báo cáo thí nghiệm chuyên ngành công nghệ sản xuất dược phẩm bài: trích ly siêu tới hạn

Do những ưu điểm về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và không để lại dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe con người nên khái niệm "sản xuất sạch" green processing được quan tâm khi nghiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ly bằng lưu chất siêu tới hạn Do những ưu điểm về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và không để lại dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe con người nên khái niệm "sản xuất sạch" ( green processing) được quan tâm khi nghiên cứu về lưu chất siêu tới hạn (từ những năm 1990) Hiện nay, nhiều nhà máy sử dụng kỹ thuật trong ly bằng lưu chất siêu tới hạn (tại Mỹ, Đức, Nhật, Anh, Pháp) trong các ứng dụng khác nhau: trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học như alkaloid, phenolic, antioxidant…; trích ly dầu thực vật, tinh dầu, chất màu tự nhiên hoặc tách cholesterol trong thực ph m…

2 Các ưu nhược điểm của phương pháp

 Ưu điểm

 Tốc độ truyền khối nhanh nên thời gian trích ly ngắn

 Tính chọn lọc cao nên dịch trích ít tạp chất, tiết kiệm chi phí và thời gian cho quá trình tinh sạch

 Do CO2 là loại dung môi có tính trơ về mặt hoá học nên các phản ứng phụ ít xảy ra,

từ đó dịch trích cũng ít tạp chất hơn

 Độ tinh sạch của sản phNm cao hơn so với các phương pháp trích ly truyền thống

 Chi phí năng lượng cho quá trình trích ly ít hơn so với các quy trình khác

 Khả năng tự động hoá cao, có thể điều khiển tự động ở quy mô công nghiệp

 Nhược điểm

 Do thiết bị cần hoạt động ở nhiệt độ và áp suất tới hạn của dung môi cần sử dụng nên cần đảm bảo tính an toàn lao động cao Đồng thời chi phí đầu tư cho thiết bị cũng rất tốn kém

3 Cơ sở khoa học quá trình trích ly siêu tới hạn

a) Định nghĩa về lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn

Trạng thái siêu tới hạn là trạng thái của một chất, hợp chất hay hỗn hợp mà nhiệt độ

và áp suất tồn tại của nó trên nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và dưới áp suất chuyển sang thể rắn của chất đó

Hình 1 1: Giản đồ áp suất- thể tích-nhiệt độ (PVT- pressure- volume- temperature)

Hình 1 2: Giản đồ áp suất- nhiệt độ

b) Nguyên lý tạo thành lưu chất siêu tới hạn

Trạng thái của một chất biến đổi khi thay đổi các thông số trạng thái của chất đó Nguyên tắc tạo trạng thái siêu tới hạn của một chất là hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất của chất đó phải lớn hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của chính nó

Bảng 1 1: Nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của một số chất thông dụng

Như vậy, đối với CO2, ta duy trì áp suất trên 7,37 Mpa và nhiệt độ trên 31,1oC thì có thể tạo ra CO2 ở trạng thái siêu tới hạn

Hình 1 3: Mặt khum phân chia giữa thể lỏng và thể khí của CO2 biến mất khi đạt đến điểm

tới hạn

Hình 1 4: Sơ đồ trạng thái của hệ lỏng-khí

1 Tính chất của lưu chất siêu tới hạn

b) Tỷ trọng

Tỷ trọng của lưu chất siêu tới hạn sẽ thay đổi khi nhiệt độ và áp suất tương ứng của môi trường thay đổi Trong mọi trường hợp, sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự giảm tỷ trọng Tỷ trọng của lưu chất biến đổi nhanh ở vùng nhiệt độ và áp suất gần điểm tới hạn Tỷ trọng rút gọn (ρr = ρ/ρc) của hợp chất tinh khiết ở áp suất rút gọn (Pr = P/Pc) là 1,0 có thể thay đổi từ giá trị khoảng 0,1 (tỷ trọng giống chất khí) đến khoảng 2,0 (tỷ trọng giống chất lỏng) khi ta tiến hành hiệu chỉnh nhiệt độ rút gọn (Tr = T/Tc) trong dãy

từ 0,9 - 1,2 (hình 1.5, bảng 1.2 )

