Sử dụng CO2 siêu tới hạn – phương pháp chiết xuất chất lỏng phổ biến

Chiết CO2 siêu tới hạn là một ứng dụng của quy trình chiết chất lỏng siêu tới hạn (Supercritical fluid Extraction). Chiết chất lỏng siêu tới hạn là một công nghệ tách sử dụng dung môi chất lỏng siêu tới hạn để chiết xuất. So với phương pháp chiết soxhlet truyền thống, chiết chất lỏng siêu tới hạn sử dụng chất lỏng siêu tới hạn cung cấp nhiều đặc tính hữu ích. Trong quá trình chiết xuất, hệ số khuếch tán của lipid và sáp trong chất lỏng siêu tới hạn cao hơn nhiều so với chất lỏng nên quá trình chiết xuất diễn ra nhanh hơn. Ngoài ra, không có sức căng bề mặt trong chất lỏng siêu tới hạn và độ nhớt thấp hơn nhiều so với chất lỏng, giúp chất lỏng siêu tới hạn có thể xâm nhập vào các lỗ nhỏ mà chất lỏng không thể tiếp cận được. Carbon dioxide là chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn là phương pháp tiên tiến, có thể tách triệt để một số chất có giá trị cao mà các phương pháp khác không thể làm được.

1. Tóm tắt nội dung

   Toggle

   Lịch sử phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn

Năm 1861, Gore là người phát hiện ra CO2 lỏng có thể hoà tan comphor và naphtalen một cách dễ dàng và cho màu rất đẹp nhưng lại khó hoà tan các chất béo. Sau đó năm 1875-1876 Andrew đã nghiên cứu về trạng thái siêu tới hạn của CO2, đây là trạng thái mà ở đó CO2 chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nhưng vẫn chưa đạt ở dạng khí hoàn toàn mà ở điểm giữa của hai trạng thái lỏng- khí. Những kết quả của ông đo về áp suất, nhiệt độ CO2 ở trạng thái này rất gần với các số liệu mà hiện nay đang sử dụng. Năm 1906, Buchner đã công bố một số hợp chất hữu cơ khó bay hơi nhưng lại có khả năng hoà tan trong CO2 siêu tới hạn cao hơn nhiều trong CO2 lỏng. Đây là kết quả quan trọng đánh dấu bước phát triển mới của phương pháp CO2 siêu tới hạn. Năm 1920 – 1960 hàng loạt các công trình nghiên cứu công bố về trạng thái siêu tới hạn của các dung môi khác như: etanol, metanol, di-ethyl eter… và các chất tan dùng để nghiên cứu các chất thơm, tinh dầu, các dẫn xuất halogen, các tri-glyxerit và các hoạt chất hữu cơ khác. Tuy nhiên, CO2 vẫn là hợp chất được lựa chọn dùng trong phương pháp này bởi nhiều tính chất ưu việt mà các dung môi khác không có.

2. Nguyên lý phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn

Thông thường, tùy theo điều kiện nhất định các chất sẽ tồn tại ở một trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí. Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao, khí sẽ hóa lỏng. Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà ở đó, nếu nâng dần nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không thể trở về trạng thái khí, mà rơi vào một vùng trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là vừa có khả năng hòa tan được các chất như pha lỏng, vừa có khả năng khuếch tán cao của pha khí. Bất kỳ dung môi nào cũng sẽ ở trạng thái siêu tới hạn nếu tồn tại ở nhiệt độ và áp suất trên giá trị tới hạn. Vì vậy khi nhiệt độ và áp suất của CO2 được đưa lên cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn của nó (trên nhiệt độ 31°C và áp suất 73.8 bar) thì CO2 sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn. Ở trạng thái này, CO2 có khả năng hòa tan rất tốt nhiều chất ở cả 3 dạng rắn, lỏng và khí.

