Кіріспе
Химиялық процесс. Суперкритикалық сұйықтықпен экстракциялау (SFE) – бір компонентті (экстрагентті) екіншісінен (матрицадан) суперкритикалық сұйықтықты экстракциялық еріткіш ретінде пайдаланып бөлу процесі. Экстракция көбінесе қатты матрицадан жасалады, бірақ сұйықтықтардан да жасалуы мүмкін. SFE талдау мақсатындағы сынаманы дайындау қадамы ретінде немесе өнімнен қажетсіз материалды жою (мысалы, кофеинсіздендіру) немесе қажетті өнімді алу (мысалы, эфир майлары) үшін үлкен масштабта қолданылуы мүмкін. Бұл эфир майлары лимонен және басқа да тікелей еріткіштерді қамтуы мүмкін. Көмірқышқыл газы (CO2) – ең көп қолданылатын суперкритикалық сұйықтық, кейде этанол немесе метанол сияқты қосымша еріткіштермен модификацияланады. Суперкритикалық көмірқышқыл газы үшін экстракция жағдайлары 31°C критикалық температурадан және 74 бар критикалық қысымнан жоғары болады. Модификаторлардың қосылуы бұл шарттарды сәл өзгертуі мүмкін. Бұл мәселенің талқылануы негізінен CO2 арқылы экстракцияға қатысты, егер басқаша көрсетілмесе.
Supercritical fluid extraction (SFE) is the process of separating one component (the extractant) from another (the matrix) using supercritical fluids as the extracting solvent. Extraction is usually from a solid matrix, but can also be from liquids. SFE can be used as a sample preparation step for analytical purposes, or on a larger scale to either strip unwanted material from a product (e. g. decaffeination) or collect a desired product (e. g. essential oils). These essential oils can include limonene and other straight solvents. Carbon dioxide (CO2) is the most used supercritical fluid, sometimes modified by co solvents such as ethanol or methanol. Extraction conditions for supercritical carbon dioxide are above the critical temperature of 31 °C and critical pressure of 74 bar. Addition of modifiers may slightly alter this. The discussion below will mainly refer to extraction with CO2, except where specified.
Таңдаушылық
Суперкритикалық сұйықтықтың қасиеттерін қысым мен температураны өзгерту арқылы өзгертуге болады, бұл таңдамалы экстракцияға мүмкіндік береді. Мысалы, ұшқыш майларды өсімдіктен төмен қысымда (100 бар) алуға болады, ал сұйық экстракция липидтерді де шығарып алады. Липидтерді таза CO2 арқылы жоғары қысымда алуға болады, ал кейін фосфолипидтерді еріткішке этанол қосу арқылы бөліп алуға болады. Осы принципті шарап қалдықтарынан полифенолдар мен қанықпаған май қышқылдарын жеке-жеке алу үшін де қолдануға болады.
Жылдамдық
Экстракция – диффузияға негіделген процесс, онда еріткіш матрицаға, ал алынған зат матрицадан еріткішке диффузиялануы керек. Диффузия жылдамдығы сұйықтықтарға қарағанда суперкритикалық сұйықтықтарда әлдеқайда жоғары, сондықтан экстракция тезірек жүреді. Бұған қоса, сұйықтықтарға қарағанда беттік кернеудің болмауы және тұтқырлықтың өте төмен болуы еріткішке сұйықтықтарға қол жеткізе алмайтын матрицаның тереңіне енуге мүмкіндік береді. Органикалық сұйықтық қолданып экстракция жасау бірнеше сағатқа созылуы мүмкін, ал суперкритикалық сұйықтықпен экстракция 10-60 минут ішінде аяқталады.
Шектеулер
Жоғары қысым талаптары конвенциялық сұйық экстракцияға қарағанда құнның өсуына себеп болады, сондықтан SFE тек маңызды артықшылықтар болған жағдайда ғана қолданылады. Көмірқышқыл газының өзі полярлы емес және еріту қабілеті шектеулі, сондықтан оны әрқашан дербес еріткіш ретінде қолдану мүмкін емес, әсіресе полярлы заттарды еріту үшін. Модификаторларды пайдалану экстракцияланатын материалдардың спектрін кеңейтеді. Тағамдық сападағы модификаторларды, мысалы этанолды, көбінесе қолдануға болады, олар алынған материалды жинауға да көмектеседі, бірақ бөлме температурасында газ күйіндегі еріткішті пайдаланудың кейбір пайдаларын төмендетеді.
