Het gebruik van Superkritische Chromatografie en Extractie in de industrie zal stijgen in de volgende 10 jaar

Het gebruik van Superkritische Chromatografie en Extractie in de industrie zal stijgen in de volgende 10 jaar Jolien Smeekens1 1

Master student Biochemical Engineering, Faculteit van Ingenieurs Wetenschappen, Campus Groep T Leuven Andreas Vesaliusstraat 13, 3000 Leuven, België

Advisor: Pieter Spaepen Faculteit van Ingenieurs Wetenschappen, Campus Groep T, Leuven Andreas Vesaliusstraat 13, 3000 Leuven, België [email protected]

My Statement paper

http://supercriticalfluidchromatography.wordpress.com/

1

Introductie Superkritische vloeistof chromatografie en superkritische vloeistof extractie zijn gebaseerd op het superkritisch maken van het gebruikte solvent. Een solvent in superkritische vorm neemt de eigenschappen aan van zowel een vloeistof als een gas. Het is namelijk niet mogelijk om een onderscheid te maken tussen de gas- en vloeistoffase. De fysische eigenschappen van deze superkritische stof zitten daarom ook tussen deze van de twee fases in (Pfander & Niggli, 1995). Het neemt de hele ruimte in, het heeft een hoge diffusiviteit, lage viscositeit en geen oppervlaktespanning zoals een gas en het heeft een hoge dichtheid en een groot oplossend vermogen net zoals een vloeistof dat heeft (Van Camp, 2009). Het bekomen van deze superkritische fase kan enkel door het verhogen van temperatuur en druk. Elk materiaal heeft zijn eigen kritische temperatuur en druk. Deze eigenschappen zijn dan ook materiaal specifiek (Pfander & Niggli, 1995). In onderstaande figuur wordt het fasediagram van koolstofdioxide (CO2) weergegeven. Koolstofdioxide bereikt zijn superkritische fase bij 300 graden Kelvin en 73,8 atmosfeer (co2info). Koolstofdioxide wordt zeer vaak, bijna altijd, gebruikt als solvent omdat de superkritische vorm redelijk makkelijk bereikt wordt. Dit wordt namelijk bekomen op relatief lage temperatuur en druk zoals hierboven te zien is. Maar ook gebruikt men vaak koolstofdioxide als solvent omdat het goedkoop, niet toxisch, niet ontvlambaar en makkelijk van het product te scheiden is (Van Camp, 2009) (co2info).

Figuur 1 Fasediagram koolstofdioxide (CO2)

De keuze van het solvent heeft ook een invloed op welke componenten kunnen geëxtraheerd worden. Zo kan koolstofdioxide makkelijk niet-polaire of thermolabiele componenten extraheren, terwijl polaire componenten enkel kunnen geëxtraheerd worden als er een kleine hoeveelheid cosolvent gebruikt wordt zoals bijvoorbeeld ethanol. Dit zorgt er dan voor dat de selectiviteit van het proces en de rendementen verhogen, dat de procestijd verlaagt en dat alles gebeurt onder mildere procescondities (Abbas, Mohamed, Abdulamir, & Abas, 2008).

Huidige situatie Op de dag van vandaag wordt superkritische vloeistof chromatografie nog niet gebruikt in heel veel toepassingen in de industrie. Dit komt door het feit dat het een techniek is die nog niet heel bekend is en ook omdat het nog een redelijk dure techniek is, dit hangt wel af van de gebruikte componenten. Het wordt echter wel al gebruikt in de industrie bij de extractie van cafeïne uit koffie, voor het extraheren van omega-3-vetzuren esters van visolie en bij de zuivering van geneesmiddelen (Dolak, 2006), (Cox), (McCain), (Krukonis). Bij dit laatste worden de chirale componenten in medicijnen gescheiden van elkaar en enkel het functionele component zal dan gebruikt 2

