Введение

Химический процесс
Суперкритическая флюидная экстракция (СФЭ) – это процесс разделения одного компонента (экстрагента) от другого (матрицы) с использованием сверхкритических флюидов в качестве экстрагирующего растворителя. Экстракция обычно проводится из твердой матрицы, но также может осуществляться из жидкостей. СФЭ может использоваться в качестве этапа подготовки образца для аналитических целей или в большем масштабе для удаления нежелательных веществ из продукта (например, декофеинизация) или получения целевого продукта (например, эфирных масел). Эти эфирные масла могут включать лимонен и другие растворители прямого действия. Углекислый газ (CO2) является наиболее часто используемым сверхкритическим флюидом, иногда модифицированным сорастворителями, такими как этанол или метанол. Условия экстракции сверхкритическим углекислым газом находятся выше критической температуры 31 °C и критического давления 74 бар. Добавление модификаторов может незначительно изменить эти параметры. Дальнейшее обсуждение будет в основном касаться экстракции с использованием CO2, если не указано иное.

Выборочность

Свойства сверхкритической жидкости можно изменять, варьируя давление и температуру, что позволяет проводить селективную экстракцию. Например, эфирные масла можно извлекать из растений при низком давлении (100 бар), в то время как при жидкостной экстракции также удаляются липиды. Липиды можно удалить, используя чистый CO2 при более высоком давлении, а затем фосфолипиды – путем добавления этанола в растворитель. Тот же принцип можно применить для раздельной экстракции полифенолов и ненасыщенных жирных кислот из винодельческих отходов.

Скорость

Экстракция — это процесс, основанный на диффузии, в котором растворитель должен диффундировать в матрицу, а извлеченное вещество — из матрицы в растворитель. Коэффициенты диффузии в сверхкритических жидкостях значительно выше, чем в обычных жидкостях, поэтому экстракция может происходить быстрее. Кроме того, благодаря отсутствию поверхностного натяжения и пренебрежимо малой вязкости по сравнению с жидкостями, растворитель способен проникать глубже в матрицу, недоступную для обычных жидкостей. Экстракция с использованием органической жидкости может занимать несколько часов, в то время как экстракция сверхкритической жидкостью может быть завершена за 10–60 минут.

Ограничения

Требование к высокому давлению увеличивает стоимость по сравнению с традиционной жидкостной экстракцией, поэтому сверхкритическая флюидная экстракция (SFE) будет применяться только там, где имеются существенные преимущества. Сам по себе диоксид углерода неполярен и обладает ограниченной растворяющей способностью, поэтому не всегда может использоваться в качестве растворителя самостоятельно, особенно для полярных веществ. Использование модификаторов расширяет спектр извлекаемых материалов. Модификаторы пищевого качества, такие как этанол, часто могут применяться и могут также способствовать сбору извлеченного материала, но снижают некоторые преимущества использования растворителя, который находится в газообразном состоянии при комнатной температуре.

Процедура

Система должна содержать насос для CO2, ячейку давления для удержания образца, средство поддержания давления в системе и сборную емкость. Жидкость подается в зону нагрева, где она нагревается до сверхкритического состояния. Затем она поступает в экстракционную ячейку, где быстро диффундирует в твердую матрицу и растворяет извлекаемое вещество. Растворенное вещество выносится из ячейки экстракции в сепаратор с пониженным давлением, где экстрагированный материал осаждается. CO2 может быть затем охлажден, повторно сжат и использован повторно, или выброшен в атмосферу.

Насосы

Обычно углекислый газ подаётся в жидком виде, как правило, при температуре ниже 5 °C (41 °F) и давлении около 50 бар. Растворитель подаётся в виде жидкости, поскольку он практически несжимаем; если бы он подавался в виде сверхкритической жидкости, значительная часть хода насоса уходила бы на сжатие жидкости, а не на её перекачку. Для экстракций малого масштаба (до нескольких граммов в минуту) часто используются поршневые насосы или шприцевые насосы. Для экстракций большого масштаба наиболее распространены мембранные насосы. Головки насосов обычно требуют охлаждения, а также охлаждается CO2 перед поступлением в насос.

