Extraktion – Trennverfahren aus der Verfahrenstechnik

Was ist eine Extraktion?

Die Extraktion ist ein physikalisches oder chemisches Trennverfahren, bei dem mithilfe eines Extraktionsmittels (fest, flüssig oder gasförmig) ein oder mehrere Bestandteile aus einem Stoffgemisch herausgelöst werden. Das Stoffgemisch wird dabei als Extraktionsgut bezeichnet, während die gelösten Bestandteile, selbst wenn sie sich noch in Lösung befinden, als Extrakt bekannt sind.

Wenn bei der Extraktion keine chemische Veränderung des Stoffes stattfindet (z. B. nur ein Lösen oder Adsorbieren), spricht man von einem physikalischen Prozess. Wird der Stoff hingegen chemisch umgewandelt, handelt es sich um eine chemische Extraktion.

Eigenschaften der Extraktion:

• Die Extraktion nutzt unterschiedliche Löslichkeiten der Komponenten im Stoffgemisch.
• Das eingesetzte Extraktionsmittel zieht den besser löslichen Stoff aus dem Gemisch heraus.
• Der Vorgang unterscheidet sich von anderen Trennmethoden wie Filtration, die auf physikalischen Eigenschaften wie Teilchengröße basieren.

Die Extraktion ist ein essenzieller Bestandteil in der Stofftrennung und der Vorbereitung von Proben für chemische Analysen. Eine gründliche Anlagenplanung bildet hierbei die Grundlage für die effiziente Umsetzung in industriellem Maßstab.

Welche Extraktionsverfahren gibt es?

Die Auswahl eines geeigneten Verfahrens beginnt oft bereits im Pre-Engineering, wo die Machbarkeit und erste Konzepte entwickelt werden.

Klassische Extraktionsverfahren

Fest-Flüssig-Extraktion

Bei der Fest-Flüssig-Extraktion werden Stoffe aus einem festen Material mit einem flüssigen Lösungsmittel extrahiert. Beispiele sind die Kaffeezubereitung oder die Erdölgewinnung mit überkritischem CO₂. Varianten dieses Verfahrens umfassen:

• Mazeration: Einweichen von Feststoffen in Lösungsmittel ohne zusätzliche Energiezufuhr.
• Digerieren: Mazeration unter Wärme und Rühren, um die Extraktion zu beschleunigen.
• Auslaugen/Auswaschen: Herauslösen von Stoffen wie Mineralen oder Schadstoffen aus Feststoffen durch Spülen.

Flüssig-Flüssig-Extraktion

In diesem Verfahren werden gelöste Stoffe aus einer Flüssigkeit mit einer anderen Flüssigkeit extrahiert, die eine unterschiedliche Affinität für die Zielstoffe aufweist. Beispiele sind:

• Ausschütteln: Einsatz im Labor, um Substanzen mithilfe unterschiedlicher Dichte und Löslichkeit zu trennen.
• Flüssig-Membran-Permeation: Verwendung von Emulsionen, um Stoffe selektiv zu transportieren.

Gas-Flüssig-Extraktion

Hierbei wird ein Gas von einer Flüssigkeit absorbiert, um spezifische Komponenten zu entfernen. Beispiele sind Gaswäschen zur Entfernung von Kohlendioxid und Anwendungen in der Gaschromatographie.

Flüssig-Gas-Extraktion

Ein Gas extrahiert Stoffe aus einer Flüssigkeit, beispielsweise durch Strippung oder gaschromatographische Verfahren. Dies wird häufig zur Reinigung und Anreicherung von Substanzen verwendet.

Flüssig-Fest-Extraktion

Dieses Verfahren nutzt Adsorption, um Stoffe aus Flüssigkeiten auf Feststoffen anzureichern. Ein typisches Beispiel ist die Entfernung chlorierter Kohlenwasserstoffe aus Trinkwasser mithilfe von Aktivkohle.

Extraktion mit spezifischen Aggregatzuständen

Spezialisierte Verfahren nutzen unterschiedliche Phasenübergänge oder Aggregatzustände, etwa:

• Dampfdestillation: Leichtflüchtige Bestandteile werden durch Dampf mitgerissen.
• Adsorption oder Absorption: Entfernung von Gasen wie Wasserdampf durch Feststoffe (z. B. mit Calciumoxid).
• Enfleurage: Gewinnung von ätherischen Ölen in der Parfümindustrie durch Fettadsorption.

