Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Сверхкритические флюидные технологии (СКФТ) – комплекс технологий, в основном химических, в которых для решения различных задач в качестве растворителя либо реагента используются сверхкритические флюиды (СКФ) – вещества, находящиеся при температуре и давлении выше критических. В этой области исчезает разница между жидкостью и газом, и вещество обладает отчасти жидкоподобными, и отчасти газоподобными свойствами, что делает СКФ привлекательной средой для осуществления процессов, связанных с массопереносом. Применительно к процессам разделения смесей веществ главное преимущество использования СКФ (прежде всего сверхкритического диоксида углерода, СК-СО2) заключается в автоматическом испарении растворителя по окончании процесса. Поскольку СО2 при нормальных условиях – газ, то его удаление из среды происходит самопроизвольно при сбросе давления, и тем самым исчезает необходимость в очистке продукта от растворителя. Другие преимущества разделительных СКФТ – возможность настройки растворяющей способности СКФ путём манипуляций его давлением и температурой, более высокая скорость процессов массообмена по сравнению с жидкими растворителями, отсутствие межфазного натяжения. Настоящий проект направлен на разработку подходов к управлению селективностью в различных технологиях разделения смесей веществ с использованием СКФ. Двумя главными исследуемыми технологиями в рамках проекта являются экстракция и антисольвентное осаждение. На первом году выполнения проекта основными направлениями нашей работы была демонстрация работоспособности обоих сепарационных методов, а также разработка вспомогательных техник, позволяющих измерять различные физико-химические характеристики, необходимые для оптимизации методик разделения. Для управления селективностью в сверхкритической экстракции нами был предложен метод онлайн-совмещения сверхкритической флюидной экстракции с избирательной сорбцией из сверхкритического раствора (СФЭИС). Такое сочетание позволяет повысить селективность экстракции за счёт избирательной адсорбции, например, нежелательных компонентов экстракта. Помимо давления и температуры флюида основным фактором управления селективностью в методе СФЭИС является тип сорбента. Подбор селективного сорбента под конкретный объект – весьма нетривиальная задача, которую невыгодно решать простым перебором множества сорбентов. В проекте разрабатываются два базовых подхода к направленному подбору сорбентов для СФЭИС. Первый заключается в характеризации большого числа стандартных сорбентов тем или иным набором физико-химических характеристик, которые могут количественно описывать склонность сорбента к тем или иным взаимодействиям с сорбатами. Впоследствии при возникновении конкретной задачи проводится характеризация состава сырья и на её основании выбирается сорбент, который способен обеспечить оптимальное взаимодействие с данным материалом, т.е. сильную, но обратимую сорбцию нежелательных компонентов и умеренную сорбцию тех компонентов, которые должны попасть в конечный экстракт. В рамках развития этого подхода в отчётном году был разработан способ характеризации сорбентов в СФЭИС-опытах с использованием дескрипторов Абрахама в качестве характеристик сорбентов. Была смонтирована аналитическая СФЭИС-установка для реализации этого способа. Суть способа заключается в проведении СФЭИС с модельной смесью веществ в качестве сырья для экстракции и выбранным сорбентом при различных параметрах СКФ с количественным улавливанием экстракта и последующим хроматографическим анализом его состава. Непосредственно измеряемыми величинами в опыте являются концентрации модельных веществ в экстракте, из которых вычисляется доля каждого компонента смеси, оставшаяся на сорбенте. Полученные величины расписываются как линейная комбинация произведений молекулярных дескрипторов Абрахама на соответствующие весовые коэффициенты. Методом мультилинейного регрессионного анализа вычисляются значения весовых коэффициентов для данной пары сорбент – флюид, которые и являются характеристическими величинами, позволяющими судить о склонности сорбента к тем или иным взаимодействиям. С использованием этого метода был охарактеризован ряд распространённых сорбентов (силикагель, сверхсшитый полистирол, терморасширенный графит, гексадецилсиликагель, монтмориллонит) в среде чистого СК-СО2. Второй подход к обеспечению селективности сорбции в СФЭИС заключается в направленном синтезе сорбентов, обладающих заданной селективностью по отношению к нужным компонентам исследуемой смеси. В рамках этого подхода был предложен и опробован способ синтеза сорбентов, основанный на молекулярном импринтинге неорганических полимеров, силикагелей. Способ был испытан на примере кофеина как темплата и трёх разных прекурсоров силикагеля (тетраэтоксисилан, метилтриметоксисилан, аминопропилтриметоксисилан). Были синтезированы импринтированные и неимпринтированные гели, из которых методом сверхкритической сушки были получены аэрогели. Сформированные таким образом сорбенты были испытаны в СФЭИС для получения декофеинизированного масла кофе. Наибольшую селективность по кофеину показал аэрогель на основе метилтриметоксисилана. Было показано, что ключевую роль в селективности импринтированных гелей играет способ обработки после гелирования. Так, проточные способы удаления растворителя могут приводить к потере эффекта импринтинга. В связи с этим приобретает актуальность вопрос о целесообразности использования аэрогелей в СФЭИС в противовес ксерогелям. Метод СФЭИС был успешно испытан на нескольких модельных задачах селективного выделения компонентов из растительного сырья. Так, был разработан способ получения экстрактов эфирномасличных культур, свободных от балластных восковых компонентов, с использованием гексадецилсилильного сорбента. Методом СФЭ без сорбции такой результат недостижим ни при каких параметрах состояния флюида. Получены многообещающие результаты по извлечению декофеинизированного масла кофе с помощью силикагелевых сорбентов. На примере экстракции зелёного чая обнаружено, что метод СФЭИС позволяет получать экстракты растительного сырья, очищенные от хлорофиллов. В методе сверхкритического антисольвентного (Supecritical Anti-Solvent, SAS) осаждения роль СКФ противоположна таковой в экстракции. Если в экстракции СКФ – это растворитель, извлекающий вещества из матрицы, то в SAS СКФ – антирