Überkritische Flüssigkeit Chromatografie

Überkritische Flüssigkeit Chromatografie ist ein Unterbereich von Überkritischen Flüssigkeiten (ÜKF). Das sind Substanzen, die sich bei einer Temperatur und einem Druck oberhalb ihres kritischen Punktes befindet, wo es keine getrennten Flüssigkeits- und Gasphasen gibt, aber unterhalb des Drucks, der erforderlich ist, um sie zu einem Feststoff zu komprimieren.

Sie kann wie ein Gas durch poröse Feststoffe strömen und dabei die Beschränkungen des Stofftransports überwinden, die den Transport von Flüssigkeiten durch solche Materialien behindern.

ÜKF sind Gasen weit überlegen beim Auflösen von Flüssigkeiten oder Feststoffen. Darüber hinaus führen in der Nähe des kritischen Punktes kleine Druck- oder Temperaturänderungen zu großen Dichteänderungen, so dass viele Eigenschaften eines überkritischen Flüssigkeit “fein abgestimmt” werden können.

In einer überkritischen Flüssigkeit gibt es keine Oberflächenspannung, da es keine Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Gas gibt. Durch Änderung des Drucks und der Temperatur können die Eigenschaften so “eingestellt” werden, dass sie eher flüssigkeits- oder gasförmig sind.

Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die Löslichkeit von Stoffen in der Flüssigkeit. Die Löslichkeit in einer überkritischen Flüssigkeit nimmt tendenziell mit der Dichte der Flüssigkeit (bei konstanter Temperatur) zu. Da die Dichte mit dem Druck zunimmt, steigt auch die Löslichkeit mit dem Druck.

Die Beziehung zur Temperatur ist ein wenig komplizierter. Bei konstanter Dichte nimmt die Löslichkeit mit der Temperatur zu. In der Nähe des kritischen Punktes kann die Dichte jedoch schon bei einem geringen Temperaturanstieg stark abfallen. Daher sinkt die Löslichkeit in der Nähe der kritischen Temperatur oft mit steigender Temperatur und steigt dann wieder an.

Viele unter Druck stehende Gase sind überkritische Flüssigkeiten. Stickstoff hat zum Beispiel einen kritischen Punkt von 126,2 K (-147 °C) und 3,4 MPa (34 bar). Daher ist Stickstoff (oder komprimierte Luft) in einer Gasflasche oberhalb dieses Drucks eine überkritische Flüssigkeit.

Sie werden auch als permanente Gase bezeichnet. Bei Raumtemperatur liegen sie weit über ihrer kritischen Temperatur und verhalten sich daher wie ein nahezu ideales Gas, wie CO2 bei über 400 K. Sie können jedoch nicht durch mechanischen Druck verflüssigt werden, es sei denn, sie werden unter ihre kritische Temperatur abgekühlt, so dass ein Gravitationsdruck erforderlich ist, um eine Flüssigkeit oder einen Feststoff bei hohen Temperaturen zu erzeugen.

Oberhalb der kritischen Temperatur können hohe Drücke, die Dichte so weit erhöhen, dass die SKF eine flüssigkeitsähnliche Dichte und ein flüssiges Verhalten aufweisen.  Bei sehr hohen Drücken, kann ein ÜKF zu einem Feststoff komprimiert werden, da sich die Schmelzkurve rechts vom kritischen Punkt im folgenden P/T-Phasendiagramm erstreckt.

Während der Druck, der erforderlich ist, um überkritisches CO2 zu einem Feststoff zu verdichten, je nach Temperatur bis zu 570 MPa betragen kann, liegt der Druck, der erforderlich ist, um überkritisches Wasser zu verfestigen, bei 14.000 MPa.

CO2 als Überkritische Flüssigkeit

Aufgrund ihrer hohen Dichte haben überkritische Flüssigkeiten ein hohes Solvatationsvermögen und können daher als Lösungsmittel verwendet werden.  Die am häufigsten verwendete überkritische Flüssigkeit ist Kohlendioxid (ÜK-CO2)

Phasendiagramme

Das Auftreten einer einzigen Phase kann auch im Dichte-Druck-Phasendiagramm für Kohlendioxid beobachtet werden (Abb. 2).

Weit unterhalb der kritischen Temperatur, z. B. bei 280 K, verdichtet sich das Gas bei steigendem Druck und kondensiert schließlich (bei knapp über 40 bar) zu einer viel dichteren Flüssigkeit, was zu der Diskontinuität in der Linie führt (senkrechte gepunktete Linie). Das System besteht aus zwei Phasen im Gleichgewicht, einer dichten Flüssigkeit und einem Gas geringer Dichte. Bei Annäherung an die kritische Temperatur (300 K) wird die Dichte des Gases im Gleichgewicht höher und die der Flüssigkeit niedriger. Am kritischen Punkt (304,1 K und 7,38 MPa (73,8 bar)) gibt es keinen Dichteunterschied mehr, und die beiden Phasen werden zu einer flüssigen Phase. Oberhalb der kritischen Temperatur kann ein Gas also nicht durch Druck verflüssigt werden.

