TEHNICI DE SEPARARE SI CONCENTRARE IN BIOTEHNOLOGII. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 1
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1 TEHNICI DE SEPARARE SI CONCENTRARE IN BIOTEHNOLOGII TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 1
2 EXTRACTIA CU FLUIDE SUPERCRITICE TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 2
3 Procese de separare TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 3
4 ISTORIC Cunoscuta de 125 de ani (Hannay & Hogarth, 1879 The Royal Society of London); Ignorata pana dupa cel de-al 2-lea razboi mondial; Ia amploare dupa 1971 (Paul & Wise prevad aplicatii ulterioare in ind. alimentara, farmacie, chimie fina); 1979 prima instalatie ind. de extractie cu CO 2 SC decafeinizarea cafelei (SUA). TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 4
5 DiagramaP-T (diagrama de faze) Puncttriplu: Starea supercritica coexistaceletrei stari: L, S, G Punct critic: diferentele intre L si G dispar proprietatile G sunt identice cu proprietatile L P P cr SOLID Punct triplu LICHID GAZ ZONA SUPER- CRITICA Punct critic TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 5 T cr T
6 Starea supercritica TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 6
7 Starea supercritica Menisc vizibil care separa faza lichida (jos) de faza gazoasa (sus) La cresterea T meniscul se estompeaza TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 7
8 Starea supercritica Cresterea P si T duce la apropierea valorilor ρ L si ρ G ; meniscul este inca vizibil La P cr si T cr meniscul dispare, ρ L = ρ G ; Existao singurafaza omogena, fluidul supercritic (FSC) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 8
9 Starea supercritica Doua faze distincte Distinctia intre faze O singura faza, cea de lichid si gaz se estompeaza FLUID SUPERCRITIC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 9
10 Starea supercritica TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 10
11 Starea supercritica In comparatie cu solventii lichizi, fluidele supercritice prezinta: difuzivitate ridicata; extractie rapida densitate scazuta; viscozitate scazuta; separare usoara a fazelor Sistemele supercritice combina calitatile L si G, rezultand un fluid foarte elastic, un solvent cu geometrie variabila. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 11
12 Starea supercritica Proprietati de transport (Hann, 1991): Fluidul Densitate [kg/m 3 ] Viscozitate [Pa.s] Coef. de difuziune [m 2 /s] Gaz: 0,1 MPa K 0,1-2 (1-3).10-5 (0,1-0,4).10-4 FSC: Tcr, Pcr (1-3) , FSC: Tcr, 4Pcr (3-9) , Lichid: 0,1 MPa K (0,2-3).10-3 (0,2-2).10-9 TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 12
13 Parametrii critici ai unor posibili solventi TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 13
14 Solventi recomandati Directiva EC 84/344/EEC: solventi de extractie acceptabili conform cu GMP TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 14
15 Solventi supercritici Solventii cei mai utilizati: SOLVENTUL T cr [K] P cr [MPa] ρ cr [kg/m 3 ] ETENA 282 (9 C) 5,03 (~50 bari) 0,218 DIOXIDUL DE CARBON 304 (31 C) 7,38 (~73 bari) 0,468 TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 15
16 Solventi supercritici Avantajele etenei si dioxidului de carbon: T cr apropiata de T ambianta; P cr nu prea ridicata; solubilitatea ridicata a multor substante in acesti doi solventi; selectivitate buna, care poate fi marita prin adaos de agenti de antrenare; accesibili si cu pret de cost relativ mic; mai putin toxici si periculosi decat alti solventi. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 16
17 Regiune pentru utilizarea in industrie a fluidelor supercritice 7,38 Zona subcritica Zona supercritica Presiune [MPa] Solid Lichid Punct critic Gaz Punct triplu 31,1 Temperatura [ºC] Diagrama de faze a CO 2 TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 17
18 In jurul pct. critic, modificari mici ale P si T conduc la variatii substantiale ale ρ. Puterea de solvatare = f(ρ) solubilitatea creste cu cresterea ρ; Extractia = la ρ mari; Separarea solutului = la ρ mici TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 18
19 Variatia densitatii CO 2 cu P si T TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 19
20 TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 20
21 Zone optime de lucru cu CO 2 Obtinerea de extracte cu compozitii variabile: modificarea puterii de solvatare a CO 2 (P, T, cosolvent, cond. de separare) Extractie totala: CO 2 L sau SC la valori ridicate; Extractie selectiva: CO 2 G sau SC la valori scazute; Extractie fractionata: CO 2 SC la valori succesive diferite de P si T. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 21
22 Zone optime de lucru cu CO 2 (Brennan, 1990) EXTRACTII TOTALE FRAC- TIONARE EXTRACTII AROME TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 22
23 Solubilitatea unor compusi in CO 2 lichid la 298 K (Mc Hugh, 1986) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 23
