Top of the world, Core Separations 의 초임계 추출 장치를 만나보세요 !
Core Separations > 초임계유체
초임계유체
모든 물질은 압력과 온도의 특정 조건에서 얻어지는 임계점을 특징으로 합니다. 유체가 임계온도 이상으로 가열되고 임계압력 이상으로 가압될 때 이를 "초임계"라고 합니다. 즉, 초임계유체란 임계압력 및 임계온도 이상의 상태에서 일반적인 액체나 기체와는 다른 고유의 특성(기체와 액체의 중간 정도의 물성 보유)을 나타내는 제4의 물질을 말합니다. 가장 널리 사용되는 초임계 유체는 CO2와 물입니다.
이산화탄소(CO2)의 임계점(Critical Point)은
31.1⁰C, 74bar이고 이 이상의 온도와 압력에서는 기체와 액체의 특성을 모두 나타내는 초임계유체 영역이 됩니다. CO2는 가장 널리 사용되는 초임계 유체입니다. CO2는 값이 싸고, 화학적으로 불활성이며, 무독성이며, 불연성이며, 높은 순도와 낮은 비용으로 쉽게 이용할 수 있기 때문입니다. 또한 임계점에 쉽게 접근할 수 있으며, 추출 중 외부 산소와 차단되어 있어 산화에 의한 문제를 방지할 수 있고, 추출 후 기체 상태로 쉽게 제거할 수 있어 잔류물을 남기지 않으며, 낮은 온도(40-60°C)에서 유체로 이용할 수 있어 열에 불안정한 물질 추출에도 사용할 수 있습니다.
다른 초임계 유체는?
물과 CO2 외에도 에탄, 프로판, 메탄올, 에탄올과 같은 화합물은 특정 용도(추출, 화학 반응)를 위한 초임계 유체로 이용됩니다.
| 유체 | 임계온도(°C) | 임계압력(Bar) |
| CO2 | 31.1 | 73.8 |
| H2O | 374 | 220 |
| R134a (C2H2F4) | 101 | 101.6 |
| Ethane (C2H6) | 32.2 | 48.8 |
| Propane (C3H8) | 96.6 | 42.5 |
| Ethylene (C2H4) | 9.5 | 50.76 |
| Propylene (C3H6) | 91 | 46.1 |
초임계수(超臨界水)와 아임계수(亞臨界水)는 무엇인가요 ?
물의 임계점(온도 : 374℃, 압력 : 220bar) 이상은 액체도 기체도 아닌 초임계수(超臨界水, Supercritical water)라고 하는데, 그 이하의 고온·고압수(150 - 250℃, 15 - 100bar ) 상태의 물은 아임계수(亞臨界水, Subcritical water)라고 합니다. 아임계수는 강력한 가수분해력과 유기물 용해력이 있기 때문에 이를 이용하여 유용성분의 추출에 사용하는 기술이 아임계 추출법입니다.
초임계수(超臨界水)의 응용
초임계 유체로 물을 이용하는 것은 매우 유용한 공정이며 일부 공정은 산업화 과정에 있습니다. 초임계수(온도 > 374°C, 압력 > 220 bar)에서는 유기화합물과 기체의 혼화성이 높고 무기화합물의 침전이 일어납니다. 초임계수에서의 산화 반응은 유해 폐기물 처리 및 나노 입자 합성 등에 응용되고 있으며, 이러한 과정을 초임계수산화(Supercritical Water Oxidation)라고도 합니다.
아임계수(亞臨界水)의 응용
아임계수에 의한 유용성분의 처리는 온도와 압력에 따라 변화되므로 가수분해에 의한 저분자화 및 열분해·산화분해에 의한 물질변환으로 유용성분을 추출할 수 있습니다. 산, 알칼리 등 용매 없이 물·열·압력만으로 처리하므로 친환경적이며, 인체에 무해하며, 작업시간도 수초~분의 단시간이며 추출 수율도 향상되는 이점이 있습니다.
