מיצוי נוזלים ביקורתי (SFE) התפתח כאחד מטכניקות הפרידה המגוון והסביבתיות ביותר הקיימות בתעשייה המודרנית.על ידי ניצול המאפיינים הייחודיים של נוזלים מעל הנקודה הקריטית שלהם, SFE מאפשר מיצוי יעיל של תרכובות מטרה מפחמימות מוצקות או נוזליות ללא שימוש בפתרונות אורגניים קשים.

יסודות של שפעת קריטית

חומר נכנס למצב סופר-ביקורתי כאשר הטמפרטורה והלחץ שלו עולים על הנקודה הקריטית – הטמפרטורה והלחץ הגבוהים ביותר שבהם השלבים הנוזליים והאגפיים יכולים להתקיים. באזור זה, הנוזל מציג קבוצה ייחודית של תכונות פיזיות המגשרות את הפער בין נוזלים וגזים.הוא מחזיק את המהירויות הנמוכות וההיקף הגבוה של גז, ומאפשר לו לחדור מזחלות, תוך שמירה מהירה על טווח כפול של נוזלים, באופן קבוע, ונוזלים של חומר זה, באופן קבוע, כך, מעצימותק של חומר זה הופך את הגדלה של חומר זה.

פחמן דו חמצני (CO2) הוא על ידי הרבה נוזל סופר קריטי בשימוש נרחב, ומסיבה טובה הטמפרטורה הביקורתית של 31.1 מעלות צלזיוס (304.1 K) ולחץ קריטי של 73.8 בר (7.38 MPa, 1070 psi) הם יחסית מתון, מה שהופך אותו נגיש עבור חומרים רגישים טמפרטורה רבים. CO2 הוא לא רעיל, לא פגום, כימי, וזמין בקלות עלות נמוכה, אם כי יש צורך חומרים רגישים יותר חום קריטיים אחרים.

הכוח המפתור של נוזל סופר קריטי אינו רכוש קבוע; זה תלוי ישירות על צפיפות הנוזלים. כי צפיפות היא פונקציה של טמפרטורה ולחץ, שני משתנים אלה הופכים להיות חייזר המאסטר עבור כוונון תהליך החילוץ.

מקור: Super Critical Fluid Extraction

הטמפרטורה מפעילה השפעה כפולה על מיצוי נוזלים סופר קריטי, המשפיעה הן על התכונות המפתורות והן על התנהגותו של הסולם. במבט ראשון, אפשר להניח כי הטמפרטורה הגוברת צריכה תמיד לשפר את החילוץ, כפי שהוא אופייני בתהליכים כימיים רבים.

אפקט על הכח הפגום ו Solvating Power

בלחץ קבוע, העלאת הטמפרטורה של נוזל סופר קריטי גורמת לדחיסות שלו לרדת. כי הכוח המתפתל של נוזל סופר קריטי הוא ישירות מתואם עם צפיפותו - נוזל צפוף יותר חבילות מפתורות יותר לנפח יחידה ומקיפים מולקולות solute ביעילות יותר - עלייה טמפרטורה בדרך כלל מקטין את הסולילות של רוב התרכובות.אפקט הזה בולט במיוחד ליד הנקודה הקריטית, שבו הטמפרטורה הקטנה מייצרת שינויים גדולים ב 0.4 מעלות צלזיוס, ו , בערך , כאשר 0.

יחסים סובכים אלה בין טמפרטורה ו solubility ניתן להשתמש אסטרטגית.אם מפעיל רוצה לפרק תערובת, הם עשויים להעלות את הטמפרטורה כדי לדכא את הסוללה של רכיב אחד תוך שמירה על אחר בפתרון, השגת הפרדה מבלי לשנות את המפת. . . . . . . . . . . . , מיצוי של תרכובת מטרה יכול להיות ממקסם על ידי הפעלת טמפרטורה נמוכה יחסית בתוך אזור סופר קריטי, שבו צפיפות - ולכן קיבולת דיסיאה היא גבוהה יותר קיבולת , אם כי אם כי אם כי אם כי אם כי אם כי הוא גבוה יותר, אם כי הוא קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת טמפרטורות , אם כי הוא גבוה יותר חסכונית , אם כי הוא , אם כי אם כי הוא .

שיפור לחץ Solute Vapor

בעוד הטמפרטורה מפחיתה צפיפות פותרת, זה בו זמנית מגביר את הלחץ של הלחץ הסולם.לחץ גבוה יותר של לחץ אדפור פירושו כי מולקולות solute יותר נוטים לברוח בשלב המוסף ולהזין את הנוזל, אשר יכול למנוע את אובדן של כוח מלוטש.עבור תרכובות רבות שאינן קוטביות ומתונות, אפקט הלחץ החוסן שולט בטמפרטורות גבוהות, המוביל לעלייה כללית בכולה כה נמוכה, למרות תרכובות כבדות כגון תרכובות חלשות חלשות.

ההשפעה נטו תלויה במערכת הסולפת הספציפית.עבור נקודות נמסות גבוהות או אינטראקציות לא-חלליות חזקות, עלייה בלחץ ה- vapor מעלייה בטמפרטורה עשויה לעלות על עונש הדחיסות, מה שהופך לטמפרטורות גבוהות יותר נוחים.עבור תרכובות תנודתיות, ההפך עשוי להיות אמיתי.

יציבות וגירוש של זעזועים רגישים

אחד היתרונות העיקריים של שימוש ב- CO2 סופר קריטי הוא כי הטמפרטורה הקריטית שלו (31 מעלות צלזיוס) הוא נמוך מספיק כדי לעבד חומרים סלולאריים חום כגון שמנים חיוניים, ויטמינים, טעמים, ומדורגי תרופות. עם זאת, אם הטמפרטורה של החילוץ עולה גבוה מדי - אפילו פחות מתון מעל 60-80 מעלות צלזיוס - השפלה תרמית יכול להתרחש. לדוגמה, הרבה מטענים ותרכובות פנוליטיות להתחיל decom בטמפרטורות גבוהות מדי, ירידה של אובדן צבע מוגבר, או חוסר פעילות גופנית, או ירידה של גלוקוז סופי.

לכן, בחירת טמפרטורה ב SFE היא פעולה איזון.המפעיל חייב לבחור טמפרטורה המספקת צפיפות נאותה וכוח מחוספס (בדרך כלל נמוך ככל האפשר תוך השארת מעל הנקודה הקריטית) אך גבוה מספיק כדי ליהנות מאפקט לחץ vapor, כל זאת תוך שהייה מתחת סף ההידרדרות של מולקולות היעד. בפועל, טמפרטורות של 40-60 מעלות צלזיוס הן נפוצות עבור מזון ומיצוי, בעוד טמפרטורות גבוהות יותר (עד 100 לפסולת) או לשמן או לפסולת) יכול לשמש יותר עבור חומרים חזקים יותר.

מקור הלחץ ב Super Critical Fluid Extraction

לחץ הוא טיפול שליטה ראשי נוסף ב- SFE. בניגוד לטמפרטורה, הלחץ יש מערכת יחסים פשוטה, מונוטונית עם צפיפות ועוצמה מחוספסת את הנוזל, מעלה את צפיפותו וכתוצאה מכך היכולת שלו לפזר תרכובות.זה הופך את הלחץ אמין ורב עוצמה לשיפור קצב החילוץ והתשואות.

הכח והכחשות

בטמפרטורה מתמדת, צפיפות של נוזל סופר קריטי עולה עם לחץ.היחסים הם מאוד לא ליניארי ליד הנקודה הקריטית אבל הופך ליניארי יותר בלחץ גבוה יותר.לדוגמה, עם CO2 ב 40 מעלות צלזיוס, העלאת הלחץ מ 80 בר ל-300 בר מגדילה את צפיפותם של כ- 0.2 גרם / mL ליותר מ- 0.9 גרם / mL. זה מתורגם ישירות לעליה מסיבית בקיבולת פתרון.

בפועל, הלחץ החילוץ נבחר לעתים קרובות להיות משמעותי מעל הלחץ הקריטי - בדרך כלל בטווח של 100-500 בר עבור CO2, בהתאם לתרכובות היעד. לחץ גבוה נוטה גם להפחית את הסלקטיביות של התהליך, שכן הנוזל הופך להיות מעצור חזק יותר עבור מגוון רחב יותר של החלפת הבוחרים.זה יכול להיות יתרון כאשר מכוון לתשואות גבוהות, אבל זה יכול גם cotraextraments לא רצויים.

כוונון עם לחץ

בחירה - היכולת לחלץ תרכובת מסוימת או מעמד של תרכובות תוך השארת אחרים מאחור - היא אחת התכונות המוערכים ביותר של SFE. על ידי התאמה קפדנית של לחץ, מתרגלים יכולים לפרק תערובת מורכבות.לדוגמה, במיצוי של הופ עבור בירה מבשלת, לחץ נמוך יותר (למשל, 80-120 בר) באופן סלקטיבי את חומצות הרות הרצויות ושמן חיוני, בעוד לחץ גבוה יותר מ 200 קפסולת, כמו גם על גבי סוכריות ירוקות, כמו כן, כמו גם על ידי נוזל ירוק).

ניתן להשתמש גם במחזורי לחץ כדי לבצע מיצוי זמני: צעד ראשון בלחץ נמוך מסיר את השבר המלוטש ביותר, ואז הלחץ עולה כדי לחלץ תרכובות קשות יותר בשלב השני. גישה זו מבטלת את הצורך עבור מספר רב של פותרים ומפחיתה את זמן העיבוד.

שיקולים כלכליים ומבצעיים

לחצים גבוהים יותר דורשים כלי שיט חזקים יותר, עבה יותר, דחוסים חזקים יותר, ואמצעי בטיחות קפדניים יותר.ציוד עולה בקנה מידה עם לחץ תפעולי, כמו גם דרישות אנרגיה עבור דחיסה. לכן, בחירת לחץ חייב לשקול לא רק ביצועי תהליכים אלא גם הון והוצאות הפעלה. תהליך SFE תעשייתי מוצלח פועל בלחץ הנמוך ביותר המספק תשואה מקובלת וסלקטיביות. עבור יישומים רבים ערכי גבוה זה נופל בין 350 תקנים חיוניים, 000, 000, 000, 000 נתונים מפורטים, 000.

בנוסף, הלחץ משפיע על תכונות ההובלה של הנוזל.לחץ גבוה יותר מגביר את ההיקף (למרות שעדיין נמוך בהשוואה לנוזלים) ולהפחית את ההיקף. בעמודות החילוץ בקנה מידה גדול, שיעורי העברה המונית יכולים להיות מוגבלים אם הלחץ גבוה מדי. לחץ אופטימי לעתים קרובות משקף פשרה בין פלואופיליות תרמודינמית לבין העברה קינטית.

בין טמפרטורה ולחץ: אופטימיזציה אסטרטגיות

ההשפעות המשולבות של טמפרטורה ולחץ הם מאוד חזותיים על דיאגרמה בשלב או מזימה של צפיפות מול טמפרטורה ולחץ. בכל מצב של החילוץ נתון, את הסוללה של solute ניתן לחזות באמצעות משוואות של מצב כגון Peng-Robinson או Soave-Redlich-Kwong מודלים, אשר אחראי לשני משתנים.

כלי נפוץ הוא מתודולוגיית פני השטח תגובה (RSM), שבו סדרה של ניסויים בשילובים שונים של טמפרטורה מדכאת מבוצעת, מתאים מודל פולינומי לתאר תשואה, טוהר, או עלות כתפקוד של שני המשתנים. גישה זו מגלה אינטראקציות שאולי לא ניתן לראות ממחקרים חד-פעמיים אחרים. לדוגמה, מחקר RSM טיפוסי עשוי להראות כי טמפרטורה בינונית (50 מעלות צלזיוס) בשילוב עם לחץ גבוה (250 ק"מ) מספק טיפול בינוני יותר (חום) מאשר בינוני (חום) מאשר בינוני) מאשר בינוני (חום נמוך יותר) מאשר בינוני (חום) מאשר בינוני) מאשר בינוני (חום בינוני) מאשר בינוני (חום נמוך יותר) מאשר בינוני (חום בינוני (חום בינוני) מאשר בינוני).

אפקט "קרוסבר" כביכול, שבו solubility מול טמפרטורה מופנית בלחץ מסוים, הוא תופעה חשובה. מתחת ללחץ סף (לעתים קרובות 150-200 בר עבור CO2), solubility עלול לרדת עם טמפרטורה עולה כי אובדן צפיפות שולט. מעל סף זה, שיפור מדכא ה- vapor יכול לגרום להפחתה עם טמפרטורה.זיהוי הלחץ חוצה עבור חלון מסייע להגדיר אופטימלי הפעלה.

כדי להמחיש: במיצוי של לימוןן מקליפות כתום באמצעות CO2 קריטי, החוקרים מצאו כי הלחץ חוצה הוא סביב 80-100 בר. מתחת זה, עלייה בטמפרטורה מפחיתה את התשואות; מעל זה, טמפרטורות גבוהות יותר לשפר את התשואות. A תהליך פועל ב -100 בר ו 50 מעלות צלזיוס כך מתנהג שונה מאוד מ -200 בר ו 50 מעלות צלזיוס.

סימולציה ממוחשבת, בשילוב עם מודלים תרמודינמיקה אומתיים, יכולה להאיץ את אופטימיזציה של כלי תוכנה כגון אספן פלוס או חבילות סימולטור SFE מיוחדות לאפשר למהנדסים למפות עקומות סוללמוד רגישות לטמפרטורה וללחץ לפני בניית תחנת טייס.

