超臨界流體技術之商業化機會與挑戰

刊登日期:2016/12/5
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超臨界流體在工業上具有發展潛力,已廣泛應用在食品或醫藥領域。由於具高質傳效率,容易滲透至固體微孔隙,常被應用在萃取、乾燥、清潔、含浸、印染等製程。因對物質溶解度差異大,常用在噴霧沉澱的相變化過程中製造藥物微粒、食品保存/生物活性釋放、化妝品、高分子微粒等。

在化學反應方面可當反應物、溶劑或抗溶劑,包括化學合成、金屬氧化物、奈米金屬、塑膠分解及觸媒回收等。在材料加工方面有高分子或複合材料發泡及生物質處理應用之綠色溶劑角色。超臨界流體是一具有循環經濟發展潛力的技術。
 
SF高質傳效率
由於低黏度、高擴散性及低表面張力使超臨界流體具有高質傳效率,因此對固體材料具有快速的滲透能力,容易滲入固體的微孔隙內,將溶於流體的分子帶出,例如萃取、乾燥、清潔、除油脂等製程;或將功能性分子帶入固體材料內,例如含浸、印染、皮革鞣製加工等製程。
1. 萃取/分餾與浸漬
萃取是目前最多商業應用, 奧地利 NATEX公司在二氧化碳超臨界流體萃取(SFE)設備上進行許多商業化規模與應用,有 200~8,500L 的高壓槽,最高臨界壓力到 750 bar。目前在全世界設置許多工廠,例如在印度的香料和草藥萃取、紐西蘭的啤酒花和保健品、台灣的生米清洗、韓國的食用油(芝麻油)萃取、西班牙的軟木塞處理、丹麥的含浸木材等。
2. 乾燥與清洗
超臨界流體乾燥特別應用在生成氣凝膠(Aerogel),Aspen公司的奈米氣凝膠隔熱毯是一個很成功的商業化產品。由於一般溶膠凝膠技術(Sol-gel)在溶劑蒸發乾燥過程中,來自液/氣界面的張力使凝膠架構容易收縮,使孔洞結構容易崩塌。利用超臨界二氧化碳乾燥可以生成奈米尺度的 3D氣凝膠微結構。
 
SF相變化應用於材料微粒化製程
二氧化碳超臨界流體技術在噴霧沉澱過程所產生的相變化,廣泛應用在各種材料微粒化製程。依照超臨界流體對各種材料溶解性差異、降壓過飽和現象與再結晶成核的差異性,可以將超臨界流體分類成當作溶劑、抗溶劑、溶質、噴霧介質等不同功能。
2. 超臨界流體當作抗溶劑
將溶質先溶於有機溶劑中,將含此溶質溶液經噴嘴分散成為微小液滴後,並和超臨界流體經由共軸噴嘴設計同時噴入晶析槽(Precipitator)中,此混合溶液因超臨界流體快速將有機溶劑帶走,而使溶質因快速過飽和而析出。這個方法可以多樣化選擇溶劑,但溶質需能溶於有機溶劑,而不溶於超臨界流體。典型的方法是超臨界抗溶劑法(Supercritical Antisolvent;SAS)及超臨界流體強化溶液分散法(Solution Enhanced Dispersion by Supercritical Fluids;SEDS)等。
 
SF反應系統
1. SF當反應物
在超臨界二氧化碳環境中進行氫化反應,可以產生 CO、CH4、CH3OH 及甲酸衍生物等。超臨界二氧化碳也可和苯乙烯氧化物反應,合成具有 100% 的選擇性和接近 100% 產率的苯乙烯碳酸。超臨界流體也可以和甲醇、氨和胺等形成甲酸甲酯和甲醯胺衍生物。超臨界化學反應是一個極有潛力的研究議題,但仍有許多技術待突破。
2. SF當反應介質
超臨界流體在反應中當溶劑或抗溶劑,常被使用在氫化反應。一般氫化反應時,因氫氣溶解度較低,在超臨界二氧化碳中可以增加氫氣溶解度,提高反應效率。利用超臨界流體進行金屬氧化物合成一直受到重視,其優點是具有高反應效率、反應選擇性、無質傳衍生問題。由於對反應物的高溶解度及快速擴散能力,不容易在反應系統中,形成反應物與溶劑間的聚集或籠效應的現象。
 
SF材料加工
1. 高分子發泡
高壓二氧化碳在高分子奈米複材加工過程有兩個主要角色,一是增加奈米粒子在高分子中的分散;以及當作高分子奈米複材的發泡劑,是一種綠色加工助劑。一般發泡過程包括成核和核成長兩個步驟,成核是由聚合物和發泡劑混合物在降壓過程由於熱力學不穩定的相分離開始,在核成長階段,晶核最後會達到熱力學和力學平衡。奈米粒子的存在對複材的流變性影響很大,會影響成核和核成長過程。高分子奈米複材發泡加工後,具有特殊的物理、化學及力學特性。
2. 生物質處理
生物質(Biomass)中木質纖維素(Lignocelluloses)一般不易進行酵素水解(Enzymatic Hydrolysis),利用超臨界二氧化碳或部分共溶劑 H2O/Ethanol 進行前處理後,可以提高酵素水解效率,進一步發酵可得到較高產率的糖。食材或糧食經過超臨界流體處理,可以減低……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:宋清潭 / 工研院材化所           
★本文節錄自「工業材料雜誌」360期,更多資料請見下方附檔。


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