Ekstrakcja - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy procesu rozdziału związków chemicznych. Zapoznaj się również z: ekstrakcja zęba.

Rozdzielacz: na górze warstwa zabarwionego na żółto eteru, na dole warstwa wody

Ekstrakcja – wyodrębnianie składnika lub składników mieszanin metodą dyfuzji do cieczy lepiej rozpuszczających te związki chemiczne. Pojęcie ekstrakcji odnosi się najczęściej do procesów prowadzonych w układach ciecz – ciecz, w obszarze ograniczonej mieszalności. Ekstrakcją nazywa się również analogiczny proces, prowadzony w układach ciecz – ciało stałe (ługowanie, enfleurage).

Perkolacja - proces ciągłej ekstrakcji, w którym z ciała stałego wymywa się określone związki chemiczne ciągłym lub periodycznie zmienianym strumieniem rozpuszczalnika. Jest to metoda stosowana między innymi w farmacji do otrzymywania wyciągów roślinnych i nalewek. Proces perkolacji pozwala na całkowite wytrawienie surowca, wytworzenie preparatów zagęszczonych oraz pozwala na zmniejszenie ilości używanego rozpuszczalnika.
Absorpcja (łac. absorbere – wchłaniać) w chemii fizycznej – proces polegający na wnikaniu cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą (gazu, cieczy, ciała stałego itp.) Absorpcji nie należy mylić z adsorpcją, która jest zjawiskiem powierzchniowym. Absorpcja, adsorpcja i wymiana jonowa są wspólnie nazywane procesami sorpcji.

W układach ciecz – ciecz substancje ekstrahowane ulegają podziałowi między rozpuszczalnik pierwotny (roztwór surowy), a rozpuszczalnik wtórny (ekstrahent), który powinien w miarę możliwości selektywnie absorbować odzyskiwane związki chemiczne. Uzyskuje się rafinat (rozpuszczalnik pierwotny, pozbawiony dużej części odzyskiwanego związku) i ekstrakt, który może być np. poddawany destylacji w celu odzyskania substancji ekstrahowanej i rozpuszczalnika (ekstrahentu).

Mieszanina – układ dwóch lub więcej pierwiastków lub związków chemicznych zmieszanych ze sobą w dowolnym stosunku i wykazujących swoje indywidualne właściwości.
Heksan (C6H14) – organiczny związek chemiczny z grupy alkanów. Izomery heksanu są bardzo niereaktywne oraz są często stosowane jako rozpuszczalniki w reakcjach organicznych, ponieważ są wysoce niepolarne. Wchodzą również w skład benzyn.

Efektywność procesu ekstrakcji zależy przede wszystkim od rodzaju rozpuszczalnika, ale duże znaczenie ma również temperatura i techniki postępowania (np. stopień rozwinięcia powierzchni wymiany masy, intensywność mieszania faz). Złożone mieszaniny związków chemicznych są rozdzielane metodami ekstrakcji frakcyjnej, z użyciem różnych ekstrahentów.

Metoda pozyskiwania substancji przez wyciskanie, wygniatanie za pomocą prasy, np. tłoczenie oleju z nasion. W winiarstwie wykorzystywana to wytworzenia moszczu. Odpadem tłoczenia jest masa stała zwana także wytłokiem.
Benzyna – jeden z głównych rodzajów paliwa stosowanego do napędu samochodów, samolotów i niektórych innych urządzeń posiadających silnik spalinowy. Stosowana także jako rozpuszczalnik.

Po osiągnięciu stanu zbliżonego do równowagi obie ciecze – ekstrakt i rafinat – są rozdzielane, np. z użyciem rozdzielaczy laboratoryjnych, wirówek lub przemysłowych separatorów. Ekstrakty rozdziela się na frakcje lub pojedyncze związki np. metodą destylacji, odzyskując rozpuszczalnik.

Przykładem procesu ekstrakcji w układzie ciało stałe – ciecz jest proces parzenia kawy lub herbaty. Zawarte w kawie substancje smakowe dyfundują z ziarna (surowiec) do wody (ekstrahent). Analogicznie są otrzymywane leki galenowe (napary, odwary, wyciągi, nalewki). Różne tłuszcze roślinne, między innymi biopaliwa, są również produkowane z wykorzystaniem ekstrakcji. Ekstrakcję rozpuszczalnikami organicznymi stosuje się przede wszystkim do odzyskiwania oleju pozostającego w materiale po wytłaczaniu (wytłoki).

Odwar – łac. decoctum – w ziołolecznictwie jest to rodzaj leku ziołowego - jeden z rodzajów wyciągów wodnych, zazwyczaj przygotowywany w domu, bezpośrednio przed spożyciem. Otrzymuje się go w ten sposób, ze odmierzoną ilość ziół zalewa się letnią wodą i gotuje przez 5-30 minut (w zależności od konsystencji surowca) pod przykryciem. Nie wolno do tego celu używać garnków aluminiowych. Po przestygnięciu odcedza się. Spożywać należy wkrótce po przygotowaniu, jeszcze ciepły i niesłodzony. Nie można go przechowywać dłużej. Ten sposób przygotowywania stosuje się zazwyczaj do otrzymywania lekarstw ziołowych z kłączy, korzeni, kory i ziela, zawierających dużo garbników i zdrewniałych, które trudno puszczają soki i wymagają dłuższego gotowania. Nie należy w ten sposób przygotowywać lekarstwa z ziół zawierających olejki eteryczne. W tym przypadku wykonuje się napar.
Napar, herbatka ziołowa – forma sporządzania leku ziołowego lub kosmetyku w postaci roztworu, do którego składniki czynne z surowca zielarskiego są ekstrahowane wodą gorącą, ale nie gotującą się. Napary stosuje się do użycia wewnętrznego (spożycia) lub zewnętrznego (do kompresów, przemywania powierzchni ciała).

Podstawy fizykochemiczne

Wykresy fazowe w układach trójskładnikowych (przykłady)

Trzy eutektyki i obszar ograniczonej
mieszalności cieczy z górną temperaturą krytyczną

Reguła dźwigni i prosta ekstrakcja trójstopniowa

Określanie składów i ilościowych udziałów dwóch cieczy (M1) oraz cieczy i kryształów B z domieszkami A i C (M2) w stanie równowagi

Punkty szare – skład układów dwufazowych, punkty kolorowe – skład faz, udziały faz w stanie równowagi określają długości przeciwległych odcinków, łączących składy faz ze składem układu

Aktywność molowa związków chemicznych to efektywne stężenie tych substancji, uwzględniające odchylenia tych związków od zachowania idealnego, wynikające ze zjawisk dyfuzyjnych, lepkościowych lub elektromagnetycznych mających miejsce w stężonych roztworach lub gazach pod wysokim ciśnieniem.
Wyciąg, ekstrakt to zagęszczony preparat roślinny, otrzymywany poprzez wytrawienie roślinnego surowca rozpuszczalnikiem, na przykład wodą bądź etanolem i ich mieszaninami, a następnie odpowiednie zagęszczenie. Jest to rodzaj leku galenowego.

Ekstraktory laboratoryjne

Aparat Soxhleta

Urządzenia do ekstrakcji (przykłady)

Separator faz ciekłych ("flaszka florentyńska")
Po lewej – frakcja odzyskiwana cięższa od wody (niebieska), po prawej – frakcja odzyskiwana lżejsza od wody

Uprawa rzepaku

Ziarno rzepaku

Bryła torfu

Siłą napędową procesu ekstrakcji jest różnica między potencjałami termodynamicznymi układu przed i po procesie wymiany masy. Pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze dyfuzja składników pomiędzy niemieszającymi się cieczami zachodzi samorzutnie tak długo, dopóki maleje entalpia swobodna układu.,co zapisuje się matematycznie:

Mieszalność cieczy jest zjawiskiem, które dotyczy cieczy o zbliżonych właściwościach (znana reguła "podobne w podobnym"), np. ciecze polarne mieszają się z innymi cieczami polarnymi, ciecze niepolarne mieszają się dobrze z innymi cieczami niepolarnymi (zobacz np. napięcie powierzchniowe).
Herbata – napar przyrządzany z liści i pąków grupy roślin, nazywanych tą samą nazwą, należących do rodzaju . Polska nazwa herbata pochodzi od łac. herba thea. Rośliny uprawiane są w wielu krajach strefy zwrotnikowej, także poza Azją, dla pączków i liści, z których po uprzednim przygotowaniu (suszenie, czasami fermentacja) przyrządza się napar. Nazwą "herbata" określa się również napary z innych ziół, np. herbata rumiankowa, herbata paragwajska, herbata Rooibos.

$dG_{T,p} \leqslant 0 \,$

gdzie: $G= \sum_{i=1}^{r} {\mu_i N_i}$ $\mu_i = \left( \frac{\partial G}{\partial N_i} \right)_{V,T,N_{j\ne i}}$ $r\,$ - liczba składników (różnych substancji) $\mu_i\,$ - potencjał chemiczny $i\,$ -tego składnika.

Równania wskazują, że w wielofazowych układach wieloskładnikowych o kierunku przemiany decydują zmiany potencjałów chemicznych wszystkich związków we wszystkich fazach (ewentualnie dodatkowo praca zewnętrzna, która jest wykonywana).

Trójkąt stężeń Gibbsa - swoista postać wykresu fazowego dla układu termodynamicznego zawierającego trzy składniki chemiczne, z których wszystkie są ciekłe lub tworzą z sobą ciekłe roztwory. Z trójkąta tego można wywnioskować, czy po zmieszaniu określonych ilości trzech różnych związków chemicznych otrzyma się jeden roztwór, dwa nie mieszające się ze sobą roztwory, czy też związki te nie będą się z sobą w ogóle mieszały.
Nalewka (w farmacji, łac. tinctura) - jest to niezagęszczony preparat roślinny, otrzymywany poprzez wytrawienie suchego surowca roślinnego rozpuszczalnikiem, najczęściej etanolem bądź jego mieszaniną z wodą. Jest to rodzaj leku galenowego.

W uproszczeniu stan izotermiczno-izobarycznej równowagi termodynamicznej w procesie podziału związku chemicznego między dwie fazy ciekłe opisuje się korzystając z prawa podziału Nernsta: $k_{x(1,2)} = \frac{x_{1}}{x_{2}}$

gdzie: $k_{x(1,2)}$ - stała podziału (współczynnik podziału) substancji pomiędzy fazy 1 i 2 wyrażony jako stosunek stężeń (ułamków molowych) $x_{1}$ , : $x_{2}$ - ułamek molowy substancji w fazach 1 i 2

Współczynnik podziału kx ma wartość stałą dla roztworów doskonałych. W przypadku roztworów rzeczywistych wartości stałe mają współczynniki ka, obliczane z wykorzystaniem odpowiednich współczynników aktywności). Współczynniki kx są zależne od stężenia związku w roztworach.

Wykres fazowy (diagram fazowy) – dla różnych faz pozostających w stanie równowagi – zależność składu danej fazy od składu innej fazy; wykres taki zawiera informację na temat obszarów współistnienia, gdzie istnieją jednocześnie różne fazy.
Ułamek molowy jest to rodzaj miary stężenia, który jest stosunkiem liczby moli danego składnika mieszaniny lub roztworu do sumy liczby moli wszystkich składników.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)