Là quá trình phân tách một hay một số chất từ hỗ hợp (dược liệu, hỗn hợp nguyên liệu) bằng cách sử dụng chất lỏng CO2 siêu tới hạn như một dung môi. Gore (1891) là người đầu tiên phát hiện ra khả năng hòa tan tốt của Napptalen và Camphor trong CO2 lỏng.
Sau đó Andrews (1875) đã nghiên cứu về đặt tính của CO2 ở trạng thái siêu tới hạn. Tuy nhiên tới đầu những năm 1970 công nghệ chiết xuất các hợp chất tự nhiên bằng dung môi CO2 siêu tới hạn (SC-CO2) mới thực sự phát triển và đi vào ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm như loại cafein trong cà phê và chè xanh, chiết xuất dầu vừng đen, chiết polyphenol từ chè xanh, chiết xuất các hoạt chất chống oxy hóa, chiết xuất các tinh dầu, hương liệu từ thực vật sử dụng trong mỹ phẫm, thực phẩm…
Các phế liệu Khối lượng ( % ) Hàm lượng Pectin ( % ) Hiệu suất thu hồi ( % ) Vỏ xanh 8 ÷ 11 - - Cùi trắng 15 ÷ 30 3,1 15,6 Vỏ múi 8 ÷ 12 5,8 25,2 Vỏ hạt 3 ÷ 3,5 5,3 12,4 Bã tép 10 ÷ 16 5,2 -
Nguyên lý
Bất kỳ dung môi nào cũng sẽ ở trạng thái siêu tới 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 [21].
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[15].
Chúng 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. Ở mỗi điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau sẽ tương ứng với mỗi một đối tượng cần chiết tách khác nhau. Khi ở trạng thái này CO2 có đặt tính: - Không còn ở thể lỏng, nhưng độ tan tương tự như một chất lỏng (do nhiệt độ
cao).
- Nhưng chúng vẫn chưa thành thể khí, chúng có khả năng khuếch tán và hòa tan nhanh các hoạt chất trong dược liệu (do áp suất cao). Có độ nhớt phase lỏng (dễ xâm nhập vào mẫu).
- Có khả năng truyền khối lớn phase khí (chiết xuất được cạn kiện hoạt chất). - Dung môi thông dụng nhất: Dioxytcarbon CO2 (không phân cực) điểm siêu tới
hạn ở 310C/73atm nên dễ đạt, dễ duy trì. Dễ áp dụng ở quy mô công nghiệp, không cháy nổ, anh toàn, than thiện với môi trường.
- Hòa tan ít chlorophyll, sáp, carotenoid.
- Không tan trong đường, protein, thuốc trừ sâu, acid amin, tannin.
Ưu điểm của phương pháp:
CO2 có điểm tới hạn thấp (gần với nhiệt độ phòng, áp suất thấp).
- Các hoạt chất ít bị oxy hóa hay phân hủy bởi nhiệt độ và oxy hòa tan. Vấn đề thiết kế hệ thống chiết xuất đảm bảo đủ áp lực siêu tới hạn cũng dễ dàng hơn. - Khả năng ứng dụng cho quy mô sản xuất công nghiệp cũng thuận lợi. Thay thế
hoàn toàn dung môi, không để lại dấu vết của các dung môi hữu cơ trong sản phẩm. Sản phẩm sau khi chiết không còn tồn dư dung môi vì CO2 dễ dàng chuyển sang trạng thái khí và bay hơi toàn bộ sau khi giảm áp suất, nhiệt độ xuống điểm tới hạn. Vì vậy hoạt chất chiết xuất theo phương pháp này rất phù hợp đối với các sản phẩm dung thực phẩm, thuốc, mỹ phẩm.
- CO2 làm giảm đáng kể các hoạt động vi sinh.
- Độ tan của SC-CO2 thay đổi khi áp suất và nhiệt độ đạt siêu tới hạn thay đổi, nên chúng sẽ hòa tan chọn lọc các chất khác ở nhiệt độ, áp suất tương ứng. thông thường các tinh dầu được chiết ở áp suất dưới 100bar, trong khi các chất béo được chiết ở áp suất cao hơn.
- Thời gian chiết xuất ngắn: Do chất lỏng siêu giới hạn có hệ số khuếch tán cao hơn chất lỏng, trong khi độ nhớt thấp, sức căng bề mặt nhỏ nên khả năng khuếch tán cảu dung môi vào trong tế bào nhanh hơn vì vậy thời gian chiết được ngắn hơn chất lỏng thong thường.
- Không thay đổi hoặc mất mùi hương thơm, màu sắc, tự nhiên ban đầu của hoạt chất. không tạo ra mùi, vị lạ do SC-CO2 là chất trơ, không mùi vị và bay hơi hoàn toàn khi thay đổi trạng thái siêu tới hạn.
- CO2 không ăn mòn thiết bị, không gây cháy nổ trong qáu trình vận hành, an toàn, thân thiện với môi trường, giá thành rẻ, dễ kiếm. ngoài ra còn tái sử dụng trong thời gian dài.