• Ekstrakcija je metoda odvajanja koja se zasniva na
raspodeli supstanci između dve faze koje se međusobno ne mešaju. • Ekstrakcija je vrlo efikasna, brza i popularna tehnika razdvajanja (i koncentrovanja) supstanci.
• Primenjuje se za razdvajanja, kako supstanci prisutnih u vrlo niskim koncentracijama tako i za razdvajanje supstanci u makro-količinama raspodele. • Koeficijent raspodele (distribucije) i odnos raspodele.
Koeficijent raspodele
Koeficijent raspodele je konstanta ravnoteţe koja opisuje raspodelu rastvorene supstance između dva rastvarača koja se međusobno ne mešaju. A(aq)
A(org)
А
K D
А
org or g aq
- pogodno kada je supstanca prisutna samo u JEDNOM obliku
Odnos raspodele
Za samo odvajanje je vaţnije znati koliko je od ukupno rastvorene supstance ekstrahovano, nezavisno od toga u kojim se sve oblicima supstanca nalazi u svakoj od faza. Odnos raspodele D izraţava odnos ukupnih koncentracija supstance (u svim njenim oblicima) u dve faze
D
c
org
c
aq
• zavisi i od vrste i od koncentracije svih supstanci u rastvoru koje sporednim reakcijama reaguju sa A. •
kada nema sporednih reakcija D=KD
Ekstrakcija jedne supstance. Stepen ekstrakcije. Jednostruka i višestruka ekstrakcija
D
c c
n(A)org = c(A)org · Vorg org aq
n(A)aq = c(A)aq · Vaq n(A) = n(A)org + n(A)aq
p udeo količine supstance koji se ekstrahuje i prelazi u organsku fazu
q udeo kо ji se ne ekstrahuje i koji ostaje u vodenoj fazi p + q =1
p
n( A )org n( A )org
n( A )aq
D
D Vaq Vorg
Efikasnost ekstrakcije jednaka je udelu ekstrahovane supstance,
obično se izraţava u procentima i naziva
stepenom ekstrakcije, E
E
p
100 D
D Vaq
100 Vorg
Višestruka ekstrakcija
Efikasnost ekstrakcije za svaki pojedini stepen izraţena je udelom supstance u svakoj svakoj od faza.
Tako će posle prve ekstrakcije udeo neekstrahovane supstance koji zaostaje u vodenoj fazi biti q1
1
q
Vorg
D
1
Vaq
posle druge ekstrakcije q2
2
q
q1
q
1
2
D
posle n-te ekstrakcije ...
Vorg Vaq
1
Udeo ukupno ekstrahovane supstance
= p+ p·q+ p · q2+... + p · q n-1 = 1-qn = 1-qn
broj ekstrakcija
n
se pojavljuje u eksponentu,
njegov uticaj na stepen ekstrakcije je mnogo veći od uticaja zapremine organskog rastvarača, pa će višestruka ekstrakcija uz istu ukupnu zapreminu organskog rastvarača biti mnogo efikasnija od jedne ekstrakcije
Iz datih relacija moţe se izračunati i broj ekstrakcija potrebnih da se postigne određeni stepen ekstrakcije. qn=qn log qn=n log q n = log qn / log q
PRIMER:
Ako je kod neke ekstrakcije q = 0,20 (20%)
a ţelimo da ukupno nekstrahovano ostane samo 0,1% supstance (q n = 0,001) dobijamo:
n
log q n
log 0,001
log q
log 0,2
4,29
zaključak: ekstrakciju treba ponoviti 5 puta!
Sa povećanjem broja ekstrakcija udeo ukupno neekstrahovane supstance se smanjuje, ali se zbog eksponencijalnog odnosa između ove dve veličine ne dobija pobolj šanje ako se proces ekstrakcije ponavlja više od 4-5 puta. ako se nakon 4-5 ponovljenih ekstrakcija ne postigne dovoljna efikasnost, treba tražiti uslove u kojima je D povoljnije
Ekstrakcija izmedju faza
Jednostavna ekstrakcija se upotrebljava kada komponente imaju povoljne odnose raspodele (D). Nekoliko separacionih tehnika je zasnovano na jednostavnoj ekstrakciji uključujući: tečno-tečno, tečno-čvrstu, čvrsto-tečnu i gas-čvrstu ekstrakciju.
