Chiết CO2 siêu tới hạn: Định nghĩa, lợi ích và ứng dụng

Chiết CO2 siêu tới hạn

Chất lỏng siêu tới hạn đã được nghiên cứu từ thế kỷ trước, với lợi ích thương mại mạnh nhất ban đầu tập trung vào việc sử dụng toluene siêu tới hạn trong lọc dầu mỏ và dầu đá phiến trong những năm 1970. Nước siêu tới hạn cũng đang được nghiên cứu như một phương tiện để phá hủy chất thải độc hại, và như một phương tiện tổng hợp thông thường. Mối quan tâm lớn nhất trong thập kỷ qua là các ứng dụng của carbon dioxide siêu tới hạn, bởi vì nó có nhiệt độ tới hạn gần môi trường xung quanh (31 ° C), do đó vật liệu sinh học có thể được xử lý ở nhiệt độ khoảng 35 ° C. Mật độ của CO2 siêu tới hạn ở áp suất khoảng 200 bar gần với hexan và các đặc tính hòa tan cũng tương tự như hexan; Do đó, nó hoạt động như một dung môi không phân cực. Xung quanh vùng siêu tới hạn, CO2 có thể hòa tan triglyceride ở nồng độ lên tới 1% khối lượng. Ưu điểm chính là giảm nhiệt độ thấp, hoặc giảm áp suất lớn hơn một chút, sẽ dẫn đến gần như toàn bộ chất tan kết tủa khi các điều kiện siêu tới hạn bị thay đổi hoặc dưới tới hạn. Chất lỏng siêu tới hạn có thể tạo ra một sản phẩm không có dư lượng dung môi. Ví dụ về các sản phẩm thí điểm và quy mô sản xuất bao gồm cà phê khử caffein, bơ không chứa cholesterol, thịt ít béo, tinh dầu hoa anh thảo Evening Primorose Oil, hợp chất hữu cơ từ dầu gan cá mập, v.v. Các đặc tính hòa tan của CO2 siêu tới hạn có thể được sửa đổi bằng cách bổ sung một bộ lọc, chẳng hạn như ethanol, tuy nhiên một số bộ lọc vẫn còn là dư lượng dung môi trong sản phẩm, phủ nhận một số lợi thế của việc chiết xuất “không có cặn”.

Chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn (SFE) là quá trình tách một thành phần (chất chiết) khỏi một thành phần khác (mô cấy Matrix) bằng cách sử dụng chất lỏng siêu tới hạn làm dung môi chiết xuất. Chiết xuất thường là từ một mô cấy rắn, nhưng nó cũng có thể là từ chất lỏng. SFE có thể được sử dụng như một bước chuẩn bị mẫu cho mục đích phân tích hoặc trên quy mô lớn hơn để loại bỏ vật liệu không mong muốn khỏi sản phẩm (ví dụ: khử caffein) hoặc tách sản phẩm mong muốn (ví dụ: tinh dầu). Carbon dioxide (CO2) là chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng nhiều nhất, đôi khi được biến đổi bởi các dung môi tương tự như ethanol hoặc metanol. Điều kiện chiết xuất CO2 siêu tới hạn cao hơn nhiệt độ tới hạn 31 ° C và áp suất tới hạn là 74 bar. Việc bổ sung các sửa đổi có thể thay đổi một chút điều này. Khai thác siêu tới hạn chủ yếu sử dụng carbon dioxide ở áp suất cao để chiết xuất các sản phẩm có giá trị cao từ vật liệu tự nhiên. Không giống như các quy trình khác, quá trình chiết xuất không để lại dư lượng dung môi. Hơn nữa, CO2 không độc hại, không cháy, không mùi, không vị, trơ và rẻ tiền. Do nhiệt độ tới hạn thấp 31°C, carbon dioxide là thích hợp nhất trong thực phẩm, hương liệu, tinh dầu và các ngành công nghiệp dinh dưỡng.

Top 10 lợi ích của việc chiết CO2 siêu tới hạn

1. Điều chỉnh chiết xuất từng bước để đạt được các sản phẩm cô đặc cao.

2. Chất chiết xuất và sinh khối đã qua sử dụng không có dư lượng dung môi.

3. Nhiệt độ hoạt động ổn định đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4. CO2 siêu tới hạn được chấp nhận rộng rãi như một dung môi “thân thiện” và có thể tái chế hoàn toàn.

5. Phục hồi sản phẩm được thực hiện thông qua việc giảm áp suất đơn giản.

6. Chất thải dung môi nguy hại được loại bỏ.

7. Các hợp chất trong hỗn hợp phức tạp có thể được tách chọn lọc bằng cách sử dụng công suất hòa tan phụ thuộc áp suất của chất lỏng siêu tới hạn.

