Extraktion (Verfahrenstechnik)

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Extraktion (Verfahrenstechnik)
Extraktion im Haushalt: einfache Kaffeemaschine zum Extrahieren der Aromastoffe des Kaffeepulvers mit anschließender Filtration

Extraktion (von lateinisch extrahere ‚Äöherausziehen‚Äė) ist ein physikalisches Stofftrennverfahren, bei dem mit Hilfe eines Extraktionsmittels (in diesem Falle ein L√∂sungsmittel, gegebenenfalls erw√§rmt) eine Komponente aus einem festen oder fl√ľssigen Stoffgemisch, dem sogenannten Extraktionsgut, gel√∂st wird: Das L√∂sungsmittel zieht den in ihm besser l√∂slichen Stoff aus dem Gemisch.

In Chemie und Pharmazie nennt man die durch verschiedene Verfahren herausgel√∂sten und konzentrierten Wirkstoffe pflanzlicher und tierischer, d. h. organischer Substanzen, die mittels L√∂sungsmitteln wie Wasser, Alkoholen, Fetten oder √Ėlen gewonnen werden, Extrakt. Man wendet Extrakte in Medikamenten, Arzneimitteln, in Kosmetika, Nahrungsmitteln und anderen Produkten an. Die gel√∂ste Komponente findet sich dann im Extraktionsmittel wieder: So gewinnt man zum Beispiel duftendes Rosen√∂l aus Rosenbl√ľten und Extraktionsmitteln, Kaffee und Tee aus ger√∂steten und gemahlenen Kaffeebohnen (bzw. Teebl√§ttern) und hei√üem Wasser oder auch Iod aus Iodwasser und n-Hexan.

Inhaltsverzeichnis

Anwendung

Organisch-chemische Industrie

Extraktion wird immer dann angewendet, wenn Destillation oder Rektifikation aus technischen Gr√ľnden nicht in Frage kommen oder das Extraktionsverfahren kosteng√ľnstiger ist. Dies kann der Fall sein, wenn

  • die Wertkomponente vor dem Erreichen der Siedetemperatur des Gemisches zerf√§llt und man nicht bei vermindertem Druck destillieren m√∂chte. 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 m√∂chte. BTX-Aromaten werden daher h√§ufig aus ihren Gemischen extrahiert.
  • die Siedetemperaturdifferenz zwischen den bzw. die Relative Fl√ľchtigkeit der zu trennenden Komponenten sehr klein ist.
  • ein geringer Anteil eines Schwersieders aus einem Leichtsieder entfernt werden soll.

Anorganisch-chemische Industrie

Bauxit - Rohstoff zur Aluminiumgewinnung

Die Metallsalzextraktion ist ein wichtiges und unersetzbares Verfahren um beispielsweise Titandioxid (TiO2) zu gewinnen oder um Bauxiterz vom Eisenhydroxid zu befreien. Bauxit ist ein Mineral (nat√ľrliches Stoffgemisch), das viel Aluminium- und Eisen-Hydroxide und -Oxide enth√§lt. Das beim Erz-Aufschluss in Natronlauge gel√∂ste Aluminiumhydroxid kann dann aus der Aluminatlauge vom Rotschlamm (Eisenhydroxid) gereinigt zur√ľckgewonnen 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).

Pharmazie

Apparatur mit Soxhlet-Aufsatz

Die Zubereitung von pharmazeutischen Drogen, also Arzneimitteln mittels Extraktion der Inhaltsstoffe aus Heilpflanzen ist ein zentrales Gebiet der Pharmazie. In der pharmazeutischen Technologie werden verschiedene Verfahren angewandt, z. B. Mazeration, Dimazeration, Digestion, Re-/Perkolation, Soxhletverfahren, Extraktion nach Twisselmann, Turbo- (Wirbel), Ultra-Turrax-, Ultraschall-, Gegenstrom-Extraktion und Extraktion mittels Zentrifugalextraktor. Viele pflanzliche Arzneimittel enthalten nur getrocknete Pflanzenteile oder einfache Extrakte daraus. Bei der Herstellung eines Spezialextraktes, wie etwa aus L√§rchenholz das Flavonoid Taxifolin, handelt es sich um einen komplexen, vielstufigen Extraktions- und Reinigungsprozess. Dabei werden unerw√ľnschte Inhaltsstoffe entfernt und die erw√ľnschten, die Wirksamkeit bestimmenden Phytopharmaka, angereichert. Die Anwendung von Spezialextrakten hat u.a. folgende Vorteile. So kann die Wirkstoffkonzentration im Spezialextrakt erh√∂ht werden. Es werden geringere Mengen eines Stoffes f√ľr die gleiche Wirkung ben√∂tigt. Nicht erw√ľnschte Nebenprodukte werden bei der Extraktion entfernt, das Phytopharmakon wird besser vertr√§glich. Zusammensetzung und Menge der Inhaltsstoffe ist standardisiert. Das garantiert eine gleichbleibende Qualit√§t.[1]

