استخراج مایعات فوق بحرانی

خانه / سایر موارد / استخراج مایعات فوق بحرانی

استخراج مایعات فوق بحرانی

در سایر موارد
استخراج مایعات فوق بحرانیReviewed by رضا فرضی on Sep 18Rating: 5.0 استخراج مایعات فوق بحرانی استخراج مایعات فوق بحرانی

Supercritical Fluid Extraction

زیر نظر استاد حکیم زاده

توسط : بهنام و هادیان

پاییز ۹۳

 استخراج مایعات فوق بحرانی

چکیده ارائه :

تاریخچه جداسازی و دلیل استفاده از سیال فوق بحرانی

تعریف سیال فوق بحرانی

خصوصیات سیال فوق بحرانی

روش عملیاتی استخراج با سیال فوق بحرانی

شماتیک عملکرد استخراج با دی اکسید کربن فوق بحرانی

عوامل اثر گذار بر استخراج با دی اکسید کربن فوق بحرانی

دلایل انتخاب حلال فوق بحرانی دی اکسید کربن

مزایای استفاده از دی اکسید کربن فوق بحرانی

مزایای استفاده از سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن

مزایای استفاده از سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن

مقایسه روش استخراج سنتی و مرسوم با دی اکسید کربن فوق بحرانی

معایب کلی استخراج با سیالات فوق بحرانی

موارد کاربرد دی اکسید فوق بحرانی در صنایع غذایی

نتیجه گیری

تاریخچه :

درمیان فرایندهای شناخته شده برای انجام عملیات جداسازی،فرایند تقطیر و استخراج اهمیت فراوانی داشته و از معمول ترین روشهایی میباشند که دیرباز شناخته شده و به کار رفته اند.

در برخی از فراینهای جداسازی نمیتوان از روش های معمول تقطیر و استخراج استفاده کرد که عمدتا به لحاظ مسائل اقتصادی می باشد. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد و نیاز به شرایط و تجهیزات خاص، بالا بودن نقطه جوش،نزدیک بودن نقطه جوش مواد مورد نظر، حساسیت مواد به دمای بالا ،تامین و بازیابی حلال از اهم مشکلات روش های مرسوم بود.

مثالی از مشکلات :

  1. افزایش قیمت انرژی در اوایل دهه ۷۰ و مشکلات اقتصادی کشور های صنعتی
  2. در فرایند استخراج با سیال فوق بحرانی بر خلاف عملیات استخراج مایع-مایع،بازیابی حلال با انبساط ناگهانی انجام می شود وبرای بازیابی حلال نیازی به عملیات تقطیر نیست،این موضوع باعث کاهش مصرف انرژی می شود.
  3. نیاز به مواد اولیه با درجه خلوص بالا در صنایع غذایی
  4. حلال های آلی مخصوصا حلال های کلر دار که در روش های قدیمی جداسازی مورد استفاده قرار میگیرند برای محیط زیست مضر هستند

سیالات فوق بحرانی:

در شرایط پایین تر از نقطه بحرانی تعادلات بخار مایع به صورتی است که بخار از سطح جدایش دو فاز و مایع در پایین سطح قرار می گیرند.باافزایش دما و فشار به تدریج دانسیته مایع کاهش یافته و دانسیته ی گاز زیاد می شود.در نقطه بحرانی(critical point) دانسیته ی دو فاز با یکدیگر برابر می شود و تشخیص سطح جدایش دو فاز غیر ممکن است.سیال در شرایط دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی،سیال فوق بحرانی نامیده می شود.

سیال فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی،مانند گازها (نفوذپذیری بالا و وسیکوزیته کم)واز نظر قدرت حلالیت ،شبیه حلال های مایع هستند.با توجه به این خواص،سیالات فوق بحرانی برای گستره وسیعی از مواد در خالص سازی،استخراج و تفکیک استفاده میشوند.

 

خصوصیات یک سیال فوق بحرانی

یک سیال فوق بحرانی خصوصیات مابین یک گاز و مایع را داراست

چگالی سیال فوق بحرانی تقریباً ۱۰۰۰ برابر چگالی حالت گازی می باشد که به همین دلیل قدرت حل کنندگی سیال فوق بحرانی بیشتر از گازها و مشابهه مایعات است .