Tečno-tečna ekstrakcija (LLE) . Pri izboru rastvarača treba imati u vidu nekoliko vaznih principa Ekstrakcija se izvodi pomoću levkova za odvajanje. (što je levak izduženiji, treba više vremena za razdvajanje slojeva)
Rastvor iz koga se vrši ekstrakcija sipa se u levak za odvajanje sa zatvorenom slavinom, potom se sipa određena zapremina rastvarača kojim se vrši ekstrakcija Optimalno je da levak bude napunjen do 3/4 svoje zapremine. Levak i njegov sadržaj treba intenzivno mućkati Cilj je da se postigne što veća dodirna površina između dve faze da bi se omogućio prelazak supstance između faza. Neophodno je u kraćim intervalima otvarati slavinu levka da bi se pritisak unutar levka izjednačio sa atmosferskim pritiskom. Zatim levak se odloži uspravno na stalak sa zatvornom slavinom na dole, i ostavi se da se slojevi razdvoje. Kada se slojevi razdvoje, slavina se otvori da bi se donji sloj ispustio u stakleni erlenmajer, a zaostali gornji sloj u drugi erlenmajer.
Ĉesto se dešava da se posle mućkanja slojevi teško razdvajaju i da se stvara emulzija -uglavnom kada se ekstrakcija vrši iz baznih rastvora, a ređe iz kiselih - Pojava
emulzije tokom ekstrakcije znatno oteţava izolovanje supstance.
Ovaj problem se delimično rešava dodavanjem soli čime se povećava jonska sila rastvora, što ponekad ubrzava razbijanje emulzije ili ceđenje heterogene smeše i vraćanje filtrata u levak za odvajanje (u slučaju nastanka gumastog organskog materijala).
Posle ekstrahovanja iz vodenih rastvora, spojene organske
slojeve je neophodno osušiti (sredstva za sušenje).
Posle sušenja, supstanca se izoluje tako što se rastvarač uklanja destilacijom. Kada se radi sa manjim količinama ekstrakta i ako upotrebljeni rastvarač ima nisku tačku ključanja, moţe se ukloniti i uparavanjem.
PRIMER: ODVAJANJE JEDINJENJA SA KISELIM I BAZNIM OSOBINAMA
pH = 7
• amin je protonovan i pozitivno naelektrisan – nalazi se u vodenom sloju! • karboksilna kiselina je deprotonovana i negativno naelektrisana – nalazi se u vodenom sloju!
Ekstrakcija bazne komponente iz vodenog rastvora
• karboksilna kiselina je i dalje deprotonovana - ostaje u vodenom sloju • amin je deprotonovan i postaje neutralan – prelazi u sloj organskog rastvarača
Postignuto razdvajanje promenom pH vrednosti !
Razdvajanje i koncentrovanje katjona metala u vodenim rastvorima -
-
-
-
problem: voda mora da se kombinuje sa organskim rastvaračima helatni kompleksi metala: helatni ligandi su obično u vodenim rastvorima slabe kiseline, zato su rastvorni u vodi. kada nagrade helatni kompleks, dobija se proizvod koji je “zasićen” pa samim tim i nerastvoran u vodi ekstrakcija Pb2+ iz vodenih rastvora rastvorom ditizona u ugljentetrahloridu
-
Protivstrujna (countercurrent) ekstrakcija
primenjuje se kada treba da se razdvoje dve rastvorene supstance koje imaju nepovoljan odnos konstanti - postupak uzastopnog uvođenja svežih (čistih) “porcija” donje i gornje tečne faze - supstance se raspodeljuju tj. “putuju” različitim brzinama, slično hromatografiji -
http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletCraig/Appl_Craig2.html
Ekstrakcija iz čvrste faze (SPE)
-
uzorak mora da bude u tečnom stanju
- primena sile gravitacije; pritiska; vakuuma
Aktivna supstanca moţe da bude ZADRŢANA dok se ometajuće supstance iz matriksa ispiraju kroz sorbent. Aktivna supstanca moţe da bude PROPUŠTENA dok se ometajuće supstance zadrţavaju na sorbentu. Brzina protoka 25 mL/min
- normalno fazna - jonska izmena
• VISOKI I REPRODUKTIVNI ODGOVORI ZA KISELE, BAZNE I NEUTRALNE ANALITE.
