Каталитичка екстракција потпомогнута ултразвуком

Ултразвучни реактори Hielscher користе се у многим индустријским гранама за потпомагање и побољшање процеса каталитичке екстракције (CEP), односно такозване екстракције преносом између фаза (PTE). Каталитичка екстракција обухвата хетерогени систем фаза које се међусобно не мешају, као што су течно–течно или течно–чврсто. Снажно смицање и кавитационе силе настале дејством ултразвука знатно повећавају брзину растварања растворених супстанци, што доводи до брже и потпуније екстракције. Поред тога, овај ефекат може се користити за смањење количине употребљеног растварача или киселине. Као доказана техника, екстракција потпомогнута ултразвуком све се више користи због растуће потражње за еколошки прихватљивим техникама екстракције са скраћеним временом екстракције и смањеном потрошњом органских растварача.

Каталитичка екстракција/екстракција преносом између фаза – основе

Термин „процес каталитичке екстракције (CEP) или екстракција преносом између фаза (PTE)“ описује расподелу између течне и течне или чврсте и течне фазе када је нагласак на екстракцији и уклањању аналита. Због тога се течни или чврсти разблаживач мора дисперговати/емулговати у растварачу (течној фази). Термин „екстракционо средство“ означава само активну супстанцу у растварачу (тј. хомогеној „органској фази“, која садржи екстракционо средство, разблаживач и/или модификатор), која је првенствено одговорна за пренос растворене супстанце из „водене“ у „органску“ фазу. [IUPAC]. Циљна материја која се екстрахује назива се екстракт.
Традиционалне методе екстракције, као што су Сокслетова екстракција, мацерација, микроталасна екстракција, перколација, екстракција под рефлуксом и дестилација воденом паром или турбоекстракција, често су споре и неефикасне и/или захтевају велику количину опасних растварача, што доводи до скупог и дуготрајног процеса који је штетан за животну средину.
Ултразвук је доказана алтернатива конвенционалним методама екстракције која омогућава бржу и потпунију екстракцију уз мању количину опасних растварача или без њих! Ултразвук је моћна техника за зелену, еколошки прихватљиву обраду.

Принцип каталитичке екстракције потпомогнуте ултразвуком

За екстракцију неке супстанце, фазе које се међусобно не мешају морају се измешати тако да се супстанца која се екстрахује може растворити и прећи из фазе носача у фазу растварача. Екстракције преносом између фаза најчешће се изводе из дисперзне фазе у континуалну фазу, што значи да капљице и честице треба хомогено дисперговати у растварачу.
Ултразвук велике снаге је добро позната технологија мешања и екстракције која има неколико позитивних ефеката на процес екстракције:

Предности ултразвучне екстракције:

• разбијање граничних слојева
• савладавање Ван дер Валсових сила
• довођење незасићене течности до контактне површине
• смањење или елиминисање потребе за агенсима за пренос
• смањење времена, температуре и/или концентрације
• мањи вишак у односу на запремину потребну за потпуно засићење
• мања запремина за пречишћавање (нпр. дестилацијом, испаравањем, сушењем)
• без реактора са непрекидним мешањем (CSR)
• уштеда енергије
• проточна обрада уместо шаржне обраде
• употреба мање киселог или јефтинијег растварача
• избегавање растварача, уз употребу водене средине уместо њих
• обрада високих концентрација чврстих материја или суспензија високе вискозности
• зелена обрада: прихватљива за животну средину
• употреба органских киселина, као што су јабучна или лимунска киселина
• избегавање вишестепених поступака екстракције

Екстракција течно–течно

Конвенционални поступак: Екстракција течно–течно је метода расподеле којом се супстанце екстрахују из једне течне фазе у другу на основу њихове релативне растворљивости у двема различитим течним фазама које се међусобно не мешају. Примена ултразвука повећава брзину преноса растворене супстанце између две фазе високоефикасним мешањем, емулговањем и растварањем!
Екстракција течно–течно је техника раздвајања којом се вредне компоненте изолују и концентришу из воденог раствора помоћу органског растварача. Екстракција течно–течно се често примењује када су друге технике раздвајања (нпр. дестилација) неефикасне. Екстракција течно–течно се користи у фармацеутској и козметичкој индустрији (активна једињења, активни фармацеутски састојци (API), мирисне материје), као и у прехрамбеној индустрији и пољопривреди, у органској и неорганској хемији, петрохемијској индустрији и хидрометалургији.

