物質は、温度と圧力によって気体、液体、固体などの状態(相状態:物質の三態)で存在します。
例えば、1気圧(大気圧)の“水”を考えると、水は氷点下では「氷(固体)として存在していますが、0℃で溶けて「氷(固体)→水(液体)」となり、さらに温度を上げると、100℃で蒸発して「水(液体)→水蒸気(気体)」となります。
1気圧では、100℃で液体の水と気体の水蒸気が共存しますが、さらに圧力と温度が高くなると上限に達し(臨界点)、この臨界点を超えると液体と気体の両方の性質を兼ね備えた、「超臨界流体」といわれる状態になります。
超臨界流体の特性を整理すると以下のように特徴づけられます。
物性 | 気体 | 超臨界流体 | 液体 |
密度(kg/m3) | 0.6~2.0 | 300~900 | 700~1600 |
拡散係数 (10-9m2/sec) |
1000~4000 | 20~700 | 0.2~2.0 |
粘度(10-5Pa・sec) | 1~3 | 1~9 | 200~300 |
熱伝導度 (10-3W/m・K) |
1 | 1~100 | 100 |
動粘度(10-7m2/sec) | 100 | 1~10 | 10 |
参考文献:福里隆一・後藤元信,実用超臨界流体技術,分離技術会3(2012)
臨界点はすべての物質に存在します。産業的には水と二酸化炭素および、この中間的性質を持つメタノールが利用されていますが、特に、水と二酸化炭素は自然界に存在する物質であることから、環境に優しい溶媒(グリーン溶媒)として知られています。
超臨界二酸化炭素は、低極性であり、抽出や微粒子化などの溶媒としての利用が一般的です。一方、超臨界水は反応性が高く、有機物質の分解や有害物質の無害化に使用されます。
物質名 | 分子量 | 臨界温度 | 臨界圧力 | 臨界密度 | ||
(g/mol) | (K) | (℃) | (MPa) | (atm) | (g/cm3) | |
二酸化炭素 | 44.0 | 304.1 | 31.0 | 7.28 | 72.8 | 0.469 |
水 | 18.0 | 647.3 | 374.2 | 22.12 | 218.3 | 0.348 |
メタン | 16.0 | 190.6 | -82.6 | 4.60 | 45.4 | 0.162 |
エタン | 30.1 | 305.4 | 32.3 | 4.87 | 48.1 | 0.203 |
プロパン | 44.1 | 369.8 | 96.7 | 4.25 | 41.9 | 0.217 |
メタノール | 32.0 | 512.6 | 239.5 | 8.09 | 79.8 | 0.272 |
エタノール | 46.1 | 513.9 | 240.8 | 6.14 | 60.6 | 0.276 |
参考文献:wikipedia,超臨界流体
参考文献:福里隆一・後藤元信,実用超臨界流体技術,分離技術会5(2012)
二酸化炭素の場合、通常は気体として存在しますが、固体状態はドライアイスとして、液体状態では液化炭酸ガスとして利用されています。
二酸化炭素の臨界温度および臨界圧力はそれぞれ、31.0℃および7.28 MPaであり、これを超えた温度、圧力領域にある二酸化炭素を、一般に超臨界二酸化炭素と呼んでいます。
この様な特性から、分離・抽出や微粒子化などの溶媒として様々な分野で幅広く活用されています。
超臨界二酸化炭素の利用、超臨界水の利用、共に工業化レベルに達しているものは多くあります。その中でも超臨界二酸化炭素を利用した抽出については、歴史もあり、すでに製品として市場から良好な評価を得ています。
当社はこの抽出技術に着目し、特に、これまでより高圧での抽出を行うことにより、従来にない製品、並びにコスト・品質面で従来以上に優れた製品を提供し、超臨界技術利用製品をさらに普及させることを目標としています。
超臨界二酸化炭素を活用した抽出技術は1970年頃より、食品分野においてコーヒー豆からのカフェイン抽出、ホップエキス、フレーバーなどの抽出を対象に工業利用されてきました。最近では、機能性食品素材を対象とした安全・安心な抽出溶媒としての期待が高まっていますが、その他にも様々な分野で適用され、使用される超臨界流体技術も多様化しています。
超臨界二酸化炭素抽出分離は、超臨界二酸化炭素を溶媒として使用し、固体、あるいは液体から目的物質(成分)を分離する抽出分離法であり、最近では天然志向、脱有機溶媒プロセス、環境負荷低減プロセスの観点から注目されています。
適当な大きさに調整した試料を抽出容器に充填し、必要圧に昇圧したCO2を所定速度で容器内に流通させ、次いで減圧して抽出物を回収します。
超臨界流体(特に高圧流体)により抽出した液体等多成分系液体を抽出塔上部から供給し、超臨界二酸化炭素を抽出塔下部から供給し、これらを向流接触させることで、溶解度の違いにより目的成分を分離抽出します。
本例は、米糠から高圧抽出した液体を分離する際の事例を示しています。
従来の有機溶媒等による抽出法に対して、超臨界二酸化炭素抽出は煩雑な溶媒除去操作が不要であり、製品歩留の低下や製品品質劣化等を回避できる可能性があります。また近年製品への残留溶媒が課題となっており、脱有機溶媒への取り組みとしても可能性が期待されています。安全、安心な溶媒としてこれまでは食品や医薬品分野を中心に工業的利用がなされていましたが、超臨界二酸化炭素のメリットを生かし、化学分野や香粧品分野など様々な分野での活用が期待されます。
安全・安心で環境負荷の少ない操作が可能に!!
天然物に含まれる機能性素材は、疎水性物質、親水性物質が混在しており、これらを抽出するには適切な溶媒選定が必要です。従来の抽出技術では、疎水性物質の抽出および親水性物質の抽出それぞれに、残留溶媒の処理、工程の煩雑さなどの問題を抱えています。グリーン溶媒として超臨界流体を用いる抽出技術では、疎水性物質である、テルペノイドやトリグリセリド(油脂)が超臨界二酸化炭素によって抽出されます。また、エントレーナー(共溶媒)を使用し、やや極性を有するフラボノイドやアルカロイドなどの抽出を行います。タンパク質などの親水性物質は、高温高圧水ないしは亜臨界水によって処理します。
まずはお気軽にお問い合わせください。超臨界技術に関する基本的な相談にも丁寧にお答えいたします。
ご相談・お見積りは無料ですので
お気軽にお問い合わせください。