Описание технологии сверхкритической CO2-экстракции

Метод СО2-экстракции и оборудование

Среди нескольких технологий сверхкритической флюидной экстракции (СКФ- экстракции) самой ранней разработанной, наиболее исследованной и промышленно развитой технологией, несомненно, является технология сверхкритической СО2-экстракции. СКФ-СО2-экстракция это процесс отделения одного компонента (экстрагента) от другого (матрицы) с использованием сверхкритического углекислого газа в качестве экстрагирующего растворителя. Сверхкритическая СО2-экстракция используется, в частности, в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности для извлечения натуральных веществ: ароматов, жиров, масел, восков, полимеров, ферментов и красителей, фосфолипидов и т.д. CO2 является природным и экологически чистым растворителем, который имеет преимущества перед синтетическими и вредными средами, такими как н-гексан, по многим параметрам.

Как идут процессы сверхкритической СО-экстракции и отделения экстракта в установках СКФ-СО2-экстракции?

Несмотря на кажущуюся сложность, процесс СО2-экстракции очень прост и безопасен. Проходит он довольно быстро, за 1-2 часа, и включает в себя следующие этапы в непрерывном циклическом режиме работы установки:

загрузка измельченного сушеного сырья в картридж;
загрузка картриджа в экстрактор;
герметизация экстрактора, пропитка сырья газом и вытеснение воздуха;
компрессия СО2 до сверхкритического давления, подогрев до сверхкритической температуры;
прокачка сверхкритического СО2 через сырье в картридже;
фильтрация сверхкритического СО2, насыщенного экстрактом;
отделение СО2 от экстракта в сепараторах;
охлаждение СО2 с повторной его подачей в рабочий цикл установки сверхкритической экстракции через буферную емкость;
экспозиция;
слив экстракта из сепараторов;
перезарядка картриджа сырьем по завершении экспозиции.

Зачем использовать углекислотную экстракцию?

Углекислый газ является наиболее распространенным природным соединением, используемым при экстракции под высоким давлением. Он выгодно отличается в сравнении с другими растворителями, используемыми для экстракции компонентов животного и растительного сырья. Во-первых, углекислый газ является нетоксичным веществом, которое легко доступно по более низким ценам, чем другие растворители. Кроме того, углекислый газ экологически безопасен, с ним легко работать, и он создает превосходный готовый экстракт, как правило, без каких-либо побочных продуктов и следов. Температурой, временем, расходом и давлением экстракции можно управлять, чтобы обеспечить точное извлечение нужных экстрагируемых веществ.

Принцип извлечения при СКФ-СО2-экстракции

Установка сверхкритической СО2-экстракции использует сверхкритический углекислый газ в качестве разделяющей среды (экстрагента) для достижения эффективного извлечения определенных компонентов (растворимых веществ) из матрицы сырья. Газ даже при комнатной температуре при высоких давлениях сначала становится жидкостью, а потом при дальнейшем повышении давления приобретает свойства и жидкости и газа одновременно. В таком сверхкритическом состоянии он способен быстро, легко и безвредно проникать внутрь матрицы сырья и растворять в себе экстрагируемые вещества, насыщаясь ими. Давление и движение газа в контуре экстракции создает специальный циркуляционный насос высокого давления. Насыщенный экстрактом сверхкритический СО2 из экстрактора перекачивается циркуляционным насосом к сепараторам установки, где отделяется от экстракта и возвращается на повторный цикл экстракции. Непрерывно отделяющийся экстракт накапливается в сепараторах и сливается оператором установки через донный патрубок сепараторов по мере необходимости (по времени).

Преимущества установок СО2-экстракции

Углекислый газ в сверхкритическом состоянии обладает отличными характеристиками массопереноса, интенсивность которого легко и довольно точно настраивается в установке сверхкритической СО2-экстракции посредством изменения давления и температуры экстракции. Поэтому установки сверхкритической СО2-экстрации могут выполнять функции и экстрактора, и дистиллятора одновременно. Такое преимущество дает уникальную возможность решения технологических задач избирательного извлечения нужных веществ из сырья;
СО2-экстракты и проэкстрагированный материал не содержат остаточных растворителей. После завершения экстракции ничего не остается, так как углекислый газ испаряется, не оставляя следов в конечном продукте;
Безопасность и экологичность;
Низкие эксплуатационные затраты;
Универсальность (можно обрабатывать любое сухое животное и растительное сырье с содержанием влаги до 10%).