Etwas oberhalb der kritischen Temperatur (310 K), in der Nähe des kritischen Drucks, ist die Linie fast senkrecht. Ein geringer Druckanstieg bewirkt einen starken Anstieg der Dichte der überkritischen Phase. Viele andere physikalische Eigenschaften weisen in der Nähe des kritischen Punktes ebenfalls große Druckgradienten auf, z. B. die Viskosität, die relative Dielektrizitätskonstante und die Lösungsmittelstärke, die alle eng mit der Dichte zusammenhängen.

Bei höheren Temperaturen verhält sich die Flüssigkeit eher wie ein ideales Gas, mit einer lineareren Dichte/Druck-Beziehung, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Für Kohlendioxid bei 400 K steigt die Dichte fast linear mit dem Druck.

Wir spezialisieren in Überkritische Flüssigkeit Extraktion, ÜberkritischerFlüssigkeit Fraktionierung,  Überkritischer Flüssigkeit Chromatografie und Präparativer Überkritische Flüssigkeit Chromatographie

1. Extraktion mit Überkritische Flüssigkeiten (ÜFE)

Warum wird Kohlendioxid am häufigsten für die ÜFE verwendet?

Die Überkritische Flüssigkeit Extraktion hat sich zu einem attraktiven Trennverfahren für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie entwickelt, da die Nachfrage nach “natürlichen” Prozessen, bei denen keine organischen Chemikalien zurückbleiben, steigt.

Überkritisches Kohlendioxid ist das bei weitem am häufigsten verwendete überkritische Füssigkei. Es ist nicht brennbar und ist nicht giftig. Die einzigartigen Lösungsmitteleigenschaften von überkritischem Kohlendioxid haben es zu einem begehrten Mittel für die Abtrennung von Antioxidantien, Pigmenten, Aromen, Duftstoffen, Fettsäuren und ätherischen Ölen aus pflanzlichen und tierischen Materialien gemacht.

Im überkritischen Zustand verhält sich Kohlendioxid wie ein lipophiles Lösungsmittel und kann daher die meisten unpolaren gelösten Stoffe extrahieren. Die Abtrennung des Kohlendioxids vom Extrakt ist einfach und erfolgt fast sofort. Es verbleiben keine Lösungsmittelrückstände im Extrakt, wie dies bei der Extraktion mit organischen Lösungsmitteln der Fall ist.

Im Gegensatz zu flüssigen Lösungsmitteln kann die Lösungskraft von überkritischem Kohlendioxid durch geringfügige Änderungen der Temperatur und des Drucks leicht eingestellt werden, wodurch es möglich ist, die gewünschten Verbindungen zu extrahieren.

Durch die Zugabe geringer Mengen polarer Co-Lösungsmittel können sogar polare Stoffe extrahiert werden. Weitere Vorteile von Kohlendioxid sind, dass es kostengünstig ist, in hoher Reinheit zur Verfügung steht, von der FDA zugelassen ist und allgemein als sichere Verbindung gilt (GRAS, Generally Recognized As Safe).

Überkritisches Kohlendioxid ist auch für die Extraktion von Verbindungen geeignet, die empfindlich auf extreme Bedingungen reagieren, da es eine relativ niedrige kritische Temperatur (31 °C) hat. Es wird in großem Maßstab für die Dekaffeinierung von Rohkaffee, die Extraktion von Hopfen für die Bierherstellung und die Herstellung von ätherischen Ölen und pharmazeutischen Produkten aus Pflanzen eingesetzt.

Die CO2-Extraktion von Cannabis und Hanf bei hohem Druck (>5000 psi, >345 bar) bietet den doppelten Vorteil einer hohen Ausbeute und kurzer Laufzeiten.

Die Vorteile der überkritischen Flüssigkeitsextraktion (im Vergleich zur Lösungsmittelextraktion) liegen darin, dass sie aufgrund der niedrigen Viskosität und der hohen Diffusionsfähigkeit überkritischer Flüssigkeiten relativ schnell erfolgt.

Die Extraktion kann bis zu einem gewissen Grad selektiv erfolgen, indem die Dichte des Mediums gesteuert wird, und das extrahierte Material kann leicht zurückgewonnen werden, indem einfach der Druck abgelassen wird, so dass die überkritische Flüssigkeit in die Gasphase zurückkehrt und verdampft, wobei nur wenige oder gar keine Lösungsmittelrückstände zurückbleiben.  Einige Systeme rezyklieren auch CO2.

