Công nghệ chiết xuất mới

Chiết xuất

Chiết xuất là phương pháp sử dụng dung môi tách lấy chất tan ra khỏi nguyên liệu. Theo mục đích sử dụng và điều kiện trang thiết bị nhà sản xuất sẽ lựa chọn kỹ thuật chiết thích hợp. Tuy nhiên cần phải chiết được nhiều nhất hoạt chất và ít nhất tạp chất. Ngoài các kỹ thuật chiết ngấm kiệt hay ngâm lạnh, các kỹ thuật chiết siêu âm, vi sóng, chiết với dung môi lỏng siêu tới hạn, chiết suất áp suất cao đã được phát triển trong những năm gần đây nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của sản phẩm.

Phương pháp ứng dụng carbon dioxid siêu tới hạn trong chiết suất (supercritical carbon dioxide extraction) và hỗ trợ thêm công nghệ sử dụng siêu âm (combing supercritical carbon dioxide extraction with ultrasound enhanced extraction method)

Chất khí trở thành siêu tới hạn khi gia nhiệt ở trên nhiệt độ tới hạn là mức nhiệt độ bằng hoặc cao hơn khi chất khí không thể hoá lỏng và bị nén ở áp suất cao. Carbon dioxid đạt trạng thái siêu tới hạn ở nhiệt độ 31,1 ºC và áp suất 73,8 bar. Ở trạng thái này, carbon dioxid có tính chất rất linh động của cả chất khí lẫn chất lỏng.

Các nhà khoa học Vương quốc Anh đã nghiên cứu hiện tượng siêu tới hạn từ cuối thế kỷ 19 (Hannay, J.B. Hogarth, J. Proc. R. Soc. London 1879), nhưng các ứng dụng trong công nghiệp (dùng làm dung môi chiết suất) chỉ mới áp dụng trên thực tế từ những năm đầu 1980. Hiện tại có ở nước ta trong ngành dược có công ty đã đưa giây chuyển chiết xuất theo công nghệ carbon dioxid siêu tới hạn vào hoạt động (chiết các sản phẩm có hoạt tính sinh học giá trị cao tại từ nguồn nguyên liệu trong nước như tinh dầu trầm hương, hương hoa sen, hoa đại, hoa nhài, piperin từ hạt tiêu, lycopen, beta-caroten từ gấc).

Trong các giây chuyền chiết suất này, carbon dioxid siêu tới hạn thay thế hoặc đã thay thế một phần các dung môi truyền thống (dung môi hữu cơ, dung môi phân cực và dung môi bán phân cực) để tách chiết hoạt chất từ các sản phẩm thiên nhiên.

Trong công nghiệp dược phẩm và các ngành công nghiệp sử dụng các hợp chất tự nhiên như thực phẩm, mỹ phẩm, công nghệ sinh học để tách các hợp chất tự nhiên như tinh dầu, dầu, chất màu… chủ yếu dựa trên kỹ thuật tách chiết thông thường đã có từ nhiều thế kỷ. Để tách chiết các hợp chất hữu cơ, người ta thường sử dụng dung môi hữu cơ. Phương pháp này có nhiều nhược điểm như thời gian kéo dài, tốn nhiều dung môi, độc hại, phải có quá trình xử lý sau tách chiết. Phương pháp chiết suất sử dụng carbon dioxid ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical carbon dioxide extraction) là công nghệ được sử dụng nhiều trong công nghệ dược phẩm bởi công nghệ này khắc phục được các nhược điểm của phương pháp chiết suất bằng dung môi hữu cơ.

Mỗi một chất, trong một điều kiện nhất định, đều tồn tại ở một trạng thái nào đó trong ba trạng thái rắn, lỏng, khí. Khi nén một chất khí tới áp suất đủ lớn, chất khí đó sẽ hoá lỏng. Tuy nhiên tại một giá trị áp suất nhất định nếu tăng nhiệt độ, chất lỏng không chuyển về trạng thái khí mà rơi vào một trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Trạng thái này đạt được khi nhiệt độ và áp suất của chất đó tăng đến giá trị tới hạn. Ở trạng thái này, không có sự phân biệt giữa trạng thái lỏng và khí. Chất đó không bị chuyển sang trạng thái lỏng khi tăng áp suất và không bị chuyển sang trạng thái khí khi tăng nhiệt độ. Đối với khí carbon dioxid, trạng thái siêu tới hạn đạt được ở nhiệt độ 31ºC và áp suất 73,8 bar.

Carbon dioxid ở trạng thái siêu tới hạn, các tính chất hoá lý của dung môi thay đổi; hệ số thẩm thấu của dung môi cao, độ nhớt và sức căng bề mặt giảm do đó hiệu suất chiết suất cao hơn ở trạng thái lỏng. Ngoài ra phương pháp này còn có một số ưu điểm như sản phẩm có chất lượng cao nên phù hợp để tách chiết tinh dầu, các hợp chất tự nhiên phục vụ công nghiệp dược phẩm; không tồn dư dung môi trong sản phẩm, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn với các hợp chất tự nhiên nhạy cảm với nhiệt độ cao. Tuy nhiên cũng cần nói áp dụng phương pháp này giá thành sản phẩm sẽ cao hơn các phương pháp chiết suất truyền thống khác do chi phí vận hành cao và khấu hao tài sản lớn. Hơn nữa cũng cần phải thực hiện nhiều khảo sát để tìm các thông số tối ưu áp suất, thời gian, nhiệt độ, khối lượng nguyên liệu, dung môi hỗ trợ và tỷ lệ dung môi hỗ trợ.

