Метод жидкостной экстракции твердых образцов
Что такое жидкостная экстракция твердых образцов?
Жидкостная экстракция твердых образцов, давшая миру бесчисленное количество научных достижений, применялась еще в те времена, когда научные исследования только зарождались. Процесс экстракции прошел большой путь развития — от самых простых методов дистилляции, применяемых еще в древности, до таких сложнейших технологий, как экстракция по Сокслету, применение которых стало возможно благодаря нашим решениям нового поколения. Сегодня важность использования методов экстракции просто неоспорима. Мы в компании BUCHI стремимся соответствовать духу этого развития, формируя будущее пищевой, кормовой, экологической и химической отраслей, а также широчайшего спектра лабораторных исследований путем создания наших инновационных систем экстракции.
Сегодня такие методы экстракции, как жидкостная экстракция твердых образцов, экстракция по Сокслету и экстракция растворителем под давлением, играют важную роль в различных областях исследований — от подготовки образцов для анализа сложных смесей до анализа образцов окружающей среды, контроля качества пищевых продуктов, независимого контроля на соответствие стандартам и многого другого. Наше обширное портфолио систем и приборов учитывает это многообразие применений и предлагает решения, обеспечивающие точность, скорость, безопасность и надежность процесса экстракции.
Обладая большим опытом в области технологий экстракции, компания BUCHI задает траекторию развития научных инноваций, предлагая решения нового поколения, сервис и поддержку, которые обеспечиваются сотрудничеством с лабораториями по всему миру для решения самых сложных задач.
Знакомство со стандартными методами экстракции
Существуют различные методы экстракции. Одним из наиболее традиционных и широко используемых методов является экстракция по Сокслету, предложенная в 19-м веке Францем фон Сокслетом и представляющая собой непрерывную экстракцию образца путем дистилляции. Помимо традиционных классических методов сегодня доступны новые методы экстракции, которые позволяют ускорить процесс и значительно сократить расход растворителя. Одним из способов повышения эффективности процесса является увеличение температуры экстракции. Этот путь используется в двух методах — в горячей экстракции (экстракция по Рэндаллу) и в экономичной непрерывной экстракции (экстракция по Твиссельману). Позднее был найден еще один способ повышения эффективности процесса — увеличение давления, которое используется, например, в методе экстракции растворителем под давлением (PSE — Pressurized Solvent extraction).
Рисунок 1. Процесс экстракции
Ⓐ Растворитель для экстракции
Ⓑ Образец для экстракции
Ⓒ Экстракционная смесь
Ⓓ Остатки образца
Ⓔ Раствор экстракта
Ⓕ Растворитель
Ⓖ Экстракт
Принцип классического метода экстракции по Сокслету
Метод жидкостной экстракции твердых образцов позволяет осуществлять непрерывную экстракцию образцов путем непрерывной дистилляции растворителя, что повышает эффективность процесса. Гомогенизированный образец представляет собой смесь растворимых и нерастворимых в растворителе компонентов. Для выполнения экстракции образец помещают в экстракционный патрон. Растворитель отделяется от образца, нагревается и испаряется.
Рисунок 2. Экстракция по Сокслету
Сконденсированный растворитель смешивается с образцом. Когда экстракционный патрон полностью заполнится растворителем, экстракт сифонируется и часть растворимых компонентов отделяется от образца. Остальные растворимые и нерастворимые компоненты остаются в образце. При повторении цикла для экстракции образца постоянно используется свежедистиллированный растворитель. Доля экстрагированных растворимых компонентов увеличивается, а нерастворимые компоненты остаются в патроне. Циклом называется период от одного сифонирования до другого. Температура экстракции по Сокслету ограничена точкой кипения растворителя.
Принцип метода горячей экстракции
При применении метода горячей экстракции (HE — hot extraction), также известного как экстракция по Рэндаллу, образцы помещаются непосредственно в экстракционный стакан и погружаются в кипящий растворитель. Поэтому разделения образца и растворителя не происходит. При этом методе, в отличие от экстракции по Сокслету, увеличивается температура образца, что повышает эффективность экстракции. Растворимый компонент высвобождается из образца и при последующем испарении растворителя собирается в стакане.