Процесс экстракции

Продукты, полученные с помощью сверхкритического CO2, в основном - смесь летучих масел, спиртов, эфиров, сложных эфиров, смол и других липофильных химических компонентов. Размер установки сверхкритической СО2-экстракции будет варьироваться в зависимости от количества обрабатываемого сырья в единицу времени. Разовые загрузки сырья могут быть размером от 10 граммов и до сотен килограммов. Некоторые установки сверхкритической СО2-экстракции по запросу автоматизируются, и в таком случае эксплуатационному персоналу клиентов не нужно присутствовать во время работы установки, а выполнять лишь операции загрузки и выгрузки сырья и готовой продукции соответственно. Цикл экстракции в зависимости от свойств исходного сырья обычно занимает 1 или 2 часа времени.

Для проведения процесса сверхкритической СО2-экстракции сырье должно быть измельчено и помещено в экстракционный сосуд в специальном экстракционном картридже. После установки картриджа в экстрактор и закрытия крышки экстрактора оператор наполняет экстрактор углекислым газом для вытеснения воздуха из матрицы сырья. Затем оператор запускает в работу циркуляционный насос, нагнетая сверхкритический CO2 в экстракционный сосуд, где он встречается с сырьем и растворяет в себе все необходимые экстрагируемые вещества. Степень и селективность извлечения экстрагируемых веществ зависит от заданных режимов работы установки: температуры, давления и подачи газа. Их оператор задает перед началом работы. Далее сверхкритический СО2 с растворенными в нем экстрагируемыми веществами направляется в разделительные сосуды – сепараторы, в которых газ отделяется от экстракта и направляется в буферную емкость с целью повторного использования в процессе экстракции. Таким образом, после загрузки сырья и запуска установки СО2-экстракции в работу процесс идет автоматически. Отделившийся экстракт накапливается в нижней части сепараторов установки, и может быть слит оператором в удобное ему время и в любую тару с открытым верхом (ведро, банка, бутылка, мензурка, пробирка и т.д.).

Сорастворитель в СО2-экстракции

Для веществ с большей полярностью (таких как флавоноиды, сапонины, алкалоиды и т.д.) часто добавляют небольшое количество поляризатора (или сорастворителя, соэкстрагента, сореагента, модификатора), чтобы увеличить полярность СО2 и повысить способность растворять привлекательные вещества с большей полярностью.

Добавление небольшого количества сорастворителя, такого как этиловый спирт С2Н5ОН, позволяет не только увеличить плотность сверхкритической жидкости, но, что более важно, образовать новую сильную межмолекулярную силу с некоторыми молекулами растворенного вещества, тем самым улучшая селективность, скорость и полноту процесса экстракции. Наше оборудование позволяет вести процесс сверхкритической СО2-экстракции с сорастворителем.

Преимущества технологии СО2-экстракции

Существует бесчисленное множество преимуществ СО2-экстрактов, благодаря которым они приобрели огромную популярность.

Некоторые из них перечислим:

