Ultraljudsassisterad katalytisk extraktion
Hielscher ultraljudsreaktorer används i många industrier för att hjälpa och förbättra den katalytiska extraktionsbearbetningen (CEP) eller så kallad fasöverföringsextraktion (PTE). Katalytisk extraktion involverar ett heterogent oblandbart fassystem, såsom vätska-vätska eller vätska-fast ämne. Ultraljudshöga skjuv- och kavitationskrafter förbättrar upplösningshastigheterna för lösta ämnen avsevärt, vilket leder till en snabbare och mer fullständig extraktion. Dessutom kan denna effekt användas för att minska mängden lösningsmedel eller syra som används. Som en beprövad teknik används ultraljudsassisterad extraktion alltmer på grund av en växande efterfrågan på miljövänliga extraktionstekniker med förkortad extraktionstid och minskad förbrukning av organiska lösningsmedel.
Katalytisk extraktion/fasöverföringsextraktion – Grunderna
Termen “Catalytic Extraction Processing (CEP) eller Phase Transfer Extraction (PTE) beskriver fördelningen mellan vätska och vätska eller mellan fast och vätska när extraktion och avlägsnande av analyter är fokuserat. Därför måste den flytande eller fasta spädningsvätskan dispergeras/emulgeras i lösningsmedlet (vätskefas). Med termen “extraktionsmedel” Endast det verksamma ämnet i lösningsmedlet beskrivs (dvs. den homogena organiska fasen’ som omfattar extraktionsmedlet, spädningsmedlet och/eller modifieraren) som i första hand ansvarar för överföringen av lösta ämnen från det vattenhaltiga’ till den "ekologiska’ fas. [IUPAC]. Målmaterialet som extraheras kallas extrakt.
Traditionella extraktionsmetoder som soxhletextraktion, maceration, mikrovågsugn, perkolation, extraktion under återflöde och ångdestillation eller turboextraktion är ofta långsamma och ineffektiva och/eller kräver en stor mängd farliga lösningsmedel, vilket resulterar i en kostnadsintensiv och tidskrävande process som är skadlig för miljön.
Ultraljud är ett beprövat alternativ till konventionella extraktionsmetoder som ger en snabbare och mer fullständig extraktion med mindre eller inga farliga lösningsmedel! Ultraljud är en kraftfull teknik för grön, miljövänlig bearbetning.

Ultraljudsbehandling UP400St Använder Power Ultrasound för att förbättra katalytisk extraktion
Principen för ultraljudsassisterad katalytisk extraktion
För extraktion av ett ämne måste de icke blandbara faserna blandas så att det ämne som ska extraheras kan lösas upp från bärarfasen till lösningsmedelsfasen. Vanligast är att fasöverföringsextraktioner utförs från en dispergerad fas till en kontinuerlig fas, vilket innebär att droppar och partiklar måste dispergeras homogent i lösningsmedlet.
Power ultrasound är en välkänd blandnings- och extraktionsteknik som har flera positiva effekter på extraktionsprocessen:
- Förbättrad reaktionskinetik
- Fin blandning av bärare (sorbener) och lösningsmedel
- Ökad gränsyta mellan de två faserna
- Ökad massöverföring
- Avlägsnande av passiverande skikt från partikelytan
- Störning av celler & Sönderfall
- Mer fullständig utvinning resulterar i högre avkastning
- enkel & Spara åtgärd
- Grön process: Miljövänlig
Arbetsprincip för ultraljudskavitation och dess effekter på katalytisk extraktion
För extraktionsändamål blandas två faser intensivt i ultraljudskavitationsfältet. Droppar och partiklar bryts ner till submikron- och nanostorlekar. Detta utvecklar förstorade ytor för en förbättrad massöverföring från en fas till en annan. Den ökade gränsytan mellan de två faserna resulterar i en förstorad kontaktyta för extraktionen så att massöverföringen förbättras på grund av avlägsnandet av stillastående vätskeskikt vid fasgränsen. Massöverföringen ökar ytterligare på grund av avlägsnandet av passiverande skikt från partikelytan. För extraktion av biologiskt material från celler och vävnader ökar massöverföringen av ultraljudscellstörningen. Alla dessa effekter leder till en mer fullständig utvinning som resulterar i högre avkastning.
