Ekstrakcja (inżynieria procesowa)

Ekstrakcja w gospodarstwie domowym: prosty ekspres do kawy do ekstrakcji substancji aromatycznych z kawy w proszku z późniejszą filtracją

Animacja ekstrakcji według zasady Soxhleta . Czysty rozpuszczalnik ( pomarańczowy ) odparowuje w podgrzewanym pojemniku na dole, unosi się do chłodnicy zwrotnej , tam skrapla się i skapuje na materiał ekstrakcyjny. Powstały ekstrakt jest regularnie i automatycznie pobierany za pomocą przyssawki . Dzięki temu materiał ekstrakcyjny częściej wchodzi w kontakt z nieobciążonym absorbentem, a ekstrakcja jest szybsza, bardziej kompletna i zautomatyzowana.

Rozdzielacz z fazą organiczną na górze i zieloną fazą wodną na dole

Zakład ekstrakcji na dużą skalę w przemyśle spożywczym

Ekstrakcja (z łac. „ wyciągnij, wyjmij”) to nazwa każdego procesu separacji, w którym za pomocą ekstrahenta (stałego, ciekłego lub gazowego) jeden lub więcej składników z mieszaniny substancji (składający się z pojedynczych substancji stałych, ciekłych lub gazowych), materiał ekstrakcyjny jest uwalniany. Wyekstrahowana substancja, nawet jeśli jest jeszcze w roztworze, nazywana jest ekstraktem , rzadziej ekstraktem , naparem lub naparem lub herbatą (np. herbata dżdżownicza ). Jeżeli wyekstrahowana substancja nie ulegnie zmianie (na przykład tylko rozpuszczona lub zaadsorbowana ), ta ekstrakcja jest procesem fizycznym; jeżeli substancja wchodzi w reakcję chemiczną , jest to proces chemiczny.

Jeżeli jako czynnik ekstrakcyjny stosuje się rozpuszczalnik , substancje, które mają być ekstrahowane, rozpuszczają się lepiej w czystym rozpuszczalniku niż w rozpuszczalniku półnasyconym lub mieszaninie substancji; rozpuszczalnik wyciąga z mieszaniny substancję, która jest w nim lepiej rozpuszczalna. W zależności od rozpuszczalności substancji, stosowanymi rozpuszczalnikami nieorganicznymi są np. woda i para wodna , kwasy , zasady i skroplony dwutlenek węgla , a stosowanymi rozpuszczalnikami organicznymi są np. alkohole , terpeny , eter dietylowy , oleje roślinne , chlorowane węglowodory lub n- heksan . Ciśnienie i temperatura zwykle znacznie zwiększają rozpuszczalność substancji, dlatego część ekstrakcji przeprowadza się gorącymi rozpuszczalnikami i/lub pod ciśnieniem, przykładem ekstrakcji na zimno jest ekstrakcja soli kamiennej podczas ekstrakcji soli w wysadach solnych.

Rodzajowy termin „ekstrakcji” lub „ekstrakt” nie są używane tylko do procesów rozpuszczania, tak jak separator magnetyczny może „ekstrakt” materiały magnetyczne z mieszaniny za pomocą magnetycznego oddzielenia lub substancji oddzielone innymi separacji procesów, takich jak filtracja lub wytrącanie bądź perwaporacja itp., a tym samym „ekstrahowana”, nawet jeśli metody te nie są klasycznie liczone jako ekstrakcja .

Proces ekstrakcji

Rozróżnia się różne procesy ekstrakcji, przy czym najpierw wymienia się stan fizyczny nośnika, a następnie rozpuszczalnika:

• Ekstrakcje ciało stałe-ciecz, w których ekstrahent ciekły ekstrahuje substancję z mieszaniny stałej, na przykład ekstrakcja ropy naftowej za pomocą nadkrytycznego CO ₂ lub przygotowanie kawy .
  • Podczas maceracji tkaniny nasącza się rozpuszczalnikiem i pozostawia do rozpuszczenia.
  • Trawienie to maceracja z doprowadzeniem ciepła, w której ciecz i ciało stałe są mieszane przez mieszanie, a nierozpuszczalne składniki są zwykle oddzielane przez dekantację .
  • Podczas ługowania lub zmywając, minerały lub substancje zanieczyszczające są zazwyczaj wymywane z depozytu .
• Ekstrakcje ciecz-ciecz , w których ciekły ekstrahent ekstrahuje substancję rozpuszczoną z cieczy.
  • W przypadku przenikania przez membranę cieczy (patrz również przenikanie ), do ekstrakcji stosuje się emulsję wielokrotną (tj. kolejna faza emulsyjna w emulsji), przy czym wyekstrahowana substancja jest usuwana z fazy najbardziej wewnętrznej ;
  • na przykład wytrząsanie go w praktyce laboratoryjnej .
• Ekstrakcje cieczowo-gazowe, w których do ekstrakcji gazu z mieszaniny gazów wykorzystuje się ciecz,
  • np. ekstrakcja dwutlenku węgla w płuczce gazowej lub w chromatografii gazowej ,
• Ekstrakcje gazowo-cieczowe, w których gaz lub para wydobywa substancję z cieczy,
  • na przykład w strippingu lub w chromatografii gazowej.
• Ekstrakcje ciecz-ciało stałe, w których substancja jest ekstrahowana z cieczy przez adsorpcję na ciele stałym,
  • na przykład adsorpcja chlorowanych węglowodorów na węglu aktywnym z wody pitnej.