Рисунок 3. Горячая экстракция
Принцип метода экстракции по Твиссельману
При экономичной непрерывной экстракции (ECE — economic continuous extraction), как и при экстракции по Сокслету, происходит разделение образца и растворителя. Но, в отличие от экстракции по методу Сокслета, растворитель не собирается в экстракционной камере. При ECE образец находится в горячих парах растворителя и при этом эффективно промывается свежедистиллированным растворителем. Сочетание применения горячих паров и свежедистиллированного растворителя повышает эффективность экстракции.
Рисунок 4. Экономичная непрерывная экстракция
Принцип метода экстракции растворителем под давлением
Этот метод экстракции твердых образцов предусматривает экстракцию образцов при повышенном давлении. Повышение давления позволяет поднять температуру до уровня выше точки кипения растворителя, что повышает эффективность экстракции. Более высокая температура способствует снижению растворимости компонентов и вязкости растворителя. Растворитель может абсорбировать большую часть компонентов при каждом цикле экстракции. Образцы, помещенные в ячейки из нержавеющей стали, обрабатываются смесью растворителей, подаваемой с помощью насоса для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) при высоких уровнях давления (< 150 бар) и температуры (< 200 °C). В зависимости от области применения образец находится в горячем растворителе под повышенным давлением определенное количество времени. По завершении экстракции экстракты собираются в виалы, и их можно концентрировать для дальнейшего анализа.
Рисунок 5. Экстракция растворителем под давлением
① Емкости с растворителем
② Насос для ВЭЖХ
③ Позиционные клапаны
④ Манометры
⑤ Экстракционные ячейки
⑥ Нагревательный блок
⑦ Емкости для сбора
⑧ Емкость для слива
Факторы, влияющие на процесс
Прежде всего, это инертность — растворитель для экстракции всегда должен быть инертным по отношению к подвергаемому экстракции образцу. На степень извлечения и скорость экстракции также влияет множество других факторов. Наиболее важные из них, которые следует учитывать при оптимизации процесса экстракции, перечислены в таблице ниже.
Таблица 1. Факторы, влияющие на процесс экстракции
| Факторы, влияющие на степень извлечения при экстракции | Факторы, влияющие на скорость процесса экстракции |
|---|---|
Растворимость экстрагируемых компонентов в выбранном растворителе (полярность должна быть одинаковой)
| Размер частиц подвергаемого экстракции образца |
Тщательность смешивания подвергаемого экстракции образца с растворителем
| Степень смешивания подвергаемого экстракции образца и растворителя |
Размер и количество порций растворителя (количество циклов в случае экстракции по Сокслету или частота падения капель растворителя в других методах) | Температура (согласно общему правилу, при каждом повышении температуры на 10 °C скорость реакции удваивается) |
| Характер образца (содержание жира, влаги, размер, поверхность, гомогенность) |
Одна из наилучших стратегий, обеспечивающих использование оптимальных параметров экстракции, — это применение одного из упомянутых выше стандартных методов. Использование этих проверенных и общепризнанных методов и параметров экстракции позволяет повысить надежность процесса экстракции.
Как определить достижение конечной точки
В процессе экстракции концентрация растворимых компонентов в подвергаемом экстракции образце постепенно снижается до тех пор, пока не достигнет точки, при которой продолжение экстракции не имеет смысла. Эта точка называется практическим завершением. Количество растворителя (количество циклов), необходимое для достижения практического завершения экстракции, в основном зависит от растворимости подвергаемого экстракции образца. Хотя во многих случаях определение практического завершения процесса является делом опыта, есть способы, помогающие оценить, достигнута ли эта точка. Одним из наиболее распространенных способов определить, завершена ли экстракция, является проверка с использованием эталонного материала с известным содержанием определяемого вещества.
Рисунок 6. Определение конечной точки процесса экстракции