Công nghệ chiết xuất tinh dầu bằng CO2 siêu tới hạn

1. Giới thiệu về công nghệ chiết xuất sử dụng phương pháp co2 siêu tới hạn (viết tắt là SCO2)

Công nghệ sử dụng carbon dioxid ở trạng thái siêu tới hạn để chiết tinh dầu là phương pháp đang được phát triển mạnh mẽ vì một số ưu điểm như sử dụng dung môi CO₂ không độc, giá rẻ và bị loại nhanh chóng vì dung môi CO₂ khi ở áp suất thường sẽ bốc hơi để lại tinh dầu mà không để lại cặn độc như trong dung môi cổ điển.

Công nghệ trích ly bằng CO₂ siêu tới hạn giúp cho tinh dầu có chất lượng cao hơn vì quá trình chiết không sử dụng nhiệt độ như các phương pháp khác, thời gian chiết nhanh, vì vậy thành phần các hoạt chất ít bị thay đổi, tinh dầu giữ được mùi vị và thành phần thiên nhiên.

Sơ đồ nguyên lý của công nghệ trích ly bằng CO2 siêu tới hạn:

nguyên lý trích ly bằng co2 siêu tới hạn

Sơ đồ nguyên lý: 1: Bình Co₂; 2,3: bình chiết; 4,5,6: bình tách; 7,8: bơm nén; 9: bình CO₂ thu hồi

thiết bị trích ly co2 siêu tới hạn

2. Nguyên tắc của phương pháp

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. Đối với mỗi chất thông thường, dưới mỗi một điều kiện nhất định chúng sẽ tồn tại ở một trạng thái nào đó trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí.

Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao, chất 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 (supercritical). Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính trung gian giữa khí và lỏng.

Vì vậy khi CO₂ được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn của nó (31^oC, 73,8 atm), CO₂ sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn. Tại trạng thái này CO₂ mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách của quá trình trích ly và đặc tính phân tách của quá trình chưng cất.

Nó có khả năng hoà tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu ở cả 3 dạng rắn, lỏng, khí. 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 thoát ra ở bình hứng. Ở mỗi điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau sẽ tương ứng với mỗi một đối tượng cần chiết tách khác nhau.

3. Ưu điểm của phương pháp SCO₂ so với các phương pháp truyền thống.

• Sản phẩm có chất lượng cao: Đối với tinh dầu thì có màu, mùi tự nhiên, không lẫn nhiều thành phần không mong muốn, với các hợp chất tự nhiên thì tách được các chất có hoạt tính cao.
• Tách các hoạt chất với hàm lượng cao
• Không còn lượng dung môi dư thừa.
• Không gây ô nhiễm môi trường.
• Là một phương pháp có công nghệ cao và an toàn với các sản phẩm tự nhiên
• Bảo toàn trọn vẹn tính năng tác dụng của hoạt chất giúp cho hiệu quả điều trị của chế phẩm dược liệu sẽ đạt ở mức tối đa nhất.
• Phân tách các hoạt chất tinh khiết, loại bỏ các hoạt chất không cần thiết do đó làm giảm độc hại cho cơ thể, chế phẩm sẽ an toàn hơn.
• Có khả năng tạo ra các nguyên liệu dược liệu dạng Nano từ đó có thể bào chế các hoạt chất siêu dẫn, siêu thấm, siêu chọn lọc rất giá trị đối với y học hiện đại trong tương lai.

4. Ưu điểm của dung môi SCO₂

* Tính chất hoá lý của SCO₂ ở trạng thái siêu tới hạn có các đặc tính nổi bật như:

• Sức căng bề mặt thấp
• Độ nhớt thấp
• Độ linh động cao
• Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng của chất lỏng
• Khả năng hòa tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất

* Ưu điểm so với các dung môi khác

• CO₂ là một chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghệ hoá chất khác.
• Là một chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết.
• Không làm ô nhiễm môi trường.
• Không bắt lửa, không duy trì sự cháy.
• CO₂ không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị.
• Có khả năng hoà tan tốt các chấtỏ tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời cũng hoà tan lẫn cả các chất thơm dễ bay hơi. Có sự chọn lọc khi hoà tan, không hoàụ tan cácỏ kim loại nặng và dễ điều chỉnh các thông số trạng thái để có thể tạo ra các tính chất lựa chọn  khác nhau của dung môi.
• Khi CO₂ hoá hơi không để lại cặn độc hại.