Ponadto możliwe są ekstrakcje z różnych stanów skupienia bez użycia terminu:

• ekstrakcja, w której gaz ekstrahuje substancję, która została zaadsorbowana lub chemicznie związana z ciałem stałym (np. chromatografia gazowa lub produkcja espresso za pomocą pary).
• ekstrakcja za pomocą gazu z gazu, np. gdy dwutlenek węgla pochłania parę wodną z powietrza i gromadzi się na ziemi;
  • w procesie odpędzania parą substancja wartościowa lub roztwór zawierający zanieczyszczenia jest z jednej strony ogrzewany przez parę i doprowadzony do odparowania lotnych składników, z drugiej strony para rozpryskująca rozbija te inne opary w strumieniu pary jako środek porotwórczy z lub „wyekstrahowano” go tak z roztworu, przy czym porwane substancje nie muszą koniecznie rozpuszczać się w parze wodnej lub kondensacie pary wodnej.
• Ekstrakcja za pomocą ciała stałego z gazu, w której substancja jest ekstrahowana z gazu przez adsorpcję lub absorpcję na ciele stałym,
  • Na przykład usuwanie śladów pary wodnej z gazów (suszenie) za pomocą tlenku wapnia ;
  • Enfleurage w przemyśle perfumeryjnym do ekstrakcji olejków eterycznych i zapachów.
• Ekstrakcja „ciało stałe-ciało stałe” miałaby miejsce, gdyby substancja dyfundowała z jednego ciała stałego do drugiego ciała stałego, na przykład jeśli plastyfikator dyfundował z tworzywa sztucznego do nałożonych warstw farby, plastyfikator jest w ten sposób „wyekstrahowany”.

posługiwać się

życie codzienne

Pranie tekstyliów i naczyń charakteryzuje się procesami ekstrakcji, za pomocą głównie wody i solubilizatorów usuwa zabrudzenia z prania i naczyń (patrz również pralka i zmywarka ).

Przemysł chemiczny organiczny

Ekstrakcja jest stosowana zawsze wtedy, gdy destylacja lub rektyfikacja nie wchodzą w rachubę ze względów technicznych lub proces ekstrakcji jest bardziej opłacalny. Tak może być jednak

• składnik wartościowy rozpada się zanim mieszanina osiągnie temperaturę wrzenia i nie chce się destylować pod obniżonym ciśnieniem. W związku z tym ekstrahowane są substancje wrażliwe na ciepło, takie jak antybiotyki lub substancje naturalne .
• mieszanina ma azeotrop i nie chce się stosować specjalnych procesów rektyfikacji, takich jak rektyfikacja ekstrakcyjna lub proces dwuciśnieniowy . Dlatego aromaty BTX są często ekstrahowane z ich mieszanin.
• różnica temperatur wrzenia między lub względną lotnością rozdzielanych składników jest bardzo mała.
• niewielka część kotła wysokiego ma być usunięta z kotła niskiego.

Przemysł chemiczny nieorganiczny

Boksyt - surowiec do produkcji aluminium

Ługowaniu ekstrakcji lub solą metalu jest ważnym i proces w celu zastąpienia, na przykład, w celu uzyskania ditlenku tytanu (TiO ₂ ) lub wolne boksyt rudy z wodorotlenku żelaza. Boksyt to ruda (naturalna mieszanina substancji) zawierająca dużo wodorotlenków i tlenków glinu i żelaza. Wodorotlenek glinu rozpuszczony w sodzie kaustycznej podczas mineralizacji rudy można następnie odzyskać z czerwonego szlamu (wodorotlenku żelaza) w ługu glinianowym i przekształcić w glin poprzez spalanie i elektrolizę . Proces trawienia i ekstrakcji związków glinu w boksycie jest tu sprzężony z reakcją chemiczną wodorotlenku glinu z sodą kaustyczną, w wyniku której powstaje ług glinianowy ( reakcja tworzenia kompleksu ). W procesie powtórnego przetwarzania elementów paliwowych reaktora wykorzystuje się również ekstrakcję.

Apteka

Aparat z przystawką Soxhleta i chłodnicą Liebiga (na zasadzie prądu stałego ).

Otrzymywanie ekstraktów leków z leków farmaceutycznych do leków lub kosmetyków poprzez ekstrakcję składników z roślin leczniczych jest centralnym obszarem farmacji.

W technologii farmaceutycznej stosowane są różne metody, m.in. B. Maceracja , di- lub remaceracja (podwójna maceracja), trawienie (maceracja w podwyższonej temperaturze), re-/ perkolacja (ekstrakcja za pomocą przesączania, jak w przypadku przygotowywania kawy filtrowanej ), metoda Soxhleta , ekstrakcja według Twisselmanna , turbo (vortex) , Ultra-Turrax, ultradźwiękowa, przeciwprądowa ekstrakcja i ekstrakcja za pomocą ekstraktora odśrodkowego .

Wiele leków ziołowych zawiera tylko suszone części roślin lub proste wyciągi z nich. Produkcja specjalnego ekstraktu , jakim jest flawonoid Taxifolin z drewna modrzewiowego , obejmuje złożony, wieloetapowy proces ekstrakcji i oczyszczania. W procesie tym usuwane są niepożądane składniki, a pożądane fitofarmaceutyki , które decydują o skuteczności , zostają wzbogacone. Stosowanie specjalnych ekstraktów ma m.in. następujące zalety. W ten sposób można zwiększyć stężenie składników aktywnych w specjalnym ekstrakcie. Dla tego samego efektu wymagane są mniejsze ilości substancji. Niepożądane produkty uboczne są usuwane podczas ekstrakcji, fitofarmaceutyk jest lepiej tolerowany. Skład i ilość składników są znormalizowane. Gwarantuje to stałą jakość.

Przemysł perfumeryjny

Zapachy są również otrzymywane przez ekstrakcję, na przykład olejek różany jest wytwarzany z kwiatów róży przez destylację z parą wodną (z parą jako substancją nośną ) , pachnący olejek jaśminowy przez enfleurage (stały tłuszcz jako absorbent, z którego następnie wydobywane są zapachy).

przemysł spożywczy

Największym obszarem zastosowania pod względem ilości jest produkcja olejów jadalnych z nasion oleistych poprzez tłoczenie i ekstrakcję rozpuszczalnikiem heksanowym . Olej jadalny otrzymuje się z powstałej mieszaniny oleju i rozpuszczalnika ( Miszella ) przez oddestylowanie rozpuszczalnika.

Nowszą metodą ekstrakcji jest ekstrakcja rozpuszczalnikami w stanie nadkrytycznym. Przy wysokich ciśnieniach i temperaturach gazy i ciecze przyjmują stan, w którym właściwości fizyczne rozpuszczalnika nie odpowiadają właściwościom gazu ani cieczy, obszar ten nazywa się nadkrytycznym . Stosowany jest tu głównie dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym (CO ₂ ).

CO _{2 w stanie} nadkrytycznym służy do pozyskiwania ekstraktów z żywności lub ekstrakcji niepożądanych substancji: kofeiny z ziaren kawy, żywic chmielowych z chmielu , nikotyny z tytoniu, aromatów oraz barwników i składników z różnych przypraw, roślin aromatycznych i substancji naturalnych. W przypadku CO _{2 w} stanie nadkrytycznym może jednak zachodzić również proces odwrotny, czyli impregnacja . W tym celu stały materiał wyjściowy kontaktuje się z substancji rozpuszczonych w nadkrytycznym CO ₂ , przy czym substancje impregnacji wnikania we wszystkie pory o stałej. W wyniku powolnego relaksacji nadkrytycznego CO ₂ traci swoją zdolność do rozpuszczania i substancji impregnujących pozostaje równomiernie rozmieszczone w stałej. Proces ten jest już wykorzystywany przemysłowo w dużym zakładzie w Danii do impregnacji drewna ( bezwodnikiem octowym ) (patrz także drewno acetylowane ). Różne instytucje badawcze zajmują się także barwieniem tkanin, dla których opracowano specjalne barwniki o dobrej rozpuszczalności w nadkrytycznym CO ₂ .