100% экологичные и натуральные. С целью получения чистейшей формы CO2-экстрактов процесс экстракции осуществляется при более низкой температуре с использованием диоксида углерода, который не только нетоксичен, но и не имеет запаха.
Без следов химического растворителя. Нет серьезных опасений по поводу следов СО2 в готовых экстрактах, поскольку в процессе их экстракции при температуре окружающей среды используется только сверхкритический диоксид углерода и ничего более.
Ярко выраженные терапевтические свойства. Процесс экстракции CO2 обладает большой способностью получать максимальный уровень терапевтических компонентов из всех морфологических частей растительного и животного сырья: корни и корневища, стебли, цветы, семена растений, споры грибов, мускусы животных, отходы переработки гидробионтов и т.д.
Приятный натуральный аромат. Экстракты класса CO2 широко ценятся за их естественный аромат, который соответствует аромату исходного сырья, поскольку они извлекаются без использования синтетического растворителя и высоких температур.
Отсутствие примесей. Метод экстракции CO2 является идеальным выбором для получения 100% натуральных экстрактов, поскольку они не извлекаются из продуктов на основе производных нефти, таких как гексан или бутан.
Естественная пространственная структура молекул. Благодаря химической нейтральности СО2 молекулы готовых экстрактов сохраняют неизменную природную пространственную структуру молекул и потому абсолютно безопасны для применения в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.
Отсутствие бактериальной обсемененности готовых экстрактов. Даже в аспекте бактериальной обсемененности, СО2-экстракты являются наиболее безопасными. Это обусловлено высоким давлением их производства в изолированном от окружающей среды контуре, в котором от высокого давления вся микрофлора, в том числе патогенная, погибает.
Высокая степень контроля процесса экстракции. Используя сверхкритический CO2, производитель полностью контролирует процесс экстракции простым изменением его технологических режимов.
Многократное использование растворителя. CO2 может использоваться повторно в цикле экстракции неограниченное количество раз, что делает этот метод более экологически чистым по сравнению с другими.
Выход при использовании сверхкритического CO2 выше, чем при других методах экстракции. Выход и состав продукта можно легко варьировать, регулируя физические свойства газа путем изменения настроек установки СО2-экстракции.
Широта применения и неограниченные возможности сбыта. Экстракты, полученные в результате сверхкритической экстракции CO2, привлекательны сразу для нескольких отраслей промышленности: пищевой, косметической и фармацевтической.
Более высокая селективность, поскольку сольватирующую способность жидкости можно регулировать путем изменения температуры и давления.
Более низкая вязкость и более высокая диффузионная способность сверхкритических жидкостей обеспечивают более быстрый массообмен растворенных веществ из пористых материалов.
Может выполняться при низких температурах, что делает процесс идеальным для извлечения термочувствительных соединений.
Экстракты, растворенные в сверхкритическом углекислом газе, могут быть отделены в установке практически без остатка растворителя.
Установки СКФ-СО2-экстракции могут быть соединены с ГХ-МС или ЯМР анализаторами, что позволяет мгновенно извлекать, анализировать и количественно определять извлеченные молекулы.
СО2-экстракция может проводиться в различных масштабах: аналитическом (проба менее 1 г), препаративном (сотни граммов пробы), пилотном (килограммы пробы) и промышленном (от сотен килограмм до многотонных партий).
В промышленных масштабах сверхкритический диоксид углерода обычно используется повторно, что сводит к минимуму образование отходов.
Полученные сверхкритические СО2-экстракты легко могут храниться при комнатной температуре.

В чем разница между докритической и сверхкритической СО2-экстракцией?

Установки СО2-экстракции доступны в двух формах: сверхкритическое извлечение и докритическое извлечение. Это схожие методы экстракции, имеющие основное отличие в давлении экстракции, которое существенным образом влияет на выход готового экстракта.

Сверхкритическая СО2-экстракция

Докритическая СО2-экстракция

CO2 достигает сверхкритической температуры при температуре немного выше комнатной, что означает, что он может быть преобразован в жидкость, что позволяет безопасно извлекать летучие активные соединения, которые могут разлагаться при нагревании. Сверхкритическая газовая экстракция (СКФ-СО2) использует CO2 в таком состоянии, когда он проявляет свойства как газа, так и жидкости. В этой сверхкритической фазе он проходит через растительный материал, как газ, но растворяет в себе экстрагируемые вещества, как жидкость.

Сверхкритическая экстракция CO2 является наиболее распространенным методом извлечения, используемым для коммерческих целей, поскольку она обеспечивает более высокий выход экстрактов и гораздо быстрее. Похвальным является отсутствие конкурентных способов извлечения.

Докритическая СО2-экстракция представляет собой аналогичный процесс, но с меньшим давлением газа в контуре экстракции. Выход докритических СО2-экстрактов в сравнении со сверхкритическими меньше, а сам процесс экстракции более продолжительный во времени. Значение растворимости растворенного вещества в докритическом СО2 меньше на порядок, чем в сверхкритическом СО2. Многие природные вещества, такие как каротиноиды и другие, невозможно эффективно извлечь докритическим СО2. Исчерпывающая экстракция липофильного комплекса невозможна. Удручающим фактом является еще и высокая конкуренция со стороны производителей жидкостных и сверхкритических СО2-экстрактов, в том числе полученных с применением сорастворителя.

Различия между методом холодного отжима, методом СО2-экстракции, методом паровой дистилляции и методом экстракции органическим растворителем

