Micro-Wave Assisted Extraction, MWAE Πέτρος Ταραντίλης- Αναπληρωτής καθηγητής Χρήστος Παππάς - Επίκουρος καθηγητής
Συμβατικές τεχνικές εκχύλισης μειονεκτήματα: 1. Απαιτούν μεγάλο όγκο οργανικού διαλύτη (μόλυνση και σε "απώλειες" " συστατικών του δί δείγματος λόγω εξάτμισης κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσής τους). 2. Απαιτούν αρκετές ώρες. Ηεφαρμογή των μικροκυμάτων: μ 1. Επιταχύνει την κινητική της εκχύλισης συνεπεία των γρήγορων διαδικασιών θέρμανσης του δείγματος και 2. υνατότητας εφαρμογής της σε ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών δειγμάτων και με τη χρήση διαφόρων πολικοτήτων διαλυτών. 2
Η υποβοηθούμενη από μικροκύματα εκχύλιση (MWAE) υιοθετήθηκε πρώτη φορά για την εκχύλιση μετάλλων από χώμα και βιολογικά δείγματα. Οι διαδικασίες θέρμανσης που συνδέθηκαν με την MWAE θεωρήθηκαν "πάρα πολύ έντονες" για τα οργανικά μόρια. 3
Ιστορική Αναδρομή 1986 χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην παραλαβή οργανικών ενώσεων από φυτικά υλικά,, σπόρους, τρόφιμα κ.α. Αναφέρθηκε ότι ήταν αποδοτικότερη από τις κλασσικές μεθόδους (θέρμανσης σε συσκευή Soxhlet) για πολικές ενώσεις. 1990, χρησιμοποιήθηκε για να εξαγάγουν οργανοχλωριομένα φυτοφάρμακα από τα δείγματα φυτικών υπολειμμάτων. Η ανάκτηση ήταν σχεδόν 100% για την κυρία ένωση και χωρίς καμία υποβάθμιση ως αποτέλεσμα της έκθεσης στην ενέργεια μικροκυμάτων. Επίσης αναφέρθηκαν τα μικροκύματα ως τεχνική παραλαβής φυσικών προϊόντων φυτικά υλικά. 4
Τι είναι τα μικροκύματα; είναι μια μη ιονίζουσα μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, βρίσκεται ανάμεσα στα Ραδιοκύματα και στο Υπέρυθρη ακτινοβολία προκαλεί κίνηση η των μορίων λόγω της κίνησης ης ιόντων και της περιστροφής διπόλων, δεν προκαλεί αλλαγές στη μοριακή δομή. 5
Συχνότητα μικροκυμάτων: 300-300 300.000000 MHz. Εφαρμογές Τηλεπικοινωνίες Βιομηχανική χρήση Οικιακή χρήση Εργαστηριακή χρήση Χρησιμοποιημένη συχνότητα για τα εμπορικά όργανα μικροκυμάτων είναι: 900 MHz η οποία αντιστοιχεί σε μια ενεργειακή παραγωγή 90 Watts 2450 MHz, η οποία αντιστοιχεί σε μια ενεργειακή παραγωγή 700 Watts για να μην παρεμποδίζουν τις τηλεπικοινωνίες 6
ιαδικασία θέρμανσης δείγματος-διαλύτη διαλύτη ε : διηλεκτρική σταθερά, περιγράφει την πολωσιμότητα του μορίου σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. ε : διηλεκτρικός παράγοντας απώλειας, μετρά την αποδοτικότητα με την οποία η απορροφημένη ενέργεια μικροκυμάτων μπορεί να μετατραπεί στη θερμότητα. δ: διάχυσης της θερμότητας. 7
ιαδικασία θέρμανσης δείγματος-διαλύτη διαλύτη Οι φυσικές παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή των μικροκυμάτων για να χρησιμοποιηθούν σε μια εκχύλιση είναι: 1. η διαλυτότητα, 2. η διηλεκτρική σταθερά, και 3. ο παράγοντας διάχυσης της θερμότητας. όσο υψηλότερη είναι η διηλεκτρική σταθερά του διαλύτη τόσο υψηλότερος ο βαθμός απορρόφησης μικροκυμάτων 8
Φυσικές σταθερές για τους συνήθως χρησιμοποιημένους διαλύτες Διαλύτης Διηλεκτρική Σταθερά (ε ) Διηλεκτρικός Παράγοντας Απώλειας (ε ) Χ 10 4 Ύδωρ 80,00 12,0 1500 Ακετόνη 20,70 11,5 5555 Μεθανόλη 23,90 15,2 6400 Αιθανόλη 7,00 1,6 2286 Εξάνιο 1,88 0,00019 0,10 Οξικός 6,02 3,2 5316 αιθυλεστέρας 9
ιαδικασία θέρμανσης δείγματος-διαλύτη Μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας Η ενέργεια των μικροκυμάτων απορροφάται με δύο μηχανισμούς: Α) Ιονική αγωγή: οφείλεται στη μετακίνηση όλων των ιόντων κάτω από την επίδραση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, η απορρόφηση ενέργειας από τα είδη των ιόντων εξαρτάται από τη συγκέντρωση τους στο δείγμα, το μέγεθος, το φορτίο τους και τη θερμοκρασία. Β) ιπολική περιστροφή: οφείλεται στη διάταξη των διπόλων μορίων μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αύξηση της έντασης του πεδίου αυξάνει την τάξη των μορίων, με τη μείωση της έντασης επανέρχεται η θερμική αταξία. ιαταγμένη ευθυγράμμιση των διπόλων Θερμικά προκληθείσα αναταραχή 10
