Сверхкритическая сушка: что такое, виды, преимущества, оборудование

Сверхкритическая сушка (Supercritical Drying) — это инновационный метод удаления жидкости из пористых материалов без разрушения их структуры за счет применения флюида-растворителя в сверхкритическом состоянии. Этот процесс позволяет избежать капиллярного давления, которое приводит к разрушению структуры материала при традиционной сушке. Благодаря этому сверхкритическая сушка широко применяется в производстве аэрогелей, микроструктурных материалов, а также в фармацевтике и биотехнологиях.

Что такое сверхкритическое состояние?

Сверхкритическое состояние вещества достигается при превышении критической температуры и давления. В этом состоянии:

• Исчезает граница между жидкостью и газом.
• Вещество приобретает уникальные свойства: высокую плотность как у жидкости и низкую вязкость как у газов.

Виды сверхкритической сушки: углекислым газом, спиртами

Чаще всего для сверхкритической сушки применяется углекислый газ (CO ₂), который при определенных условиях температуры и давления становится сверхкритическим (температура 31.1°C, давление 7.38 Мпа). Процесс происходит следующим образом:

1. Образец насыщается жидким CO₂ при высоком давлении.
2. Температура и давление увеличиваются до сверхкритических значений.
3. Сверхкритическая жидкость испаряется без образования границы между фазами.
4. Осушенный материал остается без деформаций и структурных изменений.

Сушка CO₂ является наиболее распространенным методом сверхкритической сушки за счет относительно низкой температуры, до которой необходимо нагреть растворитель, нетоксичности CO₂, легкости его удаления из образца, его доступности и низкой стоимости.

Для некоторых материалов, несовместимых с CO₂, а также для ряда специфических химических процессов применяется сверхкритическая сушка с использованием спиртов: метанола, этанола.

Применение сверхкритической сушки

Как уже отмечалось, за счет своих ключевых особенностей сверхкритическая сушка нашла широкое применение в различных отраслях

Производство аэрогелей – пористых материалов с чрезвычайно низкой плотностью и высокой термоизоляцией. Они применяются в теплоизоляционных системах (кремнеземные аэрогели), катализаторах и сорбентах, оптических и акустических материалах.

Фармацевтическая промышленность – сушка биологических образцов, создание пористых структур для лекарств, консервация клеточных культур, повышение биодоступности лекарственных препаратов, сохранение стабильности лекарств и повышение их долговечности, стерилизация лекарственных препаратов, флюидов, биоматериалов.

Нанотехнологии и электроника – производство катализаторов, создание пористых электродов, изготовление сенсоров, обработка микроструктурных материалов (в микроэлектронике этот метод позволяет удалять жидкие остатки из микроэлектромеханических систем (MEMS), предотвращая схлопывание капиллярных структур) и многое другое.

Пищевая промышленность – сушка термочувствительных продуктов, создание пористых пищевых структур, консервация ароматических веществ, сушка фруктов, овощей, специй. Технология позволяет сохранять в готовых продуктах все питательные вещества, вкус и аромат, и что немало важно для пищевых производств – удалять из состава вредные микроорганизмы, получая безвредные продукты.

Преимущества и ограничения сверхкритической сушки

• Сохранение нанопористой структуры и поверхностных свойств – отсутствие капиллярных сил.
• Высокое качество продукта – максимальная чистота готового продукта без примесей и загрязнений, минимальная усадка и деформация.
• Экологичность – использование нетоксичных растворителей.
• Возможность работы с термочувствительными материалами – за счет низких температур процесса сохраняется термическая стабильность, температура не наносит разрушающего эффекта веществам в составе продукта, что делает сверхкритическую сушку широко применимой в области фармацевтического производства.
• Высокая воспроизводимость процесса.

К некоторым ограничениям технологии, как правило, относят высокую стоимость оборудования, необходимость квалифицированного персонала, ограничения по размерам образцов, длительность некоторых процессов сушки. Основными перспективами развития технологии сверхкритической сушки являются разработка непрерывных процессов сушки, создание компактных установок для лабораторий, использование альтернативных сверхкритических жидкостей, интеграция с другими нанотехнологическими процессами, автоматизация и цифровизация процессов контроля.

Процесс и оборудование для сверхкритической сушки

Технология предполагает последовательное прохождение следующих этапов:

1. Подготовка исходного образца продукта. Чаще всего это очистка и измельчение.
2. Подача исходного продукта в установку сушки. Для сушки используется либо специальный экстрактор, либо установки на основе реакторов высокого давления, позволяющие нагнетать в системе высокое давление и температуру, необходимые для достижения сверхкритического состояния растворителя.
3. Подготовка и загрузка растворителя. В сушильную установку с помощью насоса подается растворитель, он заполняет пространство рабочей емкости и взаимодействует с исходным образцом.
4. Непосредственно сушка при высокой температуре и давлении. Оборудование должно позволять работать при таких условиях, поскольку это основа процесса.
5. Разгрузка емкости и извлечение готового продукта. Удаление растворителя из системы.

На каждом этапе крайне важно тщательно контролировать точность параметров: давления, температуры, времени. Для сверхкритической сушки применяют либо специализированное оборудование, например, сверхкритические экстракторы, либо собирают установки, в основе которых реакторы высокого давления. Обычно такая установка состоит из непосредственно реактора, системы термостатирования, насоса для подачи растворителя, системы контроля давления, сепаратора для сбора растворителя и блока управления.

И тот и другой вариант установок представлены в каталоге компании «Тирит». Для получения консультации, оформления заявки на поставку оборудование, уточнения технических особенностей и цены, обращайтесь к нам по телефонам +7 (495) 223-18-03, 8-800-600-18-03, пишите на email info@tirit.org или заполняйте форму заявки.