Đang tải... (xem toàn văn)
1. Lịch sử của phương pháp SCO2 [1] Những đặc tính của khí nén CO2 đã được quan tâm cách đây hơn 130 năm. Năm 1861, Gore là người phát hiện ra CO2 lỏng có thể hoà tan comphor và naphtalen một cách dễ dàng và cho màu rất đẹp nhưng lại khó hoà tan các chất béo. Tuy nhiên, từ năm 1875-1876 Andrew lại là người nghiên cứu về trạng thái siêu tới hạn của CO2, tức là CO2 chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nhưng vẫn chưa đạt ở dạng khí hoàn toàn mà ở điểm giữa của hai trạng thái lỏng- khí. Những kết quả của ông đo về áp suất, nhiệt độ CO2 ở trạng thái này rất gần với các số liệu mà hiện nay đang sử dụng. Một thời gian sau, Buchner (1906) cũng công bố về một số hợp chất hữu cơ khó bay hơi nhưng lại có khả năng hoà tan trong SCO2 cao hơn nhiều trong CO2 lỏng. Năm 1920 - 1960 hàng loạt các công trình nghiên cứu về dung môi ở trạng thái siêu tới hạn ra đời. Đó là các dung môi như: etanol, metanol, di-ethyl eter.. và các chất tan dùng để nghiên cứu: các chất thơm, tinh dầu, các dẫn xuất halogen, các tri-glyxerit và các hoạt chất hữu cơ khác. Mặc dù vậy CO2 vẫn được lựa chọn dùng trong phương pháp này vì nó có các tính chất mà dung môi khác không có. Cho đến thập kỷ 80, công nghệ SCO2 mới thật sự phổ biến và được nghiên cứu một cách sâu rộng hơn. 2. Phương pháp SCO2 2.1. Nguyên lý của phương pháp Bất kỳ dung môi nào cũng sẽ ở trạng thái siêu giới hạn nếu tồn tại ở nhiệt độ và áp suất trên giá trị tới hạn. Đối với mỗi chất thông thường, dưới mỗi một điều kiện nhất định chúng sẽ tồn tại ở một trạng thái nào đó trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí. Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng. Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà ở đó, nếu nâng dần nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không thể trở về trạng thái khí, mà rơi vào một vùng trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn (supercritical). Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính trung gian giữa khí và lỏng [2]. Vì vậy khi CO2 được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn của nó (trên TC = 310C, PC = 73,8 bar), CO2 sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn. Tại trạng thái này CO2 mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách của quá trình trích ly và đặc tính phân tách của quá trình chưng cất.[3] Nó có khả năng hoà tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu ở cả 3 dạng rắn, lỏng, khí. Sau quá trình chiết, để thu hồi sản phẩm chỉ cần giảm áp suất thấp hơn áp suất tới hạn thì CO2 chuyển sang dạng khí ra ngoài còn sản phẩm được thoát ra ở bình hứng.