worden voor verdere verwerking in de medische sector. Chirale componenten zijn componenten die dezelfde bruto formule bezitten en dus uit dezelfde componenten bestaan, maar de ruimtelijke structuren zijn echter spiegelbeelden van elkaar. Ze bezitten hetzelfde kookpunt, dichtheid en nog veel andere eigenschappen. De twee verschillende structuren bezitten echter elk andere functionaliteiten en daarom worden ze dus van elkaar gescheiden zodat enkel de gewenste functionaliteit gebruikt wordt. Dit is ook omdat een van de twee componenten schadelijk, gevaarlijk of nutteloos kan zijn ((UvA), 2014). Dit vind ik zeker een zeer belangrijke toepassing aangezien iedereen toch wil dat de medicatie die hij of zij neemt zuiver is, zijn werking uitvoert en vooral niet schadelijk is. Ik denk dan ook dat personen het gebruik van superkritische vloeistof extractie vaker in hun gedachte gaan houden als ze een zuiver product willen bekomen. Ze moeten dan echter wel dit voorbeeld kennen anders zullen ze hun proces hier ook niet mee kunnen associëren. Bij het extraheren van de cafeïne uit koffie worden heel wat voordelen ondervonden wanneer de extractie wordt uitgevoerd met superkritische vloeistof extractie. Zo worden het aroma en de smaak karakteristieken verbeterd. Deze verbetering kan niet bekomen worden bij het gebruik van traditionele organische solvent extractie processen. Dit komt doordat bij dit traditioneel proces, het topproduct verloren gaat. En in dit topproduct zitten net de goede aroma's en smaken (Krukonis). Dit is naar mijn mening ook weer een goed voorbeeld voor de industrie als ze smaakverbetering aan hun product willen toevoegen door een ander extractieproces te gebruiken. Dit voorbeeld moet dan ook vooral gepromoot worden bij de voedingsindustrie.

Gecombineerde processen met superkritische vloeistof extractie of chromatografie worden ook reeds gebruikt in de industrie. Zo wordt superkritische vloeistof chromatografie gebruikt in combinatie met massa spectrometrie voor de scheiding van membraanproteïnen. Hierbij zorgt de superkritische vloeistof chromatografie voor een betere analyse met behulp van massa spectrometrie aangezien de vorige techniek, waar er gebruik werd gemaakt van detergenten om deze membraan proteïnen in op te lossen, voor interferentie zorgde bij de analyses. Door gebruik te maken van superkritische vloeistof extractie gaat men deze detergenten dan scheiden van de proteïnen op een snelle en efficiënte manier zodat de proteïnen onmiddellijk klaar zijn voor analyse met de massa spectrometrie (Zhang, Scalf, Westphall, & Smith, 2008). Ook wordt superkritische vloeistof extractie vaak gebruikt als staalvoorbereiding voor dat een analyse wordt uitgevoerd. In de cosmetische sector extraheren ze bijvoorbeeld vitamine E acetaat en vitamine A palmitaat, dit zijn esters van vitamine E en vitamine A respectievelijk, uit cosmetische crèmes met behulp van superkritische vloeistof extractie. Hierna wordt het staal verder geanalyseerd met HPLC (High - Performance Liquid Chromatography) (Scalia, Renda, Ruberto, Bonina, & Menegatti, 1995). In dezelfde sector worden ook vitamine A en zijn foto - isomeren gescheiden van cosmetische formules met behulp van superkritische vloeistof extractie en daarna weer verder geanalyseerd met HPLC (Simmons, Chukwumerije, & Stewart, 1997). In andere artikels ontwikkelen ze ook methoden voor superkritische vloeistof chromatografie om cosmetische formules en ingrediënten te onderzoeken door na te gaan welke condities de optimale zijn voor elk onderzocht component tijdens deze

3

superkritische vloeistof chromatografie (King, 1998). Superkritische vloeistof chromatografie of extractie wordt vandaag de dag dus meer gebruikt voor het analyseren van bepaalde stalen zoals je uit de vorige voorbeelden kan afleiden. Het kan ook gebruikt worden voor natuurlijke stalen zoals bijvoorbeeld het extraheren van β, β- caroteen uit planten of natuurlijk, rauw dierlijke materiaal in het labo. Dit gebeurt dus op een kleine, analytische schaal. Het gebeurt echter niet op industriële schaal omdat de concentratie van de te bepalen component vaak te klein is in natuurlijke bronnen waardoor de kostprijs van de extractie te hoog zou zijn (Pfander & Niggli, 1995). Omdat de kostprijs een zeer belangrijk punt is voor alle bedrijven, zal dit een zeer groot minpunt zijn voor het gebruik van deze techniek. Indien deze prijs niet gedrukt kan worden in de toekomst, zal dit er voor zorgen dat deze techniek niet op een grote schaal zal toegepast worden.