Lebensmittelindustrie

Das mengenm√§√üig gr√∂√üte Gebiet ist die Gewinnung von Speise√∂len aus √Ėlsaaten durch Pressung und Extraktion mit dem L√∂sungsmittel Hexan. Aus dem entstehenden Gemisch von √Ėl und L√∂sungsmittel (Miszella) wird durch Abdestillieren des L√∂sungsmittels das Speise√∂l gewonnen. Ein neueres Extraktionsverfahren ist die Hochdruckextraktion mit √ľberkritischen Gasen. Gase nehmen bei hohen Dr√ľcken und Temperaturen einen Zustand ein, der weder dem eines Gases noch dem einer Fl√ľssigkeit entspricht, diesen Bereich nennt man √ľberkritisch. Mit √ľberkritischem CO2 werden Extrakte aus Lebensmitteln gewonnen oder unerw√ľnschte Stoffe extrahiert: Koffein aus Kaffeebohnen, Hopfenharze aus Hopfen, Nikotin aus Tabak, Aromen sowie Farbstoffe und Inhaltsstoffe aus verschiedensten Gew√ľrzstoffen, Gew√ľrzpflanzen und Naturstoffen. Mit √ľberkritischem CO2 kann aber auch der umgekehrte Vorgang, das Impr√§gnieren, erfolgen. Daf√ľr wird ein festes Ausgangsmaterial mit den im √ľberkritischem CO2 gel√∂sten Substanzen kontaktiert, wodurch die Impr√§gniersubstanzen in s√§mtliche Poren des Feststoffes eindringen. Durch langsames Entspannen verliert das √ľberkritische CO2 die L√∂sef√§higkeit und die Impr√§gniersubstanzen verbleiben gleichm√§√üig verteilt im Feststoff zur√ľck. Dieses Verfahren wird industriell bereits in einer Gro√üanlage in D√§nemark zum Impr√§gnieren von Holz angewandt. Auch besch√§ftigen sich diverse Forschungseinrichtungen mit dem F√§rben von Stoffen, wof√ľr eigene Farbstoffe entwickelt wurden, die eine gute L√∂slichkeit im √ľberkritischem CO2 aufweisen.

Die Wasserextraktion von gemahlenem R√∂stkaffee und die Spr√ľhtrocknung oder Gefriertrocknung des Extraktes liefert Pulverkaffee oder gefriergetrockneten Kaffee. Dieses Verfahren wird im industriellen Ma√üstab z. B. bei der Deutschen Extrakt Kaffee GmbH und bei Nestle AG angewandt.

Biotechnologie

Da Proteine durch die meisten organischen L√∂sungsmittel denaturiert werden, setzt man in der Biotechnologie w√§ssrige 2-Phasensysteme f√ľr die Extraktion ein. Das Prinzip beruht auf der Mischung zweier L√∂sungen, welche zwei getrennte Phasen ausbilden. Beispiele hierf√ľr sind Polyethylenglykol- (PEG) und Dextranl√∂sungen oder das PEG/Salz-System. Das Produkt l√∂st sich entsprechend seinem Verteilungskoeffizienten unterschiedlich in den beiden Phasen.

Bodensanierung

Bei der Bodensanierung lassen sich Schadstoffe mit unterschiedlichen L√∂semitteln aus kontaminierten B√∂den extrahieren. Hierzu hat sich auch die Hochdruckextraktion als geeignet herausgestellt, bei der man, √§hnlich wie bei der Hochdruckextraktion von Kaffee, Hopfen oder Fetten und √Ėlen mit verdichteten Gasen, wie z.B. Kohlenstoffdioxid, extrahiert. [2]

Verfahren

Extraktion im Labormaßstab mit Scheidetrichter

Extraktion beruht auf den unterschiedlichen Löslichkeiten der zu trennenden Komponenten und geschieht im Wesentlichen in vier Schritten.

