Extraktion ist ein physikalisches Stofftrennverfahren (thermisches Trennverfahren), bei dem mit Hilfe eines Extraktionsmittels (ein Lösungsmittel, gegebenenfalls erwärmt) eine Komponente aus einem Stoffgemisch gelöst wird: Das "Lösungsmittel" zieht den in ihm besser löslichen Stoff aus dem Gemisch (von Lat. "extrahere" = herausziehen).
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Die gelöste Komponente findet sich dann im Extraktionsmittel wieder ("Extrakt"): So gewinnt man z.B. duftendes Rosenöl aus Rosenblüten und Extraktionsmitteln, Kaffee und Tee aus gerösteten und gemahlenen Kaffeebohnen (bzw. Teeblättern) und heißem Wasser oder auch Iod aus Iodwasser und n-Hexan.
Anwendung
In der organisch-chemischen Industrie...
wird Extraktion 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 niedrigen Drücken destillieren möchte. Daher werden hitzeempfindliche Substanzen wie Antibiotika oder Naturstoffe extrahiert.
- das Gemisch ein Azeotropenpunkt aufweist und man nicht spezielle Rektifikationsverfahren anwenden möchte. BTX - Aromaten werden daher häufig aus ihren Gemischen extrahiert.
- die Siedetemperaturdifferenz zwischen den zu trennenden Komponenten sehr klein ist.
In der anorganisch-chemischen Industrie...
ist die Metallsalzextraktion ein wichtiges und unersetzbares Verfahren um beispielsweise Titandioxid, TiO2 zu gewinnen oder um Bauxiterz vom Eisenhydroxid zu befreien. Bauxit ist ein Mineral (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 Aluminiumhydroids mit der Natronlauge zur Aluminatlauge gekoppelt (Komplexbildungsreaktion).
In der Lebensmittelindustrie
Das mengenmäßig größte Gebiet ist die Gewinnung von Speiseölen aus Ölsaaten durch Pressung und Extraktion mit Hexan. Ein neueres Extraktionsverfahren ist die Hochdruckextraktion mit überkritischen Gasen. Gase nehmen bei hohen Drücken und Temperaturen einen Zustand ein, der weder dem eines Gases noch dem einer Flüssigkeit entspricht, diesen Bereich nennt man überkritisch. Mit überkritischem CO2 werden Extrakte aus Lebensmitteln gewonnen oder unerwünschte Stoffe extrahiert: Koffein aus Kaffeebohnen, Hopfenharze aus Hopfen, Nikotin aus Tabak, Aromen und Farbstoffe aus verschiedensten Gewürzstoffen und Gewürzpflanzen.
In der 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.
Durchführung
Extraktion beruht auf den unterschiedlichen Löslichkeiten der zu trennenden Komponenten und geschieht im Wesentlichen in vier Schritten.
- Gemisch und Lösungsmittel werden intensiv durchmischt um eine möglichst große Oberfläche für den Stoffübergang zu schaffen.
- Die Wertkomponente aus dem Gemisch löst sich teilweise im Lösungsmittel (Einstellung eines Gleichgewichts).
- 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.
- Das sekundäre Lösungsmittel, welches die Übergangskomponente in sich angereichert hat, kann jetzt beispielsweise durch Rektifikation aufbereitet werden, um das reine Extrakt zu erhalten und das Extraktionsmittel wieder zu gewinnen.
Technische Umsetzung
Bei Anwendungen im Labor werden häufig Scheidetrichter verwendet. Aufgrund der häufig konischen Verlaufs am Ausguss kann hierdurch auch manuell eine gute Trennung erreicht werden. Im großtechnischen Bereich werden sogenannte Mixer-Settler (Mischabsetzer) verwendet, wobei die Flüssigkeiten nach der Durchmischung in ein weiteres Gefäß überführt werden und sich dort absetzen können. Dadurch ist es möglich in einem oder mehreren Schritten unterschiedliche große Flüssigkeitsmengen zu handhaben.
Einflüsse auf die Extraktion
Das Extraktionsgut sollte eine große Oberfläche aufweisen, da sie der extrahierenden Stoffmenge proportional ist. Bei Feststoffextraktion sollte das Extraktionsgut zerkleinert werden, bei der Flüßigextraktion erreicht man eine große Oberfläche durch intensives Rühren, wobei die Flüßigkeiten in kleine Tröpfchen zerteilt werden und dadurch eine große Oberfläche bieten.
Es sollte immer ein großer Konzentrationsunterschied zwischen dem Extrakt im Extraktionsgut und Lösemittel bestehen, da er die treibende Kraft beim extrahieren ist. Er wird erreicht durch:
- Häufiges Austauschen des beladenen Lösemittel (Solvent) durch frisches Lösemittel.
- Schnelles Wegführen des gelösten Extraktes von der Oberfläche des Extraktionsgutes.
Der Diffusionswiederstand wirkt dem extrahieren entgegen. Er ist von der Größe und Porösität der Teilchen im Extraktionsgut abhängig und sollte möglichst gering sein.
Eine hohe Temperatur begünstigt die Extraktion, da die stärkere Wärmebewegung und die niedrigere Viskosität des Lösemittels das Herauslösen des Extraktes beschleunigen.
Anforderungen an das Lösemittel
Das Lösemittel 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.
Um die Extraktion möglichst schnell ablaufen zu lassen, sollte das Lösemittel den Extrakt schnell lösen und eine große Extraktmenge aufnehmen können.
Ein niedriger Siedepunkt des Lösemittels begünstigt dessen Rückgewinnung aus der Extraktlösung. Der Energieaufwand wird dadurch gering gehalten.
Das Lösemittel sollte nicht brennbar, giftig, korrodierend und 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 Lösemittels zum Extraktionsgut muss unterschiedlich sein, damit sich die Stoffe nicht ineinander lösen.