Fluido supercrítico (SCF) significa que cuando un objeto está por encima de su temperatura crítica (Tc) y presión crítica (Pc), el gas no se licuará, pero la densidad aumentará, con resultados similares. propiedades de un líquido conservando las de un gas.
Los fluidos supercríticos tienen las ventajas tanto de los gases como de los líquidos. La densidad es cercana a la de los líquidos y la solubilidad es fuerte. La viscosidad es cercana a la de los gases. El coeficiente de difusión es mucho mayor que el de los líquidos ordinarios. es beneficioso para la transferencia de masa. Además, la tensión superficial del fluido supercrítico es cero y penetra y difunde fácilmente en los microporos del material extraído. Por lo tanto, el fluido supercrítico tiene buenas características de disolución y transferencia de masa, y puede alcanzar rápidamente el equilibrio de transferencia de masa con las sustancias extraídas para lograr una separación eficaz de las sustancias.
Principio de extracción y separación de fluidos supercríticos
El proceso de extracción y separación de fluidos supercríticos se basa en la relación entre su solubilidad y densidad, es decir, la influencia de la presión y la temperatura sobre la solubilidad del fluido supercrítico. En el estado supercrítico, el fluido entra en contacto con las sustancias a separar, extrayendo selectivamente en secuencia componentes con diferentes polaridades, puntos de ebullición y pesos moleculares. Luego, el fluido supercrítico se convierte en un gas ordinario reduciendo la presión y aumentando la temperatura, y el material extraído se precipita automáticamente completa o básicamente, logrando así el propósito de separación y purificación, y se separan los dos componentes de extracción y separación.
Solvente de extracción con fluido supercrítico
Que el proceso de extracción con fluido supercrítico pueda separar productos de manera efectiva o eliminar impurezas depende de la buena selectividad del solvente utilizado en la extracción. Actualmente se están estudiando muchos tipos de fluidos supercríticos, incluidos dióxido de carbono, agua, tolueno, metanol, etileno, etano, propano, acetona, amoníaco, etc. En los últimos años, los fluidos supercríticos de dióxido de carbono se utilizan principalmente porque se alcanza fácilmente el estado crítico del dióxido de carbono. Su temperatura crítica (Tc=30,98 ℃) es cercana a la temperatura ambiente y su presión crítica (Pc=7,377 MPa) no es alta. Tiene buenas propiedades de difusión, baja tensión superficial, no tóxico, inodoro, no inflamable, de bajo precio y fácil de refinar. Estas propiedades son más atractivas para productos naturales sensibles al calor y que se oxidan fácilmente.
Principales características de la extracción con fluidos supercríticos
Como alternativa a los métodos de separación tradicionales, la tecnología de fluidos supercríticos tiene muchas aplicaciones potenciales en procesos de extracción y destilación. Sus ventajas son las siguientes:
(1) SFE es el método de extracción más limpio. Al no utilizarse disolventes orgánicos en todo el proceso, no queda disolvente residual en el extracto, lo que evita la presencia de sustancias nocivas para el cuerpo humano y la contaminación ambiental durante el proceso de extracción, asegurando una naturalidad 100% pura;
(2) Cambio integrado de extracción y separación. Cuando el fluido de CO2 saturado con soluto ingresa al separador, el CO2 y el líquido de extracción rápidamente se convierten en dos fases (separación gas-líquido) y se separan inmediatamente debido a la caída de presión o al cambio de temperatura. No solo la eficiencia de extracción es alta, sino que también consume. menos energía, mejorando así la eficiencia y la reducción de costos;
(3) La extracción supercrítica se puede llevar a cabo cerca de la temperatura ambiente (35 ~ 40 °C) bajo la cubierta de gas CO2, evitando efectivamente la Oxidación y escape de sustancias sensibles al calor.