CO2 ist eine kostengünstige und klimaneutrale Ressource.

Es gibt einige Labortestverfahren, bei denen die überkritische Flüssigkeitsextraktion als Extraktionsmethode anstelle der Verwendung herkömmlicher Lösungsmittel eingesetzt wird.

2. Überkritische Flüssigkeit Fraktionierung (ÜFF)

Superkritische Flüssigkeiten haben eine sehr hohe Selektivität bei attraktiven Kosten, insbesondere im Dauerbetrieb. Diese Verfahren werden in der Industrie eingesetzt, um Wert und Qualität zu steigern.  Beliebte Anwendungen sind die Fraktionierung von Polymeren (Spezialschmierstoffe), Pharmazeutika, die Gewinnung von Aromen aus fermentierten und destillierten Getränken, Herstellung von mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Wirkstoffe aus der Fermentationsbrühe, die Verringerung der Verschmutzung von Wasserströmen usw.

3. Überkritische Flüssigkeit Chromatographie (ÜFC)

Die überkritische Flüssigkeitschromatographie (ÜFC) kann im analytischen Maßstab eingesetzt werden, wobei sie viele Vorteile der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und der Gaschromatographie (GC) vereint.

Sie kann mit herkömmlichen HPLC-Detektoren wie RI, UV-VIS, ELSD und MS verwendet werden.

Sie kann mit nicht flüchtigen und thermisch labilen Analyten (im Gegensatz zur GC) und mit dem universellen Flammenionisationsdetektor (im Gegensatz zur HPLC) verwendet werden und erzeugt aufgrund der schnellen Diffusion schmalere Peaks.

In der Praxis haben die Vorteile der SFC nicht ausgereicht, um die weit verbreitete HPLC und GC zu verdrängen, abgesehen von einigen wenigen Fällen wie chiralen Trennungen und der Analyse von hochmolekularen Kohlenwasserstoffen. Es gibt noch viel Möglichkeiten einzigartige und IPR geschützte Verfahren zu entwickeln.

Für die Herstellung stehen effiziente präparative simulierte Fließbetteinheiten zur Verfügung. Die Reinheit der Endprodukte ist sehr hoch, aber aufgrund der Kosten eignet sich dieses Verfahren nur für sehr hochwertige Materialien wie Arzneimittel.

4. Überkritische Flüssigkeit Chromatographie im präparativen Maßstab (PÜFC)

Die industrielle Entwicklung konzentriert sich auf die Reinigung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren

Mischungen mit anderen Lösungsmitteln

Überkritische Flüssigkeiten sind mit anderen Lösungsmitteln vollständig mischbar, so dass ein binäres Gemisch eine einzige Gasphase bildet, wenn der kritische Punkt des Gemischs überschritten wird. Ausnahmen sind jedoch bei Systemen bekannt, in denen eine Komponente viel flüchtiger ist als die andere, die in einigen Fällen bei hohem Druck und Temperaturen oberhalb der kritischen Punkte der Komponenten zwei nicht mischbare Gasphasen bilden. Dieses Verhalten wurde zum Beispiel bei den Systemen N2-NH3, NH3-CH4, SO2-N2 und n-Butan-H2O festgestellt.

Der kritische Punkt eines binären Gemisches kann als arithmetisches Mittel der kritischen Temperaturen und Drücke der beiden Komponenten geschätzt werden,

Tc(mix) = (Molanteil A) × Tc(A) + (Molanteil B) × Tc(B).

Für eine höhere Genauigkeit kann der kritische Punkt mit Hilfe von Zustandsgleichungen, wie z. B. der Peng-Robinson-Methode, oder mit der Gruppenbeitragsmethode berechnet werden. Andere Eigenschaften, wie die Dichte, können ebenfalls mit Hilfe von Zustandsgleichungen berechnet werden.

Anwendungen in Forschung und Entwicklung

In jüngster Zeit haben überkritische Flüssigkeiten in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung gefunden, von der Extraktion von Blumenduft aus Blumen bis hin zu Anwendungen in der Lebensmittelwissenschaft wie der Herstellung von entkoffeiniertem Kaffee und Tee, funktionellen Lebensmittelzutaten, Arzneimitteln, Kosmetika, Polymeren, Pulvern, Bio- und Funktionsmaterialien, Nanosystemen, Naturprodukten, Biotechnologie, fossilen und Biokraftstoffen, Mikroelektronik, Energie und Umwelt.

Ein Großteil der Begeisterung und des Interesses des letzten Jahrzehnts ist auf den enormen Fortschritte zurückzuführen, die bei der Verbesserung der Leistungsfähigkeit der einschlägigen experimentellen Instrumente erzielt wurden. Die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender experimenteller Methoden spielt in diesem Bereich weiterhin eine wichtige Rolle, wobei sich die jüngste Forschung auf die dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten konzentriert.