Moderne und spezialisierte Extraktionsverfahren

Überkritische Fluidextraktion (SFE)

Ein überkritisches Fluid, meist CO₂, dient als Lösungsmittel. Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Steuerung der Löslichkeit durch Anpassung von Druck und Temperatur. Es ist ideal für temperaturempfindliche Substanzen wie Aromen oder Wirkstoffe.

Mikrowellen-unterstützte Extraktion (MAE)

Hier werden Mikrowellen eingesetzt, um das Lösungsmittel und die Probe direkt zu erwärmen. Die erhöhte Temperatur und der Druck fördern eine schnelle und effiziente Extraktion.

Ultraschall-unterstützte Extraktion (UAE)

Ultraschallwellen erzeugen Kavitation, wodurch Zellwände aufbrechen und die Diffusion von Zielstoffen ins Lösungsmittel beschleunigt wird. Dieses Verfahren ist besonders energieeffizient und schonend.

Soxhlet-Extraktion

Bei der Soxhlet-Extraktion wird das Lösungsmittel kontinuierlich erhitzt, verdampft und kondensiert, wodurch es in einem geschlossenen Kreislauf durch die Probe zirkuliert. Sie ist besonders effizient für schwer lösliche Substanzen.

Flüssig-Phasen-Mikroextraktion (LPME)

LPME minimiert den Einsatz von Lösungsmitteln, indem winzige Mengen für die Extraktion in Mikrovolumen verwendet werden. Die Technik ist kosteneffizient und für empfindliche Analysen geeignet.

Feststoffextraktion bei hohen Drücken (PLE)

Unter erhöhtem Druck werden Lösungsmittel effektiver in die Probenmatrix gepresst, was die Extraktion selbst schwer zugänglicher Substanzen ermöglicht.

Ionenaustausch-Extraktion

Dieses Verfahren nutzt Ionenaustauscherharze, um gezielt geladene Moleküle aus Flüssigkeiten zu isolieren. Es ist besonders selektiv und wird häufig in der chemischen und biotechnologischen Forschung eingesetzt.

Membranextraktion

Membranen dienen hier als semipermeable Barriere, die spezifische Moleküle selektiv durchlässt. Sie ist ideal für umweltfreundliche und hochspezifische Anwendungen.

Durchführung der Extraktion durch Lösevorgänge

Die Durchführung der Extraktion setzt eine sorgfältige Planung der Anlagenkomponenten voraus, die im Rahmen des Basic- und Detail-Engineerings entwickelt werden. Die Extraktion durch Lösevorgänge erfolgt in mehreren definierten Schritten, die auf der unterschiedlichen Löslichkeit der Komponenten im Gemisch basieren. Ziel ist es, den gewünschten Stoff (Extrakt) aus einem Stoffgemisch zu isolieren. Hierbei kommen chemische und physikalische Prinzipien des Stoffübergangs zum Tragen.

Schritte der Extraktion:

1. Durchmischung des Gemisches mit dem Lösungsmittel:
   • Um den Stoffübergang zu maximieren, wird das Stoffgemisch intensiv mit dem Extraktionsmittel vermengt. Dadurch entsteht eine möglichst große Kontaktfläche.
   • Im Labor geschieht dies häufig in Apparaturen wie einem Soxhlet-Extraktor oder einem Schütteltrichter. Im industriellen Maßstab kommen geschlossene Mischer oder Mixer-Settler zum Einsatz.
2. Lösungsprozess und Gleichgewichtseinstellung:
   • Der gewünschte Stoff löst sich teilweise im Extraktionsmittel. Das System erreicht ein dynamisches Gleichgewicht, bei dem der Stoff zwischen beiden Phasen verteilt ist.
   • Der Prozess folgt dem Nernstschen Verteilungsgesetz, das die Stoffverteilung zwischen zwei nicht mischbaren Phasen beschreibt.
3. Trennung der Phasen:
   • Nach dem Lösungsprozess wird das Extraktionsmittel von der verbleibenden Phase abgetrennt. Dafür ist es notwendig, dass sich die beiden Phasen nicht mischen (Mischungslücke).
   • Techniken wie Dekantieren, Zentrifugieren oder der Einsatz von Schütteltrichtern und Abscheidern ermöglichen die Phasentrennung. Entscheidend ist eine ausreichende Dichtedifferenz zwischen den Phasen.
4. Aufbereitung des Extraktionsmittels:
   • Das Extraktionsmittel wird behandelt, um den isolierten Stoff zurückzugewinnen. Dies erfolgt oft durch Destillation, beispielsweise Rektifikation.
   • Ziel ist es, den reinen Wertstoff zu erhalten und das Lösungsmittel für einen weiteren Extraktionsprozess wieder verfügbar zu machen.