Холодный отжим	СО2-экстракция	Паровая дистилляция	Экстракция органическим растворителем
Используется для добычи базовых масел	Используется для получения масел высшего качества	Используется для добычи эссенциальных масел	Используется для добычи абсолютов
Для экстракции используются маслянистые семена, орехи и маслосодержащие ягоды (облепиха)	Для экстракции используются все морфологические части растений, такие как листья, цветы, стебли и т.д. Полученные экстракты обладают ярко выраженным терапевтическим эффектом	Для экстракции эссенциальных масел используются цветки и соцветия, лепестки и листья растений	Любая желаемая часть растения может быть использована для экстракции
Маслоотделение производится за счет сжатия материла при сильном прессовании в ограниченном пространстве	Сверхкритический CO2 используется в качестве растворителя	Вода и пар используется в качестве носителя для извлечения масла из ароматных частей растений	Используются небезопасные растворители: гексан, этанол, метанол или петролейный эфир
В процессе отжима используется механическое давление 40-1100 (обычно до 600) атм. и температура до 60С	Для извлечения липофильных экстрактов, в том числе масел, требуется только высокое давление. Процесс СО2-экстракции происходит при умеренной температуре от 25С	Чтобы получить конечный продукт, используется высокая температура, что приводит к частичной деградации молекул биологически активных веществ	В процессе применяется умеренный нагрев от 30 до 80С

Безопасна ли СО2-экстракция?

Когда это делается обученным персоналом, CO2-экстракция является одним из самых безопасных и доступных методов извлечения. С точки зрения окружающей среды и здоровья углекислый газ не токсичен и пожаробезопасен, в отличие от углеводородных нефтяных растворителей, таких как бутан или пропан.

CO2 может похвастаться еще одной особенностью, которая также повышает его безопасность для здоровья человека. Любой остаточный CO2, который сливается вместе с экстрактом, испаряется, поэтому в продукте его не остается.

СО2-экстракция лучше, чем другие методы?

Безопасность и нетоксичность CO2-экстракции, как правило, делает ее более привлекательным вариантом, чем другие методы экстракции. Универсальность технологии также обеспечивает преимущество перед другими методами. Изменение температуры и давления позволяет извлекать вещества избирательно, что позволяет настраивать процесс экстракции для различных производственных задач и рецептур конечных продуктов. Главное, что характер самого процесса CO2-экстракции, как правило, приводит к получению превосходного по качеству продукта.

Лучше ли СО2-экстракция, чем холодное прессование (холодный отжим масла)?

Масло холодного отжима получают путем прессования масличных семян или фруктов с использованием прессов из нержавеющей стали.

Сырье сдавливается в ограниченном объеме пространства, и под воздействием такого давления отделяется масло. Несмотря на название, в процессе отжима масла из-за трения выделяется большое количество тепла, в результате чего температура масла поднимается в среднем до 60 ° C, а температура жмыха иногда до температуры выше 100° C. Чтобы продаваться как продукт холодного отжима, сырье перед прессованием не должно нагреваться до довольно «горячих» 60° C. Точно так же, как если бы ваша рука подверглась воздействию этих 60° C, чувствительные к температуре вещества могут оказаться поврежденными, и многие из их терапевтических свойств будут утрачены. К тому, же масло холодного отжима взаимодействует с кислородом воздуха в подогретом состоянии, и процессы его окисления не исключены.

СО2-экстракты лучше всего, потому что бескислородная среда и низкие температуры обработки сырья особенно важны при извлечении хрупких масел, таких как, например, масло шиповника.

Поддерживая низкие температуры и экстрагируя все "активные" компоненты, мы можем сохранить и защитить все ботанические терапевтические свойства готовых экстрактов.

Этот процесс обеспечивает в два раза больше регенерирующих стеринов и в пять раз больше каротиноидов, чем обычное масло из семян шиповника, полученное прессованием. Благодаря этому биологическая активность и срок хранения СО2-экстрактов выше примерно в 3-5 раз.

СО2-экстракты лекарственного сырья имеют потрясающие естественный цвет и аромат, который надо увидеть.

Для чего используется сверхкритическая СО2-экстракция?

Применение технологии сверхкритической СО2-экстракции в основном включает:

извлечение полезных компонентов с высокой добавленной стоимостью (натуральные пигменты, ароматизаторы и вкусовые добавки, пищевые или лекарственные ингредиенты и т.д.) или удаление вредных компонентов из натуральных продуктов; селективное извлечение линейных алканов или ароматических углеводородов; регенерация адсорбентов (таких как активированный уголь); отделение мономеров или остаточных растворителей от полимеров, отделение азеотропов; разделение изомеров; контроль загрязнения окружающей среды (например, извлечение ионов металлов или органических веществ из растворов сточных вод, извлечение загрязняющих веществ из почвы, обработка ядерных отходов и многое другое).

Применение сверхкритической СО2-экстракции в пищевой промышленности

Сверхкритическая СО2-экстракция биологически активных веществ хмеля.