Sự trích ly của chất lỏng siêu tới hạn tùy thuộc vào tỷ trọng của nó (tỷ trọng có thể điều khiển được bằng cách thay đổi áp suất hay nhiệt độ). Tỷ trọng của lưu chất biến đổi nhanh ở vùng nhiệt độ và áp suất gần điểm tới hạn. Carbon dioxid (CO2) ở trạng thái siêu tới hạn thường được sử dụng để chiết các chất thơm và chất béo, chủ yếu do giá trị tới hạn thấp (31°C; 73,8 bar), không độc, giá rẻ. Sau quá trình chiết, để thu hồi sản phẩm chỉ cần giảm áp suất thấp hơn áp suất tới hạn thì CO2 chuyển sang dạng khí ra ngoài, còn sản phẩm được tháo ra ở bình hứng mà không để lại dư lượng hóa chất như trong dung môi cổ điển. Ngoài ra, độ nhớt của CO2 yếu và gần với độ nhớt của chất khí cho phép dòng chảy qua với tốc độ lớn và như vậy tăng hiệu suất tách. Tinh dầu sản xuất bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn thường cho chất lượng cao khi so sánh với phương pháp trích ly bằng dung môi thông dụng.

3. Cơ chế hoạt động của thiết bị chiết CO2 siêu tới hạn

Thiết bị chiết sử dụng CO2 siêu tới hạn bao gồm một máy bơm được kết nối với xi lanh CO2 và bình chiết được gắn thẳng đứng bên trong lò điều nhiệt. CO2 ở trạng thái lỏng từ trong bình chưa khí với áp suất 50-55 bar được dẫn qua thiết bị truyền nhiệt làm lạnh xuống khoảng nhiệt độ 0-1°C để tăng tỷ trọng dòng dung môi CO2 lỏng trước khi vào bơm cao áp. CO2 được nén đến áp suất mong muốn và chảy với tốc độ không đổi bên trong cột. Khi CO2 đến bình chiết, nó được làm nóng bằng lò chứa. Nhiệt độ của CO2 trong bình chiết được điều chỉnh tự động bằng hệ thống điều khiển nhằm duy trì trạng thái ổn định ở nhiệt độ chiết. Hỗn hợp chiết cùng với dòng CO2 siêu tới hạn ra khỏi bình chiết qua van tháo tiếp đó được giảm áp, dịch chiết đi vào bình tách và tại đây CO2 hóa khí tách ra khỏi sản phẩm.

4. Ưu điểm của dung môi CO2 siêu tới hạn

• Tính chất hóa lý nổi bật của CO2 siêu tới hạn

– Có sức căng bề mặt thấp nên dễ hòa tan các chất

– Độ linh hoạt cao nên dễ xâm nhập nguyên liệu

– Độ nhớt thấp dễ di chuyển

– Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng của chất lỏng nên dễ dàng hòa tan các chất

– Khả năng hòa tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất

• Ưu điểm của CO2 siêu tới hạn so với các dung môi khác

– CO2 dễ kiếm, rẻ tiền.

– Là chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết

– Không gây cháy nổ

– Không độc với cơ thể và không ăn mòn thiết bị

– Có thể chiết chọn lọc và tách phân đoạn

– Có khả năng hòa tan tốt các chất hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, các chất thơm, các chất dễ bay hơi và các chất nhạy cảm nhiệt cũng được xử lý dễ dàng.

– Có sự chọn lọc khi hòa tan, không hòa tan các kim loại nặng và dễ điều chỉnh các thông số trạng thái để có thể tạo ra các tính chất lựa chọn khác nhau của dung môi

– Có khả năng hóa hơi hoàn toàn, không còn dư lại trong sản phẩm

– CO2 được tái chế trong nhà máy, vô hại về mặt sinh lý và không gây ra các vấn đề về môi trường như một số dung môi thông thường

5. Các chất hòa tan trong CO2

Nói chung, hợp chất càng dễ bay hơi thì độ hòa tan của nó trong CO2 (siêu tới hạn và chất lỏng) càng cao và quá trình chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn càng dễ dàng. Do đó, danh sách được đề cập dưới đây đóng vai trò là dấu hiệu đầu tiên. Tính chất của CO2 và độ hòa tan của các hợp chất có thể được thay đổi bằng cách bơm đồng dung môi và thay đổi nhiệt độ và áp suất.

