Avantajele Utilizării Fluidelor Supercritice

Utilizarea drept solvenţi în diferite procese industriale şi biotehnologice se datorează următoarelor avantaje care pot fi grupate în patru categorii (tabel 2.4):

- avantaje privind mediul înconjurător;

- avantaje privind sănătatea şi siguranţa utilizării;

- avantaje privind condiţiile de desfăşurare a proceselor;

- avantaje legate de caracteristicile fizico-chimice.

Beneficiile asupra mediului înconjurător sunt recunoscute la utilizarea dioxidului de carbon supercritic şi a apei supercritice. Cu toate că SC-CO2, alături de alte fluide supercritice, sunt gaze de seră, utilizarea sa este benefică datorită posibilităţii înlocuirii solvenţilor lichizi organici. Utilizarea SC-CO2 nu contribuie la creşterea emisiilor de CO2, existând posibilitatea reciclării emisiilor de CO2.

Beneficiile legate de sănătate şi siguranţă se datorează faptului că fluidele supercritice (în special, SC-CO2 şi SC-H2O) sunt necancerigene, netoxice, nemutagene, neinflamabile şi stabile termodinamic.

Tabelul 2.4. Avantajele utilizării fluidelor supercritice (după Jessop, 1999)

Categoria Avantaje Exemple de SCFs

Mediul înconjurător nu contribuie la formarea smogului

nu distrug stratul de ozon

nu prezintă ecotoxicitate

nu formează deşeuri lichide majoritatea fluidelor supercritice

majoritatea fluidelor supercritice

CO2, H2O

CO2 şi alte fluide SC volatile

Sănătate şi siguranţa utilizării necancerigen

netoxic

neinflamabil majoritatea fluidelor supercritice

(cu excepţia hexanului C6H6)

majoritatea fluidelor supercritice (cu excepţia HCl, HBr, NH3)

CO2, N2O, H2O, CHF3

Condiţiile de desfăşurare a procesului nu formează reziduuri

permite separarea uşoară a produselor de reacţie

viteze de difuzie mari

vâscozitate scăzută

densitate şi putere de solvatare optimă

preţ scăzut CO2 şi alte fluide supercritice volatile

CO2 şi alte fluide supercritice volatile

toate fluidele supercritice

toate fluidele supercritice

toate fluidele supercritice

CO2, H2O, NH3

Caracteristicile fizico-chimice miscibilitate ridicată cu gazele

constantă dielectrică variabilă

compresibilitate ridicată

densitate mare

viteză de difuzie mare toate fluidele supercritice

fluidele supercritice polare

toate fluidele supercritice

toate fluidele supercritice

toate fluidele supercritice

Procesele chimice desfăşurate în condiţii supercritice au loc la un consum energetic redus, acest aspect constituind un avantaj din punct de vedere economic.

Avantajele referitoare la desfăşurarea procesului derivă de la proprietăţile fizice ale fluidelor supercritice: difuzivitate termică mare, vâscozitate dinamică scăzută, valori medii ale densităţii.

Cel mai important avantaj al utilizării fluidelor supercritice în sinteza chimică se referă la proprietatea lor de separare, aspect deosebit de important pentru extracţia cu ajutorul fluidelor supercritice.

Datorită volatilităţii lor, ele pot fi îndepărtate din produsele de reacţie fără un consum energetic suplimentar. Acest aspect este important pentru industria alimentară şi farmaceutică.

Utilizarea fluidelor supercritice permite desfăşurarea unor procese eficiente şi curate.

Deoarece fluidele supercritice sunt miscibile cu alte gaze, reacţiile desfăşurate în fluidele supercritice au loc cu viteză mare de reacţie.

Alte avantaje ale utilizării dioxidului de carbon supercritic sunt:

- determină creşterea vitezei transferului de substanţă a substratului la enzimă;

- prezintă proprietăţi fizice uşor ajustabile în domenii relativ mari, prin modificări uşoare ale valorilor presiunii şi temperaturii;

- preţul de cost este mult mai mic, comparativ cu al solvenţilor convenţionali;

- permite o separare uşoară a fazelor ulei şi apă în bioreactor cu funcţionare continuă la scară industrială. Astfel, permite integrarea şi recircularea solventului (Habulin şi colab., 2002);

- permite utilizarea bioreactoarelor cu volume mici şi productivităţi ridicate în procese desfăşurate la scară industrială.

Aplicaţii ale fluidelor supercritice în biotehnologii

3.1. Istoricul utilizării fluidelor supercritice ca mediu pentru reacţii biochimice

În 1680, cercetătorul englez Denys Papin iniţiază cercetările descoperirii punctului critic, proiectând un recipient cu funcţionare la presiune înaltă destinat fierberii apei. În Franţa, baronul Cagniard de LaTour presupune că acest control al fierberii apei trebuie să aibă o limită, astfel că în 1822 dovedeşte existenţa punctului critic (Jessop, 1999).

Faraday a considerat punctul critic ca punctul de delichefiere şi starea supercritică ca cea mai frumoasă stare pe care Cagniard de LaTour a făcut-o cunoscută. Însă Andrews introduce termenul de punct supercritic mult mai târziu (Jessop, 1999).

În 1907, E. Buchner prezintă rezultate experimentale referitoare la solubilitatea naftalinei în SC-CO2. El constată că la presiuni mici, solubili-tatea este zero. Însă cu creşterea presiunii peste valoarea critică a CO2, respectiv 73 bar, solubilitatea creşte brusc.

Primele reacţii desfăşurate în apă supercritică au fost efectuate de Gabriel–Auguste Daubrée, iar în 1857, studiază reacţii în SC-H2O la 400°C.

În 1879, Hannaz şi Hogarths observă că oxidul de zinc în stare solidă reacţionează cu SC-CCl4 (cloroform în stare supercritică) la 300°C fără să se dizolve.

Villard, în 1898, observă că atunci când încearcă să dizolve iodul în SC- C2H4 la 17°C şi 300 bar, iodul odată dizolvat reacţionează cu etilena.