Extraktion (Verfahrenstechnik)
Extraktion (von lateinisch extrahere ‚herausziehen, entnehmen‘) nennt man jedes Trennverfahren, bei dem mit Hilfe eines (festen, flüssigen oder gasförmigen) Extraktionsmittels eine oder mehrere Komponenten aus einem Stoffgemisch (aus festen, flüssigen oder gasförmigen Einzelstoffen bestehend), dem Extraktionsgut, herausgelöst wird. Dabei wird der extrahierte Stoff, selbst wenn er noch in Lösung vorliegt, als Extrakt bezeichnet, seltener auch als Auszug, Aufguss oder Infus oder Tee (beispielsweise Wurmtee). Wird der extrahierte Stoff nicht verändert (beispielsweise nur gelöst oder adsorbiert), so handelt es sich bei dieser Extraktion um ein physikalisches Verfahren; geht der Stoff eine chemische Reaktion ein, so handelt es sich um ein chemisches Verfahren.
Wird als Extraktionsmittel ein Lösungsmittel eingesetzt, so lösen sich die zu extrahierenden Stoffe besser im reinen Lösungsmittel als im halbgesättigten Lösungsmittel bzw. Stoffgemenge, das Lösungsmittel zieht den in ihm besser löslichen Stoff aus dem Gemisch. Entsprechend der Löslichkeit der Stoffe werden als anorganische Lösungsmittel beispielsweise Wasser und Wasserdampf, Säuren, Basen und verflüssigtes Kohlendioxid, als organische Lösungsmittel beispielsweise Alkohole, Terpene, Diethylether, pflanzliche Öle, chlorierte Kohlenwasserstoffe oder n-Hexan verwendet. Druck und Temperatur erhöhen meist wesentlich die Löslichkeit von Stoffen, darum werden manche Extraktionen mit heißem Lösungsmittel und/oder unter Druck durchgeführt, ein Beispiel einer kalten Extraktion ist die Gewinnung von Steinsalz bei der Salzgewinnung in Salzstöcken.
Der generische Begriff „Extraktion“ bzw. „extrahieren“ wird aber nicht nur für Lösevorgänge verwendet, genauso kann ein Magnetscheider magnetische Stoffe durch Magnettrennung aus einem Gemenge „herausextrahieren“ oder ein Stoff wird durch andere Trennverfahren wie Filtration oder Fällung oder Pervaporation etc. abgeschieden und dadurch „extrahiert“, auch wenn diese Verfahren klassisch nicht zur Extraktion gezählt werden.
Extraktionsverfahren
Man unterscheidet verschiedene Extraktionsverfahren,[1] wobei zuerst der Aggregatzustand des Trägermittels genannt wird und dann der des Lösungsmittels:
- Fest-Flüssig-Extraktionen, bei denen ein flüssiges Extraktionsmittel einen Stoff aus einem Feststoffgemisch extrahiert, beispielsweise Extraktion von Erdöl mithilfe von überkritischem CO2 oder die Zubereitung von Kaffee.
- Bei der Mazeration werden Stoffe in einem Lösungsmittel eingeweicht und zum Lösen stehen gelassen.
- Digerieren ist eine Mazeration unter Wärmezufuhr, dabei werden Flüssigkeit und Feststoff durch Rühren gemischt und meist durch Dekantieren der unlöslichen Bestandteile getrennt.[2]
- Beim Auslaugen bzw. Auswaschen werden meist Minerale oder Schadstoffe aus einer Lagerstätte ausgewaschen.
- Flüssig-Flüssig-Extraktionen, bei denen durch ein flüssiges Extraktionsmittel ein gelöster Stoff aus einer Flüssigkeit extrahiert wird.
- bei der Flüssig-Membran-Permeation (siehe auch Permeation) wird eine multiple Emulsion (also eine weitere Emulsionsphase in einer Emulsion) zur Extraktion eingesetzt, wobei der extrahierte Stoff von der innersten Phase gestrippt wird;
- beispielsweise das Ausschütteln in der Laboratoriumspraxis.
- Flüssig-Gas-Extraktionen, bei denen durch eine Flüssigkeit ein Gas aus einem Gasgemisch extrahiert wird,
- beispielsweise Extraktion von Kohlendioxid in einer Gaswäsche oder bei der Gaschromatographie,[3]
- Gas-Flüssig-Extraktionen, bei denen ein Gas oder Dampf einen Stoff aus einer Flüssigkeit extrahiert,
- beispielsweise bei der Strippung oder auch in der Gaschromatographie.
