Superkritická fluidní extrakce (SFE)
Superkritická fluidní extrakce (zkráceně SFE, z angl. Supercritical Fluid Extraction)
= extrakce, kde extrakčním činidlem je tekutina v superkritickém stavu, tzv. superkritická (nadkritická) tekutina (zkráceně SF, z angl. Supercritical Fluid)
Superkritická fluidní extrakce (SFE) superkritická (nadkritická) tekutina (SF) =
tekutina, která se nachází ve stavu nad svým kritickým bodem (CP), tj. nad svou kritickou teplotou (Tc) a kritickým tlakem (pc)
vznikne zahřátím plynu nebo kapaliny na teplotu vyšší než je jeho/její kritická teplota Tc při současném stlačení na hodnotu vyšší než je jeho/její kritický tlak pc nad kritickou teplotu a tlakem je materiál v jediném kondenzovaném stavu s vlastnostmi mezi plynem a kapalinou používá se jak při extrakci tak např. v chromatografii jako mobilní fáze – superkritická fluidní chromatografie (Supercritical Fluid Chromatography, SFC)
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Kritické veličiny některých látek
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Kritické veličiny některých látek
Rozpouštědlo oxid uhličitý voda (H2O) Methan (CH4) Ethan (C2H6) Propan (C3H8) Ethylen (C2H4) Propylen (C3H6) Methanol Ethanol (C2H5OH) Aceton (C3H6O)
Kritická molekulová Kritická teplota Kritický tlak Kritická hustota hmotnost teplota (K) MPa (atm) (g.cm-3) (g.mol-1) 44.01 304.1 7.38 (72.8) 0.469 18.02 647.3 22.12 (218.3) 0.348 16.04 190.4 4.60 (45.4) 0.162 30.07 305.3 4.87 (48.1) 0.203 44.09 369.8 4.25 (41.9) 0.217 28.05 282.4 5.04 (49.7) 0.215 42.08 364.9 4.60 (45.4) 0.232 32.04 512.6 8.09 (79.8) 0.272 46.07 513.9 6.14 (60.6) 0.276 58.08 508.1 4.70 (46.4) 0.278
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
nadkritické tekutiny - některé vlastnosti jako plyny, jiné jako kapaliny
jsou stlačitelné, lze měnit jejich hustotu. Hustota nadkritických tekutin se blíží kapalinám; rozpouštěcí vlastnosti závisejí do značné míry na hustotě ⇒ změnou hustoty lze měnit rozpouštěcí vlastnosti viskozita je o více než 1 řád nižší u nadkritických tekutin než u kapalin; dosahuje se rychlého přenosu hmoty v důsledku příznivých charakteristik toku vysoká difuzivita a absence povrchového napětí má za následek snadné pronikání nadkritických tekutin do pórů pevné fáze, a tím účinnou extrakci v SFE či rychlé analýzy v SFC
Plyn Nadkritická tekutina Kapalina
Hustota (g ml-1) 10-3 0,2 – 0,9 0,8 – 1,0
Viskozita (Pa s) Difuzivita (cm 2 s-1) (0,5 – 3,5).10-5 0,01 – 1,0 (0,2 – 1,0).10-4 (3,3 – 0,1).10-4 (0,3 – 2,4).10-3 (0,5 – 2,0).10-5
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
Důležitá vlastnost je rozpustnost materiálu v superkritických kapalinách Rozpustnost materiálu roste s rostoucí hustotou kapalin (T=konst.) Blízko ke kritickému bodu hustota může prudce klesat s nepatrným zvýšením teploty Rozpustnost často blízko kritické teploty klesá s rostoucí teplotou a poté opět roste
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
superkritický oxid uhličitý kritická teplota Tc = 35 °C, kritický tlak pc = 75 bar
40 °C :
72 bar → 0,22 g ml-1 400 bar → 0,96 g ml-1
80 °C :
72 bar → 0,14 g ml-1 400 bar → 0,82 g ml-1
pozn. trojný bod CO2 leží u tlaku 5,2 atm a teploty – 57 °C. Za tlaku 1 atm přechází CO2 přímo z pevného skupenství do plynného (sublimuje), za atmosférického tlaku tedy oxid uhličitý neexistuje v kapalném skupenství
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
Výhody CO2
Tc a pc relativně nízké a instrumentálně dosažitelné
netoxický
nehořlavý
snadno se čistí
při SFC kompatibilní s plamenově ionizačním detektorem (nehořlavý)
kompatibilní se spektrofotometrickým detektorem (transparentní v UV oblasti)
kompatibilní s IČ detektorem
Nevýhody CO2
je nepolární pro polární látky: nutné zvýšení polarity pomocí modifikátorů (nejčastěji methanol, acetonitril, voda, tetrahydrofuran v koncentracích 1 - 20 % - obdoba HPLC)
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
Oxid uhličitý při SFE
potravinářství
extrakce esenciálních olejů, odstraňování tuků z ořechů, odstraňuje se i tuk z bramborových lupínků, díky použití sc. oxidu uhličitého se obsah tuku sníží o polovinu bez ztráty chuti extrakce kofeinu
ostatní
extrakce pesticidů a insekticidů
pozn. superkritická fluidní chromatografie (SFC) – vysoká cena – pouze léčiva, suché čištění, výroba bionafty, nano- a mikročástic, impregnace a barvení
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
superkritická voda
podmínky za jakých existuje superkritická voda jsou podstatně tvrdší: H2O : 647,3 K při 22,12 MPa (CO2 : 304,1 K při 7,38 MPa)
syntézy anorganických látek - největší komerční úspěch syntéza křemenných krystalů pro mobilní telefony za superkritických podmínek je voda velmi korozivní téměř ke všem druhům oceli, mnoho organických sloučenin není stabilních v superkritické H2O z důvodu oxidačních podmínek, tento stav může mít uplatnění při zacházení a likvidaci odpadu - proces se nazývá oxidace superkritickou vodou (SWO)
nad 200 ˚C začíná mít voda vlastnosti mnoha organických rozpouštědel, okolo 300 ˚C má vlastnosti podobné acetonu, nahrazení organických rozpouštědel superkritickou vodou může mít velký význam pro životní prostředí
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Instrumentace
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Instrumentace
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Superkritická kapalina v přírodě
podmořské vulkány jsou běžným prvkem oceánského dna, jejich přítomnost se projevuje výbuchy páry a narušováním skalisek u hladiny moře mnohé leží ve velké hloubce (větší než 3 km) a ohromný tlak (více než 30 MPa) pocházející z váhy vody nad ním zamezuje explosivnímu uvolnění páry a plynů, které vodu ohřívají na více než 648 K, tj. voda je v superkritickém stavu
Podmořský vulkán
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Superkritická kapalina v přírodě
atmosféra Venuše je tvořena z 96,5 % CO2 a ze 3,5 % N2; při zjištěné tamní teplotě (735 K) a tlaku (9,3 MPa) je oxid uhličitý v superkritickém stavu
Venuše
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Extrakce rostlinného oleje, Jižní Korea, 2 x 3800 litrů, 550 bar
Superkritická fluidní extrakce (SFE) Zpracování rýže, Taiwan, 3 x 5800 litrů, 325 bar
Superkritická fluidní extrakce (SFE)
Superkritický 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
