موضوع مقاله: استخراج سیال فوق بحرانی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # استخراج سیال فوق بحرانی | مقدمه: استخراج سیال فوق بحرانی استخراج سیال فوق بحرانی (SFE) فرایند جداسازی یک جزء (عصاره‌گیر) از دیگری (ماتریس) با استفاده از سیالات فوق بحرانی به عنوان حلال استخراج است. | ## بخش 1: استخراج سیال فوق بحرانی | SFE را می‌توان به عنوان مرحله آماده‌سازی نمونه برای اهداف تحلیلی یا در مقیاس بزرگتر برای حذف مواد ناخواسته از یک محصول (مثلاً کافئین زدایی ) یا جمع‌آوری یک محصول مورد نظر (مثلاً اسانس ) استفاده کرد. دی‌اکسید کربن (CO2) پرمصرف‌ترین سیال فوق بحرانی است که گاهی توسط حلال‌هایی مانند اتانول یا متانول اصلاح می‌شود. شرایط استخراج برای دی‌اکسید کربن فوق بحرانی بالاتر از دمای بحرانی 31 است درجه سانتی گراد و فشار بحرانی 74 بار . مزایا گزینش پذیری خواص سیال فوق بحرانی را می‌توان با تغییر فشار و دما تغییر داد و امکان استخراج انتخابی را فراهم کرد. به عنوان مثال، روغن‌های فرار را می‌توان از یک گیاه با فشار کم (100 بار) استخراج کرد، در حالی که استخراج مایع چربی‌ها را نیز حذف می‌کند. لیپیدها را می‌توان با استفاده از CO2 خالص در فشارهای بالاتر حذف کرد و سپس فسفولیپیدها را می‌توان با افزودن اتانول به حلال حذف کرد. از همین اصل می‌توان برای استخراج پلی فنل‌ها و اسیدهای چرب غیراشباع به‌طور جداگانه از ضایعات شراب استفاده کرد. سرعت استخراج یک فرایند مبتنی بر انتشار است که در آن حلال باید به درون ماتریکس و مواد استخراج شده به خارج از ماتریس به داخل حلال پخش شود. انتشار در سیالات فوق بحرانی بسیار سریعتر از مایعات است و بنابراین استخراج می‌تواند سریعتر اتفاق بیفتد. علاوه بر این، به دلیل عدم کشش سطحی و ویسکوزیته ناچیز در مقایسه با مایعات، حلال می‌تواند بیشتر به داخل ماتریکس غیرقابل دسترس مایعات نفوذ کند. استخراج با استفاده از مایع آلی ممکن است چندین ساعت طول بکشد، در حالی که استخراج سیال فوق بحرانی را می‌توان در 10 تا 60 دقیقه کامل کرد. محدودیت‌ها نیاز به فشارهای بالا هزینه را در مقایسه با استخراج مایع معمولی افزایش می‌دهد، بنابراین SFE تنها در مواردی استفاده می‌شود که مزایای قابل توجهی وجود داشته باشد. دی‌اکسید کربن به خودی خود غیر قطبی است و قدرت انحلال کمی دارد، بنابراین همیشه نمی‌تواند به تنهایی به عنوان یک حلال استفاده شود، به ویژه برای املاح قطبی. اصلاح کننده‌های درجه غذایی مانند اتانول اغلب می‌توانند استفاده شوند و همچنین می‌توانند به جمع‌آوری مواد استخراج شده کمک کنند، اما برخی از مزایای استفاده از حلالی که در دمای اتاق به صورت گاز است را کاهش می‌دهد. روش کار این سیستم باید دارای یک پمپ برای CO2 ، یک سلول فشار برای نگهداری نمونه، وسیله ای برای حفظ فشار در سیستم و یک مخزن جمع‌آوری باشد. سپس به ظرف استخراج می‌رود، جایی که به سرعت در ماتریکس جامد پخش می‌شود و موادی را که قرار است استخراج شود حل می‌کند. مواد محلول از سلول استخراج به جداکننده با فشار کمتر جاروب می‌شود و مواد استخراج شده ته‌نشین می‌شود. سپس CO2 را می‌توان خنک کرد، دوباره فشرده کرد و بازیافت کرد یا به اتمسفر تخلیه کرد. نمودار شماتیک دستگاه SFE پمپ‌ها دی‌اکسید کربن ( CO2 ) معمولاً به صورت مایع پمپ می‌شود که معمولاً کمتر از 5 