- Flüssig-Fest-Extraktionen, bei denen durch Adsorption an einen Feststoff ein Stoff aus einer Flüssigkeit extrahiert wird,
- beispielsweise Adsorption von chlorierten Kohlenwasserstoffen an Aktivkohle aus Trinkwasser.
Weiters sind Extraktionen aus unterschiedlichen Aggregatzuständen möglich, ohne dass hierfür ein Begriff existiert:
- eine Extraktion, bei der ein Gas einen an einem Feststoff adsorbierten oder chemisch gebundenen Stoff extrahiert (Beispiel Gaschromatographie oder die Herstellung von Espresso mit Wasserdampf).
- eine Extraktion mittels Gas aus Gas, wenn beispielsweise Kohlendioxid Wasserdampf aus der Luft aufnimmt und sich am Boden ansammelt;
- bei der Wasserdampfdestillation wird einerseits die den Wertstoff oder die Verunreinigung enthaltende Lösung durch den Wasserdampf aufgeheizt und leichtflüchtige Bestandteile zum Verdampfen gebracht, andererseits reißt der durchperlende Wasserdampf diese anderen Dämpfe im Dampfstrom als Treibmittel mit und „extrahiert“ sie so aus der Lösung, wobei sich die mitgerissenen Substanzen nicht unbedingt im Wasserdampf oder Dampfkondensat lösen müssen.
- Eine Extraktion mittels eines Feststoffes aus einem Gas, bei der durch Adsorption oder Absorption an einen Feststoff ein Stoff aus einem Gas extrahiert wird,
- beispielsweise Entfernung von Wasserdampfspuren aus Gasen (Trocknung) mithilfe von Calciumoxid;
- Enfleurage in der Parfümindustrie zur Gewinnung von ätherischen Ölen und Duftstoffen.
- Eine Extraktion „Fest-Fest“ wäre, wenn ein Stoff aus einem Feststoff in einen anderen Feststoff hineindiffundiert, beispielsweise wenn ein Weichmacher aus einem Kunststoff in aufgetragene Lackschichten diffundiert, so wird der Weichmacher dadurch „extrahiert“.
Anwendung
Alltag
Das Waschen von Textilien und Geschirr ist durch Extraktionsvorgänge geprägt, mithilfe von meist Wasser und Lösungsvermittlern werden Verunreinigungen von Wäsche und Geschirr entfernt (siehe dazu auch Waschmaschine und Spülmaschine).
Organisch-chemische Industrie
Extraktion wird immer dann angewendet, wenn Destillation oder Rektifikation aus technischen Gründen nicht in Frage kommen oder das Extraktionsverfahren kostengünstiger ist. Dies kann der Fall sein, wenn
- die Wertkomponente vor dem Erreichen der Siedetemperatur des Gemisches zerfällt und man nicht bei vermindertem Druck destillieren möchte. Daher werden hitzeempfindliche Substanzen wie Antibiotika oder Naturstoffe extrahiert.
- das Gemisch ein Azeotrop aufweist und man nicht spezielle Rektifikationsverfahren wie die Extraktivrektifikation oder das Zweidruckverfahren anwenden möchte. BTX-Aromaten werden daher häufig aus ihren Gemischen extrahiert.
- die Siedetemperaturdifferenz zwischen den bzw. die Relative Flüchtigkeit der zu trennenden Komponenten sehr klein ist.
- ein geringer Anteil eines Schwersieders aus einem Leichtsieder entfernt werden soll.
Anorganisch-chemische Industrie
Die Auslaugung oder Metallsalzextraktion ist ein wichtiges und unersetzbares Verfahren um beispielsweise Titandioxid (TiO2) zu gewinnen oder um Bauxiterz vom Eisenhydroxid zu befreien. Bauxit ist ein Erz (natürliches Stoffgemisch), das viel Aluminium- und Eisen-Hydroxide und -Oxide enthält. Das beim Erz-Aufschluss in Natronlauge gelöste Aluminiumhydroxid kann dann aus der Aluminatlauge vom Rotschlamm (Eisenhydroxid) gereinigt zurückgewonnen und durch Brennen und Elektrolysieren in Aluminium umgewandelt werden. Der Aufschluss- und Extraktionsvorgang der Aluminiumverbindungen im Bauxit ist hier mit der chemischen Reaktion des Aluminiumhydroxids mit der Natronlauge zur Aluminatlauge gekoppelt (Komplexbildungsreaktion). Auch die Wiederaufarbeitung von Reaktorbrennelementen nutzt die Extraktion.
