Környzetbarát eljárások BSc kurzus, Nyomás alatti technológiák. Székely Edit

Átírás

1 Környzetbarát eljárások BSc kurzus, 2019 Nyomás alatti technológiák Székely Edit

2 Tematika desztilláció megnövelt nyomáson kétnyomásos (nyomásváltó) rektifikálás élelmiszerek tartósítása nyomással szuperkritikus szén-dioxid alapú eljárások alapelvek extrakció mikronizálás reakciók

3 Rektifikálás megnövelt nyomáson Illékony komponensek elválasztása Azeotrop elegyek elválasztása Rektifikálás megnövelt nyomáson 3

4 Könnyű szénhidrogének (C 1 -C 4 ) elválasztása Komponens Pr P Pc metán ~0,7 etán, etilén 0,4-0,55 propán, propilén 0,35-0,50 Rektifikálás megnövelt nyomáson 4

5 Monomerek tisztítása nyomás (bar) kondenzátor hőmérséklet ( C) etilén propilén Rektifikálás megnövelt nyomáson 5

6 Azeotrop összetétel megváltoztatása Az összetétel gyakran változik a nyomással aceton metanol: 0,26 bar azeotrop tartomány 21 bar Elkerülhető harmadik komponens hozzáadása Rektifikálás megnövelt nyomáson 6

7 Kétnyomásos rektifikálás Rektifikálás megnövelt nyomáson 7

8 Tetrahidrofurán (THF) - víz Rektifikálás megnövelt nyomáson 8

9 THF - víz elválasztás (membránszeparáció) Rektifikálás megnövelt nyomáson 9

10 Ipari példák THF víz acetonitril víz metanol metil-etil keton (MEK) aceton metanol Rektifikálás megnövelt nyomáson 10

11 További lehetőségek etanol etil-acetát benzol n-propanol benzol izopropanol etanol 1,4-dioxán metanol metil-acetát MEK ciklohexán metanol - diklórmetán Rektifikálás megnövelt nyomáson 11

12 Fizikai-kémiai paraméterek változása a nyomással X L G G L Rektifikálás megnövelt nyomáson 12

13 A nyomás megválasztás szempontjai 1.: P növelés, T fp növekszik T növelése üst hátrányos kondenzátor előnyös y / x 2 2 csökken 21 y / x 1 1 R és/vagy N növelése szükséges P növelés P növelés η tányér nő η tányér (1 bar) ~ % η tányér (1 bar P) ~ % Rektifikálás megnövelt nyomáson 13

14 A nyomás megválasztás szempontjai 2.: P növelés v max ~ P 1/2 nő egy adott átmérőjű oszlop kapacitása P növelés S fal ~ P 0,75 a nyomásálló berendezés drága Rektifikálás megnövelt nyomáson 14

15 Élelmiszerek kezelése, tartósítása Legelterjedtebb ma a hőkezelés Egyéb módszerek: RTG UV Gázok Nagy nyomással Tartósítás 15

16 Tartósítás nagy nyomással 1899 Hite: A tejet 1000 bar alá helyezik, és az így nyert tej tovább eltartható, mint a kezeletlen. T< 40 0 C, P nagy; a kovalens kötések nem bomlanak, de a másodlagos kötések igen. Disszociációs együttható is változik. Mikróbák elpusztulnak, enzimek inaktiválódnak. P, T, t együttesen befolyásolja a sterilitást. Általában több ciklust kell alkalmazni. Tartósítás 16

17 Fehérjék makromolekulák változása Tej: 1000 bar, a kazein micellákat képez amely szétesik ezen a nyomáson, β- laktoglobulint le kell bontani Gyümölcs: pektinészteráz inaktiválódik Poliszacharidok:» cellulóz: szól-gél átmenet hőmérséklete csökken.» Sokkal stabilabb és emészthetőbb gél állítható elő. Lipidek: tejszín és kakaó kristályelőállítás 0,2 o C olvadáspont növekedés/mpa Aromaanyagok, vitaminok: kis molekulák nem sérülnek» C-vitamin veszteség 5% (hő, 30%) Tartósítás 17

18 Aromaanyagok Művelet Metil-kavikol maradék (%) Linalool maradék (%) Szárítás Fagyasztás Hőkezelés Nagynyomású kezelés Tartósítás 18

19 Barobiológia Log N/N 0 Tartósítás 19

20 Adiabatikus kompresszió Anyag Kezdeti hőfok O C Változás O C/100 MPa Víz 20 2,8 Víz 60 3,8 Víz 80 4,4 Csirkehús 20 2,9 Sajt 20 3,4 Tejszín 20 8,5 Tartósítás 20