Imprägnierung

Die große Diffusionsfähigkeit der überkritischen Flüssigkeit ermöglicht eine homogene Verteilung von Wirkstoffen in verschiedenen porösen Matrizen: Arzneimittel in Pflastern oder medizinischen Geräten, Konservierungsmittel in Holz, Entsäuerungs- und Verstärkungsmittel in Büchern, Aromen in Lebensmitteln, Karbonisierung von Beton zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften usw.

Partikeldesign

Viele pharmazeutische Unternehmen verwenden überkritische Flüssigkeiten zur Herstellung neuer Arzneimittelabgabesysteme (Mikro-/Nanopartikel, komplexe Mikrosphären/Kapseln, beschichtete Tabletten und Kügelchen). Einige experimentieren auch mit Polymerpulver zur Herstellung von Spezialprodukten durch, Farbenhersteller experimentieren mit der Herstellung einer neuen Form von Farbe.

Zersetzung von Biomasse

Überkritisches Wasser kann zur Zersetzung von Biomasse durch Vergasung von Biomasse mit überkritischem Wasser verwendet werden. Diese Art der Biomassevergasung kann zur Herstellung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in effizienten Verbrennungsanlagen oder zur Erzeugung von Wasserstoff zur Verwendung in einer Brennstoffzelle verwendet werden. Im letzteren Fall kann die Wasserstoffausbeute aufgrund der Dampfreformierung verbessert werden. Wasser ist ein wasserstoffliefernder Teilnehmer an der Gesamtreaktion der viel höher sein kann als der Wasserstoffgehalt der Biomasse.

Chemische Reinigung

Überkritisches Kohlendioxid kann anstelle von PERC (Perchlorethylen) oder anderen unerwünschten Lösungsmitteln für die chemische Reinigung verwendet werden. Überkritisches Kohlendioxid lagert sich manchmal in Knöpfe ein, und wenn der Druck abgelassen wird, springen die Knöpfe auf oder brechen auseinander. Reinigungsmittel, die in Kohlendioxid löslich sind, verbessern die Lösungskraft des Lösungsmittels. In CO2-basierten Trockenreinigungsanlagen wird flüssiges CO2 und nicht überkritisches CO2 verwendet, um eine Beschädigung der Knöpfe zu vermeiden.

Chemische Reaktionen

Eine Änderung der Bedingungen des Reaktionslösungsmittels kann eine Phasentrennung zur Produktentfernung oder eine Einphasenreaktion ermöglichen. Schnelle Diffusion beschleunigt diffusionskontrollierte Reaktionen. Temperatur und Druck können die Reaktion auf bevorzugte Wege lenken, z. B. um die Ausbeute eines bestimmten chiralen Isomers zu verbessern. Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Lösungsmitteln bieten sie auch erhebliche Umweltvorteile. Zu den industriellen Synthesen, die unter überkritischen Bedingungen durchgeführt werden, gehören die von Polyethen aus überkritischem Ethen, Isopropylalkohol aus überkritischem Propan, 2-Butanol aus überkritischem Buten und Ammoniak aus einer überkritischen Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff. Andere Reaktionen wurden in der Vergangenheit industriell unter überkritischen Bedingungen durchgeführt, darunter die Synthese von Methanol und das thermische (nicht katalytische) Cracken von Öl. Aufgrund der Entwicklung wirksamer Katalysatoren wurden die erforderlichen Temperaturen für diese beiden Verfahren gesenkt und sind nicht mehr überkritisch.

Imprägnieren und Färben

Die Imprägnierung ist im Grunde genommen das Gegenteil der Extraktion. Eine Substanz wird in der überkritischen Flüssigkeit gelöst, die Lösung fließt an einem festen Substrat vorbei und lagert sich auf dem Substrat ab oder löst sich darin auf. Ein Sonderfall ist das Färben, das mit Dispersionsfarbstoffen (nichtionische Farbstoffe) auf Polymerfasern wie Polyester durchgeführt werden kann. Auch Kohlendioxid löst sich in vielen Polymeren, wodurch diese erheblich gequollen und plastifiziert werden und der Diffusionsprozess weiter beschleunigt wird.

Nano- und Mikropartikelbildung (Mikronisierung)

Die Bildung kleiner Partikel einer Substanz mit einer engen Größenverteilung ist ein wichtiger Prozess in der pharmazeutischen und anderen Industrien. Überkritische Fluide bieten mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen, indem der Sättigungspunkt einer gelösten Substanz durch Verdünnung, Druckabbau oder eine Kombination dieser Verfahren schnell überschritten wird. Diese Prozesse laufen in überkritischen Flüssigkeiten schneller ab als in Flüssigkeiten, wodurch die Keimbildung oder die spinodale Zersetzung gegenüber dem Kristallwachstum begünstigt wird und sehr kleine und gleichmäßig große Partikel entstehen. Neuere überkritische Flüssigkeiten haben gezeigt, dass sie in der Lage sind, Partikel bis zu einer Größe von 5-2000 nm zu zerkleinern.