Mogelijke minpunten Het werken met superkritische chromatografie en extractie eist hoge drukken zoals reeds vermeld in de inleiding. In de industrie en in laboratoriums worden deze hoge drukken bekomen met behulp van drukvaten. Door het gebruik van deze grote drukvaten, moeten deze chromatografen of extractoren in een speciaal labo staan. Dit wordt gedaan voor de veiligheid van het personeel. De mensen die werken met deze machines moeten om dezelfde reden, namelijk veiligheid, ook een opleiding hebben gevolgd. Deze opleiding kan in mijn ogen voor sommige personen zeer negatief zijn. Deze negativiteit kan er zelfs voor zorgen dat ze de techniek liever niet gebruiken. Ik ben echter van mening dat je voor alle technieken best een opleiding krijgt zodat je het toestel of de procedure zeker juist uitvoert. Indien je deze

opleiding niet gehad hebt, kan je het toestel misschien stuk maken met alle gevolgen van dien. Ook is het volgens mij een groot pluspunt als je deze opleiding gevolgd hebt. De opleiding is een referentie die ook elders vruchtbaar gebruikt kan worden. Het feit dat deze toestellen in een speciaal labo geplaatst worden vind ik ook zeer goed. Het is namelijk beter om maatregelen te nemen voor er iets gebeurt. Zo ben je er altijd zeker van dat de laboranten beschermd zijn wanneer er iets gebeurd. Dit is ook maar een kleine moeite want denk maar eens wat voor een gevolgen er kunnen ontstaan als er iets fout loopt in de machine zelf of met een van de drukvaten. Ik ben dan ook voorstander van de slogan ‘voorkomen is beter dan genezen!’. Het werken met koolstofdioxide, het meest gebruikte solvent, heeft ook enkele gevaren. Dit komt omdat koolstofdioxide in zijn gasvorm of vloeistofvorm kan geleverd worden. In de gasvorm zijn er niet echt grote gevaren, koolstofdioxide in zijn gasvorm komt dan ook voor in de lucht die wij inademen. Wel moet er opgelet worden bij het inademen van koolstofdioxide in hoge concentratie, dit kan tot verstikking leiden. Ook in lagere concentraties kan het al kleine problemen veroorzaken zoals hoofdpijn en versnelde ademhaling. Hierdoor moet een vrachtwagen, die deze gasvormige koolstofdioxide vervoerd, een aparte laadruimte hebben die gescheiden is van de bestuurdersruimte (Group), (IGS, 2011), (Safety, 2008), (co2info). In de vloeistofvorm zijn er heel wat meer gevaren. Zo kan vloeibare koolstofdioxide ernstige brandwonden veroorzaken. Dit komt omdat vloeibare koolstofdioxide een temperatuur bezit tussen -56.6°C en 27°C en bij een druk van 5.2 bar en 73 bar. Bij deze temperaturen is het koolstofdioxide dus een zeer koude vloeistof. Dit is dan ook de reden 4

waarom personen die met dit vloeibaar koolstofdioxide werken, beschermende kledij moeten dragen om zo contact met de huid te vermijden. Ook moet er weer een aparte laadruimte en bestuurdersruimte voorzien worden tijdens het vervoer zoals reeds vermeld bij gasvormig koolstofdioxide (co2info), (Safety, 2008). Maar bij koolstofdioxide in zijn superkritische vorm, wat dus bij een temperatuur boven 300 graden Kelvin en bij een druk boven 73 atmosfeer is, zijn de temperatuur en de druk dus hoog genoeg om geen koude vloeistof meer te zijn en hierdoor zullen ze dus ook geen brandwonden meer te veroorzaken (IGS, 2011), (U.S. Code of Federal Regulations 29 CFR 1910.1200, 2009), (U.S. Code of Federal Regulations 29 CFR 1910.1200, 2009). Werken met chemische stoffen zorgt altijd voor gevaren en koolstofdioxide heeft er niet meer dan andere. Ze zijn zelfs veel minder erg dan wanneer je bijvoorbeeld denkt aan dichloormethaan (DCM) of hexaan, deze zijn kankerverwekkend en schadelijk voor mensen. Bij gebruik van deze producten moet er dan ook een persoonlijke beschermingsuitrusting gedragen worden (Reagents, 2014) (Reagents, Veiligheidsinformatieblad, 2014). Deze solventen, namelijk dichloormethaan en hexaan, worden zeer vaak gebruik als solvent bij vloeistof-vloeistof extracties.

