Производство рыбьего (рыбного) жира
По определению, экстракция — это удаление растворимого материала из нерастворимого остатка, жидкого или твердого, после обработки растворителем. Скорость диффузии растворенного вещества через пограничный слой жидкости на границе раздела является определяющим фактором процесса. Экстракт, полученный обычными способами, обычно представляет собой нечистую жидкость, часто предназначенную для наружного применения.
Таким образом, высококачественные процедуры экстракции представляют значительный интерес для
Однако доступные в настоящее время традиционные методы экстракции требуют много времени, требуют различных растворителей, которые являются дорогостоящими, часто требуется стадия концентрирования для повышения выхода. Ограниченная селективность и разложение термолабильных соединений также являются недостатками таких методов. Используемые растворители и отходы, образующиеся в результате такой экстракции, также представляют опасность для окружающей среды. Идеальный метод экстракции должен быть быстрым, экологически безопасным, обеспечивать количественное извлечение без деградации, а экстракты должны легко отделяться от растворителя. Отныне необходимо заменить традиционные методы добычи альтернативными экологически чистыми технологиями с повышенной эффективностью добычи и низким воздействием на окружающую среду. Технологии вакуумно-импульсной экстракции и сверхкритической флюидной экстракции (СФЭ) предлагают множество функций, которые могут преодолеть многие ограничения традиционных методов экстракции.
Что такое СО2-экстракция?
Материя существует в трех наиболее распространенных агрегатных состояниях: твердой, жидкой и газообразной. Фаза чистого простого вещества зависит от температуры и давления. Фазовая диаграмма показывает фазы вещества при заданных температуре и давлении, а также показывает температуры и давления, при которых любые две фазы могут сосуществовать в равновесии Критическая точка относится к температуре и давлению, выше которых вещество уже не может сконденсироваться в жидкость. За пределами критической точки больше нет кривой равновесия, разделяющей области жидкости и газа. Таким образом, жидкая и газовая фазы больше не различимы. Эта область фазовой диаграммы называется сверхкритической флюидной областью.
Сверхкритическую жидкость можно определить как форму вещества, в которой жидкая и газообразная фазы неразличимы. Сверхкритические жидкости имеют большую плотность, сравнимую с жидкостями. В результате эти жидкости обладают сольватирующей способностью. Сверхкритический флюид по своим физико-химическим свойствам занимает промежуточное положение между жидкостями и газами. Как жидкостные, так и газообразные характеристики сверхкритических флюидов делают их уникальными для пищевой, косметической, фармацевтической и химической промышленности.
В частности, сверхкритические плотности флюидов, коэффициенты диффузии и вязкости попадают в диапазоны между жидкостями и газами.
Основные свойства сверхкритической жидкости приведены ниже:
- Сверхкритические флюиды ведут себя как газы и жидкости одновременно.
- Для большинства растворенных веществ сверхкритические флюиды обладают растворяющей способностью, аналогичной легким углеводородам.
- Растворимость в сверхкритических флюидах увеличивается с увеличением давления экстракции.
Сверхкритические жидкости
Наиболее популярным растворителем в сверхкритической флюидной экстракции является углекислый газ. Он недорогой, негорючий, нетоксичный, имеет низкую критическую температуру и коммерчески доступен даже при высокой чистоте. Растворитель сверхкритический CO2 имеет условия экстракции выше критической температуры 31 ° C и критического давления 74 бар.
Он может растворять триглицериды при концентрации до 1% масс. Другими используемыми растворителями в сверхкритической флюидной экстракции являются закись азота (веселящий газ), азот, пропан, аммиак, фтороформ, фреоны и вода. Но во всех случаях, кроме использования СО2, количество недостатков превышает количество достоинств.
Сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ).
Сверхкритическую флюидную экстракцию можно определить как процесс отделения одного компонента от матрицы с использованием сверхкритических флюидов в качестве растворителя. Экстракцию обычно проводят из твердой матрицы, но можно и из жидкостей. Сверхкритическая флюидная экстракция полезна в качестве этапа подготовки проб (для аналитических целей) или для удаления нежелательных веществ из продукта (например, декофеинизация) или для сбора желаемого продукта (например, эфирных масел). В СФЭ подвижная фаза подвергается воздействию давлений и температур, близких или превышающих критическую точку, с целью повышения сольватирующей способности подвижной фазы. Процесс начинается с CO2 в виде пара. Затем он сжимается в жидкость, прежде чем становится сверхкритическим.
