Ultrasonik Destekli Katalitik Ekstraksiyon

Hielscher ultrasonik reaktörleri, birçok endüstride katalitik ekstraksiyon işlemini (CEP) veya diğer adıyla faz transfer ekstraksiyonunu (PTE) desteklemek ve iyileştirmek için kullanılır. Katalitik ekstraksiyon, sıvı–sıvı veya sıvı–katı gibi birbiriyle karışmayan heterojen bir faz sistemini içerir. Ultrasonik yüksek kesme ve kavitasyon kuvvetleri, çözünen maddelerin çözünme hızlarını önemli ölçüde artırarak daha hızlı ve daha eksiksiz bir ekstraksiyon sağlar. Ayrıca bu etki, kullanılan çözücü veya asit miktarını azaltmak için kullanılabilir. Kanıtlanmış bir teknik olan ultrasonik destekli ekstraksiyon, ekstraksiyon süresini kısaltan ve organik çözücü tüketimini azaltan çevre dostu ekstraksiyon tekniklerine yönelik artan talep nedeniyle giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Katalitik Ekstraksiyon/Faz Transfer Ekstraksiyonu – Temel Bilgiler

“Katalitik Ekstraksiyon İşlemi (CEP) veya Faz Transfer Ekstraksiyonu (PTE)” terimi, analitlerin ekstraksiyonu ve uzaklaştırılmasına odaklanıldığında sıvı–sıvı veya katı–sıvı dağılımını tanımlar. Bu nedenle sıvı veya katı seyrelticinin, çözücü (sıvı faz) içinde disperse edilmesi/emülsifiye edilmesi gerekir. “Ekstraktant” terimi yalnızca çözücü içindeki etkin maddeyi (yani ekstraktantı, seyrelticiyi ve/veya modifiye ediciyi içeren homojen ‘organik fazı’) tanımlar; bu madde, çözünen maddenin ‘sulu’ fazdan ‘organik’ faza aktarılmasından birincil olarak sorumludur. [IUPAC]. Ekstrakte edilen hedef maddeye ekstrakt denir.
Soxhlet ekstraksiyonu, maserasyon, mikrodalga, perkolasyon, geri soğutucu altında ekstraksiyon ve buhar distilasyonu veya turbo ekstraksiyon gibi geleneksel ekstraksiyon yöntemleri genellikle yavaş ve verimsizdir ve/veya yüksek miktarda tehlikeli çözücü gerektirir; bu da çevreye zarar veren, yüksek maliyetli ve zaman alıcı bir işlemle sonuçlanır.
Ultrason, daha az tehlikeli çözücüyle veya hiç tehlikeli çözücü kullanmadan daha hızlı ve daha eksiksiz ekstraksiyon sağlayan, geleneksel ekstraksiyon yöntemlerine kanıtlanmış bir alternatiftir! Ultrason, yeşil ve çevre dostu işlemler için güçlü bir tekniktir.

Ultrasonik Destekli Katalitik Ekstraksiyonun Prensibi

Bir maddenin ekstraksiyonu için, ekstrakte edilecek maddenin taşıyıcı fazdan çözücü faza çözünerek geçebilmesi amacıyla birbiriyle karışmayan fazların karıştırılması gerekir. Faz transfer ekstraksiyonları en yaygın olarak dispers fazdan sürekli faza gerçekleştirilir; bu, damlacıkların ve parçacıkların çözücü içinde homojen biçimde disperse edilmesi gerektiği anlamına gelir.
Güç ultrasonu, ekstraksiyon işlemi üzerinde çeşitli olumlu etkileri olan, iyi bilinen bir karıştırma ve ekstraksiyon teknolojisidir:

Ultrasonik Ekstraksiyonun Avantajları:

