SUPERKRITICKÁ EXTRAKCE OBSAH 1. Superkritické kapaliny a jejich vlastnosti 2. Využití superkritických kapalin 3. Superkritická extrakce pomocí sc-co 2 4. Experimentální uspořádání sc-co 2 5. Využití sc-co 2 6. Výhody a nevýhody sc-co 2 SUPERKRITICKÉ KAPALINY A JEJICH VLASTNOSTI Superkritické kapalina (SCF) je definována jako sloučenina existující v jediném kondenzovaném stavu nad svým kritickým tlakem (P c ) a kritickou teplotou (T c ) s vlastnostmi mezi plynem a kapalinou. Hustoty kapalné a plynné fáze se vyrovnají a rozdíly mezi nimi mizí 1
SCF A JEJICH VLASTNOSTI Superkritické kapaliny mají obecně hustotu blízkou kapalinám ( využitelné jako kapalné rozpouštědlo) a viskozitu podobnou plynům ( lépe proniká do porézních materiálů) U superkritických kapalin se nesetkáme s povrchovým napětím a neexistuje žádné rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází. Vyšší difuzivita a nižší viskozita SCF vůči kapalině vyšší rychlost extrakce Srovnání hustoty, viskozity a schopnosti difundovat pro typické plyny, kapaliny a superkritické kapaliny SCF A ROZPUSTNOST Schopnost SCF rozpouštět je silně závislá na jejím tlaku a teplotě Pro nižší tlaky: s teplotou klesá Pro vyšší tlaky: s teplotou stoupá Vhodné nahradit tlak hustotou! Rozpustnost SCF za dané teploty roste s hustotou! Rozpustnost SCF za dané hustoty roste s teplotou! Rozpustnost naftalenu v sc(co 2) Rozpustnost naftalenu v sc(co 2) SCF A ROZPUSTNOST Všechny superkritické kapaliny jsou navzájem úplně mísitelné. Směs je jediná fáze v případě překročení kritického bodu směsi. Kritický bod binárních směsí může být určen aritmetickým průměrem kritických teplot a tlaků daných komponent T c (mix) = x(a) * T c (A) + x(b) * T c (B) p c (mix) = x(a) * p c (A) + x(b) * p c (B) 2
KRITICKÉ HODNOTY TLAKU A TEPLOTY U VYUŽÍVANÝCH SFC VYUŽITÍ SCF Superkritická extrakce (SCE) Extrakce žádoucí látky (rostlinné extrakty, ale využití i v jaderném průmyslu a při nejaderných extrakcí kovů) Odstranění nežádoucí látky z produktu (odstranění kofeinu z kávy) Separace vzorků pro analytické účely Rozpouštědlo chemických syntéz Polymerační reakce: možnost získání polymerů s různou molekulovou hmotností díky měnící se hustotě reakčního média jednoduchou změnou tlaku. Kr ystalizace organických látek Sterilizace pomocí sc -CO 2 Objevují se stále nové možnosti využití SUPERKRITICKÁ EXTRAKCE Superkritická fluidní extrakce je proces separace jedné složky od ostatních použitím superkritické látky jako extrakčního rozpouštědla snadno odstranitelný Nerozpouští polární Extrahuje se obvykle z pevného povrchu, ale může to být i z zdravotně nezávadný látky a ionty (nemá kapaliny nehořlavý dipólový moment) levný Sc-CO 2 : neškodný pro životní prostředí Oxid uhličitý je nejpoužívanější superkritická kapalina, někdy modifikovaná přídavkem malého množství jiného rozpouštědla, např. ethanolu či methanolu Extrakční podmínky pro CO 2 jsou nad kritickou teplotu 31 C a kritický tlak 74 bar. Přidáním modifikátoru se mohou tyto hodnoty změnit 3
PŘÍKLADY ROZPUSTNÝCH A NEROZPUSTNÝCH LÁTEK PRO SC-CO 2 CO 2 je látkou nepolární, má tedy limitované rozpouštěcí schopnosti pro polární látky. Jeho rozpouštěcí schopnosti lze modifikovat přidáním různých příměsí (např. methanol, ethanol), ty však již za normálních podmínek nejsou plynnými látkami, čímž ztrácíme jednu z výhod sc-co 2. VELMI DOBŘE ROZPUSTNÉ vonné látky esenciální oleje estery, alkoholy aldehydy, ketony DOBŘE ROZPUSTNÉ rostlinné oleje barviva polyfenoly Vosky VELMI ŠPATNĚ ROZPUSTNÉ cukry škroby bílkoviny minerální soli RYCHLOST SFE A OPTIMALIZACE Na rychlost mají vliv dva základní faktory 1. Difuze (difuze solventu do matrix, difuze extrahované látky z matrix) 2. Rozpuštění extrahované látky v extrakčním činidle a) Rozpuštění je rychlejší než difuze Optimalizace: zlepšení difuze např. zvýšením teploty b) Difuze je rychlejší než rozpuštění Optimalizace: např. zvýšením průtoku extrakčního činidla EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ 1. Mechanické rozmělnění materiálu a uložení do extraktoru 2. CO 2 kompresorem ztlačen nad p c, ohřán nad t c a přiveden do extraktoru 3. Samotná extrakce 4. Expanze z vysokého tlaku do p atm (expanzní ventil) 5. Plynný CO 2 (bez schopnosti rozpouštět) se oddělí od extraktu a putuje zpět do kompresoru 4
EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ Extrakce rostlinného oleje, Jižní Korea, 2 x 3800 litrů, 550 bar OBLAST VYUŽITÍ FARMACEUTICKÝ PRŮMYSL potravinové doplňky, léčiva extrakty např. z: palma trpasličí, brutnák lékařský, pupalka dvouletá, konopí seté KOSMETIKA oleje a extrakty z květů, listů a kořenů rostlin esence z rostlin a koření využití při výrobě: parfémů, voňavek, mastí, olejů extrakty např. z: konopí seté, měsíček lékařský, pupalka dvouletá, brutnák lékařský CHEMICKÝ PRŮMYSL regenerace katalyzátorů a absorpčních médií extrakce organických sloučenin z vodných roztoků krystalizace teplotně citlivých látek POTRAVINÁŘSTVÍ extrakce rostlinných a živočišných tuků a olejů esence z rostlin a koření přírodní vitamíny chmelový extrakt odstraňování kofeinu z kávy KÁVA BEZ KOFEINU Extrakce kofeinu z kávy je nejvýznamnější průmyslovou aplikací superkritické extrakce oxidem uhličitým. Cele zelené boby se navlhčí vodní parou a extrahují protékajícím superkritickým CO 2 Selektivní extrakce káva se zbaví až 97% kofeinu Výhody: snadné oddělení rozpouštědla, není třeba sušit 5
VYUŽITÍ VE FARMACII Konopí seté Brutnák lékařský Extrakce účinných látek z rostlin Měsíček lékařský Pupalka dvouletá Palma trpasličí VÝH DY X NEVÝH DY rozpustnost může být ovlivněna tlakem či teplotou SCF jsou snadno obnovitelné a odstranitelné z extraktu díky jejich těkavosti separace, kterou není možné provést za běžných podmínek může být efektivní(např. termicky labilní sloučeniny mohou být extrahovány s minimálním rozkladem, přírodní látky se dají získat bez ztráty aroma) rozpouštědlo (CO 2 ) je látka zdravotně nezávadná, nehořlavá, levná a šetrná k živ. prostředí pro svou čistotu dovoluje extrakt široké využití rychlost extrakce je požadován vysoký tlak vysoké náklady na zařízení 6