(4)CO2 es un gas inerte que no sufre reacciones químicas durante el proceso de extracción. Es un gas no inflamable, insípido, inodoro, no tóxico y muy seguro;
(5 )El gas CO2 es barato, tiene alta pureza, es fácil de preparar y puede reutilizarse en la producción, lo que reduce efectivamente los costos;
(6) Tanto la presión como la temperatura se pueden usar como parámetros para Ajustar el proceso de extracción. El propósito de la extracción se puede lograr cambiando la temperatura y la presión. Si la presión es fija, la sustancia se puede separar cambiando la temperatura. Por el contrario, si la temperatura es fija y el líquido de extracción se separa a presión reducida, la sustancia se puede separar. El proceso es simple y fácil de dominar, y la velocidad de extracción es rápida.
Principales factores que influyen en el proceso de extracción con fluidos supercríticos
(1) Influencia de la presión de extracción
La presión de extracción es uno de los parámetros más importantes del SFE. Cuando la temperatura de extracción es constante, la solubilidad del disolvente aumenta con el aumento de la presión, la densidad del fluido y la fuerza del disolvente. La presión de extracción de diferentes sustancias varía mucho.
(2) Efecto de la temperatura de extracción
El efecto de la temperatura sobre la solubilidad del fluido supercrítico es complejo. Bajo cierta presión, la volatilidad de la sustancia extraída aumenta con el aumento de la temperatura, lo que aumenta la concentración de la sustancia extraída en la fase gaseosa supercrítica, aumentando así la cantidad de extracción. Por otro lado, a medida que aumenta la temperatura, la densidad del fluido supercrítico disminuye, reduciendo la solubilidad de los componentes químicos, lo que resulta en una reducción en el número de extracciones. Por tanto, estos dos factores deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar la temperatura de extracción.
(3) Efecto del tamaño de las partículas de extracción
El tamaño de las partículas puede afectar la tasa de recuperación de la extracción, reducir el tamaño de las partículas de la muestra, aumentar el área de contacto entre el sólido y el disolvente, aumentando así la extracción. velocidad. Sin embargo, si el tamaño de las partículas es demasiado pequeño o demasiado fino, no solo bloqueará seriamente los orificios de la malla, sino que también provocará el bloqueo del filtro de salida del extractor.
(4) Efecto del caudal de CO2
Los cambios en el caudal de CO2 tienen dos efectos en la extracción supercrítica. Si el caudal de CO2 es demasiado grande, el caudal de CO2 en el extractor aumentará, se acortará el tiempo de residencia del CO2 y se acortará el tiempo de contacto con el material extraído, lo que no favorece la mejora de la tasa de extracción. . Por otro lado, el aumento en el caudal de CO2 aumentará la fuerza impulsora de la transferencia de masa en el proceso de extracción, aumentando correspondientemente el coeficiente de transferencia de masa, acelerará la tasa de transferencia de masa y mejorando así la capacidad de extracción del SFE. Por lo tanto, también es necesaria una selección razonable del caudal de CO2 en SFE.
El proceso de extracción con fluidos supercríticos consta de dos etapas: extracción y separación. Según los diferentes métodos de separación, el proceso de extracción con fluido supercrítico se puede dividir en método isotérmico, método isobárico y método de adsorción, como se muestra en la Figura 2.
3.1 Proceso de extracción isotérmica y por oscilación de presión
En condiciones isotérmicas, la fase de extracción descomprime, expande y separa el soluto. El disolvente CO2 es presurizado por el compresor y devuelto al tanque de extracción. Los solutos son separados por el separador y eliminados del fondo. Mediante este ciclo se obtiene un extracto separado. Este proceso es simple de operar y ampliamente utilizado, pero consume mucha energía.
3.2 Proceso de extracción isobárico y a temperatura variable
En condiciones de presión constante, la fase de extracción se calienta, se separa el soluto y el disolvente CO2 se enfría y se devuelve al tanque de extracción. Este proceso sólo requiere que funcione la bomba de circulación, con menor potencia de compresión, pero requiere vapor calentado y agua de refrigeración.