Im technischen Maßstab und dem präzisen Anlagenbau wird die Extraktion oft in mehreren Stufen durchgeführt, wobei Kolonnen oder Zentrifugalextraktoren zum Einsatz kommen, um den Trennprozess effizient zu gestalten.

Anforderungen an das Lösungsmittel

Für eine erfolgreiche Extraktion muss das Lösungsmittel bestimmte Eigenschaften erfüllen, die den Trennprozess und die Effizienz beeinflussen.

Selektivität und Löslichkeit

• Das Lösungsmittel sollte möglichst spezifisch nur den Extrakt lösen und andere Bestandteile des Gemisches weitgehend unberührt lassen. Da dies in der Praxis oft nicht vollständig gelingt, müssen nachgeschaltete Trennverfahren unerwünschte Stoffe entfernen.
• Eine hohe Löslichkeit des Extrakts im Lösungsmittel beschleunigt den Prozess und erlaubt eine höhere Stoffkonzentration.

Chemische Eigenschaften

• Inertheit: Das Lösungsmittel darf mit dem Extrakt keine chemische Reaktion eingehen.
• Polare Unterschiede: Zwischen dem Lösungsmittel und dem Extraktionsgut sollte eine ausreichende Polaritätsdifferenz bestehen, um eine gute Phasentrennung zu gewährleisten.

Physikalische Eigenschaften

• Dichteunterschied: Bei Flüssig-Flüssig-Extraktionen erleichtert ein ausreichender Dichteunterschied die Phasentrennung.
• Niedriger Siedepunkt: Ein niedrig siedendes Lösungsmittel reduziert den Energieaufwand für die Rückgewinnung und macht den Prozess wirtschaftlicher.
• Geringe Viskosität: Dies begünstigt eine schnelle Diffusion der Stoffe.

Sicherheit und Umweltverträglichkeit

• Das Lösungsmittel sollte weder brennbar noch giftig oder korrosiv sein. Umweltgefährdungen durch das Lösungsmittel müssen minimiert werden.
• Die Entsorgung oder Rückgewinnung des Lösungsmittels sollte wirtschaftlich und nachhaltig möglich sein.

Diese Anforderungen sorgen dafür, dass die Extraktion effizient, sicher und umweltfreundlich durchgeführt werden kann, ohne die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu beeinträchtigen.

Welche Parameter beeinflussen die Extraktion?

1. Oberfläche des Extraktionsguts

• Eine große Oberfläche des Extraktionsguts ist essenziell, da die Menge der extrahierbaren Stoffe proportional zur Kontaktfläche zwischen Extraktionsgut und Lösungsmittel ist.
• Feststoffextraktion: Das Zerkleinern des Extraktionsguts zu einem feinen Pulver erhöht die Oberfläche.
• Flüssig-Flüssig-Extraktion: Intensive Rührvorgänge oder Emulgieren erzeugen kleine Flüssigkeitströpfchen, die eine größere Austauschfläche bieten.

2. Konzentrationsunterschied zwischen Extrakt und Lösungsmittel

• Ein großer Konzentrationsgradient ist die treibende Kraft der Extraktion.
• Methoden zur Erhaltung eines hohen Gradienten:
  • Häufiger Austausch des beladenen Lösungsmittels durch frisches.
  • Schnelles Entfernen des gelösten Extrakts von der Oberfläche des Extraktionsguts.

3. Diffusionswiderstand

• Der Diffusionswiderstand erschwert die Extraktion und hängt von der Partikelgröße sowie der Porosität des Extraktionsguts ab.
• Maßnahmen zur Reduktion des Diffusionswiderstands:
  • Verwendung von feinporigen oder stark zerkleinerten Materialien.
  • Optimierung der Durchlässigkeit des Lösungsmittels.

