Tổng hợp hữu cơ trong dung môi xanh là CO2 siêu tới hạn | Khái niệm hoá học

Công nghệ trích ly sử dụng CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm.

Các hợp chất tự nhiên như tinh dầu, chất màu, chất thơm là những chất nhạy cảm với các tác nhân vật lý như nhiệt độ, ánh sáng và đòi hỏi mức độ tinh sạch cao trong quá trình sản xuất. Trong trường hợp này, công nghệ sử dụng CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn là một lựa chọn tối ưu.
 
Hiện nay nhiều ứng dụng để tách triết cafein, ditepen, dầu coffee, các dược chất đã được áp dụng thành công. Đặc biệt, phương pháp trích ly sử dụng CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical carbon dioxide extraction) là công nghệ được sử dụng nhiều trong công nghệ dược phẩm bởi nó khắc phục được các nhược điểm của phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ.

Đặc tính của CO2 siêu tới hạn

Những đặc tính của khí nén CO₂ đã được quan tâm cách đây hơn 130 năm. 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. Tuy nhiên, từ năm 1875-1876 Andrew lại là người nghiên cứu về trạng thái siêu tới hạn của CO₂, tức là 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. Một thời gian sau, Buchner (1906) cũng công bố về một số hợp chất hữu cơ khó bay hơi nhưng lại có khả năng hoà tan trong SCO₂ cao hơn nhiều trong CO₂ lỏng. Năm 1920 - 1960 hàng loạt các công trình nghiên cứu về dung môi ở trạng thái siêu tới hạn ra đời. Đó là các dung môi 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.
 
Mặc dù vậy CO₂ vẫn được lựa chọn dùng trong phương pháp này vì nó có các tính chất mà dung môi khác không có. Cho đến thập kỷ 80, công nghệ SCO₂ mới thật sự phổ biến và được nghiên cứu một cách sâu rộng hơn. Đi cùng với quá trình phát triển của xã hội, tinh dầu được xem là nguồn nguyên liệu đóng vai trò quan trọng. Với những công dụng thiết thực, từ lâu tinh dầu được mệnh danh là báu vật từ thiên nhiên vì chứa nhiều hoạt chất có khả năng ứng dụng trong đời sống con người. Ngày nay, các nhà khoa học đã phát triển, đưa tinh dầu trở thành nguồn nguyên liệu được sử dụng rộng rãi trong việc trị liệu, chăm sóc sức khỏe, tăng thêm hương liệu cho thực phẩm và đồ uống cũng như sản xuất nước hoa, mỹ phẩm làm đẹp trên toàn thế giới. Để tách tinh dầu ra khỏi nước, có nhiều phương pháp, trong đó trích ly bằng công nghệ CO₂ lỏng siêu tới hạn cho ra sản phẩm tinh dầu tự nhiên, không sử dụng dung môi độc hại và thân thiện với môi trường. Tinh dầu là hỗn hợp nhiều thành phần, thường có mùi thơm, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ, bay hơi được ở nhiệt độ thường, được chiết xuất từ lá, thân, hoa, vỏ, rễ hoặc những bộ phận khác của thực vật. Tinh dầu - báu vật của thiên nhiên - được ứng dụng rất đa dạng trong các lĩnh vực dược phẩm, trị liệu, chăm sóc sức khỏe, làm đẹp trên toàn thế giới:
 
- Dùng làm thuốc: Kích thích tiêu hoá, lợi mật, thông mật; kháng khuẩn và diệt khuẩn; kích thích thần kinh trung ương; diệt ký sinh trùng; chống viêm, làm lành vết thương, sinh cơ; thông các giác quan, khai thông hô hấp, giảm đau, giảm stress; làm mềm mại, mượt mà da…
 
- Dùng trong thực phẩm: tạo mùi thơm các loại bánh kẹo, mứt, đồ hộp; pha chế rượu, đồ uống; sản xuất chè, thuốc lá,…
 
- Dùng trong mỹ phẩm: pha chế nước hoa, xà phòng, mỹ phẩm, các hương liệu khác tạo mùi thơm nhẹ nhàng và tinh khiết,…

Nguyên lý công nghệ CO₂ siêu tới hạn:

Đối với các chất thông thường, tùy theo điều kiện nhất định, 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. Trên giản đồ, nhiệt độ điểm tới hạn và áp suất điểm tới hạn của chất nằm cuối đường cong cân bằng lỏng-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 (31,04^oC; 73,79 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.

Ưu điểm của phương pháp:

- Độ hòa tan của CO₂ được kiểm soát bởi áp suất và nhiệt độ.
 
- CO₂ dễ kiếm, rẻ, không độc hại với môi trường và con người, không ăn mòn thiết bị, không gây cháy nổ. CO₂ được thu hồi dễ dàng sau đoạn trích do tính chất dễ bay hơi của chúng.
 
- Những thành phần không bền nhiệt được chiết ra với sự phân hủy thấp. Ngoài ra, điều kiện chiết xuất có thể được kiểm soát, dễ lựa chọn điều kiện tách.
 
- Những thành phần có nhiệt độ sôi cao được chiết ra một cách tương đối ở nhiệt độ thấp bởi CO₂.
 
- Ít có phản ứng với các chất cần tách. Không để lại vết dung môi có hại trên sản phẩm tách. Là phương pháp thu về các sản phẩm an toàn, do vậy, hiện nay công nghệ trích ly bằng CO₂ lỏng siêu tới hạn đang được áp dụng phổ biến để chiết tách các hoạt chất thiên nhiên sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Công nghệ này được dùng để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh, tăng cường sức khoẻ từ các nguồn nguyên liệu thảo mộc. Trong ngành mỹ phẩm và công nghệ sinh học, công nghệ trích ly bằng CO₂ lỏng siêu tới hạn được dùng để chiết tách 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 công nghệ CO₂ lỏng siêu tới hạn 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, công nghệ trích ly bằng CO₂ lỏng 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…
 
Có thể thấy việc ứng dụng công nghệ CO₂ lỏng siêu tới hạn trong chiết xuất các tinh dầu 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 trong sản xuất và chế biến sản phẩm từ thảo dược thiên nhiên.