Pharmazie
Die Zubereitung von Drogenextrakten aus pharmazeutischen Drogen für Arzneimittel oder Kosmetika durch Extraktion der Inhaltsstoffe aus Heilpflanzen ist ein zentrales Gebiet der Pharmazie.
In der pharmazeutischen Technologie werden verschiedene Verfahren angewandt, z. B. Mazeration, Di- bzw. Remazeration (zweifache Mazeration), Digestion (Mazeration unter erhöhter Temperatur), Re-/Perkolation (Extraktion mittels Durchsickern, wie bei der Filterkaffee-Zubereitung), Soxhletverfahren, Extraktion nach Twisselmann, Turbo- (Wirbel), Ultra-Turrax-, Ultraschall-,[5] Gegenstromextraktion und Extraktion mittels Zentrifugalextraktor.
Viele pflanzliche Arzneimittel enthalten nur getrocknete Pflanzenteile oder einfache Extrakte daraus. Bei der Herstellung eines Spezialextraktes handelt es sich um einen komplexen, vielstufigen Extraktions- und Reinigungsprozess. Dabei werden unerwünschte Inhaltsstoffe entfernt und die erwünschten, die Wirksamkeit bestimmenden Phytopharmaka, angereichert. Die Anwendung von Spezialextrakten hat u. a. folgende Vorteile. So kann die Wirkstoffkonzentration im Spezialextrakt erhöht werden. Es werden geringere Mengen eines Stoffes für die gleiche Wirkung benötigt. Nicht erwünschte Nebenprodukte werden bei der Extraktion entfernt, das Phytopharmakon wird besser verträglich. Zusammensetzung und Menge der Inhaltsstoffe ist standardisiert. Das garantiert eine gleichbleibende Qualität.[6]
Parfumindustrie
Auch Duftstoffe werden durch Extraktion gewonnen, Rosenöl beispielsweise wird durch Wasserdampfdestillation (mit Dampf als Schleppmittel) aus Rosenblüten hergestellt, duftendes Jasminöl durch Enfleurage (festes Fett als Absorptionsmittel, aus dem die Duftstoffe dann extrahiert werden).
Lebensmittelindustrie
Das nach Menge größte Anwendungsgebiet ist die Gewinnung von Speiseölen aus Ölsaaten durch Pressung und Extraktion mit dem Lösungsmittel Hexan. Aus dem entstehenden Gemisch von Öl und Lösungsmittel (Miszella) wird durch Abdestillieren des Lösungsmittels das Speiseöl gewonnen.
Ein neueres Extraktionsverfahren ist die Extraktion mit überkritischen Lösungsmitteln. Bei hohen Drücken und Temperaturen nehmen Gase und Flüssigkeiten einen Zustand ein, bei dem die physikalischen Eigenschaften des Lösungsmittels weder denen des Gases noch denen der Flüssigkeit entsprechen, diesen Bereich nennt man überkritisch. Hauptsächlich kommt hier überkritisches Kohlenstoffdioxid (CO2) zur Anwendung.
Mit überkritischem CO2 werden Extrakte aus Lebensmitteln gewonnen oder unerwünschte Stoffe extrahiert: Koffein aus Kaffeebohnen, Hopfenharze aus Hopfen, Nikotin aus Tabak, Aromen sowie Farbstoffe und Inhaltsstoffe aus verschiedensten Gewürzstoffen, Gewürzpflanzen und Naturstoffen. Mit überkritischem CO2 kann aber auch der umgekehrte Vorgang, das Imprägnieren, erfolgen. Dafür wird ein festes Ausgangsmaterial mit den im überkritischen CO2 gelösten Substanzen kontaktiert, wodurch die Imprägniersubstanzen in sämtliche Poren des Feststoffes eindringen. Durch langsames Entspannen verliert das überkritische CO2 die Lösefähigkeit und die Imprägniersubstanzen verbleiben gleichmäßig verteilt im Feststoff zurück. Dieses Verfahren wird industriell bereits in einer Großanlage in Dänemark zum Imprägnieren von Holz (mit Essigsäureanhydrid) angewandt (siehe dazu Acetyliertes Holz). Auch beschäftigen sich diverse Forschungseinrichtungen mit dem Färben von Stoffen, wofür eigene Farbstoffe entwickelt wurden, die eine gute Löslichkeit im überkritischen CO2 aufweisen.
Die Wasserextraktion von gemahlenem Röstkaffee und die Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung des Extraktes liefert Pulverkaffee oder gefriergetrockneten Kaffee. Dieses Verfahren wird im industriellen Maßstab z. B. bei der Deutschen Extrakt Kaffee GmbH und bei Nestlé AG angewandt.