است درجه سانتی گراد (41 درجه فارنهایت) و فشاری حدود 50 بار. اگر به عنوان یک سیال فوق بحرانی پمپ می‌شد، بیشتر جریان پمپ در فشرده سازی سیال به جای پمپاژ آن مصرف می‌شد. برای استخراج در مقیاس کوچک (تا چند گرم در دقیقه)، اغلب از پمپ‌های CO2 متقابل یا پمپ‌های سرنگ استفاده می‌شود. | ## بخش 2: استخراج سیال فوق بحرانی | هد پمپ‌ها معمولاً به خنک شدن نیاز دارند و CO2 نیز قبل از ورود به پمپ خنک می‌شود. مخازن تحت فشار مخازن تحت فشار می‌توانند از لوله‌های ساده تا مخازن پیچیده‌تر با اتصالات آزادسازی سریع متغیر باشند. فشار مورد نیاز حداقل 74 بار است و بیشتر استخراج‌ها در فشار کمتر از 350 بار انجام می‌شود. با این حال، گاهی اوقات به فشارهای بالاتری نیاز است، مانند استخراج روغن‌های گیاهی، که گاهی اوقات فشار 800 بار برای اختلاط کامل دو فاز مورد نیاز است. می‌توان آن را در داخل یک اجاق برای ظروف کوچک، یا یک ژاکت روغنی یا الکتریکی برای ظروف بزرگتر قرار داد. در صورت استفاده از مهر و موم‌های لاستیکی روی ظرف باید مراقب بود، زیرا ممکن است دی‌اکسید کربن فوق بحرانی در لاستیک حل شود و باعث تورم شود و لاستیک در هنگام کاهش فشار, پاره شود. در سیستم‌های کوچکتر (تا حدود 10 میلی لیتر در دقیقه) می‌توان از یک محدودکننده ساده استفاده کرد. این می‌تواند یک لوله مویین از طول بریده شده باشد یا یک شیر سوزنی که می‌تواند برای حفظ فشار در نرخ‌های جریان مختلف تنظیم شود. در سیستم‌های بزرگ‌تر از یک تنظیم‌کننده فشار برگشتی استفاده می‌شود که فشار را در بالادست رگولاتور با استفاده از فنر، هوای فشرده یا شیر الکترونیکی حفظ می‌کند. هر کدام که استفاده می‌شود، گرمایش باید تأمین شود، زیرا انبساط آدیاباتیک CO2 منجر به خنک شدن قابل توجهی می‌شود. اگر آب یا سایر مواد استخراج شده در نمونه وجود داشته باشد، مشکل ساز است، زیرا ممکن است در محدود کننده یا شیر منجمد شود و باعث انسداد شود. سیال قبل از پمپاژ خنک می‌شود تا شرایط مایع حفظ شود، سپس پس از فشار دادن گرم می‌شود. همان‌طور که سیال به داخل جداکننده منبسط می‌شود، برای جلوگیری از سرد شدن بیش از حد باید گرما فراهم شود. برای استخراج در مقیاس کوچک، مانند اهداف تحلیلی، معمولاً کافی است سیال را در طول لوله‌ای در داخل کوره حاوی سلول استخراج از قبل گرم کنید. برای سیستم‌های بزرگتر، انرژی مورد نیاز در طول هر مرحله از فرایند را می‌توان با استفاده از خواص ترمودینامیکی سیال فوق بحرانی محاسبه کرد. مدل ساده SFE دو مرحله اساسی برای SFE وجود دارد، انتقال (از طریق انتشار یا غیره) ذرات جامد به سطح، و انحلال در سیال فوق بحرانی. عوامل دیگر، مانند انتشار در ذره توسط SF و انتشار برگشت‌پذیر مانند دفع از یک مکان فعال، گاهی اوقات مهم هستند، اما در اینجا به‌طور مفصل به آن پرداخته نشده‌است. مراحل استخراج از یک ذره کروی که در شروع استخراج سطح استخراج کننده در کل کره برابر است به این شکل می‌باشد که با شروع استخراج، ابتدا مواد از لبه کره استخراج می‌شود و غلظت در مرکز بدون تغییر است. با پیشرفت استخراج، با انتشار ماده استخراج کننده به سمت لبه کره، غلظت در مرکز کره کاهش می‌یابد. پروفیل های غلظت برای (الف) انتشار محدود و (ب) استخراج محدود با حلالیت نرخ‌های نسبی انتشار و انحلال با دو حالت شدید در شکل 2 نشان داده شده‌است. این ماده سریعتر