PGSS Verfahren

Bei dem PGSS-Verfahren (Particle from Gas Saturated Solutions) handelt es sich um eine Hochdruckmethode zur Partikelerzeugung. Grundsätzlich können beliebig viele verflüssigbare Feststoffe vermischt und zu rieselfähigem Pulver verarbeitet werden. Dabei werden überkritische Flüssigkeiten als Hilfsstoffe genutzt. Diese Hilfsstoffe werden dazu verwendet, um niedrig- bis hochviskose Substanzen, wie z. B. Schokolade, Klebstoff oder Lack zu versprühen und zu erstarren. Gashaltige Schmelzen werden homogenisiert und pulverisiert, indem die verflüssigten Einzelkomponenten mit verdichtetem Kohlendixid vermischt und anschließend, z. B. über eine Düse, entspannt werden. Die Schmelze wird hierdurch in kleinste Tröpfchen zerrissen. Es bildet sich feinstes Pulver, welches aufgrund seiner gezielt einstellbaren Größe (Nano- bis Mikrometer), Morphologie und Zusammensetzung neue Anwendungen eröffnet. Das PGSS-Verfahren kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich (batchweise) betrieben werden.

Anwendung: Besonders nachgefragt ist dieses neue Verfahren in der Lebensmittelindustrie und in der Medizin, da es die Möglichkeit bietet, Mikrokapseln zu erzeugen. Ziel dieser Verkapselung ist es, neben dem Schutz des Pulvers den Wirkstoff steuerbar freizusetzen.

Der PGSS-Prozess steht alsMikronisierungsverfahren in direkter Konkurrenz zur kryogenen (mit flüssigen Gasen/kalt) Mahlung und Sprühtrocknen. Aufgrund der erforderlichen hohen Drücke und Temperaturen scheint das PGSS-Verfahren zunächst hinsichtlich der Betriebskosten ökonomisch benachteiligt. Der Gasbedarf für PGSS ist jedoch mit ca. 1–10 kg/kg Produkt zumeist deutlich niedriger angesiedelt, als bei anderen Verfahren zur Feststoffumwandlung. Die Herstellungskosten des PGSS-Verfahrens sind häufig sogar deutlich niedriger als die der klassischen Verfahren.

Trotzdem hat das PGSS-Verfahren bis jetzt erst begrenzten Einzug in die Industrie genommen. Als Markthindernis erweist sich zumeist, dass für die klassischen Verfahren große abgeschriebene Anlagen existieren, welche aus ökonomischer Sicht auch die Produktion mittels größerem Energie- und Rohstoffverbrauch erlauben.

Erzeugung von pharmazeutischen Ko-kristallen

Überkritische Flüssigkeiten sind ein neues Medium für die Erzeugung neuartiger kristalliner Formen von pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs), so genannter pharmazeutischer Ko-kristalle. Die Technologie der überkritischen Flüssigkeiten bietet eine neue Plattform, die es ermöglicht, in einem einzigen Schritt Partikel zu erzeugen, die mit herkömmlichen Techniken nur schwer oder gar nicht zu gewinnen sind. Die Erzeugung von reinen und getrockneten neuen Ko-kristallen (kristalline Molekülkomplexe, die den Wirkstoff und einen oder mehrere Konformer im Kristallgitter enthalten) kann aufgrund der einzigartigen Eigenschaften überkritischer Flüssigkeiten  e erreicht werden. Überkritisches CO2 funktioniert als Lösungsmittel, Antilösemitteleffekt und zur Verbesserung der Zerstäubung.

Aerogel-Trocknung

Die Herstellung hocheffizienter Isoliermaterialien oder spezieller poröser Materialien (Katalysatoren, poröse Träger) in großem Maßstab sowohl aus anorganischen (z. B. Silica) als auch aus organischen Sol-Gel-Polymeren

Überkritische Trocknung (Kritische Punkttrocknung)

Die überkritische Trocknung ist eine Methode zur Entfernung von Lösungsmitteln ohne Oberflächenspannungseffekte. Wenn eine Flüssigkeit trocknet, zieht die Oberflächenspannung an kleinen Strukturen innerhalb eines Festkörpers, was zu Verformungen und Schrumpfung führt. Unter überkritischen Bedingungen gibt es keine Oberflächenspannung, und die überkritische Flüssigkeit kann ohne Verformung entfernt werden. Die überkritische Trocknung wird bei der Herstellung von Aerogelen und der Trocknung empfindlicher Materialien wie archäologischer Proben und biologischer Proben für die Elektronenmikroskopie eingesetzt.