Использование сверхкритической СО2-экстракции липофильного комплекса хмеля значительно улучшило качество пивоваренных ингредиентов, представленных на рынке, так как сваренное с применением СО2-экстракта пиво обладает отменными пенообразованием и вкусом.

Сверхкритическая СО2-экстракция пищевых масел

Применение сверхкритической CO2-экстракции растительных масел является широко распространенным и общепризнанным технологическим процессом.

Ученые и практики провели много исследований экстракции масла сои, арахиса, семян подсолнечника, пальмовых семян, рисовых отрубей, зародышей пшеницы, зародышей кукурузы и других зерновых культур. Пищевые масла, полученные с помощью СО2-экстракции не требуют проведения процесса рафинации. Выход масел достигает 98% ботанической масличности.

Помимо экстракции масел зерновых СО2-экстракция все больше применяется для экстракции масел тмина, черного перца, фенхеля, имбиря, мускатного ореха, гвоздики, облепихи, семян конопли, кожуры и семян томата, семян шиповника, винограда и т.д. Из некоторого сырья, такого как, например, томат и облепиха, с помощью установки сверхкритической СО2-экстракции можно извлекать натуральные жирорастворимые красители с высокой биологической активностью: ликопин и B-каротин.

Сверхкритическая СО2-экстракция натуральных пищевых красителей

По сравнению с традиционным методом экстракции органическим растворителем, технология сверхкритической CO2-экстракции не загрязняет продукт остатками вредного растворителя и не вызывает негативного влияния на окружающую среду. Она предотвращает термическое разложения экстракта при высокой температуре, защищая активность биологически активных веществ и может сохранять натуральные вкус и аромат экстракта.

Поэтому технология сверхкритической жидкостной экстракции CO2 была применена для извлечения и очистки натуральных пищевых красителей, таких как красный пигмент стручкового перца, ликопин, β-каротин.

Сверхкритическая СО2-экстракция натуральных ароматизаторов

В традиционном методе экстракции натуральных ароматизаторов по-прежнему присутствует фактор термической обработки, который обязателен при проведении водно-паровой дистилляции.

Дистилляция водяным паром и нагревание при экстракции органическим растворителем приводят к разрушению некоторых термочувствительных или химически нестабильных компонентов эфиромасличных растений, что вызывает изменение уникального аромата, вкуса и цвета готовых экстрактов.

Метод сверхкритической жидкостной экстракции CO2 позволяет проводить весь процесс разделения при комнатной температуре, при этом CO2 не токсичен и не имеет остаточных негативных явлений для продукта и человека, поэтому он особенно подходит для разделения и очистки нестабильных натуральных продуктов, что подходит для производства экстрактов с нативным ароматом сырья.

Сверхкритическая СО2-экстракция ингредиентов для БАД

Сверхкритическая жидкостная экстракция CO2 является идеальным методом разделения при экстракции природных лекарственных веществ.

Почти все эффективные ингредиенты лекарственных трав могут быть сохранены, в основном, включая флавоноиды, алкалоиды, кумарины, летучие масла и другие химические вещества.

Дополнительная информация по процессам СО2-экстракции

В последние годы в процессе изменения мировоззрения современного человека в сторону приверженности к укреплению своего здоровья натуральными природными концентратами сверхкритической экстракции уделяется все больше внимания, поэтому она набирает огромную популярность среди производителей пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.

Кроме того, аналитическая сверхкритическая углекислотная экстракция используется для предварительной обработки биологических образцов для анализа на следовые лекарственные препараты, и она показала привлекательные перспективы применения с точки зрения постепенной замены некоторых традиционных методов, демонстрируя более быстрое и безопасное, экономическое и экологически безвредное превосходство.

Что может извлекать сверхкритический СО2?

Установка сверхкритической СО2-экстракции без применения сорастворителя отлично извлекает липофильные неполярные вещества с малой молекулярной массой.

Практика показывает, что сверхкритические СО2-экстракты в основном представляют собой смесь летучих масел, жиров, спиртов, простых и сложных эфиров, смол и других липофильных химических компонентов.

Почему сверхкритическая СО2-экстракция лучше, чем паровая дистилляция для извлечения эфирных масел?

При паровой дистилляции молекулярный состав, как матрицы сырья, так и экстрагируемого эфирного масла, изменяется в зависимости от температурного воздействия пара. С другой стороны, CO2-экстракт по химическому составу ближе к исходному растению, из которого он получен, поскольку негативное температурное воздействие при извлечении исключено, и состав СКФ-СО2-экстракта имеет более широкую линейку и выход извлеченных веществ. СКФ-СО2-экстракты полностью сохраняют аромат и биологическую активность веществ сырья.