8. Chất lỏng siêu tới hạn có thể xâm nhập và chiết xuất từ các chất nền vi xốp vì đặc tính khuếch tán giống như khí và không có giới hạn sức căng bề mặt.

9. Chi phí vận hành thấp hơn thường được thực hiện vì năng lượng nén hiệu quả hơn năng lượng chưng cất.

10. Khai thác chất lỏng siêu tới hạn quy mô lớn với giá thấp, các mặt hàng như cà phê, trà và cọ lùn cho thấy quá trình xử lý CO2 siêu tới hạn có thể cạnh tranh kinh tế với các quy trình chiết xuất và tách truyền thống.

Ứng dụng của chiết CO2 siêu tới hạn

Các công nghệ dựa trên chất lỏng siêu tới hạn có liên quan đến nhiều ứng dụng công nghiệp đã cho thấy sự tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây. Nhiều lĩnh vực công nghiệp được quan tâm bao gồm thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, vật liệu, hóa học, năng lượng và xử lý chất thải. Các quy trình liên quan đến chất lỏng siêu tới hạn bao gồm chiết xuất, ngâm tẩm, tinh chế, khử trùng, làm sạch, năng lượng và xử lý chất thải khác.

Một số ví dụ về các ứng dụng công nghiệp dựa trên việc sử dụng chất lỏng siêu tới hạn được liệt kê dưới đây:

1. Công nghiệp thực phẩm

Việc sử dụng CO2 siêu tới hạn làm dung môi chiết xuất cho các sản phẩm tự nhiên là quy trình lâu đời nhất và phát triển nhất ở quy mô công nghiệp, với các ứng dụng đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm.

  • Khử caffein của cà phê : đây là ví dụ đầu tiên về công nghiệp hóa chất lỏng siêu tới hạn (Mawwell, Hoa Kỳ). Cà phê khử caffein được sản xuất có hương thơm (là kết quả của nhiệt độ thấp được sử dụng và không có dung môi hữu cơ). Mặt khác, caffeine được chiết xuất được bán cho các ngành công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Do đó, có rất ít chất thải được hình thành vào cuối quá trình này, làm cho nó bền vững về mặt kinh tế và môi trường trong 30 năm!
  • Nút chai không bị “nhiễm độc nút chai”: DIAM Bouchage (Pháp) chiết xuất Trichloroanisole ( gọi là “cork flavor”) từ nút chai bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn và đã sản xuất hàng năm hơn một tỷ nút chai.
  • Các ví dụ khác về các ứng dụng công nghiệp trong ngành công nghiệp thực phẩm bao gồm sản xuất chất tạo màu và hương liệu tự nhiên, loại bỏ thuốc trừ sâu, chiết xuất lipid, khử trùng sữa và nước ép trái cây, khử mùi dầu cá, đóng gói dầu, xử lý và định giá chất thải thực phẩm …

2. Ngành mỹ phẩm

Chất chống oxy hóa như polyphenol, carotenoids và tocopherols (vitamin E), được tìm thấy trong nhiều loại trái cây và rau quả (beta carotene trong cà rốt, lycopene trong cà chua…) có thể được chiết xuất chọn lọc bằng cách sử dụng CO2 siêu tới hạn. Ngoài ra, kết cấu của các chất chiết xuất thu được (húng tây, hương thảo, hoa oải hương, hoa cúc…) không có dung môi hữu cơ.

3. Ngành dược phẩm
Trong số các phổ chiết xuất thu được từ thực vật, diterpenes (chất chống oxy hóa), triterpenes (phytosterol), hoặc thậm chí tetraterpenes (caroten) có thể được quan tâm đến ngành dược phẩm, có thể dễ dàng chiết xuất. Chất lỏng siêu tới hạn cũng có thể được sử dụng để sản xuất bột mịn, đặc biệt là để xây dựng các nguyên tắc hoạt động. Phòng thí nghiệm Pierre Fabre (Pháp) đã phát triển sản xuất bột mịn bằng CO2 siêu tới hạn, đã được trao giải thưởng Pierre Potier 2009 “”Đổi mới trong hóa học để phát triển bền vững”” cho quy trình Formulplex ®. Quá trình này sử dụng chất lỏng siêu tới hạn để tăng khả dụng sinh học của các nguyên tắc hoạt động. Gần đây, Critical Pharmaceuticles (Vương quốc Anh) cung cấp các polyme tương thích sinh học và phân hủy sinh học (được tổng hợp bằng CO2 siêu tới hạn thân thiện với môi trường) cho các ứng dụng y tế và dược phẩm.