Проблем: Чест проблем је немешљивост течних фаза (растварач и разблаживач се међусобно не мешају), због чега је потребна одговарајућа метода мешања. Пошто равномерно мешање обе течне фазе поспешује пренос између фазе разблаживача и фазе растварача, поуздана метода дисперговања или емулговања је од пресудног значаја. Што је смеша финија и контактна површина између обе фазе већа, то растварач лакше прелази из једне течне фазе у другу. Конвенционални поступци екстракције углавном недовољно поспешују пренос масе, па је екстракција спора и често непотпуна. Ради побољшања екстракције често се користе прекомерне количине растварача, што поступак чини скупим и загађује животну средину.
 

 
Решење: Ултразвучна екстракција течно–течно надмашује традиционалне технике екстракције течно–течно у више аспеката:
Ултразвук велике снаге поуздано и лако меша две или више течних фаза. Ултразвучном обрадом капљице се могу смањити до нанометарских величина, тако да се добијају фине микроемулзије и наноемулзије . При томе настале кавитационе силе поспешују пренос масе између течних фаза. Пошто се соникација може спроводити у континуалном проточном систему, велике запремине и течности високе вискозности могу се обрађивати без проблема.
Такође, и микроекстракција, нпр. за аналитичке сврхе, може се побољшати соникацијом (нпр. микроекстракција заснована на јонским течностима уз ултразвучно емулговање).

Предности ултразвучне екстракције:
Снажне ултразвучне силе – настале деловањем ултразвука ниске фреквенције и велике снаге – помажу да се

• преобликују капљице
• избегну средства за пренос емулзије или амфифилни катализатори
• избегне употреба детерџената или површински активних материја
• избегну амфифилни катализатори, детерџенти или површински активне материје
• стварају турбулентне нестабилне емулзије без слојева површински активних материја

Екстракција чврсто–течно побољшана ултразвуком

Циљ екстракције чврсто–течно или екстракције на чврстој фази (SPE) јесте раздвајање аналита који су растворени или суспендовани у течној смеши и њихово издвајање из матрикса према њиховим физичким и хемијским својствима. Зато се изолат елуира са сорбенса помоћу одговарајућег растварача. Екстрахована супстанца назива се елуат.
Конвенционалне SPE технике су мацерација, Сокслетова екстракција, перколација, комбинација рефлукса и дестилације воденом паром или мешање великом брзином / турбоекстракција. Екстракција чврсто–течно је уобичајен поступак за раздвајање једињења у биологији, хемији, као и у прехрамбеној, фармацеутској и козметичкој индустрији. Екстракција метала позната је и као лужење.
Проблем: Конвенционалне SPE технике познате су по томе што захтевају много времена и релативно велике количине растварача који су углавном опасни по животну средину и загађују је. Високе процесне температуре могу чак довести до разарања екстраката осетљивих на топлоту.
Решење: Ултразвучно потпомогнутом екстракцијом чврсто–течно обично се могу превазићи уобичајени проблеми традиционалне SPE. Пошто соникација обезбеђује фину расподелу чврстих материја у фази растварача, доступна је већа међуфазна површина, чиме се побољшава пренос масе циљне супстанце у растварач. То доводи до брже и потпуније екстракције, уз смањену употребу растварача или њено потпуно избегавање (уместо њега користити воду као течну фазу). Применом ултразвука велике снаге екстракција на чврстој фази може се спроводити ефикасније, економичније и уз мањи утицај на животну средину. Због смањене употребе или избегавања растварача који загађују или су опасни, ултразвучна екстракција може се сматрати еколошки прихватљивим зеленим процесом. Са економског становишта, трошкови процеса смањују се захваљујући уштеди енергије, растварача и времена.