Oxidation mit überkritischem Wasser

Bei der überkritischen Wasseroxidation wird überkritisches Wasser als Medium für die Oxidation von gefährlichen Abfällen verwendet, wobei keine giftigen Verbrennungsprodukte entstehen, wie sie bei der Verbrennung entstehen können.

Das zu oxidierende Abfallprodukt wird in dem überkritischen Wasser zusammen mit molekularem Sauerstoff (oder einem Oxidationsmittel, das bei der Zersetzung Sauerstoff abgibt, z. B. Wasserstoffperoxid) gelöst, woraufhin die Oxidationsreaktion stattfindet. [Zitat erforderlich]

Hydrolyse mit überkritischem Wasser

Die überkritische Hydrolyse ist ein Verfahren, bei dem alle Polysaccharide der Biomasse sowie das zugehörige Lignin in niedermolekulare Verbindungen umgewandelt werden, indem sie unter überkritischen Bedingungen nur mit Wasser in Kontakt gebracht werden. Überkritisches Wasser fungiert als Lösungsmittel, als Lieferant von bindungsbrechender Wärmeenergie, als Wärmeübertragungsmedium und als Quelle von Wasserstoffatomen. Alle Polysaccharide werden mit nahezu quantitativer Ausbeute in einer Sekunde oder weniger in Einfachzucker umgewandelt. Die aliphatischen Zwischenringbindungen des Lignins werden ebenfalls leicht in freie Radikale gespalten, die durch Wasserstoff aus dem Wasser stabilisiert werden. Die aromatischen Ringe des Lignins bleiben bei den kurzen Reaktionszeiten unberührt, so dass die aus dem Lignin gewonnenen Produkte gemischte Phenole mit niedrigem Molekulargewicht sind. Um die für die Spaltung erforderlichen sehr kurzen Reaktionszeiten zu nutzen, muss ein kontinuierliches Reaktionssystem entwickelt werden. Die Menge des in den überkritischen Zustand erhitzten Wassers wird dadurch minimiert.

Überkritische Wasservergasung

Bei der Vergasung mit überkritischem Wasser wird die vorteilhafte Wirkung von überkritischem Wasser ausgenutzt, um wässrige Biomasseströme in sauberes Wasser und Gase wie H2, CH4, CO2, CO usw. umzuwandeln.

Überkritische Flüssigkeiten in der Stromerzeugung

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine hängt letztlich von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -senke ab (Carnot-Kreislauf). Um den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu verbessern, muss die Betriebstemperatur erhöht werden. Die Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium führt zu überkritischen Bedingungen. Der Wirkungsgrad kann mit der heutigen Technologie von etwa 39 % im unterkritischen Betrieb auf etwa 45 % gesteigert werden. Überkritische Wasserreaktoren (SCWR) sind vielversprechende fortschrittliche Nuklearsysteme, die ähnliche thermische Wirkungsgradsteigerungen bieten. Auch Kohlendioxid kann in Kernkraftwerken mit superkritischem Zyklus eingesetzt werden, wobei ähnliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt werden. Zahlreiche kohlebefeuerte superkritische Dampferzeuger sind weltweit in Betrieb und haben den Wirkungsgrad herkömmlicher Dampfkraftwerke verbessert.

Herstellung von Biodiesel

Die Umwandlung von Pflanzenöl in Biodiesel erfolgt über eine Umesterungsreaktion, bei der das Triglycerid in den Methylester plus Glycerin umgewandelt wird. Dies geschieht in der Regel mit Methanol und ätzenden oder sauren Katalysatoren, kann aber auch mit überkritischem Methanol ohne Katalysator durchgeführt werden. Die Methode der Verwendung von überkritischem Methanol für die Biodieselproduktion wurde erstmals von Saka und seinen Mitarbeitern untersucht. Sie hat den Vorteil, dass eine größere Bandbreite und ein höherer Wassergehalt der Ausgangsstoffe (insbesondere von Altspeiseöl) möglich sind, das Produkt nicht gewaschen werden muss, um den Katalysator zu entfernen, und es einfacher ist, es als kontinuierlichen Prozess zu konzipieren.

Enhanced Oil Recovery und Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Überkritisches Kohlendioxid wird eingesetzt, um die Ölförderung in reifen Ölfeldern zu verbessern. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, die “saubere Kohletechnologie” einzusetzen, um verbesserte Fördermethoden mit der Kohlenstoffbindung zu kombinieren. Das CO2 wird von anderen Rauchgasen abgetrennt, in den überkritischen Zustand komprimiert und in geologische Lagerstätten eingeleitet, möglicherweise in bestehende Ölfelder, um die Ausbeute zu verbessern.