سیال فوق بحرانی دارای نفوذ پذیری زیادتر و ویسکوزیته کمتری نسبت به حلالهای مایع است

این دو عامل انتقال جرم را کنترل کرده و باعث می شود که سیال فوق بحرانی خیلی سریع عمل کند .

سیال فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی،مانند گازها (نفوذپذیری بالا و وسیکوزیته کم)واز نظر قدرت حلالیت ،شبیه حلال های مایع هستند.با توجه به این خواص،سیالات فوق بحرانی برای گستره وسیعی از مواد در خالص سازی،استخراج و تفکیک استفاده میشوند.

روش عملیاتی استخراج با سیال فوق بحرانی:

به طور کلی برای استفاده از SCFE دو روش ارائه شده است.

روش اول تحت فشارهای بالا و به صورت ناپیوسته انجام می شود.

روش دوم به صورت پیوسته انجام می شود.

ولی به هر حال در هر دو روش فرایند استخراج فوق بحرانی به شرح زیر است:

در مرحله ی بارگیری(Loading) مخلوط خوراکی در تماس مستقیم با جریان SCF می شود.در این حالت یک یا چند ماده از مخلوط خوراکی جدا می شوند.می توان شرایط عملیاتی را طوری تنظیم نمود که تنها ترکیبات مورد نظر جدا شوند که این بستگی به نوع حلال و فشار و دما عملیات دارد.با کاهش دما در یک ظرف جداسازی میتوان مواد حل شده در سیال فوق بحرانی را بازیابی نمود.سپس حلال سرد شده و به مایع تبدیل می گردد و بعد از جمع آوری در یک ظرف ،مبدل حرارتی انتقال داده می شود تا مجددا مورد استفاده قرار گیرد

انتخاب حلال فوق بحرانی:

با انتخاب حلال مناسب هزینه های عملیاتی کاهش یافته و خلوص محصولات افزایش می یابد.حلال مصرفی باید ارزان و غیر سمی بوده و قدرت حلالیت بالایی داشته باشد.با توجه به تجربیات به دست آمده،در طراحی یک فرایند فوق بحرانی،معمولا اولین انتخاب حلال دی اکسید کربن Co2 است.چند دلیل عمده در انتخاب Co2 به شرح زیر است:
●   ارزان قیمت و قابل دسترس بودن
●   مناسب و بی اثر بودن از نظر شیمیایی جهت استفاده در فرایندهای غذایی و دارویی
●   شرایط بحرانی مناسب(۳۱٫۶ درجه سانتی گراد و۷۳٫۴اتمسفر)
●   غیر سمی بودن،غیر اشتعال بودن

عوامل تاثیر گذار بر استخراج با CO2 بحرانی

فشار :

همان طور که در شکل مشخص است میزان استخراج به طور معنی داری با افزایش فشار افزایش می یابد که ناشی از حل شدن ترکیبات روغنی می باشد.

دلیل افزایش حل شدن نیز افزایش قابلیت حلالیت co2 و کاهش حجم آن است

دما :

همانطور که در شکل دیده می شود در فشار ۱۰ Mpa با افزایش دما از ۳۰۸ به ۳۱۸ میزان استخراج کاهش می یابد چرا که دانسیته کاهش می یابد ولی درفشارهای بالا این مسئله بر عکس می شود..

اندازه ذرات:

همانطور که انتظار می رود میزان استخراج با کاهش اندازه ذره افزایش می یابد این مسئله آسیب دیدن سلول هایی می باشد که که طی آسیاب کردن صدمه دیده اند و در نتیجه روغن بیشتری را رها می کنند ئ این روغن ها به راحتی در معرض co2 بحرانی قرار گرفته و بنابراین به راحتی استخراج می شوند

سرعت جریان حلال :

همانطور که در شکل مشاهده می شود در مرحله اول با افزایش سرعت حلال میزان استخراج افزایش می یابد چون روغن از سطح بذر خارج میشود ولی در مرحله بعدی با افزایش سرعت جریان حلال میزان استخراج نسبت به قسمت اول کاهش می یابد چرا که در این مرحله روغن از اعماق بذر خارج می شود و چنانچه حلال مدت زمان بیشتری در تماس با بذر باشد میزان استخراج افزایش می یابد

انحلال پذیری مشابه مایعات و قدرت نفوذی مانند گازها :