Ekstrakcja wodna mielonej palonej kawy i suszenie rozpyłowe lub liofilizacja ekstraktu dają kawę w proszku lub kawę liofilizowaną. Proces ten jest stosowany na skalę przemysłową m.in. B. używany w Deutsche Ekstrakt Kaffee GmbH i Nestlé AG.

biotechnologia

Ponieważ białka są denaturowane przez większość rozpuszczalników organicznych , do ekstrakcji w biotechnologii stosuje się wodne układy dwufazowe. Zasada opiera się na mieszaniu dwóch roztworów, które tworzą dwie oddzielne fazy. Przykładami są roztwory glikolu polietylenowego (PEG) i dekstranu lub układ PEG/sól. Produkt rozpuszcza się różnie w dwóch fazach zgodnie z jego współczynnikiem dystrybucji.

Naprawa gleby

W rekultywacji gleby zanieczyszczenia można wyekstrahować ze skażonej gleby przy użyciu różnych rozpuszczalników . W tym celu odpowiednia okazała się również ekstrakcja wysokociśnieniowa, w której podobnie jak ekstrakcja wysokociśnieniowa kawy, chmielu lub tłuszczów i olejów za pomocą sprężonych gazów, takich jak. B. ekstrahowany dwutlenkiem węgla .

Oczyszczanie ścieków

Za pomocą usuwania fosforu -sverfahren być w oczyszczalniach ekstrahowanych fosforanów ze ścieków w celu przywrócenia ich jako nawozu fosforowego.

Ekstrakcja w skali laboratoryjnej z rozdzielaczem

Ekstrakcja przez procesy rozpuszczania

Ekstrakcja przez roztwór opiera się na różnych rozpuszczalnościach oddzielanych składników i zasadniczo odbywa się w czterech etapach:

1. Mieszanina i ekstrahent są intensywnie mieszane w celu uzyskania jak największej powierzchni do przenoszenia masy. W laboratorium chemicznym w aparacie Soxhleta lub w lejku wytrząsającym , w technologii w mieszalniku (zamkniętym).
2. Składnik wartościowy z mieszaniny częściowo rozpuszcza się w ekstrahencie (ustanowienie równowagi).
3. Ekstrahent z rozpuszczoną w nim cenną substancją oddzielany jest od wyekstrahowanego materiału w odpowiednim procesie separacji . W przypadku ekstrakcji ciecz-ciecz wybiera się środek ekstrakcyjny, w którym cenna substancja lepiej się rozpuszcza, a niemieszające się ciecze są oddzielane przez umożliwienie osadzenia się poszczególnych faz. Dwie fazy rozpuszczalnika muszą mieć przerwę w mieszalności , aby nastąpiło rozdzielenie faz . Faza rafinatu (rozpuszczalnik pierwotny) i faza ekstraktu (rozpuszczalnik wtórny), która teraz zawiera część substancji, która ma zostać wyekstrahowana, są oddzielane w separatorze przez ich (możliwie największą) różnicę gęstości, na przykład w laboratorium chemicznym w wibracyjne leja , w związku z często stożkowego pojemnika szklanego dobre rozdzielenie można osiągnąć także ręcznie w ten sposób. Stosowane są również dekantery lub wirówki .
4. Ekstraktant wzbogacony cennymi substancjami jest przetwarzany (np. przez rektyfikację ) w celu uzyskania czystej wartościowej substancji i odzyskania ekstrahenta.

Ze względu na rozpuszczalność ekstrahowanego składnika w pierwotnej substancji, zawsze zostaje zachowana resztkowa ilość. Mechanizm tego opisany jest w prawie dystrybucji Nernsta . Z tego powodu np. pralka czy zmywarka nigdy nie są w stanie usunąć 100% zanieczyszczenia w dwóch cyklach zmywania, co np. w przypadku skażenia radioaktywnego prowadzi do nadmiernego napromieniowania wszystkich umytych nią urządzeń.

Realizacja techniczna

Szkic aparatu mieszalnika-osadnika z przepływami materiałów

W sektorze przemysłowym stosuje się tzw. miksery-osadników ( mikser- osadników), w których ciecze po wymieszaniu są przenoszone do innego pojemnika i mogą tam osiadać. Umożliwia to manipulowanie różnymi dużymi ilościami cieczy w jednym lub kilku etapach.

Alternatywnie mieszalnik i osadnik mogą być umieszczone naprzemiennie w jednej kolumnie. Taka kolumna mieszająco-osadzająca jest szczególnie odpowiednia do zastosowań, w których wymaganych jest wiele etapów separacji lub gdy ekstrakcja jest połączona z reakcją chemiczną.

Liczbę teoretycznych stopni separacji można oszacować ręcznie za pomocą tzw. metody belki biegunowej .