Ултразвучна екстракција растварачем

При екстракцији растварачем, растварач (нпр. органски растварач) користи се за растварање и издвајање једињења из друге течности (нпр. водене фазе). Уопштено, поларније растворене супстанце растварају се у поларнијем растварачу, а мање поларне растворене супстанце у мање поларном растварачу. Екстракцијом растварачем могуће је издвојити оксидоване тиофене (сулфоксиде, сулфоне) из уљне фазе помоћу ацетонитрила или других поларних растварача. Екстракција растварачем користи се и за екстракцију материјала, као што су уранијум, плутонијум или торијум, из киселих раствора у органофосфат три-n-бутил-фосфат (процес PUREX).
Смањите употребу растварача: Примена ултразвука своди употребу растварача у процесу на минимум и оптимизује количину производа у растварачу. Такође доводи до брже и потпуније екстракције.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучно потпомогнутој оксидативној десулфуризацији!

Ултразвучно потпомогнута Сокслетова екстракција

Сокслетова екстракција је техника екстракције чврсто–течно која се често користи у лабораторијама за синтезу и аналитику. Сокслетова екстракција се углавном примењује када супстанца има само ограничену растворљивост у растварачу, а нечистоћа је нерастворљива у том растварачу.
Ултразвук се може веома успешно комбиновати са Сокслетовом екстракцијом, што доводи до повећаних приноса и краћег времена екстракције.
Кликните овде да сазнате више о ултразвучно потпомогнутој Сокслетовој екстракцији!

Екстракција у растопима применом соникације

Екстракције течно–течно могу се изводити у смешама у којима су једна или обе течне фазе растопи, као што су растопљене соли или растопљени метали, попут живе. Снажна соникација у протоку у ултразвучним реакторима са проточним ћелијама омогућава обраду чак и течности високе вискозности, као што су растопи.

Лужење потпомогнуто ултразвуком

Лужење подразумева употребу киселина, растварача или вруће воде за селективно растварање растворљиве супстанце из инертног нерастворљивог чврстог носача. Лужење се често користи у рударству за издвајање метала из руда.
Предности ултразвучног лужења:

• испирање малих отвора порозних материјала
• превазилажење селективности мембрана
• разарање чврстих материја, њихово раслојавање и деагломерација
• уклањање пасивних слојева
• уклањање оксидних слојева
• квашење целокупне површине материјала, нарочито течностима са високим површинским напоном
• смањење вискозности под дејством смицања

Кликните овде да сазнате више о ултразвучном лужењу!

Hielscher соникатори за сваки обим производње

Соникација у лабораторијским размерама, на стоним уређајима и у производним размерама: Сви Hielscher ултразвучни уређаји конструисани су за рад 24h/7d, а чак и лабораторијски ултразвучни хомогенизатори могу обрађивати знатне запремине у шаржном или проточном режиму. Стони и индустријски ултразвучни уређаји пројектовани су и израђени према индустријским стандардима, тако да се велике запремине и материјали високе вискозности могу обрађивати без проблема – чак и у захтевним условима као што су високи притисци и високе температуре (нпр. у комбинацији са суперкритичним CO2, за процесе екструзије итд.). Робусни Hielscher ултразвучни уређаји могу обрађивати раствараче, абразивне течности и корозивне супстанце. Одговарајући прибор омогућава оптимално прилагођавање ултразвучног система захтевима процеса екстракције. За уградњу у опасним срединама, ATEX или FM сертификовани ултразвучни системи заштићени од експлозије су доступни.
Тако робусни и снажни Hielscher соникатори и широк асортиман прибора омогућавају соникацију материјала као што су врућа вода/течности, киселине, растопи метала, растопи соли, растварачи (нпр. метанол, хексан; органски, поларни растварачи, нпр. ацетонитрил).

Дијаграм тока: Фазе ултразвучне екстракције са преносом између фаза