Công nghệ chiết suất sử dụng carbon dioxid ở trạng thái siêu tới hạn đã ứng dụng nhiều trong công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm. Các hợp chất tự nhiên như tinh dầu, chất màu, chất thơm là những chất nhạy cảm với các tác nhân vật lý như nhiệt độ, ánh sáng và đòi hỏi mức độ tinh sạch cao trong quá trình sản xuất. Trong trường hợp này, công nghệ sử dụng carbon dioxid ở trạng thái siêu tới hạn là một lựa chọn tối ưu.

Phương pháp áp dụng siêu âm hỗ trợ tăng cường hiệu quả phương pháp chiết suất sử dụng carbon dioxid siêu tớiApplication to Support Ultrasonic enhancement of the supercritical extraction

Siêu âm áp dụng chiết suất dược liệu thường có tần số từ 20 kHz đến 40 kHz sóng siêu âm ở tần số này không gây phân hủy các chất có hoạt tính cả chiết nguội và chiết nóng; siêu âm có tác dụng tạo bọt, tăng cường sự xáo trộn dược liệu, làm tăng bề mặt tiếp xúc; siêu âm có tác dụng làm tăng nhiệt độ…

Sóng siêu âm: Sóng siêu âm sử dụng trong chiết suất dược liệu có ba tác động sau: Rung (vibration): Chuyển động sóng siêu âm tạo ra rất nhanh, tác động lên các mô, giống như được rung hoặc lắc nhẹ. Tất cả các tác động khác của sóng (nhiệt và tạo bong bóng) đều dựa trên tác động rung.

Nhiệt (heat): Sóng siêu âm làm các phân tử chuyển động nhanh lên do đó sinh ra nhiệt. Sóng siêu âm có thể tạo nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương. Đôi khi sóng siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng hóa học lên gần tới triệu lần.

Sự tạo và vỡ bọt (cavitation): Trong môi trường dung môi chiết suất dưới tác dụng của sóng siêu âm tạo ra một năng lượng lớn, do năng lượng này gây nên một hiện tượng vật lý là tạo và vỡ bọt, quá trình này vừa bị biến đổi nhanh, vừa biến đổi chậm, khi bị kéo thì dãn ra, tạo ra không ít bọt nhỏ li ti trong lòng dịch chiết. Bọt li ti này nhanh chóng bị tan rã, đồng thời tạo ra sóng xung kích rất mạnh. Hiện tượng này trong vật lý học gọi là hiện tượng không hóa. Vì tần số của sóng siêu âm rất cao, bọt nhỏ li ti này nhanh chóng sinh ra và mất đi, mất đi và sinh ra. Sóng xung kích sinh ra không giống nhau phụ thuộc vào môi trường. Môi trường lỏng tạo ra một chu trình dãn nở, gây ra áp suất chân không (negative pressure). Thông thường quá trình tạo-vỡ bọt bắt nguồn từ quá trình tạo mầm, phát sinh từ những bọt khí rất nhỏ phân tán lơ lửng tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra. Hầu hết các chất lỏng đều có thể tạo ra các khoảng trống đặc biệt trong nguyên liệu chiết đều có những mầm tạo bọt này. Những bọt khí nhỏ dưới tác động siêu âm sẽ hấp thu dần năng lượng và sẽ lớn dần. Phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ siêu âm. Ở cường độ siêu âm cao, bọt này sẽ phát triển nhanh qua tương tác quán tính. Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí sẽ giãn ra ở nữa chu kỳ đầu và nữa chu kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Sự nén khí sinh ra nhiệt. Nén khí cũng xẩy ra khi các bọt bị vỡ bên trong chất lỏng sinh ra áp lực, quá trình này sinh ra một lượng nhiệt. Tuy nhiên trong môi trường xung quanh là chất lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng kết thúc, nên quá trình này tồn rất ngắn.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình và hiệu quả chiết suất bằng sóng siêu âm. Các yếu tố bao gồm các thông số liên quan như: tần số sóng âm, cường độ âm, mật độ năng lượng âm; nguyên liệu chiết: cấu trúc, mức phá vỡ, loại và số lượng các chất cần chiết suất; đặc tính vật lý dung môi, cũng như tác động của con người vào các yếu tố: thời gian, nhiệt độ, áp suất. Siêu âm có biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng ở cường độ mạnh hơn. Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến hiện tượng sủi bong bóng. Trong môi trường có độ nhớt cao, sự lan truyền của các phần tử trong trường siêu âm bị cản trở và do đó làm giảm mức độ sủi bong bóng. Trong trường hợp này, siêu âm có tần số thấp hơn và năng lượng cao hơn có khả năng xuyên thấu vào nguyên liệu chiết tốt hơn là siêu âm có tần số cao hơn.

Áp dụng phương pháp này rút ngắn được quá trình chiết và chi phí đầu tư không cao, thích hợp với nhiều dược liệu.

Nguyễn Quang Việt