Derzeit wird die Kohlenstoffspeicherung nur bei Systemen zur Abtrennung von fossilem CO2 aus Erdgas eingesetzt (z. B. Sleipner-Gasfeld), aber es gibt viele Pläne für künftige CCS-Systeme, die CO2 vor oder nach der Verbrennung einbeziehen. Es besteht auch die Möglichkeit, die CO2-Menge in der Atmosphäre zu verringern, indem man Biomasse zur Stromerzeugung nutzt und das erzeugte CO2 speichert.

Erweitertes geothermisches System

Die Verwendung von superkritischem Kohlendioxid anstelle von Wasser als geothermisches Arbeitsmedium wurde untersucht.

Kältetechnik

Überkritisches Kohlendioxid entwickelt sich auch zu einem nützlichen Hochtemperaturkältemittel, das in neuen, FCKW-/HFC-freien Haushaltswärmepumpen verwendet wird, die den transkritischen Kreislauf nutzen. Diese Systeme werden kontinuierlich weiterentwickelt, wobei überkritische Kohlendioxid-Wärmepumpen in Asien bereits erfolgreich vermarktet werden. Die EcoCute-Systeme aus Japan sind einige der ersten kommerziell erfolgreichen Hochtemperatur-Wasserwärmepumpen für den Hausgebrauch.

Abscheidung überkritischer Fluide

Mit überkritischen Fluiden lassen sich funktionelle nanostrukturierte Schichten und nanometergroße Metallpartikel auf Oberflächen abscheiden. Die im Vergleich zu den Vakuumsystemen, die bei der chemischen Gasphasenabscheidung verwendet werden, hohen Diffusionskapazitäten und Konzentrationen der Ausgangsstoffe in der Flüssigkeit ermöglichen die Abscheidung in einem Bereich, in dem die Oberflächenreaktionsrate begrenzt ist, was ein stabiles und gleichmäßiges Wachstum an den Grenzflächen ermöglicht. Dies ist für die Entwicklung leistungsfähigerer elektronischer Bauteile von entscheidender Bedeutung, und die auf diese Weise abgeschiedenen Metallpartikel sind auch leistungsstarke Katalysatoren für chemische Synthesen und elektrochemische Reaktionen. Darüber hinaus ist es aufgrund der hohen Transportraten der Ausgangsstoffe in der Lösung möglich, Partikel mit großer Oberfläche zu beschichten, die bei der chemischen Abscheidung aus der Gasphase eine Verarmung in der Nähe des Auslasses des Systems aufweisen würden, was wahrscheinlich zu instabilen Grenzflächenwachstumsmerkmalen wie Dendriten führen würde. Das Ergebnis sind sehr dünne und gleichmäßige Schichten, die viel schneller abgeschieden werden als bei der Atomlagenabscheidung, dem besten anderen Verfahren zur Partikelbeschichtung in dieser Größenordnung.

Antimikrobielle Eigenschaften  

CO2 bei hohem Druck hat antimikrobielle Eigenschaften. Während seine Wirksamkeit für verschiedene Anwendungen nachgewiesen wurde, sind die Mechanismen der Inaktivierung noch nicht vollständig geklärt, obwohl sie seit mehr als 60 Jahren untersucht werden.

Künftige Trends für die industrielle Entwicklung

Fragen der Regulierung

In den meisten Ländern sind die meisten organischen Lösungsmittel für die Lebensmittelproduktion verboten oder mit extrem niedrigen Restkonzentrationen zugelassen. Auch die Entfernung von Pestiziden aus natürlichen Materialien ist von wachsendem Interesse, da sie bereits bei Ginseng durchgeführt wird. Darüber hinaus wird die Regulierung langfristig die Entwicklung von SFE/SFC in Bezug auf verschiedene Aspekte bevorzugen, z. B. Kontrolle der Arbeitsumgebung, Ozonabbau, Kontrolle der VOC-Freisetzung und Restkonzentration im Endprodukt zum Schutz von Verbrauchern und Umwelt.

Berücksichtigung der Qualität

ÜFE/ÜFC werden für die Herstellung hochwertiger Produkte wie Nahrungsergänzungsmittel und Nutrazeutika verwendet, bei denen der “natürliche” Charakter der Zubereitungsart einen hohen Marketingwert hat. Das Gleiche gilt für Phytopharmaka, um sie von der chemischen in die natürliche Form zu bringen. Darüber hinaus führt die überkritische Behandlung zur Beseitigung von Schädlingen, die häufig in tropischen Naturrohstoffen vorhanden sind. CO2 dekontaminiert die Produkte

Innovative Produkte

Der Druck des Klimawandels führt zur Entwicklung neuer Lebensmittelzutaten und neuer Lebensmittelprodukte.  Auch in der pharmazeutischen Industrie liegt der Schwerpunkt der Entwicklung auf neuen Systemen zur Verabreichung von Medikamenten, die neue therapeutische Wege für viele wichtige Medikamente im Zusammenhang mit Volkskrankheiten (Asthma, Diabetes, Krebs usw.) eröffnen.