met superkritische vloeistof extractie of chromatografie en hierbij goede resultaten zijn bekomen of een techniek geoptimaliseerd hebben voor het extraheren van een bepaalde component. Ik vind dat een groot pluspunt van het gebruik van superkritische vloeistof chromatografie of extractie is dat men meestal gebruik maakt van koolstofdioxide. Dit product is zeer makkelijk en bijna ongevaarlijk om mee te werken. Dit kan ook veel mensen overhalen om deze techniek te gaan gebruiken, denk ik. Het is natuurlijk niet zo dat iedereen nu met deze techniek moet gaan werken. Iedereen moet steeds aftasten welke methoden en technieken het best zijn voor de gewenste uitkomst. Maar er moet natuurlijk ook gedacht worden aan superkritische vloeistof extractie of chromatografie tijdens het aftasten van de mogelijke technieken.

Toekomst

Ook zou het goed zijn dat de kostprijs kan gedrukt worden voor de extractie met deze superkritische vloeistoffen. Hierdoor kunnen extracties van componenten uit natuurlijke bronnen ook gebeuren met superkritische vloeistof extractie aangezien de kostprijs nu nog te hoog is. Dit komt omdat de concentratie of hoeveelheid van je component in je natuurlijke bron vaak te klein is waardoor dan de kostprijs te hoog is in vergelijking met het bekomen extract, zoals eerder vermeld bij ‘huidige situatie’ (Pfander & Niggli, 1995).

In de toekomst is het naar mijn mening vooral belangrijk dat meerdere mensen de voordelen van superkritische vloeistof chromatografie en extractie kunnen beleven en ondervinden. Dit is omdat vele mensen de mogelijkheden van deze techniek niet beseffen. Het aanbrengen van de mogelijkheden aan de mensen kan gebeuren doormiddel van wat reclame te maken voor de techniek door de onderzoeksgroepen die reeds gewerkt hebben

Elke techniek wordt geoptimaliseerd naarmate die langer en langer gebruikt wordt. Dit zal volgens mij ook zo zijn bij superkritische vloeistof chromatografie en extractie. De techniek zal meer en meer op punt worden gesteld en het lijstje met mogelijkheden zal ook steeds langer en langer worden. Ook de kostprijs zal nog gedrukt kunnen worden. Dit is bij iedere techniek het geval, in het begin wordt de techniek geïnitieerd met bepaalde 5

methoden of handelingen die goed worden bevonden. Als de techniek dan steeds meer en meer, langer en langer wordt gebruikt, zullen deze methoden en handelingen meer tijdbesparend worden door optimalisering en meestal zal hierdoor dan ook de kostprijs zakken. Aangezien deze kostprijs meestal het grootste struikelblok is bij de beslissing van het al dan niet gebruiken van een bepaalde techniek, zal deze kostprijsverlaging er voor gaan zorgen dat superkritische vloeistof chromatografie en extractie automatisch meer overwogen zullen worden. Dit zorgt op termijn dus voor dat het ook veel vaker gebruikt zal worden. Indien de kostprijs echter niet of bijna niet gedrukt kan worden, zal dit er waarschijnlijk voor gaan zorgen dat de techniek enkel voor kleinschalige analyses gaat gebruikt worden en niet in de industrie, zeker wanneer men gaat extraheren uit natuurlijke bronnen. Dit komt dan door de verhouding van kostprijs/bekomen extract, zoals eerder vermeld.