Температура экстракции низкая. Критическая температура CO2 составляет всего 31℃, а критическое давление - 73 атм, что может эффективно предотвращать окисление, рассеивание и реакцию термочувствительных компонентов. У установки сверхкритической СО2-экстракции высокая эффективность извлечения и низкое энергопотребление. Операции извлечения и разделения в установке СКФ-СО2-экстракции объединены в одно целое. Когда сверхкритический СО2 насыщен растворенными в нем веществами и проходит через сепаратор, падение давления приводит к тому, что CO2 и экстракт быстро возвращаются в две отдельные фазы (разделение газа и жидкости) и немедленно отделяются друг от друга. Процесс фазового перехода не требует дорогостоящей отгонки растворителя и прост в эксплуатации.

Технологический процесс СО2-экстракции очень простой, и в качестве параметров для настройки процесса экстракции можно использовать как давление, так и температуру. Вблизи критической точки небольшие изменения температуры и давления вызовут значительные изменения плотности CO2, что приведет к изменению растворимости экстрагируемого вещества. Это может быть достигнуто путем регулирования температуры или давления для достижения цели извлечения нужных веществ в нужном количестве.

Экологичность сверхкритических СО2-экстрактов

Применение углекислого газа обеспечивает более чистый и здоровый продукт. В отличие от органических растворителей, таких как бутан и гексан, СО2-экстракт не содержит растворителей или химических остатков. Он также пригоден для вторичной переработки и в долгосрочной перспективе лучше для людей и для нашей планеты в целом.

Технологический процесс является коротким, нетрудоемким и использует небольшое количество производственных площадей. В то же время он действительно экологически чист. Углекислый газ после отделения от продукта возвращается назад в цикл экстракции для повторно использования, и не будет загрязнять окружающую среду. Именно поэтому заводы, оборудованные установками сверхкритической СО2-экстракции могут по праву иметь статус «зеленых производств»

Как расширить функционал установки сверхкритической СО2-экстракции?

Полярность СО2 может быть легко изменена путем добавления сорастворителя. Таким образом вы сможете извлекать группы полярных веществ, доступных в докритических режимах экстракции.

На заметку производителю СО2-экстрактов

Значение растворимости растворенного вещества в докритическом СО2 меньше на порядок, чем в сверхкритическом СО2.

CO2 обладает сильным эффектом гомогенизации. Исследования показали, что по меньшей мере 140 соединений могут образовывать гомогенное смешиваемое состояние с СО2 при умеренном давлении и комнатной температуре, то есть жидкий СО2 и сверхкритический СО2 может смешиваться со многими неполярными и слабополярными растворенными веществами, такими как углеродные нормальные алканы с менее чем 12 атомами, нормальные алкены с менее чем 10 атомами углерода, низшие спирты с менее чем 6 атомами углерода в основной цепи и низшие жирные кислоты с менее чем 10 атомами углерода в основной цепи. Сложноэфирные соединения не более 12 атомов углерода, где их число в спиртовой основе меньше или равно 4, низкоуглеродистые альдегиды с атомами углерода менее 7, низкоуглеродистые кетоны с атомами углерода менее 8, низкоуглеродистые эфиры с атомами углерода менее 4 и т.д.

Хотя сверхкритический СО2 при среднем давлении обладает превосходной растворимостью для вышеупомянутых алифатических углеводородов и низкополярных липофильных соединений, по мере увеличения числа атомов углерода, то есть с увеличением длины цепи и молекулярной массы, его растворимость изменится от смешиваемого состояния до частичной растворимости.

Растворимость многоатомных спиртов, поликислот и множественных гидроксильных и карбоксильных соединений в сверхкритическом СО2 чрезвычайно низка.

Высокополярные вещества, такие как сахара, аминокислоты, крахмалы, белки и т.д., почти нерастворимы в сверхкритическом СО2, поэтому они не будут экстрагироваться. На фоне этого при извлечении масел из масличных зерновых культур способом сверхкритической СО2-экстракции можно получать 2 дорогостоящих продукта: масло и белковая мука. Белковую муку охотно скупают производители функциональных продуктов для спортивного питания, а также производители коктейлей и продуктов натуральных каш быстрого приготовления.

Сверхкритический СО2 практически нерастворим в соединениях с молекулярной массой более 500.

