Ekstraktsioon

Ekstraktsioon ehk ekstraheerimine on füüsikalis-keemiline meetod vedelate või tahkete ainete eraldamiseks segudest või lahustest. Meetodit kasutatakse segavate ainete kõrvaldamiseks, huvipakkuvate ainete kontsentreerimiseks või aine viimiseks sobivasse vormi. Komponentide eraldamiseks segust kasutatakse vastavaid lahusteid – ekstrahente. Ekstraheeriv lahusti peab hästi lahustama komponenti, mis analüüsijale huvi pakub, omama suurt tiheduse erinevust võrreldes põhilahustiga ning lahustite omavaheline lahustuvus peab olema alla 10%. Eriti oluline on ekstrahendi selektiivsus ehk ekstrahendi omadus lahustada kindlat ekstraheeritava lahuse komponenti. Neist ekstrahendi omadustest oleneb otseselt kasutatavus ja kulu. Enamasti kasutatakse ekstraheerimiseks laboris vedelik-vedelik ekstraktsiooni korral jaotuslehtrit ja tahke faasi ekstraheerimiseks Soxhleti ekstraktorit. Ekstraktsiooni kasutatakse nii keemialaborites kui tööstuses. Sageli on see oluline protsess keemiatoodete ja toiduainete, eelkõige suhkru ja toiduõlide tootmisel. Meetodit kasutatakse ka hinnaliste metallide ja soolade tootmiseks ning heitvete puhastamiseks. Aine täielikuks kättesaamiseks ekstraktist järgneb ekstraktsioonile tihti rektifikatsioon või kokkuaurutamine. Ekstraktsioone eksisteerib mitut tüüpi, kuid kõige enam kasutatavad on vedelik-vedelik ekstraktsioon, tahke faasi ekstraktsioon, tahke faasi mikroekstraktsioon ja Soxhleti ekstraktsioon. Vedelik-vedelik ekstraktsioon ehk solventekstraktsioon (inglise liquid-liquid extraction) põhineb ainete erineval suhtelisel lahustuvusel mittesegunevates vedelikes, milleks on enamasti vesi ja orgaaniline solvent (näiteks oktanool). Lahus ja sellega mittesegunev solvent viiakse kokku ning toimub lahuste komponentide jaotumine kahe faasi vahel. Järgmise etapina lahused eraldatakse. Jaotuslehtriga ekstraheerimisel täidetakse lehter 2/3 ruumalast, loksutatakse sihis pikiteljega ning pärast igat loksutamist lastakse kraani kaudu ülerõhk välja. Vältida tuleks intensiivset loksutamist, mis võib viia emulsiooni tekkeni. Emulsiooni teket soodustavad ka lähedaste tihedustega vedelikud ning aluseline keskkond. Efektiivsem on ekstraheerimist läbi viia mitu korda väiksema kogusega. Ühekordne ja suurema kogusega ekstraheerimine nii head tulemust võrreldes eelmisega ei anna. Meetodi efektiivsus sõltub aine jaotuskoefitsiendist solventide vahel. Mida suurem on jaotuskoefitsient, seda efektiivsem on ekstraheerimine. Selle meetodi puudusteks on suur solvendikulu, aeglane faaside eraldumine ja töömahukus. Tahke faasi ekstraktsioon (inglise solid phase extraction) kasutab lahusest komponentide eraldamiseks tahket ja vedelat faasi ning põhineb komponentide füüsikalistel ja keemilistel omadustel. Seda kasutatakse proovide kontsentreerimiseks ja puhastamiseks. Ekstraktsiooni läbiviimisel keemialaborites toimub esimese etapina kolonni konditsioneerimine. Toimub mittepolaarse lahustiga märgamine ning kolonni pesemine solvendiga, mis sarnaneb uuritava prooviga. Seejärel viiakse uuritav lahus kolonni ning pestakse üleliigsed komponendid (lisandid) kolonnist välja, milleks kasutatakse mittepolaarset solventi. Viimase etapina pestakse välja analüüt sobiva lahusti või puhvriga. Tahke faasi ekstraktsioonil on eeliseid vedelik-vedelik ekstraktsiooni ees: tahke faasi ekstraktsioon on kiirem ja automatiseeritav, tarbib vähem solvente, ekstrakt on kontsentreeritum ja puhtam. Tahke faasi mikroekstraktsiooni (inglise solid phase microextraction) korral asetatakse sorbent tahkele kandjale ning seejärel viiakse need proovi sisse. Meetod on kiire ning suhteliselt efektiivne. Sageli nimetatakse tahke aine ekstraktsiooni leostamiseks. Vastav nimetus on tulnud protsessi käigust. Ekstrahent tungib tahke aine pooridesse ja difundeerub sealt koos ekstraheeriva ainega pinnale ning lahuse üldmassi. Protsessi toimumist mõjutavad tahke aine struktuur, rakuline ehitus ja ekstraheeritava aine olek (lahus või tahke). Olulist rolli mängivad ka võimalikud väljasadenemised poorides. Tahke aine ekstraktsiooni läbiviimisel töödeldakse tahket ainet ekstrahendiga. Seejärel viiakse läbi filtratsioon, mille käigus tahkest jäägist eemaldatakse ekstrakt. Kogu ekstraheeriva aine kättesaamiseks aurutatakse ja kristallitakse ekstrakt. Sellist protsessi kasutatakse eelkõige hinnaliste metallide tootmisel, kuid nii saab ka toota väetisi, värve ning toiduaineid looduslikest toorainetest. Kirjeldatud protsessi järgi toodetakse näiteks suhkrut suhkrupeedist. Tahke aine ekstraheerimisel on mitu viisi, kuid olulisemad on perioodiline ekstraheerimine ühes ekstraktoris, pärivoolu- ja vastuvooluekstraktsioon ning perkolatsioon. Perioodiline ekstraheerimine toimub seadmes, mis peab olema varustatud mehaanilise või pneumosegistiga. Protsessis on oluline segamise kiirus. Intensiivsel segamisel saavutatakse inertsrežiim, kus tahke aine osakesed liiguvad vedelikust erineva kiirusega. Tasakaaluoleku saabumisel vähenevad liikumapanevad jõud. Juhul, kui segamine ei toimu piisavalt intensiivselt, liigub kogu mass ühtlase kiirusega ning segunemine on halb. Pärivoolu- ja vastuvooluekstraktsioon toimub pidevprotsessina aparaatide kaskaadis või üksikaparaadis. Eelistada tuleks vastuvoolu, kuna sel juhul toimub protsess efektiivsemalt. Massiülekandetegurite suurendamiseks on võimalik kasutada aparaadis massi mehaanilist pulseerimist või tsentrifugaalrežiimis segamist. Perkolatsioonimeetodi korral toimub ekstraheerimine ekstrahendi vooluga läbi tahke materjali liikumatu kihi. Võrreldes päri-ja vastuvooluekstraktsiooniga on protsessist saadav ekstrakt kontsentreeritum ja aparaadi tootlikkus suurem. Seda võimaldab väike ekstrahendi hulk, mis antud meetodi puhul on suureks eeliseks. Üldine protsessi efektiivsus võrreldes kahefaasilise vastuvooluga nii tõhus ei ole. Olenevalt tunnuse liigist võib ekstraktoreid liigitada mitmel viisil. Rohkem kasutatavad klassifikatsioonisüsteemid põhinevad järgmistel tunnustel: töörežiim; kontsentratsiooni muutuse viis; töödeldav süsteem; faaside segunemist või voolamist tingiv jõud. Olenevalt liigituse tunnusest kasutatakse vastavaid ekstraktorite tüüpe: perioodiliselt või pidevalt töötav ekstraktor (1), astmeline ekstraktor ja diferentsiaal-kontaktekstraktor (2), vedelik-vedeliksüsteemiekstraktor ja tahke-vedeliksüsteemiekstraktor (3), mehaanilise segistiga ekstraktor, tsentrifugaalekstraktor ja gravitatsiooniekstraktorid (pihustus-, täidis-, sõelpõhi-, kolonnekstraktorid) (4). Pihustuskolonnid on lihtsa ehitusega ja suure läbilaskevõimega, kuid intensiivne segunemine, mis toimub pikiti, häirib vastuvoolu. See põhjustab omakorda madalat efektiivsust. Enamasti kasutatakse neid siis, kui vedelfaasides leidub tahkeid lisandeid. Täidiseta pihustuskolonnekstraktor on kolonnekstraktoritest lihtsaim ning suure läbilaskevõimega, kuid kolonni eraldusaste on suhteliselt nõrk. Efektiivsema tulemuse saavutamiseks tuleks kasutada Raschingi rõngastega täidiskolonne, mille korral täidis jaotatakse kihtideks ning vahel olevad dispergeeritud faasi piisad liituvad. Seejärel toimub jagunemine, mis põhjustab massiülekannet. Taldrikkolonnidest on levinuim sõeltaldrik. Hüdrostaatilise rõhu abil surutakse taldriku alla tekkiv kergem faas läbi sõela ning raskem faas liigub ülevooluseadme abil üle taldriku. Pulseerivates kolonnides toimub kiire massi edasi-tagasi võngutamine ehk pulseerimine. Võngutamist saavutatakse kolonni perforeeritud taldrikute edasi-tagasi liigutamisega. Tänu pulseerimisele suureneb üldine kontaktpind ning protsess on efektiivsem. Teisalt võib pulseerumine vähendada massiülekandetegurit. Astmelised ekstraktorid vajavad palju pinda ja jõuülekandeseadmeid, kuid nad on väga efektiivsed ja kasutatavad laias faaside suhte piirkonnas. Vedelik-vedelik ekstraktsiooni kasutatakse laialdaselt nii keemialaborites kui tööstuses eelkõige seetõttu, et meetod on lihtne ja odav. Tahke faasi ekstraktsiooni kasutatakse analüütilise keemia laborites proovide kontsentreerimiseks. Saab kasutada ka eraldamiseks mitmesugustest maatriksitest, näiteks verest, uriinist, veest. Tahke faasi mikroekstraktsiooni kasutatakse laborites kui ka proovivõtukohtades. Ekstrakt Ekstraktor Lahutusmeetodid Valdek Mikkal. Ekstraktsioon: õppevahend, Tallinn: Tallinna Tehnikaülikool, 1993. Ivo Leito. Proovi ettevalmistamine; vaadatud 19.10.2016. Supelco. Guide to Solid Phase Extraction; vaadatud 19.10.2016.