Hình 1 5: Sự biến thiên tỷ trọng rút gọn của một chất trong vùng lân cận tới hạn Bảng 1 2: So sánh đặc tính vật lý của chất lỏng, chất khí và chất lỏng siêu tới hạn

Khi tỷ trọng của lưu chất siêu tới hạn có giá trị tương đương với tỷ trọng của chất đó ở trạng thái lỏng thì chất lỏng siêu tới hạn hoạt động như dung môi lỏng Tuy nhiên, khi nhiệt độ rút gọn tăng đến giá trị khoảng 1,6, chất lỏng siêu tới hạn trở nên giống chất khí

do sự giãn nở tăng cùng với sự tăng nhiệt độ

c) Hằng số điện môi

Tại áp suất cao, chất khí không còn tồn tại ở trạng thái khí lý tưởng do sự tăng cường liên kết vật lý giữa các ion, các lưỡng cực, các lưỡng cực tạm thời và nhiều cực ảnh hưởng tới các tương tác phân tử trong hệ Năng lượng tương tác (Eq) giữa các điện tích

q1, q2 được xác định bởi một hàm của hằng số điện môi (ε) và khoảng cách giữa các điện tích (r)

Hằng số điện môi tĩnh là một thông số hiệu quả để đánh giá đặc tính dung môi của chất lỏng có cực như ethanol, methanol và nước Hằng số điện môi cũng là thông số phụ thuộc vào tỷ trọng và có thể thay đổi bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất của hệ Hằng số điện môi của chất lỏng siêu tới hạn là một thông số quan trọng để ước lượng

sự tăng cường liên kết nội phân tử thông qua tương tác lưỡng cực - lưỡng cực Ví dụ: ở nhiệt độ 40oC, giá trị hằng số điện môi của CO2 tăng khi áp suất tăng từ 70 - 200.105Pa

và đạt trạng thái giống chất lỏng khi áp suất của hệ dao động quanh giá trị 200.105

Pa Như vậy, áp suất càng cao thì liên kết nội phân tử càng được củng cố, tính chất không phân cực của CO2 càng được tăng cường Điều này giải thích nguyên nhân ở áp suất càng cao thì khả năng tan của các chất không phân cực và các hợp chất khó bay hơi trong dung môi CO2 càng tăng

Hình 1 6: Tỷ trọng và hằng số điện môi của CO2 theo áp suất ở 50oC

Hình 1 7: Tỷ trọng và độ hoà tan của của SC-CO2 theo áp suất và nhiệt độ

d) Đặc tính chuyển động

 Độ nhớt

Độ nhớt là một thông số quan trọng dùng để đánh giá sự chuyển động của chất lỏng trong hệ thống Độ nhớt của chất khí tăng khi nhiệt độ tăng trong một khoảng áp suất nhất định Tuy nhiên, độ nhớt của chất lỏng siêu tới hạn lại giảm khi tăng nhiệt độ trong 1 khoảng áp suất nhất định

Đối với lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn, khi áp suất của hệ càng tăng thì tỷ trọng của

nó cũng tăng và đạt giá trị bằng với tỷ trọng của chất đó ở trạng thái lỏng Trong khi đó,

độ nhớt của lưu chất siêu tới hạn lại tăng chậm hơn và vẫn chưa đạt đến độ nhớt của chất

đó ở trạng thái lỏng

Hình 1 8: Độ nhớt của CO2 ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng siêu tới hạn