Система сверхкритической флюидной экстракции извлекает химические соединения с использованием сверхкритического диоксида углерода вместо органического растворителя. Сверхкритическое флюидное состояние возникает, когда флюид находится выше своей критической температуры (Tк) и критического давления (Pк), когда он находится между типичным газом и жидким состоянием. Управление температурой и давлением жидкости может способствовать растворению интересующего материала и выборочному его извлечению. Образец помещается в экстракционный сосуд и находится под давлением CO2 для растворения извлекаемой части образца. Переносится в сборник фракций, давление в содержимом сбрасывается, и CO2 теряет сольватирующую способность, вызывая осаждение желаемого вещества. Отделенный в сепараторе СО2 возвращается в технологический цикл для повторного использования, а экстрагированный продукт сливается из донной части сепаратора в сборник готового продукта.
В сверхкритической флюидной экстракции наибольший интерес представляет применение сверхкритического диоксида углерода, поскольку он имеет критическую температуру, близкую к температуре окружающей среды (31°C), поэтому биологические материалы можно обрабатывать при температуре около 35°C. Преимущество здесь в том, что при небольшом снижении температуры или несколько большем понижении давления может привести к осаждению всего растворенного вещества. Кроме того, сверхкритический углекислый газ может извлекать продукт с минимальными остатками растворителя. Использование технологии СФЭ сделало возможным получение кофе без кофеина, сливочного масла без холестерина, нежирного мяса, масла вечерней примулы, сквалена из масла печени акулы и многого другого. Сольватационные характеристики сверхкритического CO2 можно модифицировать добавлением анестезирующего агента, такого как этанол.
Инструментарий СО2-экстракции
Инструментарий, необходимый для успешного выполнения сверхкритической СО2-экстракции, имеется в продаже. Процесс начинается с чистого источника жидкости, которым в большинстве случаев является баллон высокого давления с СО2. Насос установки СО2-экстракции используется для повышения давления жидкости выше ее критического давления. Рабочее давление экстракции определяется плотностью, необходимой для растворения целевых веществ из образца. Образец содержится в экстракционной камере, которая нагревается до желаемой температуры экстракции выше критической точки. Жидкость под давлением доводится до температуры в камере и позволяет ей течь через матрицу образца для извлечения целевых веществ. После растворения экстрагируемого вещества в сверхкритическом СО2, мисцелла поступает к ограничителю, который регулирует расход жидкости. Сепаратор поддерживает определенное давление мисцеллы в камере. В сепараторе в момент падения давления СО2 теряет свою сольватирующую способность и экстракт выпадает на дно сепаратора. После это можно сливать экстракт с донной части сепаратора.
Преимущества СО2-экстракции.
Экологическая безопасность: сверхкритическая флюидная СО2-экстракция является заменой жидкостной экстракции, в которой используются органические растворители, такие как гексан или дихлорметан, где существует вероятность наличия остатков растворителя в экстракте и матрице, и всегда существует некоторый уровень загрязнения окружающей среды в результате их использования. В то время как углекислый газ легко удалить, просто снизив давление, он практически не оставляет следов и к тому же безопасен для окружающей среды.
Применение СФЭ с СО2 также одобрено для органических продуктов. Углекислый газ в основном является побочным продуктом спиртовых производства или пивоварения, и его использование в СФЭ не вызывает дополнительных выбросов.
Селективность: изменяя давление и температуру, можно изменить растворяющую способность сверхкритической жидкости. Например, эфирные масла могут быть извлечены из растений при низком давлении (100 бар), тогда как экстракция при более высоком давлении также удалит липиды. С помощью СФЭ липиды могут быть удалены с использованием чистого CO2 при более высоких давлениях, а затем фосфолипиды могут быть удалены добавлением этанола к растворителю.
Скорость: это быстрый процесс, занимающий от 10 до 60 минут. Это процесс, основанный на диффузии, при котором растворитель должен диффундировать в матрицу, а экстрагированный материал должен диффундировать из матрицы в растворитель.
Чистота: сверхкритическую жидкость можно отделить от анализируемого вещества путем сброса
давления, так что продукт будет почти чистым.
Извлечение: извлечение проще по сравнению с обычными методами.
Сверхкритические жидкости дешевы, инертны и нетоксичны. Таким образом, их легко утилизировать после завершения экстракции, позволив им испариться в атмосферу.
Поскольку СФЭ имеет несколько различных физических свойств, она считается многообещающей альтернативой традиционной экстракции растворителем. Некоторые из ее основных преимуществ резюмируются следующим образом:
- Сверхкритические жидкости имеют более высокие коэффициенты диффузии и более низкую вязкость, чем жидкие растворители. Таким образом, растворимость и диффузионная способность в таких жидкостях, как правило, намного выше, чем в жидкостях.
- При сверхкритической экстракции сольватационная способность может регулироваться путем изменения давления (P) или температуры (T); таким образом, она может достичь удивительно высокой селективности. Эта сольватационная способность СФЭ полезна для выделения сложных образцов.