Dễ hòa tan	Hòa tan	Không hòa tan
Esters, Alcohols	Dầu thực phẩm từ các hạt có dầu	Đường
Aldehydes, Ketones	Sáp	Acid trái cây
Chất dễ bay hơi/tinh dầu	Polyphenols	Tinh bột
Hương liệu		Protein
		Muối khoáng
		Glycosides

6. Ưu điểm của phương pháp:

• Tạo ra sản phẩm có chất lượng cao: tinh dầu có màu, mùi tự nhiên, không lẫn nhiều thành phần không mong muốn; các hợp chất tự nhiên với hoạt tính cao
• Tách được các hoạt chất với hàm lượng cao: các hợp chất hòa tan trong CO2 siêu tới hạn đều được tách ra triệt để
• Không còn lượng dung môi dư: do CO2 chuyển hết sang trạng thái khí và không còn trong hỗn hợp
• Không gây ô nhiễm môi trường: CO2 có thể tuần hoàn nên không gây ô nhiễm môi trường
• Là phương pháp có công nghệ cao và an toàn với các sản phẩm tự nhiên, không làm biến đổi các sản phẩm tự nhiên

7. Ứng dụng

Chiết CO2 siêu tới hạn đã được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dược phẩm và mỹ phẩm để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh, tăng cường sức khoẻ từ các nguồn nguyên liệu thảo mộc, các tinh dầu quý hiếm để phục vụ cho công nghiệp sản xuất nước hoa, đặc biệt là các loại nước hoa cao cấp và hương liệu trong đồ uống và thực phẩm. Một số nước trên thế giới đã ứng dụng phương pháp này ở quy mô công nghiệp với một số sản phẩm nhất định như: Chiết xuất tinh dầu làm mỹ phẩm từ hoa hublông (hoa bia) và thảo dược ở New Zealand, Ba Lan; tách loại cafein trong cà phê, trà ở Đức và Italia; chiết xuất tinh dầu từ gia vị và thảo dược ở Ấn Độ; xử lý thuốc trừ sâu trong gạo ở Đài Loan; chiết xuất tinh dầu mè ở Hàn Quốc…Tại Việt Nam, phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn đã được ứng dụng để chiết xuất tinh dầu trầm, tinh dầu dương cam cúc, tinh dầu gấc, tinh dầu tiêu, tinh dầu quế…

– Công nghiệp thực phẩm

• Khử caffein cà phê và trà
• Chiết xuất hoa bia, thảo mộc và gia vị
• Phục hồi hương vị, chất chống oxy hóa
• Chiết xuất dầu đặc biệt
• Khử dầu trong bánh
• Làm sạch gạo

– Ngành công nghiệp dược phẩm

• Chiết xuất dược liệu
• Tinh chế dược phẩm

– Ngành mỹ phẩm

• Chiết xuất các hoạt chất cho các ứng dụng dược mỹ phẩm
• Chiết xuất nước hoa

– Các ứng dụng khác

• Làm sạch nút chai
• Ngâm tẩm gỗ
• Phản ứng hoá học
• Sự hình thành hạt
• Làm sạch
• Khử trùng

8. Tổng kết

Có thể thấy việc ứng dụng phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn trong chiết xuất được xem là xu hướng vừa đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng vừa thân thiện với môi trường hiện nay. Với những ưu điểm về công nghệ, đây là hướng đi mới nhiều tiềm năng phát triển của các ngành công nghiệp sản xuất và chế biến sản phẩm (thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm…)

Khi CO2 được sử dụng ở trạng thái siêu tới hạn, nó cho phép nhà sản xuất luôn kiểm soát được quy trình bằng cách điều khiển các đặc tính vật lý của nó để cô lập một số phân tử. Kích thước của hệ thống chiết xuất sẽ khác nhau tùy thuộc vào kích thước lô, thể tích chiết có thể là 50mL / 100mL / 200mL / 500mL với quy mô phòng thí nghiệm hoặc lên tới 100L / 200L / 400L / 800L / 1000L / 2000L với quy mô công nghiệp. Một số hệ thống có tùy chọn tự động hóa, vì vậy nhà sản xuất không cần phải có mặt trong suốt quá trình sản xuất.

Công ty Thương mại và Dịch vụ Kĩ thuật Minh Khang hiện đang phân phối các dòng sản phẩm chiết CO2 siêu tới hạn do hãng Extratex-SFI (Extratex Supercritical Fluid Innovation) – Pháp sản xuất, đáp ứng nhu cầu chiết tách ở cả quy mô phòng thí nghiệm, quy mô sản xuất thử nghiệm và quy mô công nghiệp.