초임계유체로 CO2를 이용하는 이유
이산화탄소(CO2)는 값이 싸고, 화학적으로 불활성이며, 무독성, 불연성, 높은 순도와 낮은 비용으로 쉽게 이용할 수 있고, 친환경적인 용매이기 때문에 가장 널리 사용하는 초임계유체 입니다.
초임계 유체로 CO2를 이용하는 이유는 이 외에도 많이 있는데 이를 정리하며 아래와 같습니다.
Tunable Density
초임계 CO2는 CO2가 31°C에서 74bar로 압축될 때 발생하며, 이 때 밀도는 약 440kg/m³ 정도가 됩니다. 그러나 압력과 온도를 변화시켜 밀도를 1000kg/m³(물의 밀도) 이상으로 높일 수도 있습니다. 이렇게 밀도를 변화시킴으로 CO2에 선택적 추출 특성을 부여하고 매우 다양한 특성의 용매로 만들 수 있습니다.
Tunable Polarity
CO2는 친유성 및 소수성 분자에 대한 우수한 추출 용매로 천연 제품 추출에 널리 이용됩니다. CO2의 극성은 에탄올과 같은 극성이 더 큰 용매를 추가하여 조정할 수 있습니다. 더 극성인 용매를 조금만 추가해도 추출되는 성분에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
Recyclable
용매로서의 CO2의 가장 강력한 장점 중 하나는 분리기에서 제품을 수집할 때 가스로 전환되며, 이 CO2를 압축하여 재사용할 수 있습니다.
Isolation
CO2 추출에서 추출물을 분리할 때 CO2의 감압이 필요한데 이 때 초임계유체에서 기체로의 상변화가 발생합니다. 밀도의 이러한 궁극적인 변화에 의해 CO2에서 용해된 화합물의 분리가 일어납니다. 이 후 CO2 가스는 추출물을 오염시키지 않고 빠져나갈 수 있습니다.
Selective Fractionation
추출하는 동안 CO2의 밀도를 변경하여 특정 성분을 선택적으로 추출하도록 조건을 조정할 수 있습니다. 자체 배압조절기가 각각 장착되어 있는 멀티수집기 시스템을 사용하면, 각 분리기의 조건을 조정하여 특정 밀도 조건을 얻을 수 있습니다. 이렇게 하여 각 분리기에서 서로 다른 화합물을 선택적으로 침전시키는 것이 가능합니다.
Environmentally Responsible
CO2의 재생 가능하고 자연에 풍부하다는 이점이 대체 용매로 사용할 때 가장 매력적인 특성 중 하나이지만 다음과 같은 추가적인 장점도 있습니다.
• 비독성 | Non-toxic
• 비연소성 | Non-flammable
• 친환경성 | Non-Eco toxic
일반적으로 고압액체 CO2를 사용합니다.
CO2가 액체 상태로 유지되도록 하기 위해 CO2는 열교환기를 통과하며, 이 열교환기를 콘덴서라 합니다. 보통 액체 CO2는 고압 펌프에 들어가기 전에 4°C 이하로 냉각됩니다.
CO2 펌프는 추출할 수 있는 압력으로 CO2를 압축합니다.
그런 다음 액체 CO2는 예열기라고 불리는 두 번째 열 교환기로 이동하며, 이 단계에서 CO2는 초임계 상태에 도달합니다.
CO2 펌프는 추출할 수 있는 압력으로 CO2를 압축합니다.
이제 원하는 온도와 압력에 도달하여 CO2를 추출물로 가득 찬 바닥에 흘려 보냅니다. CO2 스트림에서 원하는 구성 요소를 추출하기 시작합니다.
흐름을 유지하면서 물질을 수집하는 방법이 필요합니다. 이를 위해 첫 번째 수집기로 CO2와 재료를 흘려 보내는 동안 추출기의 압력을 유지하는 역할을 하는 공압식 배압 조절기(ABPR)를 사용합니다.
높은 압력에서 낮은 압력으로 떨어지면 온도 강하가 일어나는 줄-톰슨 효과 발생합니다. 재료에 함유된 물의 함량이 높을 경우 이로 인해 물이 얼어서 파이프가 막히는 등의 공정상 문제가 발생할 수 있습니다.