24 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic Puterea de solvatare a CO 2 creste cu P pana la valoarea coresp. CO 2 lichid; Cu cresterea puterii de solvatare scade selectivitatea; Sunt solubili: Compusii oxigenati si cei lipofili cu M mica si medie (cetone, esteri, alcooli, eteri, aldehide, lactone); Compusii polari cu M mica (acizi carboxilici) M masa moleculara TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 24
25 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic Intr-o familie de compusi, solubilitatea scade cu cresterea M; Gruparile polare (-OH, -COOH, -NO 2 ) reduc solubilitatea substantelor in FSC; Glucidele si aminoacizii nu sunt solubili in CO 2 SC; Solubilitatea apei la 20 C = 0,1% TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 25
26 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic Adaugarea unei mici cantitati de compus polar (metanol, apa, etc.) in CO 2 SC, duce la solubilizarea compusilor polari; Sol. Naproxen in CO 2 SC la 333,1 K, cu adaus de 3,5% mol cosolvent [Ting et al., 1993] TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 26
27 TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 27
28 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic Solubilitatea creste cu cresterea continutului de cosolvent polar: Sol. Naproxen in CO 2 SC la 333,1 K, cu adaus variabil de etanol in calitate de cosolvent [Ting et al., 1993] TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 28
29 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic Solubilitatea in FSC nu implica in mod automat EXTRACTIBILITATEA din matrice. EX: Cafeina este solubila in CO 2 SC, dar acesta nu poate extrage cafeina din boabe de cafea uscate. Este necesara umezirea boabelor (modificarea matricii). TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 29
30 Exemplu de matrice vegetala TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 30
31 Principii generale privind solubilitatea in CO 2 supercritic TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 31
32 Solubilitatea in CO 2 lichid si supercritic TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 32
33 Procedee de extractie supercritica Extractie cu contact unic VENTIL DE LAMINARE Gaz comprimat + solut Alimentare amestec EXTRACTOR SEPARATOR Solut Reziduu COMPRESOR Gaz comprimat TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 33
34 Extractia cu contact unic unul sau mai multi componenti din amestec se solubilizeaza selectiv in fluidul SC; timpul de solubilizare este variabil; sistemul este separat (modificand P si T); fluidul SC este comprimat si recirculat TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 34
35 Procedee de extractie supercritica Extractie multipla VENTIL DE LAMINARE Gaz comprimat + solut Alimentare amestec EXTRACTOR SEPARATOR 1 SEPARATOR 2 Solut 1 Solut 2 SEPARATOR 3 Solut 3 Reziduu COMPRESOR Gaz comprimat TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 35
36 Extractia multipla se aplica atunci cand factorul de separare are valori scazute (selectivitate mica de separare) separarea componentilor extrasi: modificarea in trepte a cond. de extractie modificarea in trepte a cond. de separare TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 36
37 Procedee de extractie supercritica Extractie multipla in contracurent Gaz comprimat COMPRESOR Gaz comprimat + solut EXTRACTOR SEPARATOR Solut Reziduu Alimentare amestec TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 37
38 Extractia multipla in contracurent Proces similar extractiei L - L TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 38
39 Instalatii de extractie cu CO 2 SC Regim discontinuu TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 39
40 Instalatii de extractie cu CO 2 SC Regim continuu TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 40
41 Decafeinarea boabelor de cafea TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 41
42 Decafeinarea boabelor de cafea THEOBROMINA CAFEINA TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 42
43 Decafeinarea boabelor de cafea TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 43
44 Instalatie de extractie a cafeinei in mai multe trepte TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 44
45 Imbogatirea etanolului (eliminarea apei) cu CO 2 SC Amestec apa-etanol Extractor Ventil de laminare Separator Etanol dioxid de carbon reciclat dioxid de carbon Rafinat Compresor TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 45
46 Instalatii de extractie cu CO 2 SC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 46
47 Instalatii de extractie cu CO 2 SC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 47
48 Aplicatii industriale (Hamei) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 48
49 Aplicatii industriale TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 49
50 Aplicatii industriale TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 50
51 Instalatie de extractie cu CO 2 SC Capacitate: 2 x 400 L TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 51
52 Indepartarea colesterolului din produse de origine animala TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 52
53 Instalatii industriale de extractie cu FSC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 53
54 Instalatii industriale de extractie cu FSC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 54