Сосуды под давлением

Сосуды под давлением могут варьироваться от простых трубок до более сложных сосудов специальной конструкции с быстросъемными соединениями. Требуемое давление составляет не менее 74 бар, а большинство экстракций проводятся при давлении ниже 350 бар. Однако в некоторых случаях может потребоваться более высокое давление, например, при экстракции растительных масел, где для обеспечения полной смешиваемости двух фаз иногда требуется давление 800 бар. Сосуд должен быть оснащен системой нагрева. Для небольших сосудов его можно поместить в печь, а для больших – использовать рубашку с масляным или электрическим нагревом. Следует соблюдать осторожность при использовании резиновых уплотнений на сосуде, так как сверхкритический диоксид углерода может растворяться в резине, вызывая её набухание, и при снижении давления резина может разорваться.

Поддержание давления

Давление в системе должно поддерживаться от насоса и до сосуда под давлением. В небольших системах (до примерно 10 мл/мин) можно использовать простой дроссель. Это может быть капиллярная трубка отрезанного размера или игольчатый клапан, который можно регулировать для поддержания давления при разных скоростях потока. В системах большего размера используется регулятор противодавления, который поддерживает давление перед регулятором с помощью пружины, сжатого воздуха или электронного клапана. Независимо от используемого метода, необходимо обеспечить нагрев, так как адиабатическое расширение CO2 приводит к значительному охлаждению. Это проблематично, если в образце присутствует вода или другой извлеченный материал, поскольку он может замерзнуть в дросселе или клапане и вызвать засорение.

Коллекция

Сверхкритический растворитель подается в сосуд при давлении ниже, чем в экстракционной емкости. Плотность, а следовательно, и растворяющая способность сверхкритических жидкостей резко меняется с давлением, поэтому растворимость в CO2 с меньшей плотностью значительно ниже, и вещество осаждается для сбора. Возможно фракционирование растворенного вещества с использованием серии сосудов с последовательно уменьшающимся давлением. CO2 может быть рециркулирован или декомпрессирован до атмосферного давления и выброшен. Для аналитической SFE давление обычно снижается до атмосферного, а образовавшийся газообразный углекислый газ пропускается через растворитель для улавливания осажденных компонентов.

Отопление и охлаждение

Это важный аспект. Жидкость охлаждается перед подачей насосом для поддержания жидкого состояния, а затем нагревается после повышения давления. При расширении жидкости в сепараторе необходимо подводить тепло, чтобы предотвратить чрезмерное охлаждение. Для экстракций малого масштаба, например, для аналитических целей, обычно достаточно предварительно нагреть жидкость в трубке, помещенной внутрь печи, содержащей экстракционную ячейку. Рестриктор можно нагревать электрически или даже с помощью фена. Для более крупных систем энергию, необходимую на каждом этапе процесса, можно рассчитать, используя термодинамические свойства сверхкритической жидкости.