Biotechnologie
Da Proteine durch die meisten organischen Lösungsmittel denaturiert werden, setzt man in der Biotechnologie wässrige 2-Phasensysteme für die Extraktion ein. Das Prinzip beruht auf der Mischung zweier Lösungen, welche zwei getrennte Phasen ausbilden. Beispiele hierfür sind Polyethylenglykol- (PEG) und Dextranlösungen oder das PEG/Salz-System. Das Produkt löst sich entsprechend seinem Verteilungskoeffizienten unterschiedlich in den beiden Phasen.
Bodensanierung
Bei der Bodensanierung lassen sich Schadstoffe mit unterschiedlichen Lösemitteln aus kontaminierten Böden extrahieren. Hierzu hat sich auch die Hochdruckextraktion als geeignet herausgestellt, bei der man, ähnlich wie bei der Hochdruckextraktion von Kaffee, Hopfen oder Fetten und Ölen mit verdichteten Gasen, wie z. B. Kohlenstoffdioxid, extrahiert.[7]
Abwasserreinigung
Mithilfe von Phosphoreliminationsverfahren werden in Kläranlagen Phosphate aus Abwasser extrahiert, um sie als Phosphatdüngemittel wiedereinzusetzen.
Extraktion durch Lösevorgänge
Die Extraktion durch Lösung beruht auf den unterschiedlichen Löslichkeiten der zu trennenden Komponenten und geschieht im Wesentlichen in vier Schritten:
- Gemisch und Extraktionsmittel werden intensiv durchmischt, um eine möglichst große Oberfläche für den Stoffübergang zu schaffen. Im Chemielabor in einer Soxhlet-Apparatur oder in einem Schütteltrichter, in der Technik in einem (geschlossenen) Mischer.
- Die Wertkomponente aus dem Gemisch löst sich teilweise im Extraktionsmittel (Einstellung eines Gleichgewichts).
- Das Extraktionsmittel mit dem darin gelösten Wertstoff wird von dem extrahierten Material mithilfe eines geeigneten Trennverfahrens abgetrennt. Bei einer Flüssig-Flüssig-Extraktion wählt man ein Extraktionsmittel, in dem sich der Wertstoff besser löst und trennt unmischbare Flüssigkeiten durch Absetzenlassen der einzelnen Phasen. Die beiden Lösungsmittelphasen müssen eine Mischungslücke aufweisen, damit es zu einer Phasentrennung kommt. Die Raffinatphase (primäres Lösungsmittel) und die Extraktphase (sekundäres Lösungsmittel), die nun einen Teil des zu extrahierenden Stoffs enthält, werden so in einem Abscheider durch ihre (möglichst große) Dichtedifferenz getrennt, im Chemielabor beispielsweise in einem Schütteltrichter, aufgrund des häufig konischen Glasbehälters kann hierdurch auch manuell eine gute Trennung erreicht werden. Verwendet werden auch Dekanter oder Zentrifugen.
- Das wertstoffangereicherte Extraktionsmittel wird aufbereitet (beispielsweise durch Rektifikation), um den reinen Wertstoff zu erhalten und das Extraktionsmittel wiederzugewinnen.
Aufgrund der Löslichkeit der zu extrahierenden Komponente im ursprünglichen Stoff bleibt immer eine Restmenge erhalten. Der Mechanismus hierzu wird mit dem Nernstschen Verteilungsgesetz beschrieben. Deshalb können zum Beispiel mit einer Waschmaschine oder mit einem Geschirrspülmaschine bei zwei Spülgängen nie 100 % einer Verunreinigung entfernt werden, was beispielsweise bei radioaktiven Kontaminationen zu weitreichender Verstrahlung aller mitgewaschenen Gerätschaften führt.
Technische Umsetzung
Im großtechnischen Bereich werden sogenannte Mixer-Settler (Mischabsetzer) verwendet, wobei die Flüssigkeiten nach der Durchmischung in einen weiteren Behälter überführt werden und sich dort absetzen können. Dadurch ist es möglich in einem oder mehreren Schritten unterschiedliche große Flüssigkeitsmengen zu handhaben.
Alternativ können Mixer und Settler abwechselnd in einer Kolonne untergebracht werden. Eine solche Mixer-Settler-Kolonne ist besonders geeignet für Anwendungen wo viele Trennstufen erforderlich sind oder wenn die Extraktion mit einer chemischen Reaktion gekoppelt ist.