יישומים מעשיים של טמפרטורה ובקרת לחץ

קפה ותה

ייתכן שאפליקציית SFE התעשייתית האייקונית ביותר היא הדה-קפה. בתהליך זה, פולי קפה ירוקים לחות ממוקמים בכלי לחץ, ו CO2 קריטיים סופר-קריוניים מופצים דרכם.בדרך כלל, הטמפרטורה מוחזקת ב-40-50 מעלות צלזיוס (בהנחה שהקפה ממוחזרת באופן משמעותי) והלחץ ב-160-220.

ייצור של שמנים ובושם חיוניים

שמנים אתריים מבוטנים כגון lavender, רוזמרי, ו chamomile מוערכים מאוד בטעם, ניחוח, ותעשיות ארומטיות. ⁇ אמנה יכול לגרום נזק תרמי ואובדן של הערות העליון. Super Critical CO2 החילוץ, המבוצעת בטמפרטורות נמוכות (35 עד 45 מעלות צלזיוס) ולחץ סביב 100-150 בר, מניב שמנים כי קרוב לפרופיל הטבעי של צמחי מרפא מסייע למנוע לחץ נמוך יותר (או לחץ נמוך יותר) ולחצים נמוכים יותר (או נמוך יותר) ולחצים).

הפקה: Hopes for Brewing

בתעשיית הלחנים, מיצוי CO2 קריטי של הופ החליף בעיקר שיטות אורגניות.פרמטרי החילוץ הטיפוסיים כוללים טמפרטורה של 35-50 מעלות צלזיוס ולחץ של 150-300 בר. בקצה התחתון של טווח הלחץ הזה, תמצית עשירה ב- alphaeries ו- Beta חומצות - סוכני המרה - ושמנים חיוניים בלחץ גבוה יותר, תמצית מכילה גם פחות נחשול רצוי כמו רכיבי שיזוף ספציפיים.

עיבוד תרופות ו- Nutraceutical

תעשיית התרופות משתמשת ב-SFE כדי לייצר תמצית גבוהה של מרכיבים פעילים ממקורות טבעיים, כגון paclitaxel ממשפחות JPY או בטא-קרוטן מן גזרים. כי תרופות רבות הן רגישות חום, הטמפרטורות נשמרות ב 40-60 מעלות צלזיוס. לחץ עשוי לנוע בין 200 ל 500 בר, בהתאם לקוטב של תרכובת היעד.

המונחים: environmental Remediation

החילוץ העל-ביקורתי משמש גם להסרת חומרים אורגניים (PCBs, PAHs, חומרי הדברה) מקרקע מזוהמת, סימנט או פענוח. תהליכי תיווך פועלים בדרך כלל בלחץ גבוה יותר (250–400 בר) וטמפרטורות בינוניות (40–80 מעלות צלזיוס) כדי להשיג מספיק solubilization של מולקולות אורגניות כבדות.התועלת היא כי CO2 יכול להיות ממוחזר ומסווג, הימנעות מלחץ כימי או מתואם על ידי טמפרטורות ספציפיות.

מסקנה

טמפרטורה ולחץ אינם רק פרמטרים תפעוליים במיצוי נוזלים סופר קריטי - הם המכשולים הבסיסיים המגדירים את ההצלחה או הכישלון של התהליך. ההשפעות העצמאיות והסנרגיסטיות שלהם על צפיפות נוזלים, לחץ ריק מוחלט,סלקטיביות, ויציבות תרמית חייב להיות מובן ברמה עמוקה כדי לעצב מערכות יעילות וכלכליות נמוכות יותר.

(FLT:0) מאסטרי של טמפרטורה ושליטה בלחץ ב- SFE הופך את החילוץ מפירוק כוח רוטציה כוח רוטט לתוך הפרדה מכוונן היטב שיכול לבודד רכיבים בודדים ממטמים טבעיים מורכבים.

בעוד תעשיות ממשיכות לדרוש שיטות ייצור ירוקות יותר, יותר בר קיימא, מיצוי נוזלים סופר קריטי יגדל רק בחשיבותו.התקדמות ניטור בזמן אמת, סימולציה תהליכים ומודלים תרמודינמיקה חיזוי - עכשיו משולב בכלים עיצובים של ספקים כמו FLT:0Applied SeparationsFLT:1 - הופכים את זה קל יותר מאשר אי פעם לזהות את החלון המדכא האידיאלי עבור כל אתגר נתון, מהנדסים, ומפעילים, אשר ישקיעוייקטבדילים את הפוטנציאל של פעולות אלה יהיה לספק, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, יהיה טוב יותר, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר מאשר אי פעם יהיה מסוגל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר מאשר אי פעם, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר מאשר אי פעם, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר מאשר אי פעם,