metodą podziałową służącą do ekstrahowania substancji z jednej fazy ciekłej do drugiej na podstawie względnej rozpuszczalności tych substancji w dwóch różnych, niemieszających się fazach ciekłych. Zastosowanie ultradźwięków zwiększa szybkość przenoszenia substancji rozpuszczonej między obiema fazami poprzez wydajne mieszanie, emulgowanie oraz rozpuszczanie!
Ekstrakcja ciecz–ciecz jest techniką rozdzielania służącą do izolowania i zatężania cennych składników z roztworu wodnego przy użyciu rozpuszczalnika organicznego. Ekstrakcję ciecz–ciecz często stosuje się, gdy inne techniki rozdzielania (np. destylacja) są nieskuteczne. Ekstrakcja ciecz–ciecz jest stosowana w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym (związki aktywne, API, substancje zapachowe), a także spożywczym i rolniczym, w chemii organicznej i nieorganicznej, przemyśle petrochemicznym oraz hydrometalurgii.

Problem: Częstym problemem jest niemieszalność faz ciekłych (rozpuszczalnik i rozcieńczalnik nie mieszają się), dlatego wymagana jest odpowiednia metoda mieszania. Ponieważ równomierne wymieszanie obu faz ciekłych sprzyja przenoszeniu międzyfazowemu między rozcieńczalnikiem a rozpuszczalnikiem, kluczowe znaczenie ma niezawodna metoda dyspergowania lub emulgowania. Im drobniej rozproszona mieszanina i im większa powierzchnia kontaktu między obiema fazami, tym łatwiej rozpuszczalnik może przechodzić z jednej fazy ciekłej do drugiej. Konwencjonalne procesy ekstrakcji zazwyczaj nie zapewniają wystarczającego usprawnienia transportu masy, przez co ekstrakcja przebiega powoli i często jest niepełna. Aby poprawić ekstrakcję, często stosuje się nadmierne ilości rozpuszczalnika, co zwiększa koszty procesu i zanieczyszcza środowisko.
 

 
Rozwiązanie: Ultradźwiękowa ekstrakcja ciecz–ciecz przewyższa tradycyjne techniki ekstrakcji ciecz–ciecz pod wieloma względami:
Ultradźwięki dużej mocy niezawodnie i łatwo mieszają ze sobą dwie lub więcej faz ciekłych. Dzięki sonikacji krople można zmniejszyć do rozmiarów nanometrycznych, co umożliwia uzyskanie drobnych mikro- i nanoemulsji . Wytworzone siły kawitacyjne wspomagają przy tym transport masy między fazami ciekłymi. Ponieważ sonikację można prowadzić w ciągłym systemie pracującym w linii, duże objętości i ciecze o dużej lepkości można przetwarzać bez problemów.
Sonikacja może również usprawnić mikroekstrakcję, np. na potrzeby analityczne (np. mikroekstrakcję z wykorzystaniem cieczy jonowych i emulgowania ultradźwiękowego).

Korzyści z ekstrakcji ultradźwiękowej:
Silne oddziaływania ultradźwiękowe – wytwarzane przez ultradźwięki o niskiej częstotliwości i dużej mocy – pomagają

• zmieniać kształt kropli
• unikać środków wspomagających przenoszenie emulsji lub katalizatorów amfifilowych
• unikać stosowania detergentów lub środków powierzchniowo czynnych
• unikać katalizatorów amfifilowych, detergentów lub środków powierzchniowo czynnych
• wytwarzać turbulentne, niestabilne emulsje bez warstw środków powierzchniowo czynnych

Ekstrakcja ciało stałe–ciecz usprawniona ultradźwiękami

Celem ekstrakcji ciało stałe–ciecz lub ekstrakcji do fazy stałej (SPE) jest rozdzielenie analitów rozpuszczonych lub zawieszonych w ciekłej mieszaninie oraz wyizolowanie ich z matrycy zgodnie z ich właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Dlatego izolat jest eluowany z sorbentu za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika. Wyekstrahowana substancja jest nazywana „elute”.
Konwencjonalne techniki SPE obejmują macerację, ekstrakcję Soxhleta, perkolację, połączenie ogrzewania pod chłodnicą zwrotną i destylacji z parą wodną lub mieszanie z dużą prędkością/turboekstrakcję. Ekstrakcja ciało stałe–ciecz jest powszechną procedurą rozdzielania związków w biologii, chemii oraz przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Ekstrakcja metali jest również znana jako ługowanie.
Problem: Konwencjonalne techniki SPE są znane z czasochłonności i wymagają stosunkowo dużych ilości rozpuszczalników, które w większości są niebezpieczne dla środowiska i powodują jego zanieczyszczenie. Wysokie temperatury procesu mogą nawet prowadzić do zniszczenia ekstraktów wrażliwych na ciepło.
Rozwiązanie: Dzięki ekstrakcji ciało stałe–ciecz wspomaganej ultradźwiękami można zwykle przezwyciężyć typowe problemy tradycyjnej SPE. Ponieważ sonikacja zapewnia drobne rozproszenie substancji stałych w fazie rozpuszczalnika, dostępna jest większa powierzchnia międzyfazowa, co usprawnia transport masy docelowej substancji do rozpuszczalnika. Prowadzi to do szybszej i pełniejszej ekstrakcji, przy jednoczesnym ograniczeniu lub całkowitym wyeliminowaniu stosowania rozpuszczalnika (zamiast niego należy użyć wody jako fazy ciekłej). Dzięki zastosowaniu ultradźwięków dużej mocy ekstrakcję do fazy stałej można przeprowadzać wydajniej, bardziej ekonomicznie i w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Ze względu na ograniczenie lub wyeliminowanie rozpuszczalników zanieczyszczających środowisko lub niebezpiecznych ekstrakcję ultradźwiękową można uznać za przyjazny dla środowiska proces ekologiczny. Z ekonomicznego punktu widzenia koszty procesu są obniżane dzięki oszczędności energii, rozpuszczalnika i czasu.

