Chiết siêu tới hạn – Nguyên lý cơ bản, quy trình chiết siêu tới hạn

Hướng dẫn chiết siêu tới hạn đúng quy trình

Trong vật lý, các trạng thái phổ biến của vật chất là rắn, lỏng và khí. Một số trạng thái khác có thể tồn tại ở các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như “trạng thái siêu tới hạn” khi chất lỏng được đặt ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn của nó.
Dưới trạng thái này, chất lỏng siêu tới hạn thể hiện những đặc tính thú vị khi kết hợp một số đặc tính của chất lỏng (mật độ cao) và một số đặc tính của chất khí (độ khuếch tán cao, độ nhớt thấp).

Nguyên lý chiết siêu tới hạn

Hai chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng rộng rãi nhất là carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Cả hai chất lỏng đều có sẵn và có thể được sử dụng ở dạng áp suất để thay thế dung môi hữu cơ hoặc phục vụ như các quy trình thân thiện với môi trường thay thế.

Máy chiết siêu tới hạn dung tích lớn (từ 80L đến 1000L)

Carbon dioxide (CO2)

CO2 là dung môi siêu tới hạn được sử dụng phổ biến nhất. Được sản xuất vượt mức trong công nghiệp với độ tinh khiết cao, nó không đắt, không độc hại, không cháy và có nhiệt độ môi trường gần tới hạn (31 ° C). Áp suất tới hạn đạt được là 74 bar.

Mật độ cao cùng với sự khuếch tán tạo cho CO2 siêu tới hạn một đặc tính dung môi rất tốt và thú vị.

Các ứng dụng

• Hệ thống chất lỏng siêu tới hạn và áp suất cao cho phép phát triển các quy trình và sản phẩm bền vững và thân thiện với môi trường.
• Chế biến siêu tới hạn được phổ biến rộng rãi trong các ngành công nghiệp bao gồm các sản phẩm tự nhiên, vật liệu sinh học và cao cấp, sản xuất hàng dệt may và các sản phẩm khác.
• Ví dụ nổi tiếng nhất là chiết xuất caffein từ hạt cà phê bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn, đã được sử dụng thương mại trong nhiều năm ở quy mô lớn. Ngày nay chất lỏng siêu tới hạn được Extratex sử dụng và phát triển hiệu quả cho nhiều ứng dụng:

Thực phẩm và Nutraceuticals

Máy chiết siêu tới hạn quy mô phòng thí nghiệm

• Nước hoa và Mỹ phẩm
• Dược phẩm
• Tài liệu
• Thiết bị điện tử
• Aerogel, Gốm và vật liệu sáng tạo
• Xử lý chất thải và định giá chất thải
• Các ngành công nghiệp dầu khí

Công nghệ chất lỏng siêu tới hạn có thể áp dụng ở mọi nơi khi các mục tiêu là:

• Tạo ra các sản phẩm hiệu suất cao hơn và kinh tế hơn
• Sử dụng các quy trình thân thiện với môi trường và bền vững hơn
• Giảm tiêu thụ dung môi và phát thải VOC

Quá trình chiết siêu tới hạn

Các quy trình dựa trên chất lỏng siêu tới hạn bao gồm chiết xuất, ngâm tẩm, hình thành hạt, tạo hạt, khử trùng, làm sạch và phản ứng hóa học trong số những quy trình khác. Trong mọi trường hợp, chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng thay thế cho các dung môi lỏng hữu cơ truyền thống. Chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng rộng rãi nhất là CO2 và nước nhưng một số quá trình (chiết xuất, phản ứng) sử dụng chủ yếu là metanol siêu tới hạn, etanol, propan, etan.
Một số ví dụ về quy trình được biết đến bởi Extratex được liệt kê dưới đây:

Máy chiết siêu tới hạn dung tích 5L / 2x5L / 10L / 2x10L

Chiết xuất CO2
Quy trình chiết xuất CO2 siêu tới hạn

Nguyên tắc bao gồm tuần hoàn CO2 siêu tới hạn, qua nguyên liệu thô (ví dụ thực vật tự nhiên), và làm giảm áp suất hỗn hợp để thu hồi dịch chiết. Thật vậy, sau khi khử áp suất, CO2 được giải phóng ở thể khí (có thể tái sử dụng) và mất tính chất hòa tan của nó dẫn đến sự ngưng tụ của dịch chiết thành dạng lỏng hoặc rắn.