Fördelar med ultraljud extraktion:
- Bryt gränsskikt
- övervinna van-der-Waals-styrkorna
- Flytta omättad vätska till kontaktytan
- minska eller eliminera behovet av överföringsmedel
- Minska tid, temperatur och/eller koncentration
- mindre överskott jämfört med den volym som krävs för full mättnad
- mindre volym som ska raffineras (t.ex. genom destillation, indunstning, torkning)
- inga kontinuerligt omrörda reaktorer (CSR)
- Spara ström
- Ingen batchning men inline-bearbetning
- Använd mindre sura eller billigare lösningsmedel
- Undvik lösningsmedel, använd vattenhaltig istället
- Bearbeta höga koncentrationer av fasta ämnen eller uppslamningar med hög viskositet
- Grön bearbetning: miljövänlig
- Använd organiska syror, såsom äppelsyra eller citronsyra
- Undvik extraktionsprocesser i flera steg
- Biologi
- Kemi
- Mat & Läkemedel
- analys
- nukleär bearbetning
- Tillämpningar för gruvdrift
- avsvavling
- organiska föreningar
- geokemi
- rening
Extraktion av vätska-vätska
Konventionell process: Vätske-vätskeextraktion är en fördelningsmetod för att extrahera ämnen från en vätskefas till en annan vätskefas baserat på ämnenas relativa löslighet i de två olika oblandbara vätskefaserna. Användningen av ultraljud förbättrar hastigheten med vilken det lösta ämnet överförs mellan de två faserna genom hög prestanda blandning, Emulsifyingoch upplösning!
Vätske-vätskeextraktion är en separationsteknik för att isolera och koncentrera värdefulla komponenter från en vattenlösning med hjälp av ett organiskt lösningsmedel. Extraktion av vätska och vätska används ofta när andra separationstekniker (t.ex. destillation) är ineffektiva. Extraktion av vätska och vätska används i farmaceutiska läkemedel & kosmetiska (aktiva föreningar, API:er, dofter), samt livsmedels- och jordbruksindustrin, för organisk och oorganisk kemi, petrokemisk industri och hydrometallurgi.
Problem: Ett vanligt problem är att de flytande faserna är oblandbara (lösningsmedel och spädningsmedel är oblandbara), så att en korrekt blandningsmetod krävs. Eftersom en jämn blandning av båda vätskefaserna främjar fasöverföringen mellan spädningsmedel och lösningsmedel är en tillförlitlig dispergerings- eller emulgeringsmetod avgörande. Ju finare blandningen är och ju högre kontaktytan är mellan de båda faserna, desto bättre kan löslighetsmedlet färdas från en vätskefas till en annan vätskefas. Konventionella extraktionsprocesser saknar oftast främjande av massöverföring så att extraktionsprocessen är långsam och ofta ofullständig. För att förbättra extraktionen används ofta alltför stora mängder lösningsmedel, vilket gör processen dyr och miljöförorenande.
Lösning: Ultraljud vätske-vätskeextraktion utmärker sig traditionella vätske-vätskeextraktionstekniker på olika punkter:
Power ultrasound blandar två eller flera vätskefaser tillförlitligt och enkelt tillsammans. Genom ultraljud kan droppar reduceras till nanostorlek så att fina Mikro- och nanoemulsioner erhålls. Därigenom främjar de genererade kavitationskrafterna massöverföringen mellan de flytande faserna. Eftersom ultraljudsbehandling kan köras i ett kontinuerligt inline-system, Stora volymer och Mycket viskösa vätskor Kan hanteras utan problem.
Men även mikroextraktion, t.ex. för analytiska ändamål, kan förbättras genom ultraljudsbehandling också (t.ex. jonisk vätskebaserad mikroextraktion med ultraljudsemulgering).
Fördelar med ultraljud extraktion:
Kraftfulla ultraljudskrafter – Genereras av ultraljud med låg frekvens / hög effekt – hjälper till att
- Ändra form på droppar
- Undvik emulsionsöverföringsmedel eller amfinära katalysatorer
- Undvik att använda rengöringsmedel eller tensider
- Undvik amfifiska katalster, rengöringsmedel eller tensider
- generera turbulenta instabila emulsioner utan ytaktiva skikt
Extraktion av fasta ämnen och vätskor har förbättrats med ultraljud
Målet med fast-vätskeextraktion eller fastfasextraktion (SPE) är att separera analyter, som är upplösta eller suspenderade i en vätskeblandning, och att isolera dem från en matris enligt deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Därför elueras isolatet från sorbenerna med hjälp av ett lämpligt lösningsmedel. Det extraherade ämnet kallas eluera.