55 Extractorul pilot XTractor TM TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 55
56 Extractorul pilot XTractor TM TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 56
57 Extractorul industrial XTractor TM TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 57
58 Extractorul industrial XTractor TM TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 58
59 Extractie cu fluide supercritice IERBURI SI CONDIMENTE Eucalipt Patrunjel Seminte de anason Primula de seara Frunze de menta Busuioc Seminte de stafide Usturoi Rozmarin Scortisoara Nucsoara Ghimbir Cuisoare Ceapa Cimbru Coriandru Ulei de salvie Seminte de telina Vanilie Radacina de Kava Piper negru Musetel Galbenele TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 59
60 Extractie cu fluide supercritice ULEIURI SPECIALE Seminte de struguri Ulei de germeni de grau Seminte de stafide Primula de seara Ulei de susan Seminte de dovleac Ulei de tarate de orez Ulei de ovaz GRASIMI ALTELE Ceai decofeinizat Cafea decofeinizata Hamei Expandare tutun Impregnare Coaja Cacao degresata Acoperiri Fructe TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 60
61 Prelucrarea hameiului Compozitia tipica a hameiului uscat: Celuloza & lignina 40% Rasini (α & β acizi) 15% Proteine 15% Apa 10% Cenusa 8% Taninuri 4% Grasimi & ceruri 3% Pectine 2% Monozaharide 2% Uleiuri esentiale 1% TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 61
62 Solventi de extractie - HAMEI 1908 Etanol 1942 Diclorometan 1960 Tricloroetan 1961 Benzen 1965 Metanol 1970 Hexan 1980 CO 2 Lichid 1982 CO 2 Supercritic Anglia Germania Germania Anglia Anglia USA Australia/UK Germania TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 62
63 Produse obtinute din hamei formule anti-microbiene OH O HO O molecule de arome si parfumuri lupulone O humulene epoxide TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 63
64 Produse obtinute din hamei Polifenoli OH OH HO OH HO O O O OH O Xanthohumol 8-prenyl naringenin TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 64
65 Extractie cu CO 2 lichid - HAMEI Coloane de extractie Preincalzitor Recompresor Racitor Condensator-evaporator Extract Rezervor deco 2 CO 2 Refrigerator TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 65
66 Selectivitatea CO 2 lichid Lichid diclorometan etanol CO 2 lichid Alfa acizi 35-45% 30-40% 40-50% Beta acizi 15-20% 10-15% 18-40% Alte rasini moi 3-8% 3-8% 5-20% Rasini tari 2-5% 2-10% Lipsa Uleiuri volatile 1-3% 1-2% 2-8% Grasimi si ceruri 1-2% Urme 0-5% Taninuri Urme 1-5% Lipsa Clorofila <1% Urme Lipsa Saruri anorganice <1% 0.5-1% Urme Solvent rezidual <1% % 0.1% Lipsa Apa Urme 1-5% 1-5% Randament tipic 28% 38% 19% TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 66
67 Extractie cu CO 2 supercritic - HAMEI Coloane de extractie Ventil de laminare Schimbatoare de caldura Refrigerator Separatoare Extract Extract Pompa Rezervor de CO 2 CO 2 Schimbator de caldura TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 67
68 Extracte din plante Extracte si molecule antimicrobiene OH O HO O COOH abietic acid (Pine extract) OH co-lupulone (Hop extract) carvacrol (Origanum extract) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 68
69 Extracte si molecule antimicrobiene Cele mai multe sunt terpenoide din plante aromatice Utilizate curent in: extractia zaharului din sfecla si trestie - inlocuiesc formaldehida si sulfitii producerea berii - inlocuiesc Nisinul conservarea alimentelor - inlocuiesc hidroxibenzoatii produse de igiena orala - inlocuiesc triclosanul furaje - inlocuiesc antibioticele biofouling TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 69
70 Antidaunatori naturali O O OH (4aS,7S,7aR)-nepetalactone (cis,trans) O (4aS,7S,7aR)-nepetalactol (cis,trans) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 70
71 Antidaunatori naturali O O H Tasmania lanceolata OH O HO O Humulus lupulus TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 71
72 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Inlocuirea solventilor utilizati in litografie Polimerizarea fluoropolimerilor (lubrifianti pentru HDD) in CO 2 SC; Hidrogenarea catalitica a CO 2 SC obtinerea acidului formic: TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 72
73 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Aditivi la polimeri: vopsirea textilelor, obtinerea materialelor reflectorizante; Uscarea: obtinerea aerogelului de silice uscare fara vaporizare fara expansie de volum fara distrugerea structurii TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 73
74 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Inlocuirea solventilor potential cancerigeni din curatatoriile chimice (dry cleaning) cu CO 2 SC; Cromatografia cu FSC: rezolutieinalta sensibilitate ridicata lucru la temperatura mai coborata decat in HPLC sau GC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 74
75 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Distrugerea reziduurilor organice prin oxidare in apa supercritica Apa in stare supercritica: densitatea, constanta dielectrica si solubilitatea anorganicelor SCAD solubilitatea hidrocarburilor CRESTE TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 75