21 Szakaszos készülék High-pressure autoclave Volume: 1 m 3 Working pressure: 3300 bar Working temperature: 400 C Test autoclave for the simulation of deep-drilling tests in actual pressure conditions. Working pressure: 1000 bar Tartósítás 21

22 Folytonos sterilező készülék Tartósítás 22

23 Amiről szó lesz Bevezetés Szuperkritikus extrakció (SFE) Kristályosítási módszerek Kicsapás (RESS) antiszolvens (GAS) beoldáson alapuló (PGSS) Reakciók szuperkritikus oldószerben Homogén/heterogén katalitikus reakciók biokatalízis Összefoglalás

24 A szén-dioxid p-t állapotdiagramja

25 Szuperkritikus szén-dioxid

26 A szuperkritikus szén-dioxid előnyei Nem káros az egészségre (termékben visszamaradó koncentrációban), biztonságtechnikai szempontból megfelelő, nem lép reakcióba a kezelt anyaggal, relatíve nagy a sűrűsége, így jó az oldóképessége, alacsony a kritikus hőmérséklete és nyomása.

27 Az extrakció kínálta lehetőségek Már ipari gyakorlat: élelmiszeripari felhasználások pl. kávé és tea koffeinmentesítése, Evonik, 3x6,5 m 3

28 Kávé koffeinmentesítése Olaszország, t/év

29 Tea koffeinmentesítése Evonik, Münchmünster, Németország, 1988-

30 Az extrakció kínálta lehetőségek Már ipari gyakorlat: élelmiszeripari felhasználások pl. kávé és tea koffeinmentesítése, komlókivonat előállítása, rizs növényvédőszer-mentesítése, Evonik, 6x6,5 m 3

31 Növények extrakciója ALAPANYAG ELVÁLASZTÁS CSEPPFOLYÓSÍTÁS 2. FRAKCIÓ CO 2 TARTÁLY EXTRAKCIÓ 1. FRAKCIÓ

32 Az extrakció kínálta lehetőségek Már ipari gyakorlat: élelmiszeripari felhasználások pl. kávé és tea koffeinmentesítése, komlókivonat előállítása, rizs növényvédőszer-mentesítése, építőiparban és szerkezeti anyag gyártásnál pl. faanyag impregnálása, aerogélek szárítása. by Natex, Dánia, 3x17 m 3

33 Az szén-dioxidos extrakció kínálta Már ipari gyakorlat: lehetőségek élelmiszeripari felhasználások pl. komlókivonat előállítása, kávé és tea koffeinmentesítése, rizs növényvédőszer-mentesítése, építőiparban és szerkezeti anyag gyártásnál pl. faanyag impregnálása, aerogélek szárítása. Kutatási fázisban: Enantiomerek elválasztása extrakcióval segített reszolválással.

34 Az antiszolvens eljárások működési tartománya Homogén fázis Két fázis P l=g lg lg x GAS T

35 Egy fázis vagy két fázis? P Homogén fázis Két fázis l = g l g l g T x GAS

36 Gáz antiszolvens kristályosítás (GAS/SAS/SEDS) UHDE, lecitin mikronizálás CO 2

37 Cefonicid mikronizálása DMSO-ból

38 Szemcsék gázzal telített oldatból (particles from gas saturated solution, PGSS) <10mm >10mm Fraunhofer Institute UMSICHT in Oberhausen, 300 kg/h, 350 bar

39 p = 1 bar, T = 21 C p = 16 bar T = 21 C p = 17 bar, T = 21 C 2,6-ditercbutil-metilfenol. Atmoszférikus olvadáspont: 53 C

40 Szemcsék gázzal telített oldatból (particles from gas saturated solution, PGSS) <10mm >10mm

41 A P és T hatása a szemcseméretre, triglicerid mikronizálása

42 Szemcseméret-csökkentés hatása a kioldódásra - nifedipin 175 C, bar beoldási P PGSS

43 Kompozitok készítése mintapélda: nifedipin : PEG4000 = 1:4 50 C, PGSS

44 Por formájú koncentrátum előállítása (CPF) Por forma akár 80 % folyadék tartalommal

45 Ár? - PGSS

46 Miért/mikor végezzünk egy reakciót széndioxidban? Előnyök Hátrányok Alacsony hőmérséklet, gázok korlátlanul elegyednek, gyors diffúzió, kicsi anyagátadási ellenállás, nyomással és hőmérséklettel szabályozható oldóképesség. Nagy nyomás, nagyobb és poláris molekulák rosszul oldódnak. Optimalizálható a reakció és a termékelválasztás.