4. Temperatur

• Höhere Temperaturen fördern die Extraktion durch:
  • Erhöhte molekulare Beweglichkeit (Wärmebewegung).
  • Geringere Viskosität des Lösungsmittels, wodurch die Durchdringung und Lösung der Zielstoffe erleichtert wird.
• Hinweis: Die Temperatur sollte nur erhöht werden, wenn die Stabilität der Zielstoffe gewährleistet bleibt.

5. Löslichkeit

• Die Löslichkeit der Zielstoffe im Lösungsmittel ist ein Schlüsselfaktor.
• Lösungsmittel sollten so gewählt werden, dass die Zielstoffe optimal aufgenommen werden können.

6. Eindringverhalten des Lösungsmittels

• Das Lösungsmittel muss gut in das Extraktionsgut eindringen können, um die Zielstoffe effektiv zu lösen.
• Optimale Benetzbarkeit des Extraktionsguts ist entscheidend.

7. Störfaktoren in der Probe

• In komplexen Proben können Verunreinigungen die Extraktionseffizienz senken.
• Maßnahmen zur Reduktion von Störungen:
  • Einsatz geeigneter Phasen zur Auftrennung störender Verbindungen.
  • Anwendung verschiedener Lösungsmittel mit variierender Polarität, um Fraktionen besser zu trennen.

Anwendungen der Extraktion

Extraktion findet Anwendung in verschiedenen Branchen und Industrien.

Chemische Industrie

Organisch-chemische Industrie

Die Extraktion wird bevorzugt eingesetzt, wenn Destillation oder Rektifikation nicht praktikabel oder wirtschaftlich sind. Sie ist besonders nützlich bei:

• Hitzeempfindlichen Substanzen: Stoffe wie Antibiotika oder Naturstoffe, die vor Erreichen der Siedetemperatur zerfallen.
• Azeotropen Gemischen: BTX-Aromaten werden so effizient extrahiert, ohne aufwendige Rektifikationsmethoden einzusetzen.
• Ähnlicher Siedetemperatur von Komponenten: Bei kleinen Temperaturdifferenzen ist Extraktion oft die bessere Wahl.
• Schwer-/Leichtsieder-Trennungen: Kleine Mengen eines schwer flüchtigen Stoffes können so aus leicht flüchtigen Substanzen entfernt werden.

Anorganisch-chemische Industrie

In der anorganischen Chemie ist die Extraktion essenziell:

• Titandioxid-Gewinnung: Ein unverzichtbarer Prozess zur Herstellung dieses wichtigen Pigments.
• Bauxit-Verarbeitung: Aluminium wird durch chemische Reaktionen und Extraktion von unerwünschten Bestandteilen wie Eisenhydroxid gewonnen.
• Reaktorbrennelemente-Aufarbeitung: Hierbei wird die Extraktion genutzt, um wertvolle Stoffe zurückzugewinnen.

Pharmazeutische Industrie

Die Pharmazie setzt Extraktion ein, um Wirkstoffe aus Heilpflanzen zu gewinnen und in Arzneimitteln zu verwenden. Vorteile:

• Standardisierung: Sichere Qualität durch definierte Wirkstoffmengen. Eine umfassende Dokumentation gewährleistet dabei die Rückverfolgbarkeit und erfüllt regulatorische Anforderungen.
• Verbesserte Verträglichkeit: Entfernung unerwünschter Nebenprodukte.
• Effiziente Wirkstoffanreicherung: Reduktion der benötigten Substanzmenge. Häufige Verfahren umfassen Mazeration, Soxhletverfahren und Gegenstromextraktion.

Lebensmittelindustrie

Die Extraktion ist zentral in der Herstellung von Lebensmitteln:

• Speiseölproduktion: Gewinnung durch Pressung und Hexanextraktion.
• Entkoffeinierung: Mit überkritischem CO₂ wird Koffein schonend aus Kaffee entfernt.
• Aromagewinnung: Extraktion von Farbstoffen, Aromen und anderen wertvollen Stoffen.
• Imprägnierung: Überkritisches CO₂ wird zur Behandlung von Holz und anderen Materialien eingesetzt.

Umwelttechnik

Abwasserreinigung

In Kläranlagen wird Extraktion genutzt, um Stoffe wie Phosphate zu entfernen. Diese können als Düngemittel wiederverwendet werden.

