specialisti nella produzione di impianti per fluidi supercritici.

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Ciclo di frazionamentoPer estrazione si intende la separazione di uno o più componenti (da una miscela) con l’impiego di un solvente (SFC) immiscibile o parzialmente miscibile, sfruttando un favorevole coefficiente di ripartizione del soluto. Il coefficiente di ripartizione è dato dal rapporto tra la concentrazione all’equilibrio del soluto nel SCF e la concentrazione all’equilibrio del soluto nella matrice di partenza

L’estrazione è un processo conveniente solo se il componente da separare presenta contemporaneamente:

  • un favorevole coefficiente di ripartizione (e quindi se è molto solubile in SFC);
  • un favorevole fattore di separazione (se valutato in rapporto ad eventuali coestraibili presenti nella miscela).

Negli altri casi per poter ottenere un buon grado di separazione, è necessario ricorrere al frazionamento, modificando la configurazione della colonna cromatografia (vedi fig.): come si può osservare la colonna è stata divisa in sezione di rettifica (porzione della colonna sovrastante della sezione di alimentazione) e in una sezione di esaurimento (porzione della colonna sottostante alla sezione di alimentazione). Il frazionamento può avvenire secondo due modalità differenti: per gradiente di temperatura e per riflusso degli estratti. La scelta di uno dei due metodi è generalmente condizionata dalla progettazione dell’impianto. Se la colonna è dotata di un sistema di riscaldamento differenziato lungo l’altezza, conviene realizzare il frazionamento per gradiente di temperatura con la torre riscaldata a diverse temperature, generalmente crescenti con l’altezza. La solubilità dei diversi composti in CO2-SC diminuisce, nella maggior parte dei casi, con l’aumentare della temperatura. Nella sezione di esaurimento dove la temperatura è inferiore si avrà quindi una solubilizzazione grossolana ma efficace dei composti da frazionare. Nella sezione di rettifica, invece, la temperatura viene impostata in modo tale da diminuire drasticamente la solubilità di uno o due composti. Questo verrà rilasciato dalla CO2-SC e andrà incontro ad un riflusso interno, mentre il composto più solubile andrà sempre più concentrandosi nell’estratto.

Schema della colonna di frazionamentoQuesto tipo di frazionamento permette dunque di modulare il fattore di selettività (entro determinati limiti) modificando la temperatura della sezione di rettifica rispetto alla sezione di esaurimento. E’ indispensabile conoscere tuttavia a priori la solubilità  dei composti da frazionare in CO2-SC in funzione della temperatura. Il frazionamento per riflusso degli estratti avviene a temperatura costante, ma necessita dell’inserimento di una seconda pompa per liquidi a monte del separatore, per rinviare parte degli estratti verso la testa della colonna. In questo modo, dunque, anche se il fattore di separazione non è molto favorevole, otteniamo ugualmente il frazionamento poiché continuiamo ad alimentare una miscela sempre più ricca nel componente desiderato. Regolando la frazione di estratti da riciclare e il numero di ricicli da realizzare, è possibile ottenere un estratto totale che abbia la composizione desiderata.

Nel caso in cui il fattore di separazione è tale da non permettere di condurre la separazione in modalità di estrazione o, invece, sono richiesti estratti più ricchi di quanto non lo consentirebbe l’equilibrio delle fasi con l’alimentato, si deve ricorrere al frazionamento per riflusso.

Nel caso della SFF (supercritical fluid fractionation) la fase estraente è costituita da SC CO2 eventualmente addizionata con un cosolvente.

 
 
 
 
Principi di frazionamento di miscele etilesteri in colonna

Supponiamo, per semplicità, che le miscele di esteri etilici in questione siano composte da 2 pseudo-componenti, cioè da gruppi di molecole con comportamento simile:

  • esteri etilici “leggeri”, formati cioè da acidi grassi aventi 14-18 atomi atomi di C.
  • esteri etilici “pesanti”, formati cioè da acidi grassi aventi 20-22 atomi atomi di C.

Poiché il primo gruppo di composti è più solubile in anidride carbonica allo stato supercritico,ne consegue che aumentare la concentrazione di una miscela di etilesteri “pesanti”, significa allontanare il più efficacemente possibile gli etilesteri leggeri presenti. Tale allontanamento può essere convenientemente condotto con l’impiego di torri di riempimento in cui una fase solvente ed una fase liquida ( miscela di etiesteri) vengono in intimo contatto contro corrente. La torre a riempimento è l’apparecchiatura che solitamente viene impiegata per il frazionamento di miscele liquide con l’impiego di solventi allo stato gassoso o liquido. Il suo nome torre ( o colonna) deriva dal fatto che essa si presenta come un recipiente di elevato rapporto altezza/diametro. In genere il frazionamento è condotto alimentando in continuo e in controcorrente la miscela da separare e il solvente di estrazione. Per massimizzare il contatto intimo tra le fasi e favorirne lo scambio di massa, all’interno della torre è posto il riempimento costituito da elementi di opportune dimensioni e/o geometria (riempimento non strutturato) o da strutture reticolate precostruite (riempimento strutturato). Quando la torre di riempimento è a regime, la miscela liquida da frazionare, alimentata alla sommità della torre, scende per gravità lungo il riempimento cedendo al solvente di estrazione, che, più leggero, percorre la torre in senso inverso, i componenti più solubili. Dal basso della torre si preleva quindi in continuo la frazione liquida esausta (raffinato), dall’alto quella estratta (estratto), composta cioè dal solvente e dai prodotti solubilizzati. In altre parole, nel caso della miscele di esteri etilici la frazione più “leggera” della miscela alimentata verrà raccolta come “estratto” dalla sommità della colonna (essendo più solubile nella fase supercritica), mentre la frazione più pesante (meno solubile) verrà raccolta nel fondo come “raffinato”, in quanto si concentrerà nella fase liquida residua per effetto dell’allontanamento della frazione leggera. Va pertanto considerato che, tanto più i composti da separare saranno simili , tanto minore sarà la capacità produttiva dell’impianto( espressa in kg frazionato/sezione colonna) e tanto maggiore sarà l’altezza della torre necessaria per la separazione richiesta.

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