47 Introduction A fémkomplex katalizálta reakciók főbb elkülönülő típusai SFC SFE GAS Reactants Products Catalyst SCF Reactants Products SCF Catalyst solid Chemical Biochemical Conclusions Reactants Catalyst Products SCF Catalyst SCF liquid liquid Reactants Products Jessop and Leitner in Jessop, P., Leitner, W. (Eds): Chemical Synthesis Using Supercritical Fluids, Wiley-VCH, Weinheim, 351, (1999)

48 Introduction Homogén fázisú hidrogénezés Catalyst: [Ru(OCOCH 3 ) 2 ((S)-H 8 -binap] SFC H H 3 C COOH CH 3 + H 2 Ru-catalyst scco 2 H H H 3 C COOH H CH 3 SFE (E)-2-metil-but-2-énsav tiglic acid 50 C 2-metil-butánsav 2-methylbutanoic acid GAS Reaction medium H 2 (bar) Product Yield (%) ee (%) scco Chemical Biochemical Conclusions scco scco 2 /CF 3 (CF 2 ) 6 CH 2 OH Metanol Hexán Xiao et al., Tetrahedron Letters, 37(16), 2813 (1996)

49 Introduction SFC SFE Heterogeneous hydrogenation Hydrogenation of ethyl pyruvate catalyzed by Pt/Al 2 O 3 modified with cinchonidine O O H 3 C OC 2 H 5 etil-piruvát ethyl pyruvate + H 2 catalyst sc ethane 6 MPa, 40 C HO H 3 C O ethyl lactate etil-laktát OC 2 H 5 GAS Solvent P solvent (bar) P Hydrogen (bar) T (K) X (%) ee (%) Chemical Biochemical Conclusions sc etán scco scco Toluol Baiker, Chem. Rev., 99, 453 (1999)

50 Introduction Hydrogenation SFC SFE dimethyl itakonát GAS Cymantrene type ligands Chemical Biochemical Conclusions S.E. Lyubimov et al. / J. of Supercritical Fluids 45 (2008) 70 73

51 Introduction Hydrogenation SFC SFE GAS Chemical Biochemical Dimetil-itakonát 35 C Solvent Ligand P co2 (bar) P H2 (bar) t (h) S.E. Lyubimov et al. / J. of Supercritical Fluids 45 (2008) X (%) ee (%) scco scco CH 2 Cl CH 2 Cl Conclusions

52 Introduction Heterogeneous hydrovinylation SFC SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions Rodrıguez et al. / Journal of Organometallic Chemistry 693 (2008)

53 Introduction SFC SFE GAS Chemical Biochemical Enzimkatalízis szuperkritikus közegben Királis (bio)katalizátorok Viszonylag alacsony hőmérséklet szükséges Nem vízoldható komponensek kvázi-homoogén fázisban reagáltathatóak Az enzimek nem oldódnak CO 2 -ban A szubsztrát, temék és enzim hatékony elválasztása megoldható Elsősorban kinetikus reszolválást lehet végrehajtani Conclusions

54 Introduction SFC Az enzimek stabilitása és aktivitása függ az enzimtől a SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions

55 Introduction Enzim kiválasztása SFC SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions OH O OH O OH rac-3-benziloxy-1,2-propanediol vinyl-acetate Lipase enzym Enzyme X, % ee diacetate, % PPL Lipase PS "Amano " Lipase AK " Amano" Trichoderma reesei Thermoascus thermophilus Talaromiches emersonii min, 100 bar, 40 C I. Kmecz et al. / Biochemical Engineering Journal 28 (2006) OAc OAc OH O O OAc OAc

56 Introduction SFC SFE Az enzimek stabilitása és aktivitása függ az enzimtől a a reagensektől és a katalizálandó reakcióktól GAS Chemical Biochemical Conclusions

57 Introduction SFC SFE GAS Chemical A szubsztrát hatása 3-hidroxi oktánsav acilezése (LPS Amano, 40 C, 120 bar, 20 h) Acilezőszer ee (%) X (%) E Sztiril-acetát Izopropenil-acetát Vinil-acetát Biochemical Conclusions Capewell et al., Enzyme Microb. Technol., 19, 181 (1996)

58 Introduction SFC SFE GAS Az enzimek stabilitása és aktivitása függ az enzimtől a a reagensektől és a katalizálandó reakcióktól hőmérséklettől Chemical Biochemical Conclusions

59 Introduction A hőmérséklet hatása (CALB at fixed, 22 hours of reaction time) SFC SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions Utczás M., Székely E., Tasnádi G., et al., J. Supercrit. Fluids, 55, (2011).