W zastosowaniach przemysłowych stosuje się procesy ekstrakcji ciągłej lub ekstrakcji za pomocą ekstraktora odśrodkowego .

Wpływy na wydobycie

Wydajność ekstrakcji zależy od wielu różnych parametrów (wartość pH, rozpuszczalność, temperatura, wielkość ziarna ekstraktu, zachowanie penetracji ekstrahenta, zwilżalność itp.).

Wydobywany materiał powinien mieć stosunkowo dużą powierzchnię w stosunku do jego objętości, ponieważ jest ona proporcjonalna do ilości substancji, którą można wyekstrahować. W praktyce zatem okazuje się celowe rozdrabnianie materiału ekstrakcyjnego na drobny proszek podczas ekstrakcji ciała stałego. W ekstrakcji ciecz-ciecz , dużą powierzchnię uzyskuje się poprzez intensywne mieszanie, przy czym ciecze są rozbijane na małe kropelki, a tym samym oferują dużą powierzchnię, lub przez emulsyfikację z późniejszym rozszczepieniem emulsji .

Zawsze powinna istnieć duża różnica w stężeniu między ekstraktem w materiale ekstrakcyjnym a rozpuszczalnikiem, ponieważ jest to siła napędowa ekstrakcji. Osiąga się to poprzez:

• Częste zastępowanie załadowanego rozpuszczalnika (rozpuszczalnika) świeżym rozpuszczalnikiem.
• Szybkie usuwanie rozpuszczonego ekstraktu z powierzchni materiału ekstrakcyjnego.

Opór dyfuzyjny przeciwdziała ekstrakcji. Zależy ona od wielkości i porowatości cząstek w materiale ekstrakcyjnym i powinna być jak najniższa.

Jeśli rozpuszczalność jest lepsza w wyższych temperaturach, wysoka temperatura sprzyja ekstrakcji, ponieważ silniejszy ruch ciepła i niższa lepkość rozpuszczalnika mogą przyspieszyć ekstrakcję ekstraktu.

Wymagania dotyczące rozpuszczalnika

Rozpuszczalnik do ekstrakcji należy dobierać selektywnie. Oznacza to, że powinien głównie rozpuszczać ekstrakt z materiału ekstrakcyjnego. W praktyce jest to jednak możliwe tylko z dużym trudem i często prowadzi to do wypłukiwania kilku składników, które następnie muszą zostać oddzielone w kolejnych procesach separacji .

Ekstraktant musi być obojętny w stosunku do ekstraktu .

Aby ekstrakcja mogła przebiegać tak szybko, jak to możliwe, rozpuszczalnik powinien szybko rozpuszczać ekstrakt i być w stanie wchłonąć dużą ilość ekstraktu.

Niska temperatura wrzenia rozpuszczalnika sprzyja jego odzyskiwaniu z roztworu ekstraktu. Dzięki temu zużycie energii jest niskie.

Rozpuszczalnik nie powinien być palny, toksyczny, żrący ani niebezpieczny dla środowiska.

W przypadku ekstrakcji ciecz-ciecz powinna również występować wystarczająco duża różnica gęstości pomiędzy materiałem ekstrakcyjnym a środkiem ekstrakcyjnym , aby umożliwić rozdzielenie dwóch faz. Polarność rozpuszczalnika do ekstrakcji materiału może być różne, tak, że substancje, które nie rozpuszczają się w siebie.

linki internetowe

Wikisłownik: Ekstrakcja  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

1. ↑ Procedura ekstrakcji w przygotowaniu do chromatografii gazowej .
2. ↑ Wyciąg ze strony www.experimente.net
3. ↑ Carsten Bloch: Metoda chromatomembranowa jako przygotowanie próbki do chromatografii gazowej. Rozprawa . FU Berlin, 1999, rozdział 3.2.
4. ↑ Phillip Kurz, Norbert Stock: Syntetyczna chemia nieorganiczna: kurs podstawowy . Wydanie I. De Gruyter, 2013, ISBN 978-3-11-025874-5 , 2.2.2 Chłodnica, s. 9 . 
5. ↑ Ultradźwiękowa ekstrakcja kofeiny i innych składników aktywnych
6. ↑ PW Elsinghorst i wsp.: Termiczne i enzymatyczne przegrupowanie taksyfolino-alfitonina. W: Journal of Natural Products . 74 (10), 28.10.2011, s. 2243-2249; PMID 21992235 .
7. ^ I. Reiss, A. Schleußinger, S. Schulz: Rekultywacja gleby poprzez ekstrakcję pod wysokim ciśnieniem. W: Chemia naszych czasów . 28 tom nr 4, 1994, s. 189-196, ISSN  0009-2851 .