3.3 Proceso de extracción por adsorción
El soluto en la fase de extracción es adsorbido por el adsorbente en el tanque de separación, y el disolvente CO2 regresa al tanque de extracción. El proceso de extracción por adsorción es adecuado para eliminar impurezas mediante extracción, y el residuo que queda en el extractor es el producto purificado.
Entre ellos, los dos primeros procesos se utilizan principalmente para extraer solutos en estado de fase como los productos refinados requeridos, y el tercer proceso se utiliza a menudo para eliminar impurezas o componentes nocivos en los productos extraídos.
El fluido supercrítico tiene muchas propiedades físicas y químicas que son diferentes de los disolventes líquidos ordinarios. La tecnología de extracción basada en fluido supercrítico tiene ventajas que la tecnología de extracción tradicional no puede igualar. En los últimos años, la investigación y aplicación de la tecnología de extracción de fluidos supercríticos se ha desarrollado rápidamente en términos de datos básicos, flujo de proceso y equipos experimentales.
Sin embargo, debido a la falta de una comprensión profunda del fluido supercrítico en sí, la investigación sobre su reacción química, la teoría de la transferencia de masa y la naturaleza termodinámica de la reacción debe ser en profundidad. La tecnología de fluidos supercríticos requiere equipos de alta presión. Por lo tanto, los requisitos para los equipos de proceso suelen ser relativamente altos y requieren una gran inversión. Por lo tanto, todavía quedan muchos problemas por resolver para la aplicación práctica a gran escala de fluidos supercríticos.
En la actualidad, la investigación y aplicación de la tecnología de extracción y granulación de fluidos supercríticos están en ascenso a nivel internacional. El alcance de aplicación del desarrollo de tecnología incluye: extracción, separación, limpieza, recubrimiento, impregnación, moldeado de gránulos, reacción. etc. Alemania, Japón y Estados Unidos siempre han estado en una posición de liderazgo y han logrado resultados de investigación en medicina, industria química, alimentación, industria ligera, protección del medio ambiente y otros campos. Ha sido lanzado continuamente. La escala de los equipos industrializados de fluidos supercríticos a gran escala oscila entre 5.000 L y 10.000 L. Japón ha desarrollado con éxito un analizador de cromatografía supercrítica y cinco empresas alimentarias de la provincia de Taiwán utilizan dióxido de carbono supercrítico para la extracción.
En la actualidad, el foco de investigación de la extracción de fluidos supercríticos se ha desplazado en todo el mundo. Para obtener productos de alta pureza y alto valor añadido, cada vez se investiga más sobre la extracción a contracorriente con fluidos supercríticos y la extracción por destilación fraccionada. La investigación sobre reacciones en condiciones supercríticas se ha convertido en un tema candente, especialmente diversas reacciones bajo agua supercrítica y dióxido de carbono supercrítico. La tecnología de fluidos supercríticos tiene una gama más amplia de aplicaciones, incluida la protección ambiental, el procesamiento de materiales, la impresión y teñido de pinturas, etc. Se ha fortalecido la investigación teórica básica sobre la tecnología de fluidos supercríticos y estas tendencias internacionales merecen nuestra atención.
Debido a que la tecnología de extracción de dióxido de carbono supercrítico puede reutilizar el dióxido de carbono extraído y minimizar la contaminación ambiental, si el dióxido de carbono supercrítico puede usarse como el principal solvente en las industrias tradicionales en el futuro, entonces nuestra única tierra ahora podrá respirar. un suspiro de alivio.
En el siglo XXI, las industrias química y farmacéutica deben ajustar sus estructuras industriales y de productos e investigar y desarrollar nuevos procesos y tecnologías para una producción más limpia y una industria verde. La tecnología de fluidos supercríticos es una nueva tecnología que se ha desarrollado rápidamente en los últimos 30 años.
Debemos comprender la importancia de la investigación y promoción de la tecnología de fluidos supercríticos desde esta perspectiva estratégica, formular planes de investigación, aumentar la inversión y fortalecer la investigación básica y aplicada de esta tecnología para que pueda ser verdaderamente utilizada en la producción industrial y traer beneficios.