Die Anzahl der theoretischen Trennstufen lässt sich mit Hilfe des sogenannten Polstrahlverfahrens manuell abschätzen.
In der industriellen Anwendung kommen kontinuierliche Extraktionsverfahren oder auch Extraktion mittels Zentrifugalextraktor zur Anwendung.
Einflüsse auf die Extraktion
Die Effizienz der Extraktion ist von vielen verschiedenen Parametern abhängig (pH-Wert, Löslichkeiten, Temperatur, Korngrößen des Extraktguts, Eindringverhalten des Extraktionsmittels, Benetzbarkeit etc.).
Das Extraktionsgut sollte eine zum Volumen verhältnismäßig große Oberfläche aufweisen, da sie zu der extrahierbaren Stoffmenge proportional ist. In der Praxis erweist es sich deshalb als zweckmäßig, das Extraktionsgut bei der Feststoffextraktion zu einem feinen Pulver zu zerkleinern. Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion erreicht man eine große Oberfläche durch intensives Rühren, wobei die Flüssigkeiten in kleine Tröpfchen zerteilt werden und dadurch eine große Oberfläche bieten oder durch Emulgieren mit anschließender Emulsionsspaltung.
Es sollte immer ein großer Konzentrationsunterschied zwischen dem Extrakt im Extraktionsgut und Lösungsmittel bestehen, da er die treibende Kraft beim Extrahieren ist. Er wird erreicht durch:
- Häufiges Austauschen des beladenen Lösungsmittels (Solvent) durch frisches Lösungsmittel.
- Schnelles Wegführen des gelösten Extraktes von der Oberfläche des Extraktionsgutes.
Der Diffusionswiderstand wirkt dem Extrahieren entgegen. Er ist von der Größe und Porosität der Teilchen im Extraktionsgut abhängig und sollte möglichst gering sein.
Sofern die Löslichkeit bei höheren Temperaturen besser ist begünstigt eine hohe Temperatur die Extraktion, da die stärkere Wärmebewegung und die niedrigere Viskosität des Lösungsmittels das Herauslösen des Extraktes beschleunigen können.
Anforderungen an das Lösungsmittel
Das Lösungsmittel zur Extraktion sollte selektiv gewählt werden. Das heißt, es sollte hauptsächlich nur den Extrakt aus dem Extraktionsgut herauslösen. In der Praxis ist das jedoch nur schwer möglich und so kommt es oft zum Herauslösen mehrerer Bestandteile, die dann durch nachgeschaltete Trennverfahren getrennt werden müssen.
Das Extraktionsmittel muss dem Extrakt gegenüber inert sein.
Um die Extraktion möglichst schnell ablaufen zu lassen, sollte das Lösungsmittel den Extrakt schnell lösen und eine große Extraktmenge aufnehmen können.
Ein niedriger Siedepunkt des Lösungsmittels begünstigt dessen Rückgewinnung aus der Extraktlösung. Der Energieaufwand wird dadurch gering gehalten.
Das Lösungsmittel sollte nicht brennbar, giftig, korrodierend oder umweltgefährdend sein.
Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion sollte zudem zwischen dem Extraktionsgut und dem Extraktionsmittel ein genügend hoher Dichteunterschied sein, um das Abtrennen beider Phasen zu ermöglichen. Die Polarität des Lösungsmittels zum Extraktionsgut muss unterschiedlich sein, damit sich die Stoffe nicht ineinander lösen.
Weblinks
Einzelnachweise
- Extraktionsverfahren als Vorbereitung für die Gaschromatographie.
- Extrahieren bei www.experimente.net
- Carsten Bloch: Die Chromatomembran-Methode als Probenvorbereitung für die Gaschromatographie. Dissertation. FU Berlin, 1999, Kapitel 3.2.
- Phillip Kurz, Norbert Stock: Synthetische Anorganische Chemie: Grundkurs. 1. Auflage. De Gruyter, 2013, ISBN 978-3-11-025874-5, 2.2.2 Kühler, S. 9.
- Ultraschall-Extraktion von Koffein und anderen aktiven Wirkstoffen
- P. W. Elsinghorst u. a.: The thermal and enzymatic taxifolin-alphitonin rearrangement. In: Journal of Natural Products.74(10), 28. Okt 2011, S. 2243–2249; PMID 21992235.
- I. Reiß, A. Schleußinger, S. Schulz: Bodensanierung durch Hochdruckextraktion. In: Chemie in unserer Zeit. 28. Jahrg. Nr. 4, 1994, S. 189–196, ISSN 0009-2851.