• sınır tabakalarını parçalama
• van der Waals kuvvetlerini aşma
• doymamış sıvıyı temas yüzeyine taşıma
• transfer ajanlarına duyulan ihtiyacı azaltma veya ortadan kaldırma
• süreyi, sıcaklığı ve/veya konsantrasyonu azaltma
• tam doygunluk için gereken hacme kıyasla daha az fazlalık
• rafine edilecek daha az hacim (ör. distilasyon, buharlaştırma, kurutma yoluyla)
• sürekli karıştırmalı reaktörlere (CSR) gerek olmaması
• güç tasarrufu
• partiler hâlinde işleme yerine hat içi işleme
• daha az asidik veya daha ucuz çözücü kullanma
• çözücü kullanmaktan kaçınma, bunun yerine sulu ortam kullanma
• yüksek katı konsantrasyonlarını veya yüksek viskoziteli bulamaçları işleme
• yeşil işleme: çevre dostu
• malik asit veya sitrik asit gibi organik asitler kullanma
• çok aşamalı ekstraksiyon işlemlerinden kaçınma

Sıvı–Sıvı Ekstraksiyonu

Geleneksel Proses: Sıvı–sıvı ekstraksiyonu, maddelerin birbiriyle karışmayan iki farklı sıvı fazdaki göreli çözünürlüklerine dayanarak maddeleri bir sıvı fazdan diğerine ekstrakte eden bir dağılım yöntemidir. Ultrason kullanımı, çözünen maddenin iki faz arasındaki transfer hızını yüksek performanslı karıştırma, emülsifiye etme ve çözündürme sayesinde artırır!
Sıvı–sıvı ekstraksiyonu, organik bir çözücü kullanarak sulu bir çözeltiden değerli bileşenleri izole etmek ve konsantre etmek için kullanılan bir ayırma tekniğidir. Sıvı–sıvı ekstraksiyonu genellikle diğer ayırma teknikleri (ör. distilasyon) etkisiz kaldığında uygulanır. Sıvı–sıvı ekstraksiyonu, ilaç ve kozmetik endüstrisinde (etkin bileşikler, API’ler, koku maddeleri), gıda ve tarım endüstrisinde, organik ve inorganik kimyada, petrokimya endüstrisinde ve hidrometalurjide kullanılır.

Sorun: Yaygın bir sorun, sıvı fazların birbiriyle karışmamasıdır (çözücü ve seyreltici birbiriyle karışmaz); bu nedenle uygun bir karıştırma yöntemi gerekir. Her iki sıvı fazın eşit dağılımlı biçimde karıştırılması, seyreltici ve çözücü arasındaki faz transferini desteklediğinden, güvenilir bir dispersiyon veya emülsifikasyon yöntemi kritik öneme sahiptir. Karışım ne kadar ince dağılımlı ve iki faz arasındaki temas alanı ne kadar yüksek olursa, çözücü bir sıvı fazdan diğerine o kadar iyi geçebilir. Geleneksel ekstraksiyon işlemleri çoğunlukla kütle transferini destekleme açısından yetersizdir; bu nedenle ekstraksiyon işlemi yavaş ve çoğu zaman eksik kalır. Ekstraksiyonu iyileştirmek için genellikle aşırı miktarda çözücü kullanılır; bu da işlemi pahalı ve çevreyi kirletici hâle getirir.
 

 
Çözüm: Ultrasonik sıvı–sıvı ekstraksiyonu, çeşitli açılardan geleneksel sıvı–sıvı ekstraksiyon tekniklerinden üstündür:
Güç ultrasonu, iki veya daha fazla sıvı fazı güvenilir ve kolay biçimde karıştırır. Ultrasonikasyonla damlacıklar nano boyuta küçültülebilir; böylece ince dağılımlı mikro ve nano emülsiyonlar elde edilir. Oluşan kavitasyon kuvvetleri böylece sıvı fazlar arasındaki kütle transferini destekler. Sonikasyon sürekli bir hat içi sistemde yürütülebildiği için, büyük hacimler ve yüksek viskoziteli sıvılar sorunsuz biçimde işlenebilir.
Ancak örneğin analitik amaçlarla yapılan mikro ekstraksiyon da sonikasyonla iyileştirilebilir (ör. ultrasonik emülsifikasyonla iyonik sıvı bazlı mikro ekstraksiyon).