1 Lịch sử phương pháp SCO2 [1] Những đặc tính khí nén CO2 quan tâm cách 130 năm Năm 1861, Gore người phát CO2 lỏng hồ tan comphor naphtalen cách dễ dàng cho màu đẹp lại khó hồ tan chất béo Tuy nhiên, từ năm 1875-1876 Andrew lại người nghiên cứu trạng thái siêu tới hạn CO2, tức CO2 chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí chưa đạt dạng khí hồn tồn mà điểm hai trạng thái lỏng- khí Những kết ông đo áp suất, nhiệt độ CO2 trạng thái gần với số liệu mà sử dụng Một thời gian sau, Buchner (1906) công bố số hợp chất hữu khó bay lại có khả hoà tan SCO2 cao nhiều CO2 lỏng Năm 1920 - 1960 hàng loạt cơng trình nghiên cứu dung môi trạng thái siêu tới hạn đời Đó dung mơi như: etanol, metanol, di-ethyl eter chất tan dùng để nghiên cứu: chất thơm, tinh dầu, dẫn xuất halogen, triglyxerit hoạt chất hữu khác Mặc dù CO2 lựa chọn dùng phương pháp có tính chất mà dung mơi khác khơng có Cho đến thập kỷ 80, cơng nghệ SCO2 thật phổ biến nghiên cứu cách sâu rộng Phương pháp SCO2 2.1 Nguyên lý phương pháp Bất kỳ dung môi trạng thái siêu giới hạn tồn nhiệt độ áp suất giá trị tới hạn Đối với chất thông thường, điều kiện định chúng tồn trạng thái trạng thái rắn, lỏng khí Nếu nén chất khí tới áp suất đủ cao, chất khí hóa lỏng Tuy nhiên, có giá trị áp suất mà đó, nâng dần nhiệt độ lên chất lỏng khơng thể trở trạng thái khí, mà rơi vào vùng trạng thái đặc biệt gọi trạng thái siêu tới hạn (supercritical) Vật chất trạng thái mang nhiều đặc tính chất khí chất lỏng, nghĩa dung mơi mang tính trung gian khí lỏng [2] Vì CO2 đưa lên nhiệt độ, áp suất cao nhiệt độ, áp suất tới hạn (trên TC = 310C, PC = 73,8 bar), CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn Tại trạng thái CO2 mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách q trình trích ly đặc tính phân tách q trình chưng cất.[3] Nó có khả hồ tan tốt đối tượng cần tách khỏi mẫu dạng rắn, lỏng, khí Sau q trình chiết, để thu hồi sản phẩm cần giảm áp suất thấp áp suất tới hạn CO2 chuyển sang dạng khí ngồi cịn sản phẩm bình hứng Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất khác tương ứng với đối tượng cần chiết tách khác 2.2 Ưu điểm phương pháp SCO2 so với phương pháp truyền thống Sản phẩm có chất lượng cao: tinh dầu có màu, mùi tự nhiên, không lẫn nhiều thành phần không mong muốn, với hợp chất tự nhiên tách chất có hoạt tính cao Khơng cịn lượng dung môi dư Tách hoạt chất với hàm lượng cao Không gây ô nhiễm môi trường Là phương pháp có cơng nghệ cao an tồn với sản phẩm tự nhiên 2.3 Ưu điểm dung môi SCO2 [2] Tính chất hố lý SCO2: CO2 trạng thái siêu tới hạn có đặc tính bật như: - Sức căng bề mặt thấp - Độ linh động cao - Độ nhớt thấp - Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng chất lỏng - Khả hòa tan dễ điều chỉnh nhiệt độ áp suất Ưu điểm so với dung môi khác: - CO2 chất dễ kiếm, rẻ tiền sản phẩm phụ nhiều ngành cơng nghệ hố chất khác - Là chất trơ, có phản ứng kết hợp với chất cần tách chiết - Không bắ lửa, khơng trì cháy - Khơng làm ô nhiễm môi trường - CO2 không độc với thể, khơng ăn mịn thiết bị - Có khả hoà tan tốt chấtỏ tan hữu thể rắn lỏng, đồng thời hoà tan lẫn chất thơm dễ bay Có chọn lọc hồ tan, khơng hồ tan kim loại nặng dễ điều chỉnh thông số trạng thái để tạo tính chất lựa chọn khác dung mơi - Khi CO2 hố khơng để lại cặn độc hại Các chất có khả tan tốt SCO2 - Các aldehyde, ketone, ester, alcohol, halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ trung bình - Các hydrocacbon mạch thẳng, khơng phân cực, phân tử lượng thấp có mạch cacbon 20, hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ 3 Ứng dụng phương pháp SCO2 giới.