Ultradźwiękowa ekstrakcja rozpuszczalnikowa

W przypadku ekstrakcji rozpuszczalnikowej rozpuszczalnik (np. organiczny) jest stosowany do rozpuszczenia i oddzielenia związku z innej cieczy (np. fazy wodnej). Zasadniczo bardziej polarne substancje rozpuszczają się w bardziej polarnym rozpuszczalniku, a mniej polarne – w mniej polarnym rozpuszczalniku. Za pomocą ekstrakcji rozpuszczalnikowej można oddzielać utlenione tiofeny (sulfotlenki, sulfony) z fazy olejowej przy użyciu acetonitrylu lub innych rozpuszczalników polarnych. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest również stosowana do ekstrahowania materiałów, takich jak uran, pluton lub tor, z roztworów kwaśnych do organicznego fosforanu tri-n-butylu (proces PUREX).
Ogranicz zużycie rozpuszczalników: Zastosowanie ultradźwięków minimalizuje zużycie rozpuszczalników w procesie i optymalizuje zawartość produktu w rozpuszczalniku. Prowadzi również do szybszej i pełniejszej ekstrakcji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o odsiarczaniu oksydacyjnym wspomaganym ultradźwiękami!

Ekstrakcja Soxhleta wspomagana ultradźwiękami

Ekstrakcja Soxhleta to technika ekstrakcji ciało stałe–ciecz często stosowana w laboratoriach syntezy i analitycznych. Ekstrakcję Soxhleta stosuje się głównie wtedy, gdy substancja ma jedynie ograniczoną rozpuszczalność w rozpuszczalniku, a zanieczyszczenie jest w nim nierozpuszczalne.
Ultradźwięki można z dużym powodzeniem połączyć z ekstrakcją Soxhleta, uzyskując wyższą wydajność i krótszy czas ekstrakcji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ekstrakcji Soxhleta wspomaganej ultradźwiękami!

Ekstrakcja w stopach z wykorzystaniem sonikacji

Ekstrakcję ciecz–ciecz można przeprowadzać w mieszaninach, w których jedna lub obie fazy ciekłe są stopami, takimi jak stopione sole lub stopione metale, np. rtęć. Sonikacja dużej mocy prowadzona w linii w ultradźwiękowych reaktorach z komorą przepływową umożliwia przetwarzanie nawet cieczy o dużej lepkości, takich jak stopy.

Ługowanie wspomagane ultradźwiękami

Ługowanie oznacza stosowanie kwasów, rozpuszczalników lub gorącej wody do selektywnego rozpuszczania substancji z obojętnego, nierozpuszczalnego nośnika stałego. Ługowanie jest często stosowane w górnictwie do ekstrakcji metali z rud.
Korzyści z ługowania ultradźwiękowego:

• przepłukiwanie małych otworów w materiałach porowatych
• przezwyciężanie selektywności membran
• niszczenie ciał stałych, ich rozwarstwianie i deaglomeracja
• usuwanie warstw pasywnych
• usuwanie warstw tlenkowych
• zwilżanie całej powierzchni materiału, szczególnie w przypadku cieczy o wysokim napięciu powierzchniowym
• rozrzedzanie pod wpływem ścinania

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ługowaniu ultradźwiękowym!

Sonikatory Hielscher do każdej wielkości produkcji

Sonikacja w skali laboratoryjnej, na urządzeniach stołowych i w skali produkcyjnej: wszystkie urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są skonstruowane do pracy przez 24h/7d, a nawet laboratoryjne homogenizatory ultradźwiękowe mogą przetwarzać znaczne objętości w trybie okresowym lub przepływowym. Sonikatory stołowe i przemysłowe są projektowane i budowane zgodnie ze standardami przemysłowymi, dzięki czemu można bez problemów przetwarzać duże objętości i materiały o dużej lepkości – nawet w wymagających warunkach, takich jak wysokie ciśnienia i wysokie temperatury (np. w połączeniu z nadkrytycznym CO2, w procesach wytłaczania itp.). Wytrzymałe sonikatory Hielscher mogą przetwarzać rozpuszczalniki, ciecze ścierne i substancje żrące. Odpowiednie akcesoria umożliwiają optymalne dostosowanie systemu ultradźwiękowego do wymagań procesu ekstrakcji. Do instalacji w środowiskach zagrożonych wybuchem dostępne są mające certyfikację ATEX lub FM systemy ultradźwiękowe w wykonaniu przeciwwybuchowym .
Tym samym wytrzymałe i wydajne sonikatory Hielscher oraz szeroka gama akcesoriów umożliwiają sonikację takich materiałów jak gorąca woda/ciecze, kwasy, stopione metale, stopione sole i rozpuszczalniki (np. metanol, heksan; organiczne rozpuszczalniki polarne, np. acetonitryl).

Schemat blokowy: etapy ultradźwiękowej ekstrakcji z przeniesieniem międzyfazowym