 Zum Überleben müssen Sie Mehrwert für Ihren Arbeitgeber schaffen!

In einer globalisierten Welt nimmt der Wettbewerb zu und die Einnahmen sinken. Diejenigen, die Innovationen anwenden und die Qualität, Produktivität und Produktsicherheit erhöhen, werden immer einen Vorsprung vor den anderen Entwicklern haben.  Bitte kontaktieren Sie uns, um:

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Überkritische Flüssigkeit schafft Wertmonopole.

Viele Universitäten und Unternehmen sind der Meinung, dass die superkritische Flüssigkeit Technologie aufgrund der hohen Investitionskosten im Vergleich zu klassischen Niederdruckanlagen zu teuer ist. In einer globalen Wirtschaft steht jedoch jeder nur im Wettbewerb.  Die Western Business School hat die Idee entwickelt, dass es einfach ist, mit Geld in Kombination mit disruptiven Technologien viel mehr Geld zu verdienen. Hedge-Fonds begannen, sehr viele Investoren zu bündeln und die verfügbaren Mittel in großen Strömen zu konsolidieren. Dies führte zu Überkapazitäten in vielen Branchen, insbesondere in der Lebensmittel- und Wohnungswirtschaft. Die Abwärtsspirale der Gewinnspannen setzte sich in Gang. Dann begann das Geld in Niedrigkostenländer zu fließen, um dort kostengünstige Rohstoffe zu kontrollieren und zu erwerben. Jetzt werden große Summen in künstliche Intelligenz investiert, um den höchsten Kostenfaktor in Produkten, die Arbeitskosten, zu senken. Dies ist ein Nullsummenspiel, das Armut schafft. Letztlich muss der Steuerzahler die Rechnung bezahlen.

In einer nachhaltigen Welt müssen wir wieder Werte für die Käufer der hergestellten Produkte schaffen. Überkritische CO2-Flüssigkeitstechnologien können sehr viele verschiedene und positive Werte für eine breite Palette von Menschen schaffen. Letztendlich bestimmt dies die Wirtschaftlichkeit eines jeden einzigartigen Prozesses.

1. SCF bieten wichtige Vorteile gegenüber Technologien mit organischen Lösungsmitteln, wie Umweltfreundlichkeit, Kohlenstoffneutralität und einfache Produktfraktionierung.
2. Es gibt weniger industrielle Anlagen zur Abtrennung von Komponenten aus Flüssigkeitsgemischen unter Verwendung von subkritischem Fluid auf dem Markt (weniger Wertkonkurrenz)
3. CO2 ist ein leicht verfügbares und kostengünstiges Lösungsmittel. Wasser ist das billigste Lösungsmittel und viele Verbindungen lösen sich in Wasser
4. Das Verfahren ist ein “Viele-in-einem-Verfahren”, was Innovationen fördert und die Anschaffung von HPLC, GC und anderen Geräten überflüssig macht.
5. Sie erhalten lösungsmittelfreie Produkte, trockene Produkte, keine Nebenprodukte, und Sie arbeiten mit niedrigen Temperaturen In vielen Ländern sind Rückstände organischer Lösungsmittel in Lebensmitteln und Arzneimitteln verboten
6. Der Prozess kann leicht mit der Mikronisierung und Kristallisierung von SC CO2 durch Flüssigkeitsausdehnung verbunden werden.
7. Keine zusätzlichen Kosten für EX-Prove-Produktionsstätten, für zusätzliche Lösemittelbewegungseinrichtungen.
8. Neben dem üblicherweise verwendeten Gas Kohlendioxid für eine unter- oder überkritische Extraktion können auch andere unter- oder überkritische Lösungsmittel verwendet werden. Unter- oder überkritisches CO2 oder H2O ist nicht krebserregend, nicht toxisch, nicht mutagen, nicht entflammbar und thermodynamisch stabil. Anerkannt als GRAS-Technologie (Generally Recognized as Safe), Investoren vertrauen dieser Technologie
9. CO2 oxidiert Substrate und Produkte normalerweise nicht, so dass das Verfahren bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann. Viele Verbindungen sind in Wasser gut löslich.
10. Die Regulierung neigt dazu, regelmäßig angepasst zu werden.  Plötzlich werden einige Komponenten unerwünscht. Passen Sie einfach Ihren Prozess an.
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