Bodensanierung

Kontaminierte Böden lassen sich durch Hochdruckextraktion mit verdichteten Gasen wie CO₂ von Schadstoffen befreien.

Petrochemische Industrie

Extraktion hilft bei der Trennung von Aromaten, Kohlenwasserstoffen und anderen wertvollen Bestandteilen aus Rohöl. Sie ist eine Schlüsseltechnologie zur Veredelung petrochemischer Produkte.

Energiewirtschaft

In der Kernenergie wird Extraktion bei der Wiederaufbereitung von Brennelementen angewandt, um spaltbares Material zurückzugewinnen und Abfallvolumen zu minimieren.

Biotechnologie

Die Biotechnologie setzt Extraktionsverfahren zur Trennung empfindlicher Moleküle wie Proteine ein:

• Wässrige Zwei-Phasensysteme: Zum Beispiel Polyethylenglykol-Dextran-Systeme, die schonende Trennung ermöglichen.

Materialwissenschaft

Extraktion dient der Herstellung von Hochleistungsmaterialien und der Rückgewinnung spezifischer Substanzen. Sie spielt auch bei der Färbung und Imprägnierung von Stoffen eine Rolle.

Parfum- und Kosmetikindustrie

Duftstoffe wie Rosen- oder Jasminöl werden mithilfe von Extraktionsmethoden wie Enfleurage gewonnen. Diese Verfahren sichern die Reinheit und Qualität der empfindlichen Stoffe.

Alltag

Extraktion ist auch im Haushalt präsent:

• Waschen von Textilien und Geschirr: Mit Wasser und Reinigungsmitteln werden Verschmutzungen effizient entfernt.
• Kaffeebereitung: Die Wasserextraktion liefert löslichen Kaffee in Form von Pulver oder gefriergetrockneten Granulaten.

FAQ über Extraktion

Was versteht man unter Extraktion?

Die Extraktion ist ein chemisches Trennverfahren, bei dem ein Lösungsmittel genutzt wird, um Stoffe aus einem Gemisch selektiv herauszulösen. Sie dient zur Abtrennung, Reinigung oder Anreicherung von Substanzen, z. B. zur Entfernung störender Stoffe oder zur Verbesserung der Nachweisgenauigkeit in der Analytik.

Wie funktioniert Extraktion einfach erklärt?

Bei der Extraktion gibst Du ein Extraktionsmittel zu einem Stoffgemisch. Dieses Mittel löst bestimmte Bestandteile heraus, während andere zurückbleiben. Das Prinzip basiert auf der Löslichkeit: Manche Stoffe lösen sich besser im Extraktionsmittel als andere. Nach der Extraktion kannst Du das Extraktionsmittel mit den gelösten Stoffen von den übrigen Bestandteilen des Gemischs trennen, etwa durch Dekantieren, Filtrieren oder Abscheiden.

Wie macht man eine Extraktion?

1. Vorbereitung: Wähle ein geeignetes Extraktionsmittel, das gezielt die gewünschten Stoffe löst.
2. Durchführung: Mische das Stoffgemisch mit dem Extraktionsmittel. Schüttle oder rühre die Mischung, damit der Stoffübergang stattfindet.
3. Trennung: Entferne das Extraktionsmittel, das die gelösten Stoffe enthält, vom Rest des Gemischs.
4. Weiterverarbeitung: Konzentriere oder reinige den extrahierten Stoff, falls nötig, durch weitere Verfahren wie Destillation oder Verdampfung.

Was ist der Unterschied zwischen Probentrennung und Probenextraktion?

• Probentrennung bezeichnet alle Verfahren, die Stoffgemische in ihre Bestandteile aufteilen. Dazu zählen Methoden wie Filtrieren, Zentrifugieren oder Destillieren, die verschiedene physikalische Eigenschaften nutzen.
• Probenextraktion ist eine spezifische Form der Probentrennung. Hierbei wird gezielt ein Stoff durch ein Extraktionsmittel gelöst, basierend auf dessen Löslichkeit. Extraktion kann auch der Anreicherung eines Analyten dienen, was bei allgemeinen Probentrennverfahren selten der Fall ist.

Extraktion hebt sich durch die gezielte Nutzung der Löslichkeit ab, während Probentrennung oft andere physikalische Eigenschaften wie Dichte oder Siedetemperatur ausnutzt.