از اینکه بتواند از مرکز پخش شود از لبه دور می‌شود، بنابراین غلظت در لبه به صفر می‌رسد. | ## بخش 3: استخراج سیال فوق بحرانی | مواد به همان سرعتی که به سطح می‌رسند دور می‌شوند و استخراج کاملاً با انتشار محدود می‌شود. در اینجا سرعت استخراج را می‌توان با افزایش سرعت انتشار، به عنوان مثال افزایش دما، افزایش داد، اما نه با افزایش سرعت جریان حلال. عصاره‌گیر می‌تواند سریع‌تر از آنچه حلال آن را دور کند به لبه پخش می‌شود و پروفیل غلظت صاف است. در این حالت می‌توان با افزایش سرعت انحلال، برای مثال با افزایش سرعت جریان حلال، سرعت استخراج را افزایش داد. مشخصات استخراج برای انواع مختلف استخراج منحنی استخراج از درصد بازیابی در طول زمان می‌تواند برای روشن کردن نوع استخراج استفاده شود. استخراج در ابتدا سریع است، تا زمانی که غلظت در سطح به صفر برسد، و سپس سرعت بسیار کندتر می‌شود. شکل 3(c) منحنی وسط منحنی را نشان می‌دهد که در آن اثرات ماتریس قابل توجهی وجود دارد، جایی که نوعی تعامل برگشت‌پذیر با ماتریس وجود دارد، مانند دفع از یک سایت فعال. بازیابی صاف می‌شود و اگر مقدار 100٪ مشخص نباشد، تشخیص اینکه استخراج کمتر از کامل است دشوار است. برای یک استخراج تحلیلی برای تعیین مثلاً محتوای آنتی‌اکسیدانی یک پلیمر ، فاکتورهای اساسی استخراج کامل در کوتاه‌ترین زمان است. با این حال، برای تولید یک عصاره اسانس از یک گیاه، مقدار CO2 مورد استفاده هزینه قابل توجهی خواهد بود، و استخراج "کامل" مورد نیاز نیست، عملکرد 70 تا 80 درصد شاید برای ارائه بازده اقتصادی کافی باشد. در موردی دیگر، گزینش پذیری ممکن است مهم‌تر باشد، و اگر تبعیض بیشتری ایجاد کند، کاهش نرخ استخراج ارجحیت دارد. به حداکثر رساندن انتشار این را می‌توان با افزایش دما، متورم کردن ماتریس یا کاهش اندازه ذرات به دست آورد. گاهی اوقات می‌توان با افزایش فشار حلال و با افزودن اصلاح کننده‌ها به حلال، تورم ماتریکس را افزایش داد. برخی از پلیمرها و الاستومرها به‌طور خاص به‌طور چشمگیری توسط CO2 متورم می‌شوند و در برخی موارد انتشار آن تا چندین مرتبه قدر افزایش می‌یابد. تأثیر دما کمتر قطعی است، زیرا نزدیک به نقطه بحرانی، افزایش دما باعث کاهش چگالی و در نتیجه قدرت انحلال می‌شود. افزودن سطوح کم اصلاح‌کننده‌ها (که گاهی اوقات به آن مواد افزودنی می‌گویند) مانند متانول و اتانول نیز می‌تواند حلالیت را به‌ویژه ترکیبات قطبی‌تر به میزان قابل توجهی افزایش دهد. بهینه‌سازی نرخ جریان سرعت جریان دی‌اکسید کربن فوق بحرانی باید بر حسب جریان جرمی اندازه‌گیری شود نه بر حسب حجم، زیرا چگالی CO2 با توجه به دما هم قبل از ورود به سر پمپ و هم در حین فشرده سازی تغییر می‌کند. برای به حداکثر رساندن سرعت استخراج، سرعت جریان باید به اندازه‌ای باشد که استخراج کاملاً محدود به انتشار باشد (اما این امر باعث اتلاف حلال خواهد شد). با این حال، برای به حداقل رساندن مقدار حلال مورد استفاده، استخراج باید کاملاً محدود به حلالیت باشد (که زمان بسیار زیادی طول خواهد کشید). بنابراین نرخ جریان باید بسته به عوامل رقابتی زمان و هزینه‌های حلال و همچنین هزینه‌های سرمایه ای پمپ‌ها، بخاری‌ها و مبدل‌های حرارتی تعیین شود. | ## جمع‌بندی | نرخ جریان بهینه احتمالاً جایی در منطقه ای خواهد بود که هم حلالیت و هم انتشار عوامل مهمی هستند.