Процедура
Жүйеде CO2 үшін сорғы, сынаманы сақтайтын қысым камерасы, жүйедегі қысымды сақтау құралы және жинақтау ыдысы болуы керек. Сұйықтық қыздыру аймағына сорылады, онда ол суперкритикалық жағдайға дейін қыздырылады. Содан кейін ол экстракциялық ыдысқа өтеді, онда ол қатты матрицаға жылдам диффузияланып, шығарылатын материалды ерітеді. Ерітілген материал экстракциялық камерадан төмен қысымдағы сепараторға ағызылады, ал шығарылған материал тұнады. CO2 кейін салқындатылып, қайта сығымдалып, қайта пайдаланылады немесе атмосфераға шығарылады.
Насос
Көмірқышқыл газы әдетте сұйық түрінде, әдетте 5 °C (41 °F) төмен және 50 бар қысыммен сорғыланады. Еріткіш сұйықтық ретінде сорғыланады, себебі ол дерлік қысылмайды; егер ол суперкритикалық сұйықтық ретінде сорғыланса, сорғының көп бөлігі сұйықтықты қысуға емес, оны сорғылауға жұмсалар еді. Шағын көлемді (бірнеше грамм/минутқа дейін) экстракция үшін реципрокациялық немесе шприцтік сорғылар жиі қолданылады. Көлемді экстракция үшін диафрагмалық сорғылар ең көп қолданылады. Сорғы басына әдетте салқындату қажет, ал CO2 сорғыға түсетін бұрын салқындатылады.
Қысымды ыдыстар
Қысымды ыдыстар қарапайым түтіктерден бастап, жылдам ажыратылатын жинақыштармен жабдықталған, арнайы жасалған күрделі ыдыстарға дейін болуы мүмкін. Қысым талабы кемінде 74 барды құрайды, ал көптеген экстракциялар 350 бардан төмен қысымда жүргізіледі. Дегенмен, кейде жоғары қысымдар қажет болуы мүмкін, мысалы, өсімдік майларын экстракциялау кезінде, екі фазаның толық араласуы үшін 800 бар қысым талап етілуі мүмкін. Ыдыс қыздыру құралымен жабдықталуы керек. Кішкентай ыдыстарды пешке, ал үлкен ыдыстарды маймен немесе электрмен қыздырылатын қапталға орналастыруға болады. Ыдыста резеңке тығындар қолданылса, сақтану керек, себебі суперкритикалық көмірқышқыл газы резеңкеде еріп, оны ісінуіне және қысым төмендетілгенде жарылуына себеп болуы мүмкін.
Қысымды сақтау
Жүйедегі қысым сорғыдан бастап қысым ыдысына дейін сақталуы керек. Шағын жүйелерде (шамамен 10 мл/мин-ға дейін) қарапайым шектегіш қолданылуы мүмкін. Бұл белгілі бір ұзындықта кесілген капиллярлық түтік немесе әртүрлі ағын жылдамдықтарында қысымды сақтау үшін реттелетін инелі клапан болуы мүмкін. Ірі жүйелерде кері қысымды реттегіш қолданылады, ол пружина, қысылған ауа немесе электрондық клапан арқылы реттегіштен бұрынғы қысымды сақтайды. Қайсысы қолданылса да, жылу беру қажет, себебі CO2-нің адиабатикалық кеңеюі айтарлықтай салқындатуға алып келеді. Бұл мәселелі, егер сынамада су немесе басқа да алынған материал болса, себебі ол шектегіште немесе клапанда қатып, бітелуге себеп болуы мүмкін.
Жинақ
Суперкритикалық еріткіш экстракция камерасынан төмен қысымдағы ыдысқа жіберіледі. Суперкритикалық сұйықтықтардың тығыздығы, демек еріту қабілеті, қысымға байланысты күрт өзгереді, сондықтан төмен тығыздықтағы CO2-дің ерігіштігі әлдеқайда төмендеп, материал жинау үшін шөгінді түзеді. Ерітілген материалды қысымды біртіндеп төмендететін бірнеше ыдыс арқылы фракциялауға болады. CO2 қайта пайдаланылуы мүмкін немесе атмосфералық қысымға дейін қысымы төмендетіліп, сыртқа шығарылуы мүмкін. Аналитикалық SFE үшін қысым әдетте атмосфералық қысымға дейін төмендетіледі, содан кейін газ тәрізді көмірқышқыл газы шөгінді түзілген компоненттерді ұстап алу үшін еріткіш арқылы өткізіледі.
Жылу және салқындату
Бұл маңызды аспект. Сұйықтық сұйық күйін сақтау үшін сорғылау алдында салқындатылады, содан кейін қысымға жеткеннен кейін қыздырылады. Сұйықтық бөлгішке (сепараторға) кеңейтілген кезде, тым тоңудың алдын алу үшін жылу беру қажет. Анализдік мақсаттағы кішкентай көлемді экстракциялар үшін, экстракциялық камерасы бар пештің ішіндегі түтікше арқылы сұйықтықты алдын ала қыздыру жеткілікті. Сақтағыш (рестриктор) электрмен қыздырылуы мүмкін, тіпті фенмен де қыздыруға болады. Ірі жүйелер үшін процестің әр кезеңінде қажетті энергияны суперкритикалық сұйықтықтың термодинамикалық қасиеттерін қолдана отырып есептеуге болады.
SFE-нің қарапайым моделі
SFE үшін екі маңызды қадам бар: қатты бөлшектердің (диффузия немесе басқа жолмен) бетке тасымалдануы және суперкритикалық сұйықта еруі. Басқа факторлар, мысалы, SF-тің бөлшектерге диффузиясы және кері процестер, мысалы, белсенді орыннан десорбция сияқты шығарылуы кейде маңызды, бірақ бұл жерде олар егжей-тегжейлі қарастырылмайды. 2-суретте шар тәрізді бөлшектен экстракция кезіндегі кезеңдер көрсетілген, онда экстракция басталғанда экстрагент деңгейі бүкіл шар бойынша бірдей болады (2а-сурет). Экстракция басталғанда материал бастапқыда шардың шетінен алынады, ал ортадағы концентрация өзгермейді (2b-сурет). Экстракцияға қарай шардың ортасындағы концентрация төмендейді, өйткені экстрагент шардың шеттеріне қарай диффузияланады (2c-сурет). Диффузия мен ерудің салыстырмалы жылдамдықтары 3-суретте екі шекті жағдаймен көрсетілген. 3а-суретте еру диффузияға қарағанда жылдам болатын жағдай көрсетілген. Материал шеттен ортадан диффузияланатын жылдамдыққа қарағанда тез алынып кетеді, сондықтан шеттегі концентрация нөлге жетеді. Материал бетке жеткенде одан тез алынып кетеді және экстракция толығымен диффузиямен шектеледі. Бұл жағдайда экстракция жылдамдығын диффузия жылдамдығын арттыру арқылы, мысалы, температураны көтеру арқылы арттыруға болады, бірақ еріткіш ағынының жылдамдығын арттыру арқылы емес. 3b-суретте еруге қатысты ерігіштіктің төмендігі көрсетілген. Экстрагент еріткішпен алынуға қарағанда тез диффузияланады және концентрация профилі тегіс болады. Бұл жағдайда экстракция жылдамдығын еру жылдамдығын арттыру арқылы, мысалы, еріткіш ағынының жылдамдығын арттыру арқылы арттыруға болады. Экстракцияның түрін анықтау үшін уақытқа қатысты % қалпына келтіру қисығын пайдалануға болады. 4а-суретте диффузиямен бақыланатын қисық көрсетілген. Алу бастапқыда жылдам жүреді, беттегі концентрация нөлге жетеді, содан кейін жылдамдық айтарлықтай баяулайды. Алынған % ақырында 100%-ға жуықтайды. 4b-суретте ерумен шектелген экстракция қисығы бейнеленген. Экстракция жылдамдығы дерлік тұрақты, тек экстракцияның соңына қарай тегістеледі. 4c-суретте матрицаның әсері бар қисық көрсетілген, онда матрицамен кері әрекеттесудің қандай да бір түрі бар, мысалы, белсенді орыннан десорбция. Қалпына келтіру тегістеледі және егер 100% мәні белгісіз болса, экстракция толық емес екенін анықтау қиын.
Оңтайландыру
Оптималдық мөлшері экстракцияның мақсатына байланысты болады. Мысалы, полимердің антиоксиданттық құрамын анықтау үшін жасалатын аналитикалық экстракцияда, ең маңызды фактор – мүмкіндігінше қысқа уақытта толық экстракцияны жүзеге асыру. Дегенмен, өсімдіктен эфир майының экстракты өндірісі үшін қолданылатын CO2 мөлшері маңызды шығынға айналуы мүмкін, ал толық экстракция қажет емес – экономикалық тиімділікке қол жеткізу үшін 70-80% өнімділік жеткілікті болуы мүмкін. Тағы бір жағдайда, іріктеу маңыздырақ болуы мүмкін, және жоғары айырмашылықты қамтамасыз ететін жағдайда экстракция жылдамдығын төмендету артық болуы мүмкін. Сондықтан, барлық жағдайларға қолданылатын жалпылама пікірлерді айту қиын. Алайда, төменде кейбір жалпы принциптер келтірілген.
Диффузияны барынша арттыру
Бұл температураны жоғарылату, матрицаны кеңейту немесе бөлшектердің өлшемін кішіреytu арқылы қол жеткізіледі. Матрицаның ісінуі кейде еріткіштің қысымын арттыру және еріткішке модификаторлар қосу арқылы күшейтілуі мүмкін. Көбінесе полимерлер мен эластомерлер CO2-нің әсерінен айқын ісінеді, ал кейбір жағдайларда диффузия бірнеше есеге артады.
Ерігіштікті арттыру
Жалпы алғанда, жоғары қысым ерігіштікті арттырады. Температураның әсері одан да бекімсіз, себебі сындық нүктеге жақын температураның көтерілуі тығыздықтың азаюына, демек еріту қабілетінің төмендеуіне алып келеді. Қысым сындық қысымнан әлдеқайда жоғары болғанда, ерігіштік температурамен бірге артуы мүмкін. Метанол және этанол сияқты аз мөлшердегі модификаторлардың (кейде тасымалдағыштар деп те аталады) қосылуы да, әсіресе полюстік қосылыстардың ерігіштігін айтарлықтай арттыра алады.
Ағындылықты оңтайландыру
Суперкритикалық көмірқышқыл газының ағыны көлемдік емес, массалық ағынмен өлшенуі тиіс, себебі тығыздығы сорғының бас бөлігіне кірмес бұрын және сығылу кезінде температураға байланысты өзгереді. Мұндай ағынды нақтылау үшін Coriolis ағын өлшегіштерін қолдану ең жақсы. Экстракция жылдамдығын барынша арттыру үшін ағын экстракцияның толық диффузиялық шектеуге ие болуы үшін жеткілікті жоғары болуы керек (бірақ бұл еріткіштің көп мөлшерін қажет етеді). Дегенмен, қолданылатын еріткіш мөлшерін азайту үшін экстракция толық ерігіштік шектеуіне ие болуы керек (бірақ бұл өте ұзаққа созылады). Сондықтан ағын мөлшері уақыт пен еріткіштің құны, сондай-ақ сорғылардың, жылытқыштардың және жылу алмастырғыштардың бастапқы құны сияқты бәсекелес факторларға байланысты анықталуы керек. Оңтайлы ағын мөлшері ерігіштік пен диффузияның маңызды факторлар болатын аймақта болуы мүмкін.