60 Introduction SFC SFE GAS Az enzimek stabilitása és aktivitása függ az enzimtől a a reagensektől és a katalizálandó reakcióktól hőmérséklettől nyomástól (nyomás változásától) Chemical Biochemical Conclusions

61 Introduction A nyomás hatása? (CALB rögzített 22 órás reakcióidő) SFC 40 SFE GAS Chemical X 22 (%) Biochemical Conclusions X (c T ( C) - c c) % T ( C) P (MPa)

62 Introduction SFC SFE GAS Chemical Az enzimek stabilitása és aktivitása függ az enzimtől a a reagensektől és a katalizálandó reakcióktól hőmérséklettől nyomástól (nyomás változásától) víztartalomtól Biochemical Conclusions

63 Introduction SFC Víztartalom hatása Esterification of (±)-phenylethanol with vinyl acetate, enzyme crystals of Candida antartica lipase B SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions Z.J. Dijkstra et al. / Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 39 (2006)

64 Introduction SFC Víztartalom hatása Esterification of (±)-phenylethanol with vinyl acetate, enzyme crystals of Candida antartica lipase B 9 MPa, 40 C, avarage residence time 13 min SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions Z.J. Dijkstra et al. / Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 39 (2006)

65 Introduction SFC Folyamatos üzemben Esterification of (±)-phenylethanol with vinyl acetate, enzyme crystals of Candida antartica lipase B, 9 MPa, 40 C, 500 rpm SFE GAS Chemical Biochemical Conclusions Z.J. Dijkstra et al. / Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 39 (2006)

66 Introduction SFC SFE GAS Chemical Az enzimek stabilitása és aktivitása függ a az enzimtől a reagensektől és a katalizálandó reakcióktól hőmérséklettől nyomástól (nyomás változásától) Víztartalomtól anyagtranszpottól az immobilizálás módjától? Biochemical Conclusions

67 Szintézis Első üzem: metil-etil-keton (Japán, 1985 ) Új, többcélú üzem (Thomas Swan, UK, 2002) hidrogénezés: alkének, aldehidek, ketonok, nitro vegyületek, oximok Friedel-Crafts reakció: alkilezés, acilezés hidroformilezés éterképzés: diolból monoéter, ciklikus éterek

68 Polimerizáció Polimerizáció monomer oldószerben polietilén gyártás ( bar, C) Polimerizáció szuperkritikus szén-dioxidban poli-tetrafluor-etilén (p< 350 bar, T< 100 C TEFLON, DuPont)

69 Polimerizáció SC-CO 2 -ban Poli-tetrafluor-etilén (TEFLON, DuPont, 1999) iniciátor és CO 2 jelenlétében: CF 2 =CF 2 +CF 2 =CFOR f (-CF 2 -CF 2 -CF 2 -CF-) n OR f nem keletkeznek karboxil-sav végcsoportok könnyen elválasztható az oldószertől nagy tisztaságú: félvezetők, gyógyszeripar

70 Polimerizáció Polimerizáció szuperkritikus szén-dioxidban poli-tetrafluor-etilén (p< 350 bar, T< 100 C TEFLON, DuPont) diszperziós polimerizáció (100 nm-10 mm) metil-metakrilát 1-vinil-2-pirrolidon [felületaktív anyag: poli-(1,1-dihidro-perfluor-oktil-akrilát)]

71 Összefoglalás szuperkritkus CO2 Az extrakció elterjedt, ipari méretben az élelmiszeriparban. Egyéb iparágakban is vannak alkalmazásai (pl. vegytisztítás). Az impregnálás (az extrakció ellentettje) polimerek színezésében, faanyag kezelésében jelentős. Kristályosítás lehetséges szén-dioxidból, szén-dioxid antiszolvenssel, szén-dioxid beoldással. Mindegyik eljárásnak megvan a létjogosultsága (eltérő területeken) és alkalmas a szemcseméret (és eloszlása) valamint időnként a morfológia szabályozására. Reakcióközegként speciális célokra alkalmazható (pl. szelektivitás, vagy polimerizációnál polimerizációs fok beállítására.

72 A többi, jövőbeni alkalmazás rajtunk is múlik. KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!