Владея этой информацией вы поймете, может ли необходимое вещество быть извлечено сверхкритическим СО2, а также выбрать диапазон веществ, которые могут быть использованы в качестве сореагента, когда в процессе экстракции СО2 необходимо добавить сореагент.

Каков наилучший метод обработки сырья перед экстракцией

Основными факторами, влияющими на эффект экстракции в процессе предварительной обработки, являются содержание воды и размер частиц материала.

Предварительная обработка сырья включает в себя операцию сушки и измельчения (дробление, нарезка и т.д.). Для сохранения термочувствительных веществ сырья в процессе сушки лучше использовать холодные атмосферные сушилки, которые вы также можете заказать у нас.

Влияние содержания воды на сверхкритическую СО2-экстракцию

Эффективность сверхкритической СО2-экстракции определяется контактом экстракционного растворителя с фосфолипидами мембран растительных клеток и цитоплазматическими телами, эффективностью взаимной растворимости и скоростью массопереноса липофильных веществ клеточную стенку.

Для повышения скорости экстракции ключевым моментом является разрушение непрерывной водной пленки на границе раздела клеток и органелл, чтобы экстракционный растворитель мог эффективно контактировать и растворяться с компонентами сырья. Если содержание воды слишком большое, содержание полярных соединений в экстракте будет увеличиваться, в то время как растворимость неполярных соединений уменьшится. Влажность сырья более 12% такж может привести к обледенению и блокировке контура экстракции.

Влияние размера частиц на сверхкритическую СО2-экстракцию

Хотя сверхкритический CO2 обладает лучшими характеристиками массопереноса и более высокой скоростью диффузии, этапом управления, на котором растворенное вещество в твердом веществе переносится в сверхкритическую жидкую фазу CO2, является скорость диффузии растворенного вещества в твердом веществе. Чем мельче частицы сырья, тем быстрее растворитель проникнет в его глубь и выйдет из него, будучи насыщенным растворенными веществами. Таким образом, размер частиц сырья оказывает значительное влияние на эффективность процесса экстракции.

Но, слишком мелкий размер частиц усугубит тепловой эффект сверхкритической границы раздела фаз и еще может забить механический фильтр картриджа, в который загружено сырье. Хотя повреждение клеточной стенки растения в это время более полное, оно увеличивает объемную плотность сырья, и проницаемость сырья для растворителя ухудшается, в результате чего CO2 только течет по «набитым каналам» и плохо «промывает» сырье. Это делает извлечение неравномерным. В то же время также возможно быстрое образование плотных комков под давлением, что может повлиять на выход экстракта, и в то же время разница давлений между передней и задней частями экстрактора резко возрастет, что сделает экстракцию невозможной. Рекомендованная крупность частиц – 200 мк.

Каковы оптимальные параметры сверхкритической СО2-экстракции?

Рабочие параметры экстракции в основном включают давление и температуру экстракции, время экстракции, гидромодуль, процент ввода соэкстрагента и т.д. Плотность CO2 задается давлением экстракции, температурой, а также тем и другим.

Каково наилучшее давление сверхкритической СО2-экстракции?

Способность к растворению у углекислого газа пропорциональна его плотности. Вблизи критической точки, если давление немного изменится, его плотность будет иметь относительно большое изменение.

Следовательно, для многих твердых или жидких растворенных веществ, если растворенное вещество и растворитель не являются взаиморастворимыми бесконечно, растворяющая способность сверхкритического СО2 и давление имеют значительную корреляцию.

При различных давлениях диапазон экстрагируемых веществ различен. Извлечение низкомолекулярных эфирных масел (ароматических компонентов) проходит уже под низким давлением, по мере увеличения давления, диапазон экстрагируемых веществ расширяется, но зависимость не линейна. Когда давление повышается до 300 атм., растворяющая способность увеличивается уже медленно, что не касается таких веществ, как, например, B-каротин и астаксантин, которые требуют давлений экстракции 600-800 атм.

В то же время давление связано со стоимостью оборудования, безопасностью и производственными затратами. Поэтому при производстве давление не следует повышать неограниченно только для увеличения производительности, и следует учитывать комплексные показатели, такие как ресурсы продукта и общие эксплуатационные параметры. Оптимальными установками для коммерческого использования являются те, которые способны работать в диапазоне максимальных рабочих давлений от 250 до 330 атм. Установки СО2-экстракции с меньшим рабочим давлением не годятся для коммерческого использования, так как в большинстве случаев не могут обеспечить экономически оправданный выход готовых экстрактов. Исключение составляют установки с рабочим давлением от 80 до 120 атм., которые могут применяться в процессах извлечения эфирных масел. Но, согласитесь, покупать себе дорогую установку, однобокую с точки зрения ассортимента групп перерабатываемого сырья, не совсем разумно, так как желательно в запасе иметь дополнительный функционал, который всегда позволит удовлетворять любой спрос, возникающий в пределах рынка СО2-экстрактов.