76 Curbe densitate presiune pentru apa TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 76
77 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice La T > 550 C, comp. organici toxici sunt miscibili cu apa, la fel si O 2 si H 2 O 2 ; La T > 550 C, majoritatea comp. anorganici sunt insolubili; TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 77
78 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Gazeificarea biomasei cu apa supercritica componentele biomasei (celuloza, amidon, lignina), se dizolva si se scindeaza in apa SC; in conditii corespunzatoare (~ 600 C, ~ 35 MPa), gazeificarea este completa; Produsii principali ai gazeificarii sunt: H 2, CH 4, CO 2. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 78
79 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 79
80 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice In conditii mai blande, aproape critice ( C; MPa), are loc lichefierea biomasei; Biomasa lichefiata = titei din biomasa; In conditii corespunzatoare se pot forma zaharuri, acizi organici, alte produse valoroase. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 80
81 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 81
82 Alte aplicatii ale fluidelor supercritice Expansiunea Rapida a Solutiilor SuperCritice (ERSSC); Procese de Cristalizare Gaz Antisolvent (CGAS) si Solvent AntiSolvent (CSAS); Separarea Particulelor din Solutii Suprasaturate (SPSS). TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 82
83 Expansiunea Rapida a Solutiilor SuperCritice (ERSSC) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 83
84 Expansiunea Rapida a Solutiilor SuperCritice (ERSSC) Solutul se dizolva in CO 2 SC; Solutia este expandata la P atm.; Solubilitatea scade de 10 6 ori; Se creaza suprasaturatia si nucleatia; Rezulta particule uniforme, cu dimensiuni controlabile. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 84
85 Expansiunea Rapida a Solutiilor SuperCritice (ERSSC) ACID NICOTINIC - imagini la microscopul electronic: obtinut pe cale clasica obtinut prin ERSSC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 85
86 Expansiunea Rapida a Solutiilor SuperCritice (ERSSC) LYSOZIMA - imagini la microscopul electronic: obtinuta prin crioconcentrare obtinuta prin ERSSC TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 86
87 Cristalizarea Gaz Antisolvent (CGAS) si Solvent AntiSolvent (CSAS) Compusul (medicament) se dizolva in solventul purtator; Solventul purtator este partial miscibil cu CO 2 ; Amestecarea solventului purtator cu CO 2 SC provoaca precipitarea compusului. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 87
88 Cristalizarea Gaz Antisolvent (CGAS) si Solvent AntiSolvent (CSAS) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 88
89 Aplicatii ale ERSSC, CGAS, CSAS Microincapsularea aromelor si parfumurilor (volatile, termolabile, sensibile la oxidare, scumpe) eliberarea aromelor in timpul prepararii hranei cu microunde; protejarea aspartamului in timpul gatirii; protectia la oxidare a uleiurilor si esentelor; mascarea gustului de KCl; reducerea amestecarii aromelor; produse finite necontaminate cu solvent; comp. active nu se degradeaza ca la uscarea prin atomizare TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 89
90 Aplicatii ale ERSSC, CGAS, CSAS Aplicatii farmaceutice: medicamentele sub forma de aerosoli necesita particule uniforme, de mici dimensiuni; este necesara obtinerea de produse sterile; CO 2 inlocuieste conditiile aseptice asigurate cu eter etilic. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 90
91 Separarea Particulelor din Solutii Suprasaturate (SPSS) TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 91
92 Separarea Particulelor din Solutii Suprasaturate (SPSS) Solutia produsului se amesteca cu CO 2 SC; Amestecul este pulverizat la P si T controlate intr-un recipient in care are loc formarea particulelor solide; Picaturile formate sunt in general mai mici decat cele obtinute prin alte metode; Procesul permite obtinerea nanoparticulelor de substante insolubile in CO 2 SC. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 92
93 Aplicatii ale ERSSC, CGAS, CSAS RESS = ERSSC SAS = CSAS SFN = nucleatie cu fluide supercritice PCA = precipitare cu fluid antisolvent comprimat GAS = CGAS TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 93
94 CONCLUZII Fluidele supercritice au proprietati unice: difuzivitate ridicata; tensiune superficiala scazuta; constanta dielectrica joasa; densitate continuu variabila. Sunt neinflamabile, netoxice, ieftine, nu necesita conditii speciale de depozitare; Reprezinta o alternativa verde pentru solventii clasici in: curatire extractie sinteza TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 94
95 CONCLUZII Fluidele supercritice permit fabricarea unor materiale special structurate, care nu pot fi obtinute prin metode conventionale; Deschid noi drumuri in procesele de: extractie separare cromatografica eliminare a deseurilor toxice. TEHNICI DE SEPARARE Lucian GAVRILA 95
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