초임계추출

 

초임계추출(Supercritical Fluid Extraction, SFE)

 

 

1. 정의

1) 초임계 유체

  보통의 온도∙압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 일정한 온도∙압력의 한계를 넘으면

  증발과정이 일어나지 않아서 기체와 액체를 구별할 수 없는 상태, 

  즉 임계상태의 유체를 말한다

 

2) 초임계유체는 액체와 유사한 밀도로 인해 용해성이 높고

  기체에 가까운 낮은 점도를 가지며 표면장력이 없고 확산도가 높기때문에

  물질 내부로의 높은 침투력을 가진다

 

3) 초임계 유체는 압력과 온도를 변화시킴으로써 밀도를 이상기체에 가까운 상태에서 액체 밀도에

  가까운 상태까지 연속적으로 변화시킬 수 있으며 이러한 물성 조절의 용이성을 반응과 분리공정에

  사용하여 물질을 분리하는 기술을 초임계 추출이라 한다

 

3) 임계온도 : 압력에 관계없이 액상으로 존재할 수 없는 온도

 

2. 단계

1) 추출 단계

시료와 초임계 유체 용매가 서로 접촉하고 용해도의 차이에 의하여

시료 중의 가용 성분이 초임계 유체에 용해된다 (30℃, 70 기압 이상에서 진행)

2) 분리 단계

추출 단계에서 추출된 용질을 함유한 초임계 유체가 온도와 압력에 의해 분리

 

3. 장점

1) 압력은 높지만 낮은 온도에서 진행되어 열에 민감한 천연향, 유효성분, 항산화 성분 등의

   손실을 최소화하여 추출할 수 있다

2) 유기용매가 잔류하지 않은 제품을 얻을 수 있다

3) 추출 시 외부 차단되어 있어 산화에 의한 손실을 방지할 수 있다

4) 추출 단계에서 온도, 압력 등 작업조건의 조정을 통해 초임계 유체의 용해도를 변경시켜

   시료 중 특정성분에 대한 선택적 추출이 가능하다

5) 일반 유기용매보다 낮은 증발열로 인하여 용매의 회수가 용이하며 회수 에너지가 작다

6) 비교적 간단한 공정단계로 고순도의 제품을 얻을 수 있다

7) 기존의 증류, 추출 등의 분리공정에 비해 에너지가 절감된다

 

 

4. 단점

1) 고압장치를 설치해야 하기 때문에 장치 투자에 초기 자본이 많이 든다

2) 추출 수율이 낮아서 초임계 유체를 재순환시켜야 한다

3) 새로운 물질은 분리할 경우 상 평형이나 물질 이동특성 등의 기본 data가 부족하다

 

5. 초임계 용매의 선정

   1) 화학적으로 안정하고 장치에 부식성이 없을 것

   2) 임계온도가 실온 근처 또는 추출 온도에 가까운 것

   3) 임계 압력이 낮은 것

   4) 선택성이 높은 것

   5) 용해도가 큰 것

   6) 용매 회수가 용이한 것

   7) 구입이 용이하고 가격이 저렴한 것

   8) 인체에 독성이 없는 것

   9) 환경을 오염시키지 않는 것

 

5. 초임계 유체로 이산화탄소(CO₂)가 많이 쓰이는 이유

1) 낮은 임계온도(31℃)와 임계 압력(73.8 bar)으로(73.8 bar) 인해 적은 에너지로 초임계 유체를 만들 수 있다

2) 독성이 없고 불연성이며 비활성 물질로 인체 및 환경에 무해하며 부식성이 없다

3) 공정에서 순환하여 재사용이 가능하며 운전비용이 저렴하다

4) 일반 유기용매 및 물보다 높은 확산 계수를 가지고 있어 반응시간이 짧다

5) 고순도의 이산화탄소를 쉽게 구할 수 있으며 가격이 싸다

 

6. 활용

1) 커피/차의 카페인 제거

2) 동물성/식물성 유지 추출 (어유, 간유, 대두유, 해바라기유)

3) 식물자원의 정유 추출

4) 식물 색소의 추출 및 탈색

5) 약품 원료의 농축 및 정제

6) 효모 및 균체 생성물의 추출

7) alcohol음료의 연질화