- 이를 극복하기 위해 기화기(또 다른 열교환기)를 사용하여 ABPR에서 나오는 CO2를 가열합니다. 이는 동결 문제를 해결하고 CO2를 기체 상태로 만들어 유효 성분을 첫 번째 분리기로 보내는 역할을 합니다.
그런 다음 제품은 고압 수거 장치로 들어갑니다. 이는 또한 분류하여 수거하는 역할을 하기도 합니다.
수동배압조절기(MBPR)를 조정하여 수거 장치의 압력을 조절할 수 있습니다. CO2는 밀도가 감소함에 따라 용해력을 잃고 CO2로부터 생성물을 침전시킵니다. 최종 사이클론으로부터 나오는 CO2는 배기시키거나 CO2 회수기 (옵션 설비)로 흘러가게 됩니다.
Core Separation CO2 압력 용기(EV 시리즈)는 초임계 유체 처리를 위해 특별히 설계된 고압, 고성능 추출 및 반응 용기입니다. 혁신적인 나사산 캡과 강력한 스프링 씰을 사용하는 이 용기는 도구 없이도 쉽게 열고 닫을 수 있도록 설계되었으며, 압력 상태에서도 안전성을 유지합니다. 용기 본체는 스레인레스 스틸 300 시리즈 보다 60% 더 강한 고품질 17-4PH 스테인리스 스틸로 제작되었습니다. 이를 통해 용기의 무게와 벽 두께를 줄이고 열 전달을 개선하는 추가적인 장점이 있습니다.
CO2는 친유성 및 소수성 성분을 추출하는 데 좋은 용매로 천연 제품 추출에 많이 사용됩니다. 그러나 더 극성이 강한 제품이 필요할 때가 있는데, 에탄올과 같은 더 극성인 용매를 첨가하여 CO2의 극성을 조절할 수 있습니다. 극성이 강한 용매를 소량 첨가하면 추출되는 성분에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 폴리페놀과 같은 성분을 추출하는 데 필요한 압력을 줄이는 데도 도움이 될 수 있습니다.
추출 조건을 변경하여 CO2의 밀도를 조정하여 특정 성분을 선택적으로 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 수집 측면에서도 동일한 안정성을 유지할 수 있습니다. 시스템에 자체 배압 조절기가 있는 여러 개의 수집기가 있는 경우 압력을 점진적으로 낮추고 각 분리기의 온도를 변경하여 특정 밀도를 달성할 수 있습니다. 이를 통해 한 컬렉터에서 특정 성분을 선택적으로 침전시키고, 용해성 성분이 다음 컬렉터로 이동하여 다른 특정 성분을 침전시키는 과정으로 입자를 분류할 수 있습니다.
용매로서 CO2의 가장 강력한 측면 중 하나는 분리기에서 제품을 회수할 때 제품이 오염되지 않은 채 기체로 되돌아간다는 점입니다. 이는 재압축을 통해 재사용할 수도 있습니다. 소규모 시스템에서는 등급에 따라 다르지만 CO2가 상대적으로 저렴하기 때문에 이 방법이 적합하지 않을 수 있습니다. 그러나 규모를 확장하기 시작하면 이 방법이 더 합리적인 방법입니다. 가장 일반적인 방법은 CO2의 압력을 55bar(병 압력)로 낮추고 다시 저장탱크로 보내 재활용하는 것입니다. 이 방법은 물질이 이월되어 막힘을 일으킬 수 있기 때문에 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 이월된 물질이 추출 공정을 오염시킬 수도 있습니다. 그러나 재료와 공정 조건을 이해하면 이러한 영향을 최소화하거나 제거할 수 있습니다.
까다로운 연구 환경에 있든, 규제가 엄격한 cGMP 제조 시설에 있든, 당사의 SFX 소프트웨어는 처음부터 초임계 유체를 처리하는 데 있어 유연하고 강력한 동반자가 되도록 설계되었습니다.