 Khả năng khuếch tán

Khả năng khuếch tán cũng là một thông số quan trọng đánh giá hiệu quả trích ly của lưu chất siêu tới hạn Khả năng khuếch tán của một chất ở trạng thái siêu tới hạn cao hơn so với chất đó ở trạng thái lỏng, vì vậy mà khả năng truyền khối của lưu chất siêu tới hạn cũng cao hơn Khả năng khuếch tán của lưu chất siêu tới hạn tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi áp suất tăng

e) Nhiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt

Các thông số về nhiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt được dùng để mô tả cách truyền nhiệt trong hệ Trong vùng tới hạn, nhiệt dung đẳng áp rất lớn và đạt đến giá trị cực đại rồi giảm dần về giá trị ổn định (hình 1.9) Tuy nhiên, nhiệt dung đẳng tích chỉ thay đổi rất ít trong vùng tới hạn

Hình 1 9: Nhiệt dung riêng của CO2 theo áp suất ở 320oK

Hình 1 10: Hệ số dẫn nhiệt của CO2 theo nhiệt độ và tỷ trọng

Sự dẫn nhiệt của chất lỏng siêu tới hạn được xem là một tính chất truyền nhiệt quan trọng

Hệ số dẫn nhiệt (λ) là hệ số tỷ lệ giữa dòng nhiệt Q và gradient nhiệt độ của chất lỏng

Q = λ.∇T

Hầu hết hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng siêu tới hạn tăng với sự tăng nhiệt độ và tỷ trọng của

hệ Bảng thể hiện số liệu về hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2 như một hàm của nhiệt độ ở vài

áp suất

Bảng 1 3: Hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2

Tóm lại, trạng thái siêu tới hạn được mô tả là một trạng thái trung gian giữa trạng thái khí

và lỏng, có khả năng khuếch tán cao gần với chất khí và khả năng hoà tan các chất tan gần như một dung môi lỏng

Một chất tồn tại ở trạng thái dense phase sẽ có những tính chất giống trạng thái khí do động năng của các phân tử lớn hơn lực hút giữa các phân tử với nhau, vì vậy mà nó có khả năng khuếch tán giống chất khí Mặt khác, chất này cũng sẽ có những tính chất giống trạng thái lỏng do mật độ phân tử lớn, có các tính chất về độ nhớt, tính chất dòng chảy gần giống chất lỏng (N.L Rozzi and R.K Singh , 2002; Yoshaki Fukushima, 1999)

2 Công nghệ trích ly bằng CO2 siêu tới hạn ( supercritical CO2 SC-CO2)

CO2 tồn tại ở trạng thái khí trong điều kiện thường, không màu, không mùi, không duy trì sự cháy, tồn tại trong không khí với nồng độ xấp xỉ 0,03%, ít độc với con người và động vật

Bảng 1 4: Một số thông số hoá lý của CO2

Khối lượng riêng (đkc) 1,98 kg/m3

Độ tan trong nước (to

phòng) 1,45 kg/m3 Điểm đông đặc -57oC (nén) Điểm sôi -78oC (thăng

hoa)

Độ nhớt (-78oC) 0,07 cP Nhiệt độ tới hạn 31,1oC

Ap suất tới hạn 7,37 MPa

Hình 1 12: Giản đồ nhiệt độ- áp suất của CO2

CO2 là một hợp chất không phân cực, do đó mà nó dễ dàng tan vào các dung môi không phân cực như chất béo Đây là một trong những đặc tính quan trọng của CO2 khi ứng dụng nó để thanh trùng hay tiệt trùng thực ph m vì CO2 sẽ hoà tan vào phần kỵ nước

ở giữa màng lipid kép của tế bào vi sinh vật và gây biến tính màng

Giản đồ pha của CO2

Hình 1 13: Giản đồ pha của CO2

CO2 có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí tuỳ thuộc vào điều kiện áp suất và nhiệt độ