Konventionella SPE-tekniker är maceration, soxhletextraktion, perkolation, kombination av återflöde och ångdestillation, eller höghastighetsblandning/turboextraktion. Extraktion av fasta ämnen och vätskor är en vanlig procedur för att separera föreningar inom biologi, kemi samt inom livsmedels-, läkemedels- och kosmetikindustrin. Utvinning av metaller är också känd som urlakning.
Problem: Konventionella SPE-tekniker är kända som tidskrävande och kräver relativt stora mängder lösningsmedel som till största delen är miljöfarliga och förorenande. Höga processtemperaturer kan till och med leda till att termiskt känsliga extrakt förstörs.
Lösning: Med en ultraljudsassisterad fast-vätskeextraktion kan de vanliga problemen med traditionell SPE normalt övervinnas. Eftersom ultraljudsbehandling ger en fin fördelning av de fasta ämnena i lösningsmedelsfasen, finns en större gränsyta tillgänglig så att massöverföringen av målämnet till lösningsmedlet förbättras. Detta resulterar i en snabbare och mer fullständig extraktion samtidigt som användningen av lösningsmedel minskar eller helt undviks (använd vatten som flytande fas istället). Genom tillämpning av kraftultraljud kan fastfasextraktionen utföras mer effektivt, ekonomiskt och miljövänligt. På grund av minskning eller undvikande av förorenande eller farliga lösningsmedel kan ultraljudsextraktion betraktas som miljövänlig Grön process. Ekonomiskt minskar processkostnaderna på grund av besparingarna av energi, lösningsmedel och tid.
Extraktion av ultraljudslösningsmedel
Vid extraktion med lösningsmedel används ett lösningsmedel (t.ex. ett organiskt lösningsmedel) för att lösa upp och separera en förening från en annan vätska (t.ex. en vattenfas). I allmänhet löses de fler polära lösta ämnena upp i det mer polära lösningsmedlet, och de mindre polära lösta ämnena i det mindre polära lösningsmedlet. Med hjälp av lösningsmedelsextraktion är det möjligt att separera oxiderade tiofener (sulfoxider, sulfoner) från en oljefas med hjälp av acetonitril eller andra polära lösningsmedel. Lösningsmedelsextraktion används också för att extrahera material, såsom uran, plutonium eller torium från sura lösningar till triosfatorganiska lösningar.N-butylfosfat (PUREX-processen).
Minska din användning av lösningsmedel: Användningen av ultraljud minimerar användningen av lösningsmedel i processen och optimerar produktbelastningen i lösningsmedlet. Det leder också till en snabbare och mer fullständig extraktion.
Klicka här för att läsa mer om Ultraljudsassisterad oxidativ avsvavling!
Ultraljudsassisterad Soxhlet-extraktion
Soxhlet-extraktion är en teknik för extraktion av fast vätska som ofta används i syntetiska och analytiska laboratorier. Soxhlet-extraktionen används huvudsakligen när ett ämne endast har en begränsad löslighet i ett lösningsmedel och föroreningen är olöslig i det lösningsmedlet.
Ultraljud kan mycket framgångsrikt kombineras med Soxhlet-extraktion, vilket resulterar i ökade utbyten och kortare extraktionstid.
Klicka här för att lära dig mer om den ultraljudsassisterade Soxhlet-extraktionen!
Extraktion i smältor med hjälp av ultraljudsbehandling
Vätske-vätskeextraktioner kan utföras i blandningar där antingen en eller båda vätskefaserna är smältor, såsom smälta salter eller smälta metaller, såsom kvicksilver. Kraftfull inline ultraljudsbehandling i ultraljudsflödescellreaktorer möjliggör bearbetning även vätskor med höga viskositeter såsom smältor.