[4] Hiện công nghệ chiết SCO2 áp dụng phổ biến để chiết tách hoạt chất sử dụng ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, hoạt chất thiên nhiên Một số nước ứng dụng công nghệ quy mô công nghiệp với số sản phẩm định,ụụ Đức nước có nhà máy cơng nghiệp tách loại cafein khỏi nhân cà phê áp dụng công nghệ SCO2 hãng HAG.A.G xây dựng vào năm 1979 3.1 Ứng dụng công nghệ tách cafein cà phê chè [5] Ngành công nghệ nước giải khát phát triển thị hiếu ngưòi tiêu dùng ngày nâng cao Điều địi hỏi nhà sản xuất phải ln tìm kiếm cơng nghệ để đáp ứng chất lượng thị hiếu người tiêu dùng Trong cơng nghệ nước uống cà phê chè việc loại cafein, chất kích thích thần kinh khơng có lợi cho sức khoẻ gây vị chát điểm quan tâm nhà công nghệ Giải pháp hữu hiệu sử dụng công nghệ SCO2 để chiết tách cafein khỏi cà phê chè, áp dụng Châu âu, sau Bắc Mỹ Với cơng nghệ hàm lượng cafein giảm xuống cịn < 0.1% sản phẩm 3.2 Các ứng dụng khác [6,7] - Phương pháp SCO2 áp dụng để chiết hoạt chất từ hoa huplon để dùng công nghệụ bia dược phẩm với sản lượng lớn (ở Đức sản lượng chiết hoa huplon công nghệ SCO2 10.000 tấn/ năm), sản xuất sản phẩm thực phẩm có hàm lượng chất béo thấp sản phẩm khơng cholesterol sản phẩm chức khác - Đối với nghành mỹ phẩm công nghệ sinh học, phương pháp SCO2 dùng để chiết tách tinh dầu, tinh dầu quý như: tinh dầu lavande, hoàng đàn, hương lau, nhài, bưởi để phục vụ cho công nghiệp sản xuất nước hoa, đặc biệt loại nước hoa cao cấp thực phẩm Tinh dầu chiết phương pháp có đặc trưng tự nhiên nhất, độ tinh khiết cao Tách hoạt chất hữu ích từ nghệ, chè, gừng để làm chất chống oxy hố, kem dưỡng da, ví dụ chiết polyphenol từ chè xanh để làm chất chống nhăn da, chống oxy hoá, giữ ẩm cho da polyphenol có kem đánh có tác dụng diệt khuẩn, chiết hoạt chất từ lô hội làm kem làm trắng da - Cịn nghành dược phẩm, cơng nghệ dùng SCO2 nghiên cứu để chiết tách hoạt chất chữa bệnh tăng cường sức khoẻ từ nguồn nguyên liệu thảo mộc - Không áp dụng phương pháp nghành công nghiệp sản xuất sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, giới nghiên cứu phương pháp ngành công nghiệp khác Tại Bỉ, người ta nghiên cứu để đưa công nghệ SCO2 vào việc tách nguyên tố nguyên tố phóng xạ nghành cơng nghiệp xạ Do ta thấy việc sử dụng phương pháp dùng SCO2 mở phương pháp kỹ thuật mà tiềm có tác động lớn đến nhiều nghành công nghiệp quan trọng giới ... cứu trạng thái siêu tới hạn CO2, tức CO2 chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí chưa đạt dạng khí hồn tồn mà điểm hai trạng thái lỏng- khí Những kết ông đo áp suất, nhiệt độ CO2 trạng thái. .. Vì CO2 đưa lên nhiệt độ, áp suất cao nhiệt độ, áp suất tới hạn (trên TC = 310C, PC = 73,8 bar), CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn Tại trạng thái CO2 mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách. .. dần nhiệt độ lên chất lỏng khơng thể trở trạng thái khí, mà rơi vào vùng trạng thái đặc biệt gọi trạng thái siêu tới hạn (supercritical) Vật chất trạng thái mang nhiều đặc tính chất khí chất