USPEŠNO IZOLOVANJE komponenti lekova i metabolita iz bioloških materijala •
•MOGU SE UZORKA.
ODREĐIVATI VELIKE ZAPREMINE
• BRZA I JEFTINA METODA
- reversno-fazno pakovanje - normalno- fazno pakovanje - pakovanje za jonsku izmenu - adsorpciono pakovanje
Ekstrakcija eksploziva iz vode
Oblast: zaštita ţivotne sredine Uzorak: eksplozivi ( RDX, 1,3,5-TNB, NB,2,4,6-TNT,2,4-DNT) Matrix: voda Kolone za ekstrakciju: BAKERBOND SPE Oktadecil (C18), 6mL
Bezbedni i zaštitni pribor: zaštitne naočare,mantil ,kapuljača, zaštitne rukavice, aparat za gašenje poţara.
Priprema uzorka: dodati 150 g NaCl u 500 mL uzorka i rastvoriti; podesiti pH na 6 Priprema kolona: pripremiti kolonu sa 2x3 mL metanola, zatim sa 2x3 mL vode HPLC čistoće.Ne sušiti kolone. Dodavanje uzorka/ispiranje: dodati 5 mL uzorka u kolonu. Povezati rezervoar zapremine 75 mL za adapter. Spirati ostatke
uzorka sa 1 mL vode HPLC čistoće. Priključiti na
Eluiranje uzorka: eluirati sa 2x1 mL metanola
Analitička metoda: HPLC
Reference: D.Knothe,Environmental System.Pensacola
Quick Easy Cheap Brzo
lako
Jeftino
Effective Efektivno
Rugged
Robusno
Safe
Sigurno
Primena: Određivanje sadržaja pesticida u uzorcima hrane - visok odgovor (ricavery) - velika tačnost - visoka propustljivost uzorka - minimalna upotreba rastvarača - niska cena; “jednostavno posuđe”
Poređenje sa tečno-tečnom ekstrakcijom (LLE) • brţa priprema uzorka – kraće za 2/3 • niţa cena – manji utrošak reagenasa (manji opasni otpad)
povećan odgovor – minimalno prenošenje uzorka • veća tačnost – nema unakrsnog zagađenja • nema problema sa građenjem emulzija •
• minimalno isparavanje
smanjeno izlaganje osoblja i posuđa uzorcima • olakšana automatizacija •
Npr. sedativi mogu biti izolovani iz seruma čvrsto-tečnom ekstrakcijom
MIKRO EKSTRAKCIJA IZ
ĈVRSTE FAZE (SPME).
Istopljena silikatna vlakna se nalaze unutar igle šprica. U ova vlakna koja su prevučena tankim organskim filmom, kao što je polidimetilsiloksan, uvlači se uzorak odakle se nakon određenog vremena izvlači iz igle i priprema za dalju npr. gasno-hromatografsku analizu.
Pawliszyn in 1989.
SPME je jedinstvena tehnika za pripremu uzorka koja potpuno eliminiše probleme koji se javljaju pri ekstrakciji zbog primene organskih rastvarača. Nisu potrebni rastvarači, kao
ni sloţena aparatura.
SPME ima rasprostranjenu primenu kao tehnika izbora kod
određivanja sadrţaja različitih aditiva i kontaminanata u hrani, forenzičkih i toksikoloških određivanja, zaštiti ţivotne sredine, analize bioloških matriksa, organskih isparljivih supstanci u farmaceutskim preparatima.
-U uzorak se uranja vlakno -Uzorak može da se meša ili zagreva istovremeno, ukolikoje to potrebno -Supstanca se adsorbuje na površini vlakna
-Kada se npr. supstanca prenese u GC i bude termalno desorbovana u GC injektoru vlakno može biti potpuno očišćeno npr. zagrevanjem i vraćeno u ponovnu upotrebu.
Hui Juan Zhang, Jing Fang Huang, Hong Wang,
Naslovi...... Detection of ethanol in human body fluids by headspace solid- phase micro extraction (SPME) capillary gas chromatography
Analiza vode za piće
A method for speciation of volatile organo-selenium compounds is presented, using solid phase microextraction (SPME), thermal desorption by an in-house developed desorption unit and detection by different detectors such as AAS and ICP-MS.