Ultrasonik Ekstraksiyonun Avantajları:
Düşük frekanslı/yüksek güçlü ultrasonun oluşturduğu güçlü ultrasonik kuvvetler, aşağıdakilere yardımcı olur:

• damlacıkların yeniden şekillendirilmesi
• emülsiyon transfer ajanlarından veya amfifilik katalizörlerden kaçınılması
• deterjan veya yüzey aktif madde kullanımından kaçınılması
• amfifilik katalizörlerden, deterjanlardan veya yüzey aktif maddelerden kaçınılması
• yüzey aktif madde tabakaları olmadan türbülanslı, kararsız emülsiyonlar oluşturulması

Ultrasonla İyileştirilen Katı–Sıvı Ekstraksiyonu

Katı–sıvı ekstraksiyonunun veya katı faz ekstraksiyonunun (SPE) amacı, bir sıvı karışımda çözünmüş veya süspansiyon hâlinde bulunan analitleri ayırmak ve fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre bir matriksten izole etmektir. Bu nedenle izolat, uygun bir çözücü yardımıyla sorbentten elüe edilir. Ekstrakte edilen maddeye “elute” denir.
Geleneksel SPE teknikleri; maserasyon, Soxhlet ekstraksiyonu, perkolasyon, geri soğutucu altında işlem ve buhar distilasyonu kombinasyonu veya yüksek hızlı karıştırma/turbo ekstraksiyondur. Katı–sıvı ekstraksiyonu, biyolojide, kimyada ve gıda, ilaç ve kozmetik endüstrisinde bileşikleri ayırmak için yaygın olarak kullanılan bir işlemdir. Metallerin ekstraksiyonu liç olarak da bilinir.
Sorun: Geleneksel SPE teknikleri zaman alıcı olmalarıyla bilinir ve çoğunlukla çevre açısından tehlikeli ve kirletici olan çözücülerin nispeten büyük miktarlarda kullanılmasını gerektirir. Yüksek proses sıcaklıkları, ısıya duyarlı ekstraktların tahrip olmasına bile yol açabilir.
Çözüm: Ultrasonik destekli katı–sıvı ekstraksiyonuyla, geleneksel SPE tekniklerinin yaygın sorunları normalde aşılabilir. Sonikasyon, katıların çözücü fazda ince dağılımını sağladığından, daha büyük bir ara yüzey sınırı oluşur ve böylece hedef maddenin çözücüye kütle transferi iyileşir. Bu, çözücü kullanımı azaltılırken veya tamamen önlenirken (bunun yerine sıvı faz olarak su kullanılır) daha hızlı ve daha eksiksiz bir ekstraksiyon sağlar. Güç ultrasonunun uygulanmasıyla katı faz ekstraksiyonu daha verimli, ekonomik ve çevre dostu biçimde gerçekleştirilebilir. Kirletici veya tehlikeli çözücülerin azaltılması veya bunlardan kaçınılması nedeniyle, ultrasonik ekstraksiyon çevre dostu bir yeşil proses olarak değerlendirilebilir. Ekonomik açıdan, enerji, çözücü ve zaman tasarrufu sayesinde proses maliyetleri azalır.

Ultrasonik Çözücü Ekstraksiyonu

Çözücü ekstraksiyonunda, bir bileşiği başka bir sıvıdan (ör. sulu bir fazdan) çözündürmek ve ayırmak için bir çözücü (ör. organik bir çözücü) kullanılır. Genel olarak, daha polar çözünen maddeler daha polar çözücüde, daha az polar çözünen maddeler ise daha az polar çözücüde çözünür. Çözücü ekstraksiyonu kullanılarak, asetonitril veya diğer polar çözücülerle oksitlenmiş tiyofenleri (sülfoksitler, sülfonlar) bir yağ fazından ayırmak mümkündür. Çözücü ekstraksiyonu ayrıca uranyum, plütonyum veya toryum gibi maddeleri asit çözeltilerinden organofosfat tri-n-bütil fosfata ekstrakte etmek için kullanılır (PUREX prosesi).
Çözücü kullanımınızı azaltın: Ultrason kullanımı, proseste çözücü kullanımını en aza indirir ve çözücüdeki ürün yükünü optimize eder. Ayrıca daha hızlı ve daha eksiksiz bir ekstraksiyon sağlar.
Ultrasonik destekli oksidatif kükürt giderme hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Ultrasonik Destekli Soxhlet Ekstraksiyonu