حساسیت به تغییر دما،فشار،دانسیته و غلظت حلال برای ایجاد درجات آزادی مطلوب جهت تنظیم یا کنترل قدرت و حساسیت حلال برای بدست آوردن محصولی با کیفیت بالاتر

کمتر شدن میزان مصرف حلال در این روش

سلامت دمایی برای ترکیباتی که به دمای بالا حساسیت دارند

بازیابی کامل و آسان حلال

عدم ایجاد مشکلات زیست محیطی

کاهش زمان انجام فرایند

انتخاب پذیری بالا

مزایای استفاده از سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن :

۱٫کوتاهی زمان انجام فرایند

سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن ویسکوزیته نسبتا پایین تر ونفوذ پذیری نسبتا بالاتری را دارد.(نفوذ پذیری برای سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن ، تقزیباً۰٫۰۰۰۰۱ سانتی متر مربع بر ثانیه و برای حلال های مایع ۰٫۰۰۰۰۰۱ ، سانتی متر مربع بر ثانیه است ) بنابراین آن می تواند به مواد جامد متخلخل نسبت به حلال های مایع به طور موثرتری نفوذ کند و باعث انتقال جرم سریعتر شود که خود منجر به استخراج سریعتر می شود

  1. انتخاب پذیری بالا

قدرت حلالیت سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن می تواند بوسیله تغییر در دما یا فشار کنترل شود بنابراین آن می تواند به طور چشمگیری SELECTIVITY بالایی را فراهم کند این قدرت حلالیت سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن  به طور خاصی برای استخراج نمونه های پیچیده مانند اسانس های گیاهای مفید است

  1. سلامت دمایی برای ترکیباتی که به دمای بالا حساسیت دارند

سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن معمولا در دمای پایین انجام می شود آنقدر که ممکن است یک تکنیک ایده ال برای مطالعه ترکیبات حساس به حرارت باشد و ممکن است منجر به کشف ترکیبات طبیعی جدید شود برای مثال هنگامی که از سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن  برای استخراج مورد استفاده قرار گیرد از تعدادی واکنش های نامطلوب مانند هیدرولیز،اکسیداسیون ،تجزیه و تغییر ترکیب به طور موثرتری می تواند جلوگیری کرد .بنابراین مشکلاتی را که برای به دست آوردن کیفیت در تقطیر آبی کلاسیک بوجود می آید در سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن  می توان اجتناب کرد.

  1. هزینه تولید پائینی دارد

۵ . کمتر شدن میزان مصرف حلال در این روش

با سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن استفاده از حلال های آلی را کاهش می دهیم و روش سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن ممکن است به چند میلی لیتر از حلال های آلی نیاز داشته با شد در حالی که روش استخراج L-S ممکن است به ۱۰۰-۱۰ میلی لیتر نیاز داشته باشد .

  1. عدم ایجاد مشکلات زیست محیطی

در مقیاسهای بزرگ فرایندهای سیال فوق بحرانی دی اکسید کربن  ، معمولا co2 می تواند به علت فراریت آن از عصاره بازیابی شده و دوباره استفاده شود .

  1. بازیابی کامل وآسان حلال

محلولی که در CO2 فوق بحرانی حل شده باشد می تواند به آسانی بوسیله کاهش فشار جدا شود

  1. ۷. قابلیت کاربرد در تمامی مقیاس ها

SEF می تواند برای سیستمها در مقیاس های مختلف مثلا مقیاس های آنالیزی (کمتر از یک گرم به چندین گرم از نمونه )و برای مقیاس اولیه یا آماده سازی (چندصدگرم ازنمونه )و برای مقیاس های آزمایشی (چند کیلوگرم از نمونه )و برای مقیاس های صنعتی بزرگ (چند تن از مواد خام مانند SFE  برای لوبیای قهوه) به کار برده شود .

  1. SEF ارتباط مستقیمی با روش کروماتوگرافی دارد که می تواند یک وسیله ای برای استخراج و اندازه گیری ترکیباتی با فراریت بالا باشد .

مقایسه روش استخراج سنتی با دی اکسید کربن فوق بحرانی

معایب دی اکسید کربن فوق بحرانی :

  1. سرمایه گذاری بالایی برای تجهیزات نیاز است .
  2. فشار بالایی مورد نیاز است .
  3. کمپرس حلال نیاز به یک مقیاس بازیابی پیچیده دارد تا هزینه های انرژی را کاهش دهد .

