PHẦN 3 Các phương pháp
3.2. PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CO2 SIÊU TỚI HẠN 1 Định nghĩa CO 2 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.
3.2.1.1. Nguyên lý tạo thành CO2 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 3.11 – 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.
3.2.1.2. Tính chất của lưu chất siêu tới hạn
Hằng số tới hạn
Điểm tới hạn của một chất được xác định bởi nhiệt độ và áp suất, tại đó trạng thái pha lỏng và pha khí không thể phân biệt.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Khi một chất bị nén và gia nhiệt đến một áp suất và nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn thì chất đó chuyển sang một trạng khác được gọi là trạng thái siêu tới hạn. Nhiệt độ, áp suất và thể tích mol của một chất ở điểm tới hạn được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và thể tích mol tới hạn (Vc) tương ứng. Các tham số trên được gọi là hằng số tới hạn. Mỗi chất có một hằng số tới hạn nhất định (bảng 3.11).
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 3.25, Bảng 3.12).
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Bảng 3.12 – 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.
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).
r q q Eq . . 4 . 2 1 ε π =
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 200.105Pa. 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.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Hình 3.26 – Tỷ trọng và hằng số điện môi của CO2 theo áp suất ở 50oC.
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.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Hình 3.27 – 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.
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. Tuy nhiên, nhiệt dung đẳng tích chỉ thay đổi rất ít trong vùng tới hạn.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Hình 3.28 – Nhiệt dung riêng của CO2 ở 320oK.
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. Hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2 như một hàm của nhiệt độ ở vài áp suất.
Bảng 3.13 – Hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2.
Tóm lại, trạng thái dense phase hay 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
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
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).
Nhờ tính chất khuếch tán và hoà tan các chất khác mà CO2 ở trạng thái dense phase có thể tiêu diệt vi sinh vật và được áp dụng vào kỹ thuật thanh trùng, tiệt trùng mới không dùng nhiệt độ cao.
3.2.2. Nguyên tắc sử dụng CO2 siêu tới hạn trong phản ứng nội chuyển hóa ester
Sử dụng CO2 siêu tới hạn (Supercritical Carbon Dioxide – SC-CO2) thay thế cho dung môi hữu cơ để hòa tan cơ chất trong phản ứng nội chuyển hóa ester.
Những ưu điểm của SC-CO2 so với dung môi hữu cơ (Miller và cộng sự, 1991): Khả năng hòa tan chất béo cao hơn dung môi hữu cơ
Không hòa tan enzyme
Có thể tách khỏi hỗn hợp phản ứng một cách dễ dàng Giảm được hoạt độ nước trong phản ứng
Vì vậy, việc nghiên cứu SC-CO2 trong phản ứng enzyme là cần thiết để áp dụng phương pháp này vào quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là thiết bị phải chịu được áp suất cao, quá trình tốn rất nhiều năng lượng.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
3.2.3. Phương pháp
Aùp dụng SC-CO2 cho phản ứng nội chuyển hóa ester bằng enzyme cố định trong thiết bị dạng cột. Các thiết bị sử dụng được miêu tả trong Hình 3.30 gồm có: molecular sieve (chất hút ẩm), H2O chamber (bình chứa vải cotton ẩm), substrate chamber (bình chứa cơ chất), packed-bed reactor (thiết bị dạng cột chứa enzyme cố định).
Hình 3.30 – Mô hình hệ thống thiết bị trong phản ứng sử dụng SC-CO2
Khí CO2 được bơm qua hai chamber, tại đây khí sẽ được bão hòa hàm lượng nước và cơ chất. Dòng khí tiếp tục chuyển động đến thiết bị phản ứng với enzyme và thoát ra vào van 6 cửa (6-way sampling valve). Mẫu sẽ được lấy ra ở đây và khí CO2 sẽ được hoàn lưu trở lại thiết bị nhờ bơm HPLC. Toàn bộ thiết bị phản ứng phải được kiểm soát nhiệt độ ổn định và chịu được áp suất cao (3000psi).
3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp (Hakoda và cộng sự, 2002) 3.2.4.1. Hàm lượng nước
Nước là yếu tố quan trọng trong phản ứng nội chuyển hóa ester bằng enzyme lipase. Vì nước không những xúc tác cho phản ứng thủy phân mà còn đảm bảo cho hoạt tính enzyme
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
lipase ổn định. Tuy nhiên, hàm lượng nước bão hòa trong SC-CO2 cần phải được kiểm soát chặt chẽ để không tạo ra những sản phẩm thủy phân không mong muốn.
Để kiểm soát hàm lượng nước hấp phụ vào enzyme cố định mà đối với SC-CO2 thì yếu tố áp suất và nhiệt độ là quan trọng nhất (Hình 3.31).
Hình 3.31 – Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ nước lên enzyme Lipozyme IM Sự hấp phụ nước lên enzyme cố định phụ thuộc vào nồng độ nước bão hòa trong SC-CO2. Giữ áp suất cố định, khi nhiệt độ tăng thì hàm lượng nước hấp phụ giảm. Tương tự như vậy, khi nhiệt độ cố định, áp suất tăng hàm lượng nước hấp phụ sẽ giảm.
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Phần 3 – Phương pháp
Hình 3.32 – Ảnh hưởng của áp suất đến sự hấp phụ nước lên enzyme Lipozyme IM
3.2.4.2. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng
Thời gian lưu có ảnh hưởng đến sự chuyển đổi cơ chất, đồng thời hàm lượng nước hấp phụ trong enzyme cố định cũng quyết định thành phần sản phẩm.
Hình 3.33 – Ảnh hưởng của thời gian lưu và hàm lượng nước hấp phụ đến thành phần glyceride sau phản ứng
Nội chuyển hóa ester bằng enzyme Tài liệu tham khảo