Soxhlet ekstraksiyonu, sentez ve analitik laboratuvarlarında sık kullanılan bir katı–sıvı ekstraksiyon tekniğidir. Soxhlet ekstraksiyonu esas olarak, bir maddenin bir çözücüde yalnızca sınırlı çözünürlüğe sahip olduğu ve safsızlığın bu çözücüde çözünmediği durumlarda uygulanır.
Ultrason, Soxhlet ekstraksiyonuyla çok başarılı biçimde birleştirilebilir; bu da verimin artmasını ve ekstraksiyon süresinin kısalmasını sağlar.
Ultrasonik destekli Soxhlet ekstraksiyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın!

Sonikasyon Kullanılarak Eriyiklerde Ekstraksiyon

Sıvı–sıvı ekstraksiyonları, sıvı fazlardan birinin veya her ikisinin de eriyik olduğu karışımlarda gerçekleştirilebilir; bunlara erimiş tuzlar veya cıva gibi erimiş metaller örnek verilebilir. Ultrasonik akış hücresi reaktörlerinde güçlü hat içi sonikasyon, eriyikler gibi yüksek viskoziteli sıvıların bile işlenmesini sağlar.

Ultrasonik Destekli Liç

Liç, çözünen bir maddeyi inert ve çözünmeyen katı bir taşıyıcıdan seçici olarak çözündürmek için asitlerin, çözücülerin veya sıcak suyun kullanılmasını tanımlar. Liç, madencilikte cevherlerden metalleri ekstrakte etmek için sıklıkla kullanılır.
Ultrasonik Liçin Avantajları:

• gözenekli malzemelerin küçük açıklıklarını yıkama
• membranların seçiciliklerini aşma
• katıları parçalama, katmanlarını ayırma ve deaglomerasyonunu sağlama
• pasif tabakaları uzaklaştırma
• oksit tabakalarını uzaklaştırma
• özellikle yüksek yüzey gerilimli sıvılarda malzemenin tüm yüzeyini ıslatma
• kesme incelmesi

Ultrasonik liç hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Her Üretim Hacmi İçin Hielscher Sonikatörleri

Laboratuvar, tezgâh üstü ve üretim ölçeğinde sonikasyon: Tüm Hielscher ultrasonik cihazları 24h/7d çalışmak üzere üretilmiştir; ultrasonik laboratuvar homojenizatörleri bile parti veya akışlı çalışma modunda kayda değer hacimleri işleyebilir. Tezgâh üstü ve endüstriyel sonikatörler endüstriyel standartlarda tasarlanır ve üretilir; böylece yüksek hacimler ve yüksek viskoziteler sorunsuz işlenebilir – yüksek basınçlar ve yüksek sıcaklıklar gibi zorlu koşullarda bile (ör. süperkritik CO2 ile birlikte, ekstrüzyon prosesleri için vb.). Hielscher’in sağlam sonikatörleri çözücüleri, aşındırıcı sıvıları ve korozif maddeleri işleyebilir. Uygun aksesuarlar, ultrasonik sistemin ekstraksiyon prosesinin gereksinimlerine en uygun biçimde uyarlanmasını mümkün kılar. Tehlikeli ortamlara kurulum için ATEX veya FM sınıflandırmasına sahip patlamaya dayanıklı ultrasonik sistemler mevcuttur.
Böylece Hielscher’in sağlam ve güçlü sonikatörleri ve geniş aksesuar yelpazesi, sıcak su/sıvılar, asitler, metal eriyikleri, tuz eriyikleri, çözücüler (ör. metanol, hekzan; asetonitril gibi organik, polar çözücüler) gibi malzemelere sonikasyon uygulanmasını sağlar.

Akış şeması: Ultrasonik faz transfer ekstraksiyonunun aşamaları