Какова наилучшая температура сверхкритической СО2-экстракции?

По мере повышения температуры тепловое движение молекул ускоряется, вероятность столкновения друг с другом возрастает, как и коэффициент диффузии растворенного вещества.

Но когда давление высокое, плотность CO2 очень велика, сжимаемость мала, увеличение молекулярного расстояния, вызванное нагревом и ослаблением межмолекулярной силы, а также ускорение молекулярного теплового движения и увеличение вероятности столкновения, мало влияют на растворимость.

Когда давление существенно снижено, увеличение давления паров растворенного вещества, вызванное повышением температуры, недостаточно для компенсации снижения растворимости сверхкритического СО2, поэтому общий эффект все равно приводит к снижению концентрации растворенного вещества в сверхкритическом СО2.

Поэтому влияние температуры на процесс СО2-экстракции в меньшей степени выражено, чем влияние давления.

Для экстрагирования определенного вещества существует оптимальная температура экстракции, которая уравновешивает два вышеуказанных противоречия при оптимальных условиях давления.

Повышение температуры экстракции выше 50°C обычно приводит только к увеличению обводненности готовых экстрактов без особого влияния на выход целевых веществ. С другой стороны, при повышении температуры экстракции нарушается структура извлекаемых термолабильных веществ. Поэтому диапазон температур экстракции от 25°C до 50°C считается в профессиональной практике оптимальным для большинства экстрагируемых веществ.

Отделение растворителя в сепараторах установки СО2-экстракции

Рабочие параметры разделения включают давление и температуру разделения. Время циркуляции сверхкритического СО2 зависит от способности к извлечению растворенного вещества и коэффициента разделения сверхкритической жидкости.

После процесса экстракции плотность сверхкритического СО2 должна быть уменьшена для избирательного отделения экстракта в сепараторе. Для осуществления этого разделения, как правило, существует три метода регулировки: нагрев при постоянном давлении или снижение давления при постоянной температуре, или снижение давления и нагрев. Оптимальные условия эксплуатации должны быть получены с помощью специальных экспериментов.

Температура разделения

Когда давление отделения остается постоянным, по мере повышения температуры процесса разделения способность CO2 переносить вещества уменьшается, и экстрагируемые вещества легче выпадают на дно сепаратора, но селективность отделения в таком случае плохое, и нелегко получить более чистое отдельное вещество. Процесс сложен, а потери велики, что приводит к низкому выходу конечного продукта, и чем выше температура, тем больше вероятность потери летучих и термочувствительных веществ.

Для получения более чистых экстрактов или продуктов с более летучими компонентами и для защиты термочувствительных веществ необходимо искать меньшую температуру разделения.

Давление разделения

По мере снижения рабочего давления разделения плотность СКФ-CO2 уменьшается, так что растворенный в нем экстракт будет легче отделен в сепараторе. При дальнейшем снижении рабочего давления ниже найденного оптимума скорость разделения, как правило, остается прежней.

Когда давление отделения экстракта разное, химический состав экстракта также будет иметь определенную разницу. Поэтому многоступенчатое разделение, когда в установке экстракции 2 или более сепаратора, всегда лучше с точки зрения повышения селективности процесса. Например, при отделении укропного масла наличие только одного сепаратора с узким диапазоном регулируемого давления может привести к тому, что липидный комплекс вместе с пигментами, не сможет отделиться в нем. Наличие второго сепаратора с меньшим диапазоном регулируемых давлений решает эту задачу.

Поэтому разумная регулировка технологических параметров сепараторов является ключом к достижению цели разделения различных веществ.

Как получить наилучшие параметры сверхкритической СО2-экстракции при переработки вашего сырья?

В лабораторных технико-экономических исследованиях обычно используются такие методы, как метод наименьших квадратов, однофакторный тест или метод поверхности отклика, для изучения влияния различных факторов на скорость извлечения (или скорость извлечения) и селективность целевого вещества, чтобы оптимизировать соответствующие рабочие параметры. Также выявить оптимальные режимы экстракции можно с помощью опытно-промышленных тестов.

СО2-экстракция,

оборудование,

линия