موارد کاربرد دی اکسید کربن فوق بحرانی در صنایع غذایی

  1. استخراج روغن اسانس نعناع توسط دی اکسید کربن فوق بحرانی:

کارون یکی از مهمترین ترکیبات شیمیایی موجود در اسانس نعناع است که به کمک دی اکسید کربن فوق بحرانی استخراج شده است. تولید این مواد اولیه با کیفیت بالا و درجه خلوص قابل قبول و همچنین عاری از حلال،اهمیت زیادی دارد.

در این بررسی آزمایشگاهی برگ های نعناع در سایه و به طور طبیعی خشک شدند به صورت مکانیکی آسیاب و الک گردیدند،گاز CO2 با خلوص۹۹% به کار رفته است و فرایند به صورت نیمه پیوسته صورت گرفته است.

از آنجایی که مدل سازی ترموفیزیکی بسیاری از ترکیبات موجود در گیاهان تا کنون به شکل تجربی بدست نیامده،لذا ابتدا با استفاده از روابط تجربی مقادیرپارامتر هایی مانندPc و Tc و نیز ضریب بی مرکزیW محاسبه گردید.این روش متداولترین تکنیک جهت بدست آوردن حلالیت مواد در سیالات فوق بحرانی میباشد.نتایج بدست آمده از این مطالعات تجربی نشان میدهد که مقدار روغن اسانسی به صورت مجانب با افزایش فشار بالا می رود و همچنین اثر دما روی مقدار روغن اسانسی به صورت معکوس می باشد،یعنی با افزایش دما میزان روغن اسانسی کاهش می یابد.

  1. استخراج امگا ۳ از روغن ماهی کلیکا با استفاده از دی اکسید کربن فوق بحرانی:

دی اکسید کربن فوق بحرانی می تواند طی زمان کوتاه تری عمل استخراج اسیدهای چرب ضروری در روغن ماهی را نسبت به روشهای دیگر انجام دهد.اسید های چرب داخل روغن ماهی شامل اسیدهای چرب اشباع و غیر اشباع هستند.از بین اسیدهای چرب غیر اشباع آنهایی که اولین بند دو گانه آنها بر روی کربن شماره سوم است تحت عنوان امگا ۳ شناخته می شوند این اسیدهای چرب به علت خواص دارویی و منحصر به فردشان زیاد مورد توجه می باشند.در این مطالعه تجربی روغن ماهی کلیکا،اتانول۹% نرمال هگزان،تری فلراید متانول و سدیم هیدرکسید متانول ۲%،اسید هپتانوئیک،نیتروژن،هیدروژن و دی اکسید کربن با خلوص ۹/۹۹% ،به عنوان مواد اولیه استفاده قرار گرفتند.

نتایج بدست امده نشان می دهد که شرایط بهینه استخراج در محدوده مورد آزمایش فشار۲۵۰ اتمسفر و دمای ۴۱ ساتیگراد،۵/۶۸% پر کننده،۵%کمک حلال در نمونه و ۸/۲۴ دقیقه زمان دینامیک می باشند.روش استخراج اسیدهای چرب امگا۳ اگر چه هزینه ی عملیاتی بالا و محصول کمتر دارد،ولی محصول آن با کیفیت بالا می باشد و همچنین گزینش پذیری بالای این روش برای استخراج و جداسازی انواع اسیدهای چرب بسیار مناسبی است.

  1. استخراج کلسترول از چربی گاو به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی

 اگر چه چربی وگوشت گاو یک ماده غذایی پرمصرف است اما وجود مقدار زیاد کلسترول در آن باعث شده که برای اکثر مردم غیرقابل استفاده باشد. روش سنتی استخراج کلسترول, به وسیله مقدار زیادی حلال های کلردار مانند Dichloroethane) ) بوده است که سرطان زا هستند.

وادارامن N.vadaraman) )و همکارانش در سال۲۰۰۵ استخراج کلسترول از چربی گاو را با استفاده از دی اکسیدکربن فوق بحرانی بررسی کرده اند. مقدار کلسترول استخراج شده با افزایش فشار یا افزایش شدت جریان Co2 , افزایش می یابد.