- При сверхкритической экстракции растворитель непрерывно проходит через образец, поэтому может обеспечить полную экстракцию.
- СФЭ по сравнению с обычными методами заключается в том, что она требует меньше времени и минимального использования органических растворителей. Было показано, что СФЭ в течение 30–60 мин обеспечивает более высокую степень извлечения, чем экстракция углеводородным растворителем по Сокслету в течение нескольких часов.
Некоторые примеры применения сверхкритической СО2-экстракции:
- производство рыбьего или рыбного жира.
- декофеинизация кофе и чая.
- извлечение эфирных масел.
- извлечение ароматизаторов из природных ресурсов (нутрицевтики).
- извлечение ингредиентов из специй и красного перца.
- извлечение жира из пищевых продуктов.
- фракционирование полимерных материалов.
- экстракция из природных продуктов.
- очистка фоторезиста.
- прецизионная очистка деталей.
Очистка рыбьего жирав
Полиненасыщенные жирные кислоты, особенно омега-3, незаменимы в питании человека, так как играют важную роль в организме и предотвращают ряд заболеваний. Рыба является традиционным источником масла и концентратов, обогащенных омега-3. Сверхкритическая флюидная экстракция была продемонстрирована как экологически чистый метод производства масла омега-3 и концентратов омега-3 без использования высоких температур и органических растворителей. Наиболее широко используемым СКФ является диоксид углерода, который считается зеленым растворителем. СО2 не токсичен, дешев и не горюч. Он имеет мягкие критические условия (Tк=31°С K и Pк=7,38 МПа), что позволяет перерабатывать термолабильные соединения, такие как омега-3 ПНЖК, и делает эксплуатационные расходы не слишком высокими, газообразен в условиях окружающей среды и поэтому легко отделяется от обработанных материалов после обработки. Сверхкритический CO2 также является хорошим растворителем жиров и масел, и было проведено множество исследований для определения растворимости различных компонентов масла, особенно компонентов рыбьего жира и родственных соединений, а также для изучения возможности экстракции и фракционирования масла. Сравнение масел, полученных с помощью сверхкритической флюидной экстракции над лиофилизированными рыбными побочными продуктами и другими методами (холодная экстракция, влажное восстановление и ферментативная экстракция), показывает, что сверхкритическая углекислотная экстракция является полезной технологией предотвращения окисления липидов, особенно в рыбьем жире, богатом в омега-3. Несмотря на более высокие затраты на инверсию, сверхкритическая флюидная экстракция имеет некоторые преимущества по сравнению с другими процессами экстракции. Кроме того, фракционирование экстракта в двух сепараторах после СФЭ является простым способом повышения качества рыбьего жира за счет снижения количества свободных жирных кислот, а также некоторых продуктов окисления.
Экстракция рыбьего жира в сверхкритической жидкости начинается с жидкого CO2. Затем давление будет увеличено выше его критического давления с помощью насосов. Затем жидкость под давлением будет поступать в экстракционный сосуд, где она будет нагреваться до температуры выше ее критической точки. Затем СК-СО2 взаимодействует с образцом рыбы, загруженным в экстракционную камеру, в течение необходимого времени эксперимента и при желаемом давлении. Затем СК-СО2 вместе с целевым извлеченным рыбьим жиром перемещается к ограничителю, поддерживающему высокое давление жидкости внутри экстракционного сосуда. В сепараторе давление СК-СО2 снижается до атмосферного и, как следствие, углекислый газ теряет сольватирующую способность. Масло будет собираться внутри сборного сосуда.
Повышение ценности рыбных побочных продуктов путем извлечения их масла представляет большой интерес для рыбной промышленности, особенно когда масло богато триглицеридами и имеет высокое содержание полиненасыщенных жирных кислот омега-3. Также известно, что процесс экстракции, используемый для получения жиров, богатых омега-3, важен для получения масла наилучшего качества в отношении окисления липидов, содержания загрязняющих веществ и органолептических свойств. Технология сверхкритической флюидной экстракции может предложить привлекательные возможности для получения рыбьего (рыбного) жира и преодолеть многие ограничения, существующие в других методологиях экстракции. СФЭ позволяет контролировать плотность жидкости путем изменения ее давления и/или температуры, что обеспечивает более высокую скорость экстракции. Сверхкритическую углекислотную экстракцию можно рассматривать как более устойчивую, чистую и безвредную для окружающей среды добычу рыбьего (рыбного) жира, предоставляя инструменты и технологии для будущего лабораторного и промышленного развития. Можно ожидать, что разумное, систематическое развитие сверхкритической СО2-экстракции превратит ее в выгодную альтернативу традиционной твердо-жидкостной экстракции, чтобы можно было полностью реализовать реальный огромный потенциал.