Ultraljudsassisterad urlakning
Urlakning beskriver användningen av syror, lösningsmedel eller varmt vatten för att selektivt lösa upp ett löst ämne från en inert olöslig fast bärare. Urlakning används ofta vid gruvdrift för att utvinna metaller ur malmer.
Fördelar med ultraljudslakning:
- Tvätta små mynningar av porösa material
- övervinna selektiviteten hos membran
- förstöra fasta ämnen, delaminera och deagglomerera fasta ämnen
- Ta bort passiva lager
- Avlägsnande av oxidskikt
- Våta alla materialytor, särskilt för vätskor med hög ytspänning
- Skjuvförtunning
Klicka här för att lära dig mer om ultraljudslakning!
Hielscher sonikatorer för alla produktionsvolymer
Ultraljudsbehandling i labb, bänk-Top och produktionsskala: Alla Hielscher ultraljudsenheter är byggda för att köras 24h / 7d, även ultraljudslaboratoriet homogenisatorer kan bearbeta betydande volymer antingen i batch- eller genomströmningsläge. Bänkskivan och industriella ultraljudsapparater är designade och byggda av industriell kvalitet så att höga volymer och höga viskositeter kan bearbetas utan problem – även under krävande förhållanden som höga tryck och höga temperaturer (t.ex. i kombination med superkritisk CO2, för extruderingsprocesser etc.). Hielschers robusta ultraljudsapparater kan hantera lösningsmedel, slipande vätskor och frätande ämnen. Lämpliga tillbehör gör det möjligt att anpassa ultraljudssystemet optimalt till kraven i extraktionsprocessen. För installation i farliga miljöer, ATEX- eller FM-klassad Explosionssäkra ultraljudssystem finns tillgängliga.
Därmed gör Hielscher robusta och kraftfulla sonikatorer och det breda utbudet av tillbehör det möjligt att sonikera material som varmt vatten / vätskor, syror, metallsmältor, saltsmältor, lösningsmedel (t.ex. metanol, hexan; organiska, polära lösningsmedel t.ex. acetonitril).
- blandning
- Emulsifying
- Spridning
- deagglomeration
- Våtmalning
- Avgasning
- upplösning
- Extraktion
- Homogenisering av vävnader
- Sono-fragmentering
- jäsning
- rening
- Sono-syntes
- sono-katalys
- nederbörd
- Sono-urlakning
- Degradering
Litteratur / Referenser
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Bendicho, C.; De La Calle, I.; Pena, F.; Costas, M.; Cabaleiro, N.; Lavilla, I. (2012): Ultrasound-assisted pretreatment of solid samples in the context of green analytical chemistry. Trends in Analytical Chemistry, Vol. 31, 2012. 50-60.
- Shayegan, Z.; Razzaghi, M.; Niaei, A.; Salari, D.; Tabar, M.T.S.; Akbari, A.N. (2013): Sulfur removal of gas oil using ultrasound-assisted catalytic oxidative process and study of its optimum conditions. Korean J. Chem. Eng., 30(9), 2013. 1751-1759.
- Oluseyi, T.; Olayinka, K.; Alo, B.; Smith, R. M. (2011): Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples. African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5/7, 2011. 482-493.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Fakta som är värda att veta
Ultraljud vätska bearbetning kallas ofta ultraljudsbehandling, ultraljud, sonifiering, insonation, ultraljud bestrålning, eller tillämpning av akustiska fält. Alla dessa termer beskriver kopplingen av ultraljudsvågor med hög effekt till ett flytande medium för att uppnå ultraljud
- blandning & Blandning,
- Homogenisering,
- emulgering,
- Spridning & deagglomeration,
- Minskning av partikelstorlek (fräsning & slipning),
- upplösning,
- Återfuktande & vätning,
- Lys & Störning av celler,
- Extraktion,
- Homogenisering av vävnader,
- fragmentering,
- Avgasning & skumdämpning,
- skjuvförtunning och
- sonokemisk reaktion.
Eftersom kraft ultraljud är en så mångsidig bearbetningsteknik, är ultraljudsanordningar kända under olika termer såsom sond sonikator, sonisk lysör, ultraljudsstörare, ultraljudskvarn, sono-ruptor, sonifierare, sonisk dismembrator, cellstörare, ultraljudsdispergare eller upplösning.