  1. استخراج روغن زرده تخم مرغ به وسیله دی اکسید فوق بحرانی

پودر زرده تخم مرغ حاوی مقدار زیادی فسفولیپید است. فسفولیپید در صنایع غذایی, دارویی و آرایشی کاربرد زیادی دارد. زرده تخم مرغ علاوه بر فسفولیپید دارای کلسترول, گلیسرید, پروتئین و رطوبت است. قسمت عمده زرده تخم مرغ را کلسترول تشکیل داده است, برای به دست آوردن فسفولیپید بهتر است کلسترول از آن استخراج شود. به تازگی برای استخراج EYO , از دی اکسیدکربن فوق بحرانی استفاده می شود.

  1. پودر کردن روغن نارگیل به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی

یکی دیگر از کاربردهای سیالات فوق بحرانی به فرایند انبساط سریع محلول فوق بحرانی
مربوط می شود. در این روش با انبساط سریع سیال فوق بحرانی, ذرات حل شده در آن به صورت پودر با توزیع اندازه یکنواخت از سیال فوق بحرانی جدا می شود.

در صنایع شکلات سازی از روغن نارگیل به وفور استفاده می شود. برای استفاده بهتر و نیز نگهداری آسانتر, روغن نارگیل بهتر است به صورت پودر و به صورت کریستال های V شکل تولید شود.

  1. استخراج اسیدهای چرب از روغن سویا

روغن سویا از پرمصرف ترین روغن های دنیاست. در حال حاضر روغن سویا۵۴ درصد از روغن های موجود در بازار را تشکیل می دهد. در تولید روغن سویا مقدار زیادی مواد به عنوان لجن سویا (Soybean Sludge) به صورت جانبی تولید می شود. این محصول جانبی در طی مراحل تصفیه, تولید می شود که از اجزای زیادی از جمله توکوفرول (Tocopherol) (ویتامین E), استرول (Sterol) (کامپسترول (Campesterol) و سیسترول (Sitosterol) , اسکوآلن (Squalene) و اسیدهای چرب تشکیل شده است.

غلظت توکوفرول یا ویتامین سویا,۱۰ تا۱۳ درصد است. این ماده به عنوان آنتی اکسیدان و به عنوان افزودنی در صنایع غذایی استفاده می شود. استرول موجود در لجن سویا که غلظت کمی هم دارد یک ماده خام بسیار مهم در تولید هورمون ها و ویتامین ها است. اسکوآلن نوعی هیدروکربن است که بیشتر در تولید مواد آرایشی مو و در سنتز کلسترول به کار می رود. مِندز (M.F.Mendes) و همکارانش در سال۲۰۰۱ استخراج سایر مواد موجود در لجن سویا را به منظور بالا بردن غلظت ویتامین E موجود در آن مورد بررسی قرار دادند.

نتیجه گیری:

کاربردهای وسیع ذکر شده در مورد این سیالات به دلیل خواص منحصر به فرد آنها ست.سیالات فوق بحرانی از نظر نفوذ پذیری بالاو سیکوزیته کم مانند گازها و از نظر قدرت انحلال مانند حلالهای مایع رفتار میکنند. از مزایای استفاده از این سیالات،صرفه جویی در انرژی ،بازیابی کامل حلال از محصولات،انتخاب پذیری بالا در جداسازی ترکیبات مورد نظر از مخلوط و سلامت دمایی برای ترکیبات حساس به دما است.نکته قابل توجه در این فرایند ها امکان کنترل فرایند به وسیله تغییرات فشار و دما میباشد با توجه به مطالب بیان شده اینده بسیار روشنی در توسعه این فرایند در ابعاد گوناگون و جود خواهد داشت و محققین می توانند در مورد کاربردهای وسیعی از سیالات فوق بحرانی فعالیت کنند

رضا فرضی
رضا فرضی
رضا فرضی هستم متولد 71 در شهرستان دیر استان بوشهر، فارغ التحصیل مقطع کارشناسی رشته مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس بوشهر.
Recent Posts

ارسال نظر


*

Protected by WP Anti Spam

تماس با ما

پیغام خود را بگذارید تا در سریع ترین زمان پاسخگوی شما باشیم.

قابل خواندن نیست ؟ تغییر دهید.. captcha txt

متن خود را برای جستجو وارد نماید

electrodyalisHM