  1. Gemisch und L√∂sungsmittel werden intensiv durchmischt um eine m√∂glichst gro√üe Oberfl√§che f√ľr den Stoff√ľbergang zu schaffen.
  2. Die Wertkomponente aus dem Gemisch löst sich teilweise im Lösungsmittel (Einstellung eines Gleichgewichts).
  3. Die beiden L√∂sungsmittelphasen m√ľssen eine Mischungsl√ľcke aufweisen, damit es zu einer Phasentrennung kommt. Die Raffinatphase (prim√§res L√∂sungsmittel) und die Extraktphase (sekund√§res L√∂sungsmittel), die nun einen Teil des zu extrahierenden Stoffs enth√§lt, werden so in einem Abscheider durch ihre (m√∂glichst gro√üe) Dichtedifferenz getrennt.
  4. Das sekundäre Lösungsmittel, welches die Übergangskomponente in sich angereichert hat, kann jetzt beispielsweise durch Rektifikation aufbereitet werden, um den reinen Extrakt zu erhalten und das Extraktionsmittel wieder zu gewinnen.

Technische Umsetzung

Skizze einer Mixer-Settler Apparatur mit Stoffströmen

Bei Anwendungen im Labor werden h√§ufig Scheidetrichter verwendet. Aufgrund der h√§ufig konischen Verlaufs am Ausguss kann hierdurch auch manuell eine gute Trennung erreicht werden. Im gro√ütechnischen Bereich werden sogenannte Mixer-Settler (Mischabsetzer) verwendet, wobei die Fl√ľssigkeiten nach der Durchmischung in ein weiteres Gef√§√ü √ľberf√ľhrt werden und sich dort absetzen k√∂nnen. Dadurch ist es m√∂glich in einem oder mehreren Schritten unterschiedliche gro√üe Fl√ľssigkeitsmengen zu handhaben. Die Anzahl der theoretischen Trennstufen l√§sst sich mit Hilfe des sogenannten Polstrahlverfahrens manuell absch√§tzen.

In der industriellen Anwendung kommen kontinuierliche Extraktionsverfahren oder auch Extraktion mittels Zentrifugalextraktor zur Anwendung.

Einfl√ľsse auf die Extraktion

Das Extraktionsgut sollte eine gro√üe Oberfl√§che aufweisen, da sie der extrahierbaren Stoffmenge proportional ist. Bei Feststoffextraktion sollte das Extraktionsgut zerkleinert werden, bei der Fl√ľssig-Fl√ľssig-Extraktion erreicht man eine gro√üe Oberfl√§che durch intensives R√ľhren, wobei die Fl√ľssigkeiten in kleine Tr√∂pfchen zerteilt werden und dadurch eine gro√üe Oberfl√§che bieten.

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:

  • H√§ufiges Austauschen des beladenen L√∂sungsmittels (Solvent) durch frisches L√∂sungsmittel.
  • Schnelles Wegf√ľhren des gel√∂sten Extraktes von der Oberfl√§che des Extraktionsgutes.

Der Diffusionswiderstand wirkt dem Extrahieren entgegen. Er ist von der Größe und Porösität der Teilchen im Extraktionsgut abhängig und sollte möglichst gering sein.

Eine hohe Temperatur beg√ľnstigt die Extraktion, da die st√§rkere W√§rmebewegung und die niedrigere Viskosit√§t des L√∂sungsmittels das Herausl√∂sen des Extraktes beschleunigen.

Anforderungen an das Lösungsmittel

Das L√∂sungsmittel zur Extraktion sollte selektiv gew√§hlt werden. Das hei√üt es sollte haupts√§chlich nur den Extrakt aus dem Extraktionsgut herausl√∂sen. In der Praxis ist das jedoch nur schwer m√∂glich und so kommt es oft zum Herausl√∂sen mehrerer Bestandteile, die dann durch nachgeschaltete Trennverfahren getrennt werden m√ľssen.

Das Extraktionsmittel muss dem Extrakt gegen√ľber 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 L√∂sungsmittels beg√ľnstigt dessen R√ľckgewinnung aus der Extraktl√∂sung. Der Energieaufwand wird dadurch gering gehalten.

Das Lösungsmittel sollte nicht brennbar, giftig, korrodierend und umweltgefährdend sein.

Bei der Fl√ľssig-Fl√ľssig-Extraktion sollte zudem zwischen dem Extraktionsgut und dem Extraktionsmittel ein gen√ľgend hoher Dichteunterschied sein, um das Abtrennen beider Phasen zu erm√∂glichen. Die Polarit√§t des L√∂sungsmittels zum Extraktionsgut muss unterschiedlich sein, damit sich die Stoffe nicht ineinander l√∂sen.

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Extraktion ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Elsinghorst PW et al.: The thermal and enzymatic taxifolin-alphitonin rearrangement. Journal of natural products 2011 Oct 28;74(10):2243-9. Epub 2011 Oct 12; PMID 21992235.
  2. ‚ÜĎ I. Rei√ü, A. Schleu√üinger, S. Schulz: Bodensanierung durch Hochdruckextraktion, Chemie in unserer Zeit, 28. Jahrg. 1994, Nr. 4, S. 189 -196, ISSN 0009-281

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