Tại điểm tới hạn (critical point), khi tăng áp suất và nhiệt độ, CO2 sẽ tiến vào vùng trạng thái siêu tới hạn (supercritical), khi đó nó sẽ có tính chất nằm giữa trạng thái lỏng và khí Tại một nhiệt độ cố định trên nhiệt độ tới hạn Tc, khi ta tăng áp suất, CO2 không ngưng tụ chuyển về trạng thái lỏng được, khối khí CO2 bị nén lại, do đó mà mật độ chúng tăng lên, tạo nên một trạng thái dày đặc mà ta gọi là siêu tới hạn

3 Lựa chọn dung môi CO2 siêu tới hạn trong chiết tách

CO2 và một số dung môi khác ở trạng thái siêu tới hạn có tính chất hoá lý đặc biệt như:

 CO2 dễ kiếm, rẻ tiền vì là sản phNm phụ của nhiều ngành công nghiệp hoá chất khác

 Là chất trơ về mặt hoá học, có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết Khi ở trạng thái siêu tới hạn, CO2 không tự kích nổ, không bắt lửa và không duy trì sự cháy

 CO2 không độc đối với cơ thể, không ăn mòn thiết bị

 Điểm tới hạn của CO2 (Pc= 73 atm; Tc= 30,9oC) là một điểm có giá trị nhiệt độ, áp suất không cao lắm so với các chất khác cho nên sẽ tốn ít năng lượng để đưa CO2 vào

vùng siêu tới hạn

 Có khả năng hoà tan các chất hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời hoà tan cả các chất thơm dễ bay hơi, không hoà tan các kim loại nặng và có thể điều chỉnh các thông số trạng thái như áp suất và nhiệt độ để thay đổi độ chọn lọc của dung môi

 Khi sử dụng CO2 thương ph m để chiết tách không có dư lượng cặn độc hại trong chế ph m chiết do đó cũng tiết kiệm chi phí cho quá trình tinh sạch

II QUÁ TRÌNH TRÍCH LY BẰNG LƯU CHẤT SIÊU TỚI HẠN

1 Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn

Một quá trình trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn bao gồm hai bước: trích ly của các thành phần hòa tan trong dung môi siêu tới hạn và phân riêng các chất chiết xuất từ dung môi Quá trình trích ly có thể được áp dụng cho một hệ rắn, lỏng, hoặc nhớt Dựa vào mục tiêu khai thác, hai trường hợp khác nhau có thể được xem xét:

a) Phân riêng vật liệu cần tách Trong trường hợp này, đối tượng là sản ph m thực

ph m cuối cùng khi các hợp chất không mong muốn được loại bỏ, ví dụ quá trình dealcoholization từ đồ uống có cồn, loại bỏ các hương vị lạ, hoặc khử caffein từ cà phê

b) Trích chiết từ nguyên liệu cần tách Các hợp chất chiết xuất từ nguồn nguyên liệu

là sản ph m cuối cùng Ví dụ, tinh dầu hoặc chất chống oxy hóa

Hình 2 1: Lưu đồ của một quá trình chiết xuất siêu tới hạn từ chất rắn

do đó, các hợp chất kết tủa Để đảm bảo kết tủa hết, các siêu tới hạn dung môi được làm nóng trên nhiệt độ bão hòa để đạt được trạng thái khí Dưới những điều kiện, khả năng hoà tan là không đáng kể Sau đó vật liệu được chứa trong một thiết bị riêng trong khi dung môi ở pha khí đi ra và được tái lưu thông trở lại cho thiết bị trích ly Khi nguyên liệu được chiết xuất hoàn toàn, yêu cầu thực hiện các bước sau ở thiết bị trích ly:

 Giảm áp suất

 Mở thiết bị trích ly

 Tháo bỏ vật liệu thải

 Nạp nguyên liệu mới

 Đóng thiết bị trích ly

 Điều áp để điều kiện hoạt động

b) Các thông số công nghệ

Tăng độ hòa tan của các hợp chất bằng cách tăng áp suất khai thác tại nhiệt độ không đổi