Bibliografie (UvA), U. v. (2014, March 6). Toverdrank voor spiegelbeeldmoleculen. Opgehaald van kennislink.nl: http://www.kennislink.nl/publicaties/t overdrank-voorspiegelbeeldmoleculen Abbas, K., Mohamed, A., Abdulamir, A., & Abas, H. (2008). A Review on Supercritical Fluid Extraction as New Analytical Method. American Journal of Biochemistry and Biotechnology, 345-353. co2info. (sd). CO2 properties. Opgehaald van co2info: http://www.co2info.com/co2.html

Cox, G. (sd). Current trends in SFC and Chiral Chromatography. Opgehaald van Phenomenex: https://www.phenomenex.com/Info/ WebDocumentServe/prep_geoffreyc. pdf Dolak, L. A. (2006, June). Will SFC challenge SMB for large-scale purifications? Opgehaald van DDNEWS: http://www.ddnnews.com/index.php?newsarticle=884 GreenFacts. (2015, February 21). Superkritisch koolstofdioxide. Opgehaald van GreenFacts: http://www.greenfacts.org/nl/begripp enlijst/pqrs/superkritischkoolstofdioxide.htm Group, T. L. (sd). Kooldioxide/ CO2. Opgehaald van The Linde Group: http://www.lindegas.be/nl/products_and_supply/indus trial_gases/carbon-dioxide/index.html IGS. (2011, November 14). veiligheidsinformatieblad kooldioxide. Opgehaald van IGS: http://www.igscymaco.be/pdf/39_nl.pdf King, J. W. (1998). Capillary Supercritical Fluid Chromatography of Cosmetic Ingredients and Formulations. Journal of Microcolumn Separations, 33-39. Krukonis, V. (sd). About Supercritical Fluids. Opgehaald van Phasex: http://www.phasex4scf.com/supercrit ical-fluids-applications/ McCain, R. (sd). Current trends and the future of SFC. Opgehaald van Phenomenex: https://www.phenomenex.com/Info/ WebDocumentServe/prep_raym.pdf Pfander, H., & Niggli, U. (1995). chromatography: Part V Supercritical 6

Fluid Chromatography. In G. Britton, S. Liaaen - Jensen, & H. Pfander, Carotenoids, Volume 1B: Spectroscopy (pp. 191-198). Verlag Basel: Birkhäuser.

th%20America/US/Documents/SDS/Li quiflow%20Liquid%20Carbon%20Dioxi de%20Medipure%20Gas%20CO2%20S afety%20Data%20Sheet%20SDS%20P 4573.ashx

Reagents, I. (2014, December 20). Veiligheidsinformatieblad. Opgehaald van PanReac AppliChem: https://www.applichem.com/fileadmi n/datenblaetter/A0657_nl_BE.pdf

Van Camp, S. (2009, September 12). Mild en residu-vrij extraheren: het kan met superkritisch koolstofdioxide. Opgehaald van Flanders' Food: http://www.flandersfood.com/artikel/ 2009/09/13/mild-en-residu-vrijextraheren-het-kan-met-superkritischkoolstofdioxide

Reagents, I. (2014, June 24). Veiligheidsinformatieblad volgens 1907/2006/EG, Artikel 31. Opgehaald van PanReac AppliChem: https://www.applichem.com/fileadmi n/datenblaetter/A3177_nl_NL.pdf Safety, C. C. (2008, September 1). Cryogenic Liquids - Hazards. Opgehaald van Canadian Centre for Occupational Health and Safety: http://www.ccohs.ca/oshanswers/che micals/cryogenic/cryogen1.html Scalia, S., Renda, A., Ruberto, G., Bonina, F., & Menegatti, E. (1995). Assay of vitamin A palmitate and vitamin E acetate in cosmetic creams and lotions by supercritical fluid extraction and HPLC. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 273-277.

Wikipedia. (2014, June 9). Superkritische fase. Opgehaald van Wikipedia: http://nl.wikipedia.org/wiki/Superkriti sche_fase#mediaviewer.2FFile:Carbon _dioxide_pressuretemperature_phase_diagram.svg Zhang, X., Scalf, M., Westphall, M. S., & Smith, L. M. (2008). Membrane Protein Separation and Analysis by Supercritical Fluid Chromatography−Mass Spectrometry. Analytical Chemistry, 2592-2598.

Simmons, B. R., Chukwumerije, O., & Stewart, J. T. (1997). Supercritical fluid extraction of 13-cis retinoic acid and its photoisomers from selected pharmaceutical dosage forms. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 395-400. U.S. Code of Federal Regulations 29 CFR 1910.1200, H. C. (2009, January 12). Carbon dioxide, refrigerated liquid. Opgehaald van Praxair: http://www.praxair.com/~/media/Nor 7