ιαδικασία θέρμανσης δείγματος-διαλύτη ιαταγμένη ευθυγράμμιση των διπόλων Θερμικά προκληθείσα αναταραχή Αυτή η διαδικασία θερμαίνει όλο τον όγκο του διαλύτη και εντοπισμένα μόνο τις περιοχές τουφυτικού υλικού που περιέχουν νερό. Τελικά αποκαθίσταται θερμική ισορροπία σε όλο το σύστημα επειδή η θερμότητα μεταφέρεται από το διαλύτη και τις περιοχές του φυτικού υλικού που υπερθερμαίνεται μέσω των συγκρούσεων έτσι ώστε η ενέργεια να διανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το σύστημα. 11
ιαδικασία θέρμανσης δείγματος-διαλύτη ιαταγμένη ευθυγράμμιση των διπόλων Θερμικά προκληθείσα αναταραχή Η ενέργεια κάνει τα μόρια νερού (το νερό λειτουργεί ως δίπολο) να δονούνται (π.χ. 2,5)δισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και υπάρχει θέρμανση λόγω της περιστροφής των μορίων νερού (τριβή). 12
Η τελική θερμοκρασία ρ Tf που αναπτύσσεται Κ: παράγοντας μετατροπής των θερμίδων (calories) σε Joules, Cp: θερμοχωρητικότητα του διαλύτη, m: μάζα του φυτικού υλικού,, Pabs: ισχύς που απορροφάται, t: χρόνος εφαρμογής των μικροκυμάτων, και Ti: η αρχική θερμοκρασία. 13
Ο ρυθμός θέρμανσης εξαρτάται από τρεις παράγοντες: 1. την ιοντική αγωγιμότητα, 2. το ιξώδες, και 3. το διηλεκτρικό παράγοντα απώλειας. ιαλύτης Σημείο βρασμού ( C) Ιξώδες (cp, 25 C) Ρυθμός θέρμανσης (K/sec) Ακετόνη 56 030 0.30 220 2.20 Οξικός αιθυλεστέρας 77 0.43 1.78 Αιθανόλη 78 0.69 1.20 Μεθανόλη 65 l 0.54 2.11 Ύδωρ 100 0.89 1.01 Εξάνιο 69 0.30 0.05 14
Οι παράγοντες που επηρεάζουν την εκχύλιση ενός συστατικού από το φυτικό υλικό με ΜΑΕ είναι η διαλυτότητα του συστατικού στο διαλύτη, η κινητική της εκχύλισης και η δύναμη με την οποία συγκρατείται στο φυτικό υπόστρωμα. 15
Αρχές Λειτουργίας Μια συσκευή μικροκυμάτων αποτελείται από: 1. Ένα μετασχηματιστή υψηλής τάσης 2. Ένα μάγνητρο κενού, (παράγει τα μικροκύματα) 3. Ένα κύκλωμα ελέγχου του μάγνητρου 4. Ένα κυματοδηγό (διάταξη εστίασης της ακτινοβολίας) 5. Έναν θάλαμο θέρμανσης. 16
Συστημάτα ΜWΑΕ: Κλειστό σύστημα, Ανοικτό σύστημα 1. διαλύτης, 1. διαλύτη, 2. θερμοκρασία, 2. ισχύς και το μήκος 3. πίεση, των μικροκυμάτων και 4. ισχύς και το μήκος 3. διάρκεια εκχύλισης. των μικροκυμάτων μ και 5. διάρκεια εκχύλισης. 6. ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΕΚΡΗΞΗΣ 17
Κλειστά Συστήματα VS Ανοικτά Συστήματα Τα κλειστά συστήματα ΜΑΕ λειτουργούν κάτω από: Ελεγχόμενες συνθήκες πίεσης και Θερμοκρασίας. Μέγιστη πίεση: 120 psi. Θερμοκρασία διαλύτη: επιτρέπεται να φτάσει επάνω από το σημείο βρασμού του. Μέγιστη επιτρεπόμενη ε 200 o C Οι απώλειες λόγω εξάτμισης ελαχιστοποιούνται επειδή τα δείγματα ψύχονται πριν βγουν. Μπορούμε να εκχυλίζουμε, συγχρόνως 12-24 δείγματα. Τα ανοιχτά συστήματα ΜΑΕ λειτουργούν σε: Συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης και Θερμοκρασίες ±5 ο C του σημείου βρασμού των διαλυτών. Η διαδικασία θέρμανσης είναι αποδοτικότερη, όλη η ενέργεια στρέφεται σε ένα δείγμα αντί του διαχωρισμού μεταξύ δά διάφορων δειγμάτων. Τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα: 1. Ευκολία προσθήκης αντιδραστηρίων, 2. Αποδοτική θέρμανση διαλυτώνφυτικού υλικού και 3. Ταχύτητα. 18
Το σύστημα ΜWΑΕ που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο μας Οικιακός φούρνος ΜW 19
20