13.11.2014
SUPERKRITICKÁ EXTRAKCE
OBSAH 1. Superkritické kapaliny a jejich vlastnosti 2. Využití superkritických kapalin 3. Superkritická extrakce pomocí sc-CO 2 4. Experimentální uspořádání sc-CO 2 5. Využití sc-CO 2 6. Výhody a nevýhody sc-CO 2
SUPERKRITICKÉ KAPALINY A JEJICH VLASTNOSTI Superkritické kapalina (SCF) je definována jako sloučenina existující v jediném kondenzovaném stavu nad svým kritickým tlakem (P c ) a kritickou teplotou ( Tc ) s vlastnostmi mezi plynem a kapalinou. Hustoty kapalné a plynné fáze se vyrovnají a rozdíly mezi nimi mizí
1
13.11.2014
SCF A JEJICH VLASTNOSTI Superkritické kapaliny mají obecně hustotu blízkou kapalinám ( využitelné jako kapalné rozpouštědlo) a viskozitu podobnou plynům ( lépe proniká do porézních materiálů) U superkritických kapalin se nesetkáme s povrchovým napětím a neexistuje žádné rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází.
Vyšší difuzivita a nižší viskozita SCF vůči kapalině vyšší rychlost extrakce Srovnání hustoty, viskozity a schopnosti difundovat pro typické plyny, kapaliny a superkritické kapaliny
SCF A ROZPUSTNOST Schopnost SCF rozpouštět je silně závislá na jejím tlaku a teplotě Pro nižší tlaky: s teplotou klesá Vhodné nahradit tlak hustotou! Pro vyšší tlaky: s teplotou stoupá Rozpustnost SCF za dané teploty roste s hustotou! Rozpustnost SCF za dané hustoty roste s teplotou!
Rozpustnost naftalenu v sc(CO2)
Rozpustnost naftalenu v sc(CO2)
SCF A ROZPUSTNOST
Všechny superkritické kapaliny jsou navzájem úplně mísitelné. Směs je jediná fáze v případě překročení kritického bodu směsi. Kritický bod binárních směsí může být určen aritmetickým průměrem kritických teplot a tlaků daných komponent T c (mix) = x( A) * T c ( A) + x( B) * T c ( B) p c (mix) = x( A) * p c (A) + x( B) * p c ( B)
2
13.11.2014
KRITICKÉ HODNOT Y TLAKU A TEPLOT Y U VYUŽÍVANÝCH SFC
VYUŽITÍ SCF S uperkritická ex trakce ( S CE) Extrakce žádoucí látky (rostlinné extrakty, ale využití i v jaderném průmyslu a při „nejaderných“ extrakcí kovů) Odstranění nežádoucí látky z produktu (odstranění kofeinu z kávy) Separace vzorků pro analytické účely Ro z pouštědlo c he mických sy ntéz Polymerační reakce: možnost získání polymerů s různou molekulovou hmotností díky měnící se hustotě reakčního média jednoduchou změnou tlaku. K r ystalizace o r ganických l átek S terilizace po mocí sc -CO 2 O bj evují se st ále nové m o žnosti v y užití
SUPERKRITICKÁ EXTRAKCE Superkritická fluidní extrakce je proces separace jedné složky od ostatních použitím superkritické látky jako extrakčního rozpouštědla • snadno odstranitelný Nerozpouští polární Extrahuje se• obvykle z pevného povrchu, ale může to být i z zdravotně nezávadný látky a ionty (nemá kapaliny • nehořlavý dipólový moment) • levný • neškodný pro životní S c-CO 2 : prostředí Oxid uhličitý je nejpoužívanější superkritická kapalina, někdy modifikovaná přídavkem malého množství jiného rozpouštědla, např. ethanolu či methanolu Extrakční podmínky pro CO 2 jsou nad kritickou teplotu 31°C a kritický tlak 74 bar. Přidáním modifikátoru se mohou tyto hodnoty změnit
3
13.11.2014
PŘÍKLADY ROZPUSTNÝCH A NEROZPUSTNÝCH LÁTEK PRO SC -CO 2 CO2 je látkou nepolární, má tedy limitované rozpouštěcí schopnosti pro polární látky. Jeho rozpouštěcí schopnosti lze modifikovat přidáním různých příměsí (např. methanol, ethanol), ty však již za normálních podmínek nejsou plynnými látkami, čímž ztrácíme jednu z výhod sc-CO2. VELMI DOBŘE ROZPUSTNÉ
DOBŘE ROZPUSTNÉ
VELMI ŠPATNĚ ROZPUSTNÉ
• vonné látky
• rostlinné oleje
• cukry
• esenciální oleje
• barviva
• škroby
• estery, alkoholy
• polyfenoly
• bílkoviny
• aldehydy, ketony
• Vosky
• minerální soli
RYCHLOST SFE A OPTIMALIZACE Na r ychlost mají vliv dva základní faktor y 1. 2.
