Dlaczego nadkrytyczny CO₂?

Stan nadkrytyczny osiągany jest przez związek lub mieszaninę po przekroczeniu tzw. temperatury i ciśnienia krytycznych. Układ taki charakteryzują właściwości pośrednie do tych, jakie mają gaz i ciecz, co wykorzystywane jest w nowoczesnych procesach chemicznych, ekstrakcji, czy analizie związków. Dla dwutlenku węgla nadkrytyczna temperatura i ciśnienie przyjmują niskie wartości: 31^oC i 73.8 bar.

W stanie nadkrytycznym CO_2, podobnie do gazu, posiada doskonałą mieszalność z innymi gazami, bardzo niskie współczynniki dyfuzji, które nie powodują problemów z wymianą masy, znikome napięcie powierzchniowe i niską lepkość. Dodatkowo ma zbliżoną gęstość do cieczy, sterowalną w szerokim zakresie temperatury i ciśnienia, pojemność cieplną, a co za tym idzie dobrą siłę rozpuszczalnikową.

Te właściwości, w połączeniu z możliwością modyfikacji polarności CO₂ poprzez dodatek organicznych współrozpuszczalników oraz zależność parametrów fizykochemicznych od temperatury i ciśnienia powodują, że nadkrytyczny CO₂ wykorzystywany jest z wielkim powodzeniem jako ekstrahent czy faza ruchoma w chromatografii, a technika ta znajduje coraz to większe uznanie w nowoczesnym przemyśle i świecie nauki.

Ekstrakcja nadkrytycznym CO₂ – alternatywa dla procesu Soxhleta

Ekstrakcja nadkrytycznym CO₂ stosowana jest najczęściej do pozyskiwania substancji pochodzenia naturalnego z ciała stałego (materiału biologicznego: roślinnego lub zwierzęcego). Najbardziej znanym przykładem wykorzystania tej techniki na skalę przemysłową jest technologia otrzymywania kawy bezkofeinowej. Brak problemów związanych z transferem masy, a także możliwości sterowania właściwościami CO₂ poprzez niewielkie zmiany ciśnienia i temperatury, jego mieszalność z typowymi rozpuszczalnikami organicznymi pozwalają na ilościową, jakościową i selektywną ekstrakcję konkretnych grup związków o różnej lotności i polarności. Dodatkowo niska temperatura ekstrakcji umożliwia ekstrakcję związków termicznie niestabilnych, czy np. niskowrzących olejków eterycznych.

Ekstrakcja nadkrytycznym CO₂ cechuje się wyższą wydajnością od typowego procesu Soxhleta, a jej czas zostaje wielokrotnie skrócony. Dodatkowo niewielkie zużycie rozpuszczalników organicznych oraz ogólna dostępność CO₂ powodują iż proces ten wpisuje się w zasady Zielonej Chemii. W przypadku ekstrakcji samym CO­₂ olbrzymią zaletą jest uzyskiwanie po rozprężeniu układu, ekstraktu nie wymagającego dalszych długotrwałych i kosztownych procesów zatężania.

Ekstrakcję nadkrytycznym CO₂ wykorzystuje się do pozyskiwania substancji czynnych z materiału biologicznego, zarówno niepolarnych, jak również polarnych (dzięki zastosowaniu współrozpuszczalnika organicznego), olejków eterycznych, olejów z nasion, nienasyconych kwasów tłuszczowych, barwników, naturoceutyków, wzmacniaczy smaku i zapachu, substancji dla przemysłu farmaceutycznego, spożywczego lub biotechnologii. Dzięki możliwościom zmiany siły rozpuszczalnikowej CO₂ stosując tę technikę można otrzymać szeroką paletę związków o różnej budowie strukturalnej i właściwościach.

Technika ta wykorzystywana jest też między innymi do odtłuszczania produktów, czy usuwania z materiału stosowanego w ekstrakcji substancji niepożądanych, jak np. pestycydy, czy herbicydy.