Áp suất: Ở áp suất gần với áp suất tới hạn, độ hòa tan của các hợp chất làm tăng vì giảm

nhiệt độ Tuy nhiên, ở áp suất cao, độ hòa tan của các hợp chất tăng bằng cách tăng nhiệt độ Hiệu ứng chéo dẫn tới tác động cạnh tranh của giảm khối lượng riêng của dung môi và tăng của áp suất hơi Áp lực mà tại đó các hiệu ứng chéo xảy ra phụ thuộc vào loại các hợp chất để trích xuất Phạm vi giao nhau cho hầu hết các hợp chất từ 20 đến 35 MPa

Độ hoà tan: Các điều kiện tách phụ thuộc vào độ hòa tan của các hợp chất tại áp suất và nhiệt độ khác nhau Nói chung áp suất tách được thực hiện tại 5-6 MPa Đối với các loại tinh dầu hoặc các thành phần dễ bay hơi, tách diễn ra tại 3-5 MPa và nhiệt độ thấp để thu hồi tối đa các thành phần quan tâm Đối với các loại dầu, sự phân riêng có thể diễn ra tại 15-20 MPa do độ hòa tan thấp trong carbon dioxide siêu tới hạn (CO2) theo các điều kiện trên

Kích thước và hình thái của vật liệu rắn có tác dụng trực tiếp lên hệ số truyền khối Nhìn chung, tăng diện tích bề mặt làm tăng tốc độ trích ly Vì vậy, nguyên liệu có kích thước hình học nhỏ hơn thường có hệ số truyền khối cao hơn, giảm thời gian nghỉ giữa hai lần trích ly cũng như có thể kiểm soát quá trình khuếch tán Kích thước hạt cần phải được đánh giá qua từng trường hợp dựa trên loại vật liệu để được xử lý phú hợp

Độ m: Tương tự như kích thước hạt, độ m phải được đánh giá th m định theo từng trường hợp Hàm m cao thường không được ưa chuộng vì độ m được xem như là một rào cản của quá trình truyền khối

3 Trích ly hợp chất từ chất lỏng bằng lưu chất siêu tới hạn

a) Nguyên tắc

Khi nguyên liệu nhập liệu ở trạng thái lỏng, quá trình trích ly thường được thực hiện trong cột trích ly ngược dòng Phần nguyên liệu đặc (dense merterial) được đưa vào từ phần giữa hoặc đầu cột, và dung môi với khối lượng riêng thấp hơn được đưa vào từ phần dưới của cột Quá trình thực hiện liên tục dẫn đến giảm chi phí vận hành hơn so với quá trình trích ly từ chất rắn Sơ đồ tổng hợp các dòng chảy trong quy trình được thể hiện trong hình 2.2.Các bước tách và tái sử dung của dung môi là tương tự như chiết xuất từ các chất rắn

Hình 2 2: Lưu đồ của một quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn

4 Thiết bị trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn

a) Giới thiệu một số thiết bị

Thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống quá trình sử dụng lưu chất siêu tới hạn (supercritical fluid processing - SFP) cần xem xét một số thông số và chi tiết kỹ thuật đặc trưng cho loại thiết bị này Nhiều loại phụ kiện đối với hầu hết các thiết bị không có sẵn hoặc không dễ dàng tìm thấy nhằm đáp ứng điều kiện hoạt động hoặc thiết kế của các hệ thống SFP Ví dụ, nhiều hệ thống SFP yêu cầu thiết kế vệ sinh cho sản ph m thực ph m, dược ph m dinh dưỡng (nutraceutical), hoặc dược ph m cao hơn

so với các thiết bị chế biến thông thường Do đó cần nêu rõ yêu cầu với nhà cung cấp

để được cung cấp những phụ kiện phù hợp Trong những điều kiện đặc biệt có thể gặp phải khi hoạt động thường xuyên hoặc xảy ra sự cố lớn mà cần các loại vật liệu đặc biệt