* Các chất có khả năng tan tốt trong SCO₂

• Các aldehyd, ceton, ester, alcohol, và các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ và trung bình.
• Các hydrocacbon mạch thẳng, không phân cực, phân tử lượng thấp và có mạch cacbon dưới 20, các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ.

5. Ứng dụng của phương pháp SCO₂ trên thế giới và Việt Nam.

Hiện nay công nghệ chiết bằng SCO₂ đã và đang được áp dụng phổ biến để chiết tách các hoạt chất sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, các hoạt chất thiên nhiên… Một số nước đã ứng dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp với một số sản phẩm nhất định, trong đó Đức là nước đầu tiên có nhà máy công nghiệp tách loại cafein ra khỏi nhân cà phê áp dụng công nghệ SCO₂  do hãng HAG.A.G xây dựng vào năm 1979.

5.1. Ứng dụng trong công nghệ tách cafein trong cà phê và chè.

Ngành công nghệ nước giải khát hiện nay đang rất phát triển và thị hiếu  của ngưòi tiêu dùng cũng ngày một nâng cao. Điều này  đòi hỏi các nhà sản xuất phải luôn tìm kiếm các công nghệ mới để có thể đáp ứng được chất lượng và thị hiếu người tiêu dùng. Trong công nghệ nước uống  cà phê và chè thì việc loại cafein, một chất kích thích thần kinh không có lợi cho sức khoẻ và gây vị chát đang là điểm quan tâm hiện nay của các nhà công nghệ.

Giải pháp hữu hiệu là sử dụng công nghệ SCO₂ để chiết tách cafein ra khỏi cà phê và chè, và đã được áp dụng làn đầu tiên ở Châu âu, sau đó là Bắc Mỹ. Với công nghệ này hàm lượng cafein có thể giảm xuống chỉ còn < 0,1% trong sản phẩm.

5.2. Các ứng dụng khác.

– Phương pháp SCO₂ cũng được áp dụng để chiết các hoạt chất từ hoa huplon để dùng trong công nghệ bia và dược phẩm với sản lượng lớn (ở Đức sản lượng chiết hoa huplon bằng công nghệ SCO₂ là 10.000 tấn/ năm), sản xuất sản phẩm thực phẩm có hàm lượng chất béo thấp và sản phẩm không cholesterol hoặc các sản phẩm chức năng khác.

– Đối với nghành mỹ phẩm và công nghệ sinh học, phương pháp SCO₂ dùng để chiết tách các tinh dầu, nhất là các tinh dầu quý hiếm như: tinh dầu lavande, hoàng đàn, hương lau, nhài, bưởi, trầm hương, quế, hồi, hùng chanh để phục vụ cho công nghiệp sản xuất nước hoa, đặc biệt là các loại nước hoa cao cấp và trong thực phẩm.

Tinh dầu được chiết bằng phương pháp này có đặc trưng tự nhiên nhất, độ tinh khiết rất cao. Tách các hoạt chất hữu ích từ nghệ, chè, gừng để làm chất chống oxy hoá, kem dưỡng da, ví dụ như chiết polyphenol từ chè xanh để làm chất chống nhăn da, chống oxy hoá, giữ ẩm cho da và polyphenol có trong kem đánh răng có tác dụng diệt khuẩn, hoặc chiết hoạt chất từ cây lô hội làm kem làm trắng da..

– Còn trong nghành dược phẩm, công nghệ dùng SCO₂ đang được nghiên cứu để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh hoặc tăng cường sức khoẻ từ các nguồn nguyên liệu thảo mộc. Ví dụ như chiết Diosgenin từ Nần nghệ, chiết quercetin từ vỏ củ Hành tây, chiết xuất dầu gấc từ Gấc, chiết xuất artemisinin từ Thanh hao hoa vàng.

– Không những áp dụng phương pháp này trong các nghành công nghiệp sản xuất các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, hiện nay trên thế giới còn nghiên cứu phương pháp này đối với các ngành công nghiệp khác. Tại Bỉ, người ta đang nghiên cứu để đưa công nghệ SCO₂ vào việc tách các nguyên tố hiếm và các nguyên tố phóng xạ trong nghành công nghiệp xạ hiếm. Do đó ta có thể thấy việc sử dụng phương pháp dùng SCO₂ sẽ mở ra một phương pháp kỹ thuật mới mà tiềm năng của nó có tác động lớn đến nhiều nghành công nghiệp quan trọng trên thế giới.