Quy trình giúp bạn xử lý các vấn đề sau:

• Phân lập và chiết xuất chọn lọc với độ chính xác một phân tử hoặc một hợp chất
• Dễ dàng tiếp cận lõi của vật liệu mà không làm hỏng vật liệu
• Chiết xuất sản phẩm / phân tử ở nhiệt độ thấp, bảo toàn tính toàn vẹn và thời hạn sử dụng

Hơn nữa, nhiệt độ thấp được sử dụng (thường là 40 ° C đến 60 ° C) làm cho nó có thể bảo toàn tính toàn vẹn hóa học của các phân tử nhiệt rắn (nhạy cảm với nhiệt). Các chất chiết xuất thu được, dù mục đích của chúng là gì, đều khác với các chất chiết xuất bằng phương pháp thông thường (chiết xuất bằng dung môi, chất lỏng hoặc chưng cất bằng hydro) với chất lượng thường được tăng lên.

Phân đoạn

Quá trình chưng cất siêu tới hạn tương đương với quá trình chiết rắn, được thực hiện trên vật liệu lỏng và liên tục (sử dụng sự thấm ngược dòng điện).
Nó được sử dụng để chiết xuất, tinh chế hoặc làm giàu các hợp chất trên chất lỏng thô, khi các hợp chất này có độ hòa tan khác nhau trong CO2 siêu tới hạn ở một điều kiện áp suất và nhiệt độ nhất định.
Thao tác này cũng có thể được thực hiện khi kết thúc quá trình chiết CO2 siêu tới hạn

Quy trình giúp bạn xử lý một số vấn để sau:

• Làm giàu sản phẩm bằng một hợp chất mà bạn đang quan tâm (ví dụ: hợp chất tạo mùi từ rhum)
• Tách các hợp chất có độ hòa tan khác nhau thành CO2 siêu tới hạn (không phân cực)

Làm tinh sạch

CO2 siêu tới hạn có thể được sử dụng để hòa tan các hợp chất cần loại bỏ khỏi chất nền / chất nền. Đặc tính khuếch tán cao của nó cho phép dễ dàng thâm nhập trong một ma trận xốp phức tạp. Tính chọn lọc của nó cho phép chọn lọc các hợp chất để loại bỏ ..

Ví dụ về các quy trình công nghiệp hóa:

• Làm sạch hàng dệt may, xương xốp, các bộ phận kim loại phức tạp
• Tinh chế polyme (khai thác các oligome còn lại), bột dược phẩm
• Tranh luận về các bộ phận / dụng cụ bằng kim loại hoặc gốm
• CO2 siêu tới hạn cũng rất thú vị để thay thế các dung môi độc hại hoặc bị cấm như dung môi clo hóa.

Xương trước và sau khi làm sạch

Quy trình giúp bạn xử lý các vấn đề sau:

• Đề xuất một giải pháp thay thế cho các dung môi thông thường như tetrachloroéthylène, trichloroethylene
• Loại bỏ dư lượng của dung môi hoặc tác nhân được sử dụng trong xử lý bề mặt của các hợp chất loại bán dẫn, phương tiện từ tính
• Làm sạch ma trận xốp rắn

Ngâm tẩm

Tẩm tẩm siêu tới hạn có nghĩa là sử dụng CO2 để đưa một phân tử thú vị vào ma trận pr (chất rắn nói chung). Điều này sử dụng khả năng khuếch tán cao của CO2 siêu tới hạn để đến tận sâu bên trong của chất rắn, được bổ sung bởi sức mạnh “truyền khối” cao của nó đối với các hợp chất hòa tan.

Các bộ phận của gỗ được ngâm tẩm sc CO2

Một số ưu điểm của quá trình ngâm với CO2 siêu tới hạn:

• Do tính khuếch tán cao, nó thấm qua ma trận dày đặc với độ xốp thấp
• Do mật độ cao, nó “mang theo” nhiều sản phẩm hơn là khí
• Tẩm chất tạo màu vào hàng dệt (không sủi bọt, ít độc hại), dệt nhuộm
• Tẩm tẩm gỗ để tăng cường cấu trúc của nó (ví dụ: ngâm tẩm với lông thú) hoặc để tạo màu cho gỗ theo cách đậm hơn
• Ngâm các hợp chất hoạt động vào ma trận (oligome, chất xúc tác, v.v.)

Làm khô (Sấy) aerogel

• Quá trình làm khô siêu tới hạn dựa vào việc chiết xuất nước hoặc dung môi hữu cơ bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn.
• Vật liệu aerogel là một vật liệu “siêu cách nhiệt”, với một ma trận xốp nano mang lại cho anh ta một đặc tính cách nhiệt cao.
• Vật liệu này ban đầu được chuẩn bị dưới dạng gel thành một môi trường cồn lỏng, cần được làm khô sau giai đoạn lão hóa.
• Phương pháp / quy trình sấy là điểm mấu chốt để đạt được các thông số cách nhiệt (độ dẫn nhiệt) tốt nhất.

Đây là mối quan tâm của CO2 siêu tới hạn:

• Nó bao gồm việc thay thế dung môi hữu cơ bằng CO2 bằng cách bỏ qua điểm tới hạn của nó, không bay hơi, tránh tạo ra sức căng bề mặt trong quá trình chuyển pha lỏng / khí
• Toàn bộ quy trình vận hành cho phép quá trình sấy diễn ra liên tục và nhanh chóng (nhanh hơn so với làm khô trong khí quyển)

Quy trình giúp bạn có thể xử lý các vấn đề sau:

• Phát triển sản phẩm mới với mật độ thấp, độ xốp mở cao, cấu trúc nano và độ dẫn nhiệt rất thấp
• Tạo aerogel có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, nguyên khối hoặc dạng hạt, dạng bột hoặc dạng ma trận tổng hợp
• Phát triển các sản phẩm chức năng hóa mới
• Để tránh các vấn đề liên quan đến lực mao dẫn xuất hiện trong quá trình làm khô truyền thống với sự chuyển pha

Một số loại quy trình cũng có thể được sử dụng để đông khô các sản phẩm thực phẩm.

Bột và hình thành hạt

• Thiết kế hạt và công thức khô có thể được áp dụng bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn làm môi trường dung môi để phun API và môi trường dẫn xuất hoặc chống dung môi để làm khô dung môi thông thường từ API trong quá trình nguyên tử hóa.
• Điều này có thể được sử dụng để kiểm soát hình dạng của các phân tử hoặc bao bọc chúng trong một tá dược (để tăng cường tính khả dụng sinh học, tránh sử dụng dung môi cơ bản, v.v.).
• Trong quá trình RESS, CO2 được sử dụng để tách một phân tử ở một điều kiện siêu tới hạn nhất định, và phun nó vào một bình nguyên tử hóa ở áp suất thấp hơn. Hiện tượng này dẫn đến sự kết tủa hoặc kết tinh lại của vật liệu thành các hạt nhỏ hoặc nano.
• Trong trường hợp phân tử hoặc API không hòa tan thành CO2 siêu tới hạn, trước hết nó được hòa tan thành dung môi hữu cơ (bản thân nó hòa tan thành CO2). Sau đó, dung dịch được phun trong một bình nguyên tử hóa thông qua một kim phun co-axail, nơi nó được đưa vào tiếp xúc với CO2 sẽ tách phân tử khỏi dung môi hữu cơ, dẫn đến kết tủa. Đây được gọi là quá trình “chống dung môi” (SAS).

(SAS) Supercritical Anti-Solvent

Quy trình giúp bạn có thể giải quyết các vấn đề sau:

• Kết tinh polyme hoặc thành phần dược phẩm hoạt tính (API), có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ
• Kiểm soát hình dạng của các hạt vô định hình, hình cầu, tinh thể
• Đạt đến kích thước hạt cực nhỏ (kích thước lên đến nanomet)
• Công thức bột không thể nghiền cơ học vì lý do an toàn (nổ) hoặc lý do hóa lý (làm mềm, đàn hồi, tái tạo màu, …)

Nguyên tắc PGSS

• Quy trình Các hạt từ dung dịch bão hòa khí (PGSS) là một kỹ thuật hình thành hạt dựa trên sự tương tác của carbon dioxide siêu tới hạn với các phân tử piont hoặc polyme nóng chảy thấp. Một hỗn hợp các sản phẩm (ví dụ: API + chất dẫn xuất) bão hòa và được nấu chảy với CO2 trước khi được mở rộng nhanh chóng trong áp suất khí quyển, giải phóng CO2 ở dạng khí và tạo ra các hạt (ví dụ: API được bao bọc bởi chất dẫn xuất).

Quy trình giúp bạn có thể giải quyết các vấn đề sau:

• Hình thành đơn tinh thể
• Tạo thành các sợi rỗng hoặc rắn từ polyme
• Xây dựng thành phần hoạt tính dược phẩm
• Đóng gói siêu nhỏ
• Tạo lớp phủ vi rút
• Thu được các dạng đa hình có kiểm soát (ổn định, tinh khiết)
• Làm việc ở nhiệt độ thấp với dung môi xanh

Phản ứng hóa học

• Các phản ứng hóa học thông thường (tổng hợp, xúc tác sinh học, oxyd hóa, v.v.) có thể được tăng cường bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn làm dung môi hoặc phương tiện của phản ứng, mang lại một số lợi thế trong một số trường hợp nhất định (hòa tan tốt hơn, độ khuếch tán cao, truyền nhiệt tốt hơn, trơ, Vân vân…).
• Các quy trình khác nhau và chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng tùy thuộc vào sản phẩm được tổng hợp. Ví dụ :

Phản ứng trùng hợp CO2 siêu tới hạn

• Xúc tác sinh học bằng enzym trong môi trường siêu tới hạn
• Hydro hóa bằng CO2 hoặc propan siêu tới hạn
• Quá trình oxy hóa thủy nhiệt hoặc nước siêu tới hạn

Quy trình giúp bạn có thể giải quyết các vấn đề sau:

• Sử dụng chất lỏng siêu tới hạn làm dung môi hoặc môi trường cho phản ứng
• Tăng tốc độ của phản ứng
• Đun nóng hoặc dùng chất xúc tác để tăng cường phản ứng
• Thực hiện phản ứng trùng hợp
• Trộn các dung môi / sản phẩm khác nhau với nhau

DROTHERMAL

• Điểm tới hạn của nước cao hơn nhiều so với điểm tới hạn của CO2. Tuy nhiên, các ứng dụng của nó rất hứa hẹn và một số đang trong quá trình công nghiệp hóa. Các quá trình sử dụng nước dưới tới hạn và siêu tới hạn được gọi là quá trình thủy nhiệt.

Cận tới hạn

• Nước, ở pha dưới tới hạn (áp suất: 15 đến 200 bar, nhiệt độ: 150 đến 250 ° C) có thể hòa tan các hợp chất kỵ nước. Do đó, nước subcritcal (đôi khi được gọi là nước nén nóng) có thể được sử dụng để chiết xuất các nguyên liệu thực vật (polyphenol, tannin, tecpen …) trực tiếp trên nguyên liệu ướt.

Siêu tới hạn

• Trong môi trường nước siêu tới hạn (áp suất> 221 bar, nhiệt độ> 374 ° C) các hợp chất hữu cơ và khí trở nên dễ trộn lẫn và xảy ra sự kết tủa của các hợp chất vô cơ. Các phản ứng oxy hóa trong nước siêu đặc cũng có thể được thực hiện. Các ứng dụng bao gồm xử lý chất thải có hại và tổng hợp các hạt nano.

Tác dụng như sau

• Ôxy hóa chất thải (không có khói hoặc cặn hữu cơ) bằng quy trình ôxy hóa nước siêu tới hạn (SCOW).
• Các hợp chất hữu cơ dạng khí (chất thải, sinh khối, v.v.).
• Hóa lỏng các hợp chất hữu cơ (chất thải, sinh khối, vv …) trong điều kiện ẩm ướt và điều kiện tới hạn.
• Tổng hợp / Thủy phân các hợp chất trong phản ứng hóa học hoặc xúc tác.