Простая модель SFE

Существует два основных этапа SFE: транспортировка (диффузией или иным способом) твердых частиц к поверхности и растворение в сверхкритической жидкости. Другие факторы, такие как диффузия в частицу сверхкритической жидкости и обратимое высвобождение, например, десорбция из активного центра, иногда могут быть значимыми, но здесь подробно не рассматриваются. На рисунке 2 показаны стадии экстракции из сферической частицы, где в начале экстракции концентрация экстрагента одинакова по всей сфере (рис. 2а). По мере начала экстракции материал извлекается в первую очередь с края сферы, а концентрация в центре остается неизменной (рис. 2b). По мере прогрессирования экстракции концентрация в центре сферы снижается, поскольку экстрагент диффундирует к краю сферы (рис. 2с). Относительные скорости диффузии и растворения проиллюстрированы двумя крайними случаями на рисунке 3. На рисунке 3а показан случай, когда растворение происходит быстро по сравнению с диффузией. Материал удаляется от края быстрее, чем он может диффундировать из центра, поэтому концентрация на краю падает до нуля. Материал удаляется так же быстро, как он поступает к поверхности, и экстракция полностью ограничена диффузией. В этом случае скорость экстракции можно увеличить, повысив скорость диффузии, например, температуру, но не увеличивая скорость потока растворителя. На рисунке 3b показан случай, когда растворимость низкая по сравнению с диффузией. Экстрагент способен диффундировать к краю быстрее, чем его может унести растворитель, и профиль концентрации становится плоским. В этом случае скорость экстракции можно увеличить, повысив скорость растворения, например, увеличив скорость потока растворителя. Кривая зависимости процента извлечения от времени может быть использована для определения типа происходящей экстракции. На рисунке 4(a) показана типичная кривая, контролируемая диффузией. Экстракция сначала происходит быстро, пока концентрация на поверхности не упадет до нуля, после чего скорость значительно замедляется. В конечном итоге процент извлеченного вещества приближается к 100%. На рисунке 4(b) показана кривая для экстракции, ограниченной растворимостью. Скорость экстракции почти постоянна и лишь немного снижается к концу процесса. На рисунке 4(c) показана кривая, демонстрирующая значительные матричные эффекты, где наблюдается некоторое обратимое взаимодействие с матрицей, например, десорбция из активного центра. Восстановление стабилизируется, и если значение 100% неизвестно, трудно определить, является ли экстракция неполной.

Оптимизация

Оптимальный режим будет зависеть от цели экстракции. Для аналитической экстракции, например, для определения содержания антиоксидантов в полимере, ключевыми факторами являются полная экстракция за минимальное время. Однако при производстве экстракта эфирного масла из растения количество используемого CO2 станет существенной статьей затрат, и "полная" экстракция не обязательна – урожайность в 70–80% может оказаться достаточной для получения экономической выгоды. В иных случаях более важна селективность, и замедление скорости экстракции может быть предпочтительнее, если это обеспечивает лучшую избирательность. Поэтому дать универсальные рекомендации сложно. Тем не менее, ниже приведены некоторые общие принципы.

Максимальная диффузия

Этого можно достичь повышением температуры, разбуханием матрицы или уменьшением размера частиц. Разбухание матрицы иногда можно усилить, увеличив давление растворителя и добавляя модификаторы в растворитель. Некоторые полимеры и эластомеры, в частности, значительно разбухают под воздействием CO2, при этом диффузия в некоторых случаях возрастает на несколько порядков.

Максимальная растворимость

Как правило, более высокое давление увеличивает растворимость. Влияние температуры менее определенно, поскольку вблизи критической точки повышение температуры приводит к уменьшению плотности и, следовательно, способности к растворению. При давлениях, значительно превышающих критическое, растворимость, скорее всего, возрастает с температурой. Добавление небольшого количества модификаторов (иногда называемых экстрагентами), таких как метанол и этанол, также может значительно увеличить растворимость, особенно более полярных соединений.

Оптимизация скорости потока

Поток сверхкритического углекислого газа следует измерять в терминах массового расхода, а не объемного, поскольку плотность изменяется в зависимости от температуры как до поступления в насосные головки, так и в процессе сжатия. Для точного измерения расхода лучше всего использовать расходомеры Кориолиса. Чтобы максимизировать скорость экстракции, расход должен быть достаточно высоким, чтобы экстракция была полностью ограничена диффузией (но это приведет к значительному расходу растворителя). Однако, для минимизации количества используемого растворителя, экстракция должна быть полностью ограничена растворимостью (что потребует очень много времени). Таким образом, расход необходимо определять, учитывая конкурирующие факторы времени и стоимости растворителя, а также капитальные затраты на насосы, нагреватели и теплообменники. Оптимальный расход, вероятно, будет находиться в диапазоне, где как растворимость, так и диффузия играют существенную роль.