Difuze (difuze solventu do matrix, difuze extrahované látky z matrix) Rozpuštění extrahované látky v extrakčním činidle a) Rozpuštění je rychlejší než difuze • Optimalizace: zlepšení difuze např. zvýšením teploty b) Difuze je rychlejší než rozpuštění • Optimalizace: např. zvýšením průtoku extrakčního činidla
EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ 1.
2.
3. 4. 5.
Mechanické rozmělnění materiálu a uložení do extraktoru CO 2 kompresorem ztlačen nad p c , ohřán nad t c a přiveden do extraktoru Samotná extrakce Expanze z vysokého tlaku do p atm (expanzní ventil) Plynný CO 2 (bez schopnosti rozpouštět) se oddělí od extraktu a putuje zpět do kompresoru
4
13.11.2014
EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ
Extrakce rostlinného oleje, Jižní Korea, 2 x 3800 litrů, 550 bar
OBLAST VYUŽITÍ FARMACEUTICKÝ PRŮMYSL • potravinové doplňky, léčiva • extrakty např. z: palma trpasličí, brutnák lékařský, pupalka dvouletá, konopí seté KOSMETIKA • oleje a extrakty z květů, listů a kořenů rostlin • esence z rostlin a koření • využití při výrobě: parfémů, voňavek, mastí, olejů • extrakty např. z: konopí seté, měsíček lékařský, pupalka dvouletá, brutnák lékařský
CHEMICKÝ PRŮMYSL • regenerace katalyzátorů a absorpčních médií • extrakce organických sloučenin z vodných roztoků • krystalizace teplotně citlivých látek POTRAVINÁŘSTVÍ • extrakce rostlinných a živočišných tuků a olejů • esence z rostlin a koření • přírodní vitamíny • chmelový extrakt • odstraňování kofeinu z kávy
KÁVA BEZ KOFEINU Extrakce kofeinu z kávy je nejvýznamnější průmyslovou aplikací superkritické extrakce oxidem uhličitým . Cele zelené boby se navlhčí vodní parou a extrahují protékajícím superkritickým CO 2 Selektivní extrakce káva se zbaví až 97% kofeinu Výhody: snadné oddělení rozpouštědla, není třeba sušit
5
13.11.2014
VYUŽITÍ VE FARMACII
Brutnák lékařský Konopí seté Extrakce účinných látek z rostlin Měsíček lékařský
Pupalka dvouletá
VÝHDY
Palma trpasličí
X
rozpustnost může být ovlivněna tlakem či teplotou SCF jsou snadno obnovitelné a odstranitelné z extraktu díky jejich těkavosti separace, kterou není možné provést za běžných podmínek může být efektivní(např. termicky labilní sloučeniny mohou být extrahovány s minimálním rozkladem, přírodní látky se dají získat bez ztráty aroma) rozpouštědlo (CO 2 ) je látka zdravotně nezávadná, nehořlavá, levná a šetrná k živ. prostředí pro svou čistotu dovoluje extrakt široké využití r ychlost extrakce
NEVÝHDY je požadován vysoký tlak vysoké náklady na zařízení
6