Chromatografia z nadkrytycznym CO₂ – nowe możliwości analizy i rozdziału

Chromatografia nadkrytycznym CO₂ stanowi hybrydę dwóch najpopularniejszych technik chromatograficznych – chromatografii gazowej i cieczowej, z sukcesem wykorzystywanych w wielu laboratoriach analitycznych, biologicznych, czy kontroli jakości. Dzięki możliwościom sterowania polarnością dwutlenku węgla, poprzez zmiany temperatury i ciśnienia, a także dodatek współrozpuszczalnika, można oznaczać szereg związków o różnej polarności i lotności, m.in. peptydy, steroidy, barwniki, tłuszcze, fosfolipidy, karotenoidy, terpeny, polepszacze smaku, olejki eteryczne, antyoksydanty, pestycydy czy agrochemikalia.

Technika ta pozwala analizować i rozdzielać szerokie spektrum związków, a czas analizy, ze względu na właściwości CO₂ ulega wielokrotnemu skróceniu w porównaniu z typową chromatografią cieczową. Ten typ analizy stanowi alternatywę dla tych powszechnie stosowanych technik, a jednocześnie pozwala oznaczyć zdecydowanie więcej grup związków przy bardzo dobrej rozdzielczości i separacji sygnałów.

Laboratorium Nadkrytycznego CO₂ w Poznańskim Parku Naukowo –Technologicznym

Laboratorium Nadkrytycznego CO₂, działające w Poznańskim Parku Naukowo-Technologicznym, wykorzystuje CO₂ do ekstrakcji, analizy oraz rozdziału związków. Jest to jednostka kompleksowo wyposażona w różnego typu ekstraktory pozwalające zarówno na optymalizację samego procesu, jak również przeprowadzenie go w skali do 1 litra. Chromatografy analityczne, a także analityczno-preparatywne zaopatrzone w detektory fotodiodowe oraz sprzężone ze spektrometrem mas umożliwiają ilościową i jakościową analizę, a także rozdział konkretnych grup związków.

Wysokiej klasy wyposażenie laboratorium, wykwalifikowana i doświadczona kadra umożliwiają przeprowadzenie szerokiej gamy analiz, a usługi adresowane są zarówno do jednostek naukowo-badawczych, a także przemysłu związanego z farmacją, biochemią, biotechnologią, zielarstwem, kosmetyką, czy firmami zajmującymi się otrzymywaniem produktów spożywczych.

Laboratorium Nadkrytycznego CO₂ może zatem prowadzić m.in. usługi dotyczące:

• ekstrakcji z ciała stałego (materiału pochodzenia biologicznego) różnego typu związków o określonych właściwościach,

• optymalizacji samego procesu (dobór parametrów: ciśnienia, temperatury, szybkości przepływu mediów i składu ekstrahenta) w celu uzyskania jak najwyższej wydajności i selektywności ekstrakcji,

• pozyskiwania substancji pochodzenia naturalnego m.in. z roślin, ziół, nasion, materiału zwierzęcego na drodze ekstrakcji CO₂,

• usuwania niepożądanych substancji z ekstrahowanego materiału,

• analizy jakościowej i ilościowej z wykorzystaniem chromatografii z nadkrytycznym CO2,

• rozdziału i oznaczania czystości enancjomerycznej związków optycznie czynnych,

• rozdziału semi-preparatywnego,

• opracowywania metod rozdziału i analizy związków pochodzenia biologicznego.

Nowootwarte laboratorium ukierunkowane jest na wszystkie tematy związane z pozyskiwaniem i analizą związków pochodzenia naturalnego. Zapraszamy więc do współpracy, która może stworzyć nowe możliwości dla Państwa firmy czy jednostki badawczej.

Kontakt do Laboratorium Nadkrytycznego CO₂ Poznańskiego Parku Naukowo-Technologicznego: co2@ppnt.poznan.pl

(Autor: dr Jędrzej Walkowiak)