Extraktion mit überkritischen Fluiden im Pharma-, Kosmetik- und Nahrungsmittelbereich

In den Life Science-Sparten wird zum Beispiel bei der Extraktion zunehmend mit Fluiden im überkritischen Aggregatzustand gearbeitet.Der Vorteil dieser Prozesse liegt in der Verwendung von umweltfreundlichen und nicht produktbelastenden Lösungsmitteln, vor allem Kohlendioxid.

Dabei kommt das Arbeiten bei niedrigen Temperaturen und moderaten Drücken den Anforderungen des Pharma & Biotech-Marktes entgegen (Produkt schonend).Die Anforderungen an die Dosier- und Prozess-Membranpumpen für die Extraktion sind bei diesen Anwendungen sehr spezifisch.

Lösungen zur Extraktion mit überkritischen Fluiden

LEWA Dosierpumpen und Prozess-Membranpumpen eignen sich für überkritische Verfahren sehr gut, da sie alle relevanten Anforderungen erfüllen.

Vorteile von LEWA Pumpen bei der Extraktion:

  • Hermetisch dicht
  • Auslegung von Hochdruckpumpen und deren Peripherie für Flüssiggase (Kühlausrüstung)
  • Geeignet für dünnflüssige, nicht schmierende Fluide
  • Hohe Betriebssicherheit
  • Verschleißarm, nahezu keine Partikelkontamination durch wenig bewegte Pumpenkopfteile
  • Gut reinigbar, Lebensmittelausführung erhältlich
  • Für Pharma-Anwendungen hygienic Design möglich (Ra < 0,5 μm elektropoliert, ASME BPPE, EHEDG)
  • Aufstellung in GMP-Bereichen/Reinräumen
  • Materialien FDA konform (GRAS: Generally Recognized As Safe)
  • Aufstellung im explosionsgefährdeten Bereich möglich
  • Optimales Pumpenkopfmaterial, z. B. Hastelloy für hochkorrosive Medien erhältlich
  • Vielfältige Anschlussgeometrien
  • Sonderventile möglich
  • Dokumentation zur Qualifizierung/Validierung
  • Getestet zur Wafer-Reinigung (Fraunhofer IPA Tested Device®)

Zu beachten ist, dass sich das Kohlendioxid im flüssigen Zustand befinden muss, damit es bei der Extraktion gepumpt werden kann. Im gasförmigen Zustand ist dies aufgrund der Kompressibilität nicht sinnvoll.

Einsatzgebiete: Extraktion und andere überkritische Verfahren mit LEWA Pumpen

LEWA Dosierpumpen und Prozess-Membranpumpen werden in den folgenden Verfahren erfolgreich eingesetzt:

  • Extraktion mit überkritischem CO2 (Supercritical Fluid Extraction SFE), wie Entkoffeinierung, Entfettung, Phytoextraktion sowie Extraktion von Ölsaaten, Omega-Fischöl, Aromen und Gewürzen
  • Überkritische präparative Flüssigkeitschromatographie (Supercritical Fluid Chromatography SFC), wie Trennung von optisch aktiven Substanzen
  • Überkritische Flüssigkeits-Reaktion (Supercritical Fluid Reactions SFR)
  • Partikelformation (z. B. Particles from Gas Saturated Solutions PGSS), wie Hochdrucksprühverfahren zur Pulverisierung von Fetten, Backwaren, etc.
  • Reinigungsverfahren, z.B. prozessintegrierte Abtrennung von Substanzen wie Pestizidentfernung (Wollfett, Lanolin)
  • Zellaufschluss, Inaktivierung (Sterilisierung auf schonende Weise)
Pumps and systems for supercritical applications

scCO2-Anwendungen in der Industrie

Verfahrensprinzip PGSS:

  1. Temperierung und Aufschmelzung zweier Edukte 1 und 2
  2. Zuführung und Verdichtung mit LEWA Hochdruckpumpen P1, P2 und P3
  3. Vermischung beider Endprodukte mit überkritischem Fluid in einem statischen Mischer (SM)
  4. Entspannung in einem Sprühturm (SP) durch eine Düse
  5. Tröpfchenbildung
  6. Abkühlung der Tröpfchen und Partikelbildung
  7. Gewinnung des Pulvers im Sprühturm mit Zyklon (ZK)
Pumps and systems for supercritical applications

Grafik: Verfahrensprinzip PGSS

Quelle: Lehrstuhl für Verfahrenstechnik, Transportprozesse, Partikeldesign und - technologie, Universität Bochum

Hintergrund zu überkritischen Fluiden

Ein „überkritisches Fluid“ ist eine Substanz, deren Temperatur und Druck gleichzeitig über ihrem kritischen Punkt liegen (vgl. p,T-Diagramm CO2).

Kritische Temperatur ist die Temperatur, über der die Substanz nicht mehr flüssig sein kann, unabhängig von der Höhe des Drucks.

Kritischer Druck ist der Druck, über dem die Substanz nicht mehr gasförmig sein kann, unabhängig von der Höhe der Temperatur.

Überkritische Fluide haben Dichte und gutes Lösungsvermögen von Fluiden sowie Viskosität, gute Kompressibilität und Diffusionsvermögen von Gasen. Aufgrund der guten Misch- und Massetransfer-Eigenschaften werden sie als Fluid bezeichnet.

Wesentliche Vorteile überkritischer Fluide z. B. bei der Extraktion:

  • Sicher, kostengünstig, umweltfreundlich, ungiftig
  • Können organische Lösemittel bei der Extraktion ersetzen
  • Gute Einflussnahme über geringe Veränderungen der Betriebsbedingungen
  • Betriebsbedingungen unter niedriger Temperatur und Druck machen sie attraktiv für Forschung und Entwicklung im Bereich Pharma & Biotech

Auswahlkriterien des passenden überkritischen Fluids:

  • Physikalisch-chemische Eigenschaften der gewünschten Mischung
  • Aufgabe des Lösungsmittels im Prozess in Bezug auf Lösungsvermögen
  • Spezifische Anwendung
  • Sicherheit insbesondere bezgl. Entflammbarkeit, Phasenverhalten unter Betriebsbedingungen
  • Kosten des Fluids
  • Kosten der Ausstattung

Das am häufigsten zur Extraktion eingesetzte überkritische Fluid ist CO2.

Eigenschaften von Kohlendioxid:

  • Niedrige kritische Temperatur (31,1°C)
  • Moderater kritischer Druck (73 bar)
  • Nicht entflammbar
  • Ungiftig
  • Mischbar mit organischen Lösungsmittel
  • Nach Verarbeitung rückgewinnbar
  • Diffundiert schneller als konventionelle flüssige Lösungsmittel
  • GRAS-Status
  • Von der FDA zum Einsatz in Lebensmittel und Pharma freigegeben
  • Umweltfreundlich
  • Kostengünstig

Branchen

Kosmetik

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