4. Các ngành công nghiệp polymer và nhựa

Trong ngành công nghiệp nhựa, sự khuếch tán CO2 siêu tới hạn trong polyme đi kèm với sự phồng lên của các vật liệu này và thay đổi tính chất hóa lý của chúng. CO2 siêu tới hạn là một chất hóa dẻo tốt đặc biệt vì nó làm giảm nhiệt độ chuyển hoá thủy tinh. Các tính chất polymer thu được thường được cải thiện (điện trở, ổn định nhiệt, độ tinh khiết). Ví dụ về các ứng dụng ibao gồm ngâm tẩm vật liệu y tế, tinh chế polyme từ chất hòa tan hoặc monome dư, đùn chất đàn hồi, tổng hợp polyme và vật liệu tổng hợp.

5. Công nghiệp hóa chất
Xúc tác và xúc tác sinh học của các hợp chất hữu cơ khác nhau có thể được thực hiện hiệu quả trong CO2 siêu tới hạn. Công nghiệp hóa quá trình bao gồm hydro hóa xúc tác liên tục của các hợp chất thơm.

6. Công nghiệp vật liệu
Một số ứng dụng liên quan đến việc sấy khô aerogel, tổng hợp và lắng đọng các nanaparticles, làm sạch các tấm wafer.

7. Ngành gỗ
Superwood (Đan Mạch) đã công nghiệp hóa việc ngâm tẩm gỗ bằng thuốc diệt nấm hòa tan CO2 siêu tới hạn đảm bảo không bị nấm mốc, tránh ngâm lâu và tiết kiệm đáng kể lượng thuốc diệt nấm.

8. Ngành dệt may

  • Nhuộm dệt: Các vấn đề sinh thái và kinh tế của việc nhuộm dệt thông thường được đáp ứng khi CO2 siêu tới hạn được sử dụng làm dung môi thay thế. FeyeCon (Hà Lan), thành công trong lĩnh vực nhuộm CO2 siêu tới hạn (quy trình DyeCoo ®) được thừa nhận rộng rãi, đã phát triển ổn định kể từ khi thành lập cách đây 20 năm.
  • Da : Dựa trên cùng một ý tưởng, việc nhuộm da bằng CO2 siêu tới hạn, do đó tránh sử dụng một lượng lớn dung dịch nước thường khó xử lý. Các muối crom, thậm chí là tannin tự nhiên có thể dùng để ngâm tẩm da
    Giặc khô: quá trình sử dụng CO2 siêu tới hạn được công nghiệp hóa ở Mỹ như là một thay thế cho các dung môi clo hóa được sử dụng trong phương pháp thông thường. Các nhà máy thí điểm hiện có cũng có thể được tìm thấy ở Pháp và Đức.”

9. Sản xuất năng lượng

Những phát triển gần đây rất hứa hẹn được quan sát thấy trong các lĩnh vực hóa lỏng và khí hóa sinh khối (từ chất thải nông nghiệp) trong nước dưới tới hạn và siêu tới hạn mở đường cho các nguồn năng lượng mới.

10. Xử lý và định giá chất thải

Quá trình oxy hóa trong quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn (SCWO) đã được nghiên cứu rất nhiều trong 30 năm qua, đặc biệt là để định giá và xử lý chất thải. Quá trình oxy hóa chất thải chịu lửa hoặc nguy hại (sinh học và hóa học) trong nước siêu tới hạn rất hứa hẹn vì nó cho phép đốt cháy nhanh chất nền trong môi trường hạn chế và đồng nhất, nơi oxy và các hợp chất hữu cơ hòa tan. Chất thải ít phức tạp hơn (như bùn thải và nước thải bị ô nhiễm với hàm lượng hữu cơ cao) cũng có thể được xử lý bằng quá trình oxy hóa không khí ướt (WAO), còn được gọi là oxy hóa trong nước dưới tới hạn. Các quá trình này dường như cũng hứa hẹn cho sự phục hồi của các kim loại kết tủa trong điều kiện thủy nhiệt.

iệc sử dụng CO2 siêu tới hạn để chiết xuất các hợp chất có giá trị từ các sản phẩm tương tự và chất thải khác nhau của các ngành công nghiệp nông – thực phẩm và platics cũng đang được điều tra.

Công ty Minh Khang hiện đang là nhà phân phối các thiết bị chiết CO2 siêu tới hạn hãng ExtrateX.

https://minhkhang.com.vn/product-brands/extratex-vi/

Nguồn:

https://www.tsijournals.com/articles/supercritical-fluid-extraction–a-review.pdf

https://www.phasex4scf.com/blog-supercritical-fluids/the-top-ten-benefits-of-supercritical-co2-extraction

http://www.supercriticalfluid.org/Applications.149.0.html