Simultaneous Determination of Phytohormones in Plant Extracts using SPME and HPLC
Toksikologija
Prirodni proizvodi
GAS-ĈVRSTO
EKSTRAKCIJA (GSE)
se propušta kroz pakovanje u kome se nalazi čvrsti adsorbent. Ova tehnika se koristi za određivanje
Uzorak
ugljenika i vodonika u organskim jedinjenjima
gas u čvrsto) Uzorak se sagori u protočnoj struji kiseonika i gasoviti proizvodi sagorevanja se propuštaju kroz kolonu čvrstog (adsorpcija
adsorbensa (adsorpciona cev) koji uklanja CO 2 i H2O.
sublimacija (čvrsto
u gas) zamrzavanje – sušenje (čvrsto u gas)
Vrste ekstrakcionih postupaka
Postoje tri vrste postupaka razdvajanja zasnovana na
ranoteţama između rastvarača koji se međusobno ne mešaju: jednostavna, kontinualna (iscrpna) i diskontinualna (protivstrujna) ekstrakcija.
Jednostavna ekstrakcija brza i kvantitativna kada je odnos raspodele jedne od komponenata u smeši relativno povoljan (reda veličine 5-10 i više), a druge komponente nepovoljan (manji od 0,001).
Diskontinualna (protivstrujna) ekstrakcija odvija se po protivstrujnoj šemi u kojoj se raspodela između svežih porcija obeju faza odigrava u nizu posebnih stupnjeva ( omogućava odvajanje komponenata skoro istih vrednosti odnosa raspodele)
Kontinualna ekstrakcija omogućava razdvajanje komponenata smeše koje imaju relativno nepovoljne odnose raspodele (manje od 1) od onih čiji se odnosi raspodele približavaju 0. U osnovi, metoda se sastoji u kontinualnom izlaganju materijala iz kojeg se vrši ekstrakcija dejstvu rastvarača kojim se vrši ekstrakcija.
Kontinualni prolaz rastvarača obezbeđuje se njegovim regenerisanjem, destilacijom iz prihvatnog balona u kome se skuplja ekstrakt sa rastvaračem. Najčešće se vrši ekstrakcija čvrstog materijala, a od aparatura najčešće se koristi Sokshletova aparatura za kontinualnu ekstrakciju.
Važan preduslov za ovu metodu je da su supstance koje se ekstrahuju stabilne na temperaturama ključanja korišćenih rastvarača.
Kontinualna tehnika je razvijena i za tečnogasnu ekstrakciju. Isparljiva gasna jedinjenja mogu biti kvantitativno uklonjena iz tečnog uzorka tečnogasnom ekstrakcijom.
Obično se koristi helijum kao gas za produvavanje. Ova tehnika je poznata kao „purge and trap“.
Ekstrakcija superkritičnim fluidima
Pod superkritičnim fluidom podrazumeva se supstanca koja se nalazi u stanju iznad kritične temperature i pritiska i ima osobine koje se nalaze između osobina gasova i tečnosti. Superkritični fluidi su bolji rastvarači od gasova, a manje su viskozni od tečnih rastvarača. Superkritični fluid je jeftiniji, brže vrši ekstrakciju u odnosu na organske rastvarače i manje je štetan po životnu sredinu Jedan od primera je ekstrakcija i određivanje ukupnih ugljovodonika u čvrstim uzorcima, sedimentima i mulju, superkritičnim CO2.
se zasniva na činjenici da se blizu kritične tačke osobine rastvarača drastično Superkritična ekstrakcija (SFE)
menjaju samo laganom promenom pritiska. -KADA SE ANALIZIRANI MATERIJAL DOVEDE U
KONTAKT SA SUPERKRITIĈNIM FLUIDOM
ISPARLJIVE SUPSTANCE PRELAZE U NJEGA. -TAKAV FLUID SE ODVAJA OD ANALIZIRANOG MATERIJALA. -EKSTRAHOVANA KOMPONENTA SE POTPUNO
ODVAJA OD FLUIDA POMOĆU TEMPERATURE I/ILI PRITISKA. SAM FLUID SE NAKON REKOMPRESIJE
RECIKLIRA NA POĈETAK CIKLUSA. Primena u proizvodnji cigareta bez nikotina
PREDNOST
Moć rastvaranja SCF je lako kontrolisati pomoću pritiska i temperature
SCF se lako regeneriše iz ekstrakta zahvaljujući njegovoj rastvorljivosti
Ne ostavlja štetne ostatke (rezidue) Komponente sa visokom tačkom ključanja se ekstrahuju na relativno niskim temperaturama
Ekstrakcije koje nisu moguće klasičnim organskim rastvaračima veoma lako se sprovode pomoću SCF Termo-labilne komponente se ekstrahuju sa veoma malim
gubicima, jer se ekstrakcija moţe uraditi na niţim temperaturama
smanjuje se upotreba heksana i metilenhlorida (štetni!)
NEDOSTATAK Zahteva se visok pritisak.
Kompresija rastvarača zahteva razvijanje postupka njegove reciklaţe radi smanjenja uloţene energije i cene.
Početno visoko ulaganje u opremu.
Izbor rastvarača za SFE je sličan kao kod obične ekstrakcije! Dobra sposobnost rastvaranja Inertnost prema proizvodu Lako odvajanje od proizvoda Niska cena
Fluid
Critical Temperature (K)
Critical Pressure (bar)
Carbon dioxide
304.1
73.8
Ethane
305.4
48.8
Ethylene
282.4
50.4
Propane
369.8
42.5
Propylene
364.9
46.0
Trifluoromethane (Fluoroform)
299.3
48.6
Chlorotrifluoromethane
302.0
38.7
Trichlorofluoromethane
471.2
44.1
Ammonia
405.5
113.5
Water
647.3
221.2
Cyclohexane
553.5
40.7
n-Pentane
469.7
33.7
Toluene
591.8
41.0
► organski rastvarači su obično eksplozivni i lako zapaljivi, pa SFE posuda mora da bude otporna na eksploziju što povećava cenu početne aparature – organski rastvarači se uglavnom koriste u petrohemiji!
hloro-fluoro-ugljovodonici (CFC) su veoma dobri rastvarači za SFE zbog svoje velike gistine, ali industrijska primena je strogo ograničena zbog uticaja na ozonski omotač! ►
►CO2 je
najšire primenjivan fluid u SFE zbog niskih parametara kritične tačke (31,1oC, 73,8 bar), niske cene i netoksičnosti ►
drugi široko primenljivi je VODA
njena prednost je u tome što iznad njene kritične tačke (374oC, 218 atm) postaje odličan rastvarač za organske komponente i veoma loš rastvarač za neorganske komponente. Ova osobina daje mogućnost primene istog rastvarača za ekstrakciju neorganskih i organskih komponetni jednom za drugom.
PRIMENA
PRIMENA U HEMIJI PRIRODNIH PROIZVODA I HEMIJI HRANE
dekofeinizacija kafe i čaja
•
• uklanjanje nikotina iz duvana • dealkoholizacija napitaka
• ekstrakcija komponenti hmelja u proizvodnji piva •
ekstrakcija etarskih ulja (kamilica, ţalfija, valerijana i dr.
• dobijanje ulja iz semena biljaka • detekcija i uklanjanje pesticida iz hrane
Interesantni primeri visoke selektivnosti Izolovanje alkaloida vindolina iz biljke
Catharanthus
, iz smeše od oko 100 alkaloida
roseus
N R CH 3
H
O
N OH
H3 C O
OH HO
H
O OH
CH 3
OCH 3
O OH
Vindoline
R = OCH
O OH
OH O OH OH
Selektivno uklanjanje kofeina iz lišća zelenog čaja bez izolovanja drugih biološki aktivnih komponenti (polifenol, epigalokatehin galat)
PRIMENA U BIOTEHNOLOGIJI
frakcionisanje ćelijske biomase iz fermentacionih smeša (u nekim slučajevima ćelije ostaju intaktne) •
•
izolovanje nukleinskih kiselina superkritičnim fluidima
• izolovanje nekih proteina (primer: endoglukanaza)
PRIMENA U FARMACIJI
•
razdvajanje enantiomera određenih farmakološki
aktivnih supstanci
primena superkritičnih fluida u različitim segmentima farmaceutske industrije, koja ne uključuje ekstrakciju •
PRIMENA U ZAŠTITI ŢIVOTNE SREDINE •
uklanjanje teških metala iz ţivotne sredine
• princip: kompleksiranje jona metala
odgovarajućim helirajućim
agensom, a zatim sledi SCFE
•
uklanjanje organskih zagađivača (PAH, PCB i dr.)
