Ультразвуково-асистоване каталітичне екстрагування

Ультразвукові реактори Hielscher використовуються у багатьох галузях промисловості для сприяння та покращення процесу каталітичного екстрагування (CEP) або так званого екстрагування з перенесенням фази (PTE). Каталітичне екстрагування включає гетерогенну систему незмішуваних фаз, таку як рідина-рідина або рідина-тверде тіло. Ультразвукові високі зсувні та кавітаційні сили значно покращують швидкість розчинення розчинених речовин, що призводить до більш швидкого та повнішого екстрагування. Крім того, цей ефект можна використовувати для зменшення кількості розчинника або кислоти, що використовуються. Як перевірена техніка, ультразвуково-асистоване екстрагування використовується дедалі частіше через зростаючий попит на екологічно безпечні техніки екстрагування зі скороченим часом екстрагування та зменшеним споживанням органічних розчинників.

Каталітичне екстрагування / Екстрагування з перенесенням фази – Основи

Термін “Каталітичне екстрагування (CEP) або Екстрагування з перенесенням фази (PTE)” описує розподіл рідина-рідина або тверде тіло-рідина, коли акцент робиться на екстрагуванні та видаленні аналітів. Тому рідкий або твердий розріджувач повинен бути диспергований/емульгований у розчиннику (рідка фаза). Терміном “екстрагент” описується лише активна речовина в розчиннику (тобто однорідна “органічна фаза”, яка включає екстрагент, розріджувач та/або модифікатор), яка переважно відповідає за перенесення розчиненої речовини з “водної” фази в “органічну” фазу. [IUPAC]. Цільова речовина, яка екстрагується, називається екстрактом.
Традиційні методи екстрагування, такі як екстрагування за Сокслетом, мацерація, мікрохвильове екстрагування, перколяція, екстрагування під рефлюксом та парова дистиляція, або турбо-екстрагування, часто є повільними та неефективними і/або вимагають великої кількості небезпечних розчинників, що призводить до дорогих та тривалих процесів, які шкідливі для навколишнього середовища.
Ультразвук є перевіреною альтернативою традиційним методам екстрагування, забезпечуючи більш швидке та повніше екстрагування з меншою кількістю або без небезпечних розчинників! Ультразвук є потужною технікою для екологічного, безпечного для навколишнього середовища оброблення.

Принцип ультразвуково-асистованого каталітичного екстрагування

Для екстрагування речовини незмішувані фази повинні бути змішані так, щоб речовина, що екстрагується, могла розчинитися з фази-носія у фазу розчинника. Найчастіше екстрагування з перенесенням фази виконується з дисперсної фази в безперервну фазу, що означає, що краплі та частинки повинні бути однорідно дисперговані в розчиннику.
Потужний ультразвук є відомою технологією змішування та екстрагування, яка має кілька позитивних ефектів на процес екстрагування:

Переваги ультразвукової екстракції:

• руйнування граничних шарів
• подолання сил Ван дер Ваальса
• переміщення ненасиченої рідини до контактної поверхні
• зменшення або усунення потреби в переносниках
• зменшення часу, температури та/або концентрації
• менший надлишок порівняно з об’ємом, необхідним для повного насичення
• менший об’єм для очищення (наприклад, шляхом дистиляції, випаровування, сушіння)
• відсутність реакторів з постійним перемішуванням (CSR)
• заощадження енергії
• відсутність партійної обробки, а натомість потокова обробка
• використання менш кислого або дешевшого розчинника
• уникнення розчинників, використання водних середовищ натомість
• обробка високих концентрацій твердих речовин або високос黏ких суспензій
• зелена обробка: екологічно безпечна
• використання органічних кислот, таких як яблучна кислота або лимонна кислота
• уникнення багатостадійних процесів екстракції

Рідко-рідка екстракція

Традиційний процес: Рідко-рідка екстракція є методом розподілу для виділення речовин з однієї рідкої фази в іншу рідку фазу на основі відносної розчинності речовин у двох різних незмішуваних рідких фазах. Використання ультразвуку покращує швидкість переносу розчиненої речовини між двома фазами завдяки високоефективному змішуванню, емульгуванню, та розчиненню!
Рідко-рідка екстракція є технікою розділення для ізоляції та концентрування цінних компонентів з водного розчину шляхом використання органічного розчинника. Рідко-рідка екстракція часто застосовується, коли інші техніки розділення (наприклад, дистиляція) є неефективними. Рідко-рідка екстракція використовується у фармацевтичній та косметичній промисловості (активні сполуки, API, парфуми), а також у харчовій та сільськогосподарській промисловості, для органічної та неорганічної хімії, нафтохімічної промисловості та гідрометалургії.

Проблема: Поширеною проблемою є незмішуваність рідких фаз (розчинник і розріджувач є незмішуваними), тому потрібен належний метод змішування. Оскільки рівномірне змішування обох рідких фаз сприяє фазовому переносу між розріджувачем і розчинником, надійний метод диспергування або емульгування є критично важливим. Чим дрібніша суміш і чим більша контактна площа між обома фазами, тим краще розчинник може переміщуватися з однієї рідкої фази в іншу рідку фазу. Традиційні процеси екстракції переважно не сприяють масопереносу, тому процес екстракції є повільним і часто неповним. Для покращення екстракції часто використовуються надмірні кількості розчинника, що робить процес дорогим і забруднює навколишнє середовище.

 
Рішення: Ультразвукова рідко-рідка екстракція перевершує традиційні техніки рідко-рідкої екстракції за багатьма параметрами:
Потужний ультразвук надійно та легко змішує дві або більше рідких фаз разом. Завдяки ультразвуковій обробці краплі можна зменшити до нанорозміру, так що отримуються дрібні мікро- та нано-емульсії . При цьому генеровані кавітаційні сили сприяють масопереносу між рідкими фазами. Оскільки ультразвукова обробка може проводитися в безперервній потоковій системі, великі об’єми та високов’язкі рідини можна обробляти без проблем.
Але також мікроекстракція, наприклад, для аналітичних цілей, може бути покращена за допомогою ультразвукової обробки (наприклад, мікроекстракція на основі іонних рідин з ультразвуковою емульсифікацією).

Переваги ультразвукової екстракції:
Потужні ультразвукові сили, що генеруються низькочастотним/високопотужним ультразвуком, допомагають

• змінювати форму крапель
• уникати агентів переносу емульсій або амфіфільних каталізаторів
• уникати використання детергентів або поверхнево-активних речовин
• уникати амфіфільних каталізаторів, детергентів або поверхнево-активних речовин
• генерувати турбулентні нестабільні емульсії без шарів поверхнево-активних речовин

Екстракція «тверде тіло – рідина», покращена ультразвуком

Метою екстракції «тверде тіло – рідина» або екстракції в твердій фазі (SPE) є розділення аналітів, які розчинені або суспендовані в рідкій суміші, та їх ізоляція від матриці відповідно до їхніх фізичних і хімічних властивостей. Тому ізольовану речовину елююють із сорбентів за допомогою відповідного розчинника. Екстраговану речовину називають елюатом.
Традиційними методами SPE є мацерація, екстракція за Сокслетом, перколяція, комбінація зворотного охолодження та парової дистилляції, або високосхидкісне змішування/турбо-екстракція. Екстракція «тверде тіло – рідина» є поширеною процедурою для розділення сполук у біології, хімії, а також у харчовій, фармацевтичній та косметичній промисловості. Екстракція металів також відома як вилуговування.
Проблема: Традиційні методи SPE відомі як тривалі та вимагають відносно великих кількостей розчинників, які переважно є екологічно небезпечними та забруднюють довкілля. Високі температури процесу можуть навіть призвести до руйнування термочутливих екстрактів.
Рішення: За допомогою екстракції «тверде тіло – рідина», що супроводжується ультразвуком, типові проблеми традиційної SPE зазвичай можна подолати. Оскільки ультразвукова обробка забезпечує дрібний розподіл твердих частинок у фазі розчинника, доступна більша міжфазна межа, тому масоперенесення цільової речовини в розчинник покращується. Це призводить до швидшої та повнішої екстракції, тоді як використання розчинника зменшується або повністю уникається (використовуйте воду як рідку фазу натомість). Завдяки застосуванню потужного ультразвуку екстракція в твердій фазі може проводитися більш ефективно, економічно та екологічно. Через зменшення або уникнення забруднюючих чи небезпечних розчинників ультразвукову екстракцію можна вважати екологічно чистим зеленим процесом. Економічно витрати на процес зменшуються завдяки економії енергії, розчинника та часу.

Ультразвукова екстракція розчинником

У випадку екстракції розчинником, розчинник (наприклад, органічний розчинник) використовується для розчинення та відділення сполуки від іншої рідини (наприклад, водної фази). Загалом, більш полярні розчинені речовини розчиняються в більш полярному розчиннику, а менш полярні розчинені речовини – в менш полярному розчиннику. Використовуючи екстракцію розчинником, можна відділити окиснені тіофени (сульфоксиди, сульфони) від олії за допомогою ацетонітрилу або інших полярних розчинників. Екстракція розчинником також використовується для екстракції матеріалів, таких як уран, плутоній або торій, з кислотних розчинів у три-н-бутилфосфат (процес PUREX).
Зменшіть використання розчинника: Використання ультразвуку мінімізує використання розчинників у процесі та оптимізує навантаження продукту в розчиннику. Це також призводить до швидшої та повнішої екстракції.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвуково-асистоване окиснювальне десульфуризацію!

Ультразвуково-асистована екстракція за Сокслетом

Екстракція за Сокслетом – це техніка екстракції «тверде тіло – рідина», яка часто використовується в синтетичних та аналітичних лабораторіях. Екстракція за Сокслетом переважно застосовується, коли речовина має лише обмежену розчинність у розчиннику, а домішка нерозчинна в цьому розчиннику.
Ультразвук можна дуже успішно поєднати з екстракцією за Сокслетом, що призводить до підвищення виходу та скорочення часу екстракції.
Будь ласка, натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвуково-асистовану екстракцію за Сокслетом!

Екстракція в розплавах за допомогою ультразвукової обробки

Рідко-рідкі екстракції можна виконувати в сумішах, де одна або обидві рідкі фази є розплавами, такими як розплавлені солі або розплавлені метали, наприклад, ртуть. Потужна інлайн-ультразвукова обробка в проточних ультразвукових реакторах дозволяє обробляти навіть рідини з високою в’язкістю, такі як розплави.

Вилуговування за допомогою ультразвуку

Вилуговування описує використання кислот, розчинників або гарячої води для вибіркового розчинення розчиненої речовини з інертного нерозчинного твердого носія. Вилуговування часто використовується в гірничодобувній промисловості для вилучення металів з руд.
Переваги ультразвукового вилуговування:

• промивання малих отворів пористих матеріалів
• подолання селективності мембран
• руйнування твердих речовин, розшарування та дезагломерація твердих речовин
• видалення пасивних шарів
• видалення оксидних шарів
• змочування всієї поверхні матеріалу, особливо для рідин з високим поверхневим натягом
• псевдопластичність

Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове вилуговування!

Ультразвукові системи Hielscher для будь-якого обсягу виробництва

Ультразвукова обробка на лабораторному, напівпромисловому та промисловому рівнях: усі ультразвукові пристрої Hielscher розроблені для роботи 24 год/7 днів, навіть ультразвукові лабораторні гомогенізатори можуть обробляти значні обсяги як у режимі партійної обробки, так і у режимі проточної обробки. Напівпромислові та промислові ультразвукові системи розроблені та виготовлені за промисловими стандартами, тому високі обсяги та висока в’язкість можуть оброблятися без проблем – навіть за складних умов, таких як високі тиски та високі температури (наприклад, у поєднанні з надкритичним CO2, для процесів екструзії тощо). Надійні ультразвукові системи Hielscher здатні працювати з розчинниками, абразивними рідинами та корозійними речовинами. Підходящі аксесуари дозволяють оптимально адаптувати ультразвукову систему до вимог процесу екстракції. Для встановлення в небезпечних середовищах доступні вибухозахищені ультразвукові системи за стандартами ATEX або FM.
Таким чином, надійні та потужні ультразвукові системи Hielscher та широкий асортимент аксесуарів дозволяють проводити ультразвукову обробку матеріалів, таких як гаряча вода/рідини, кислоти, розплави металів, розплави солей, розчинники (наприклад, метанол, гексан; органічні, полярні розчинники, наприклад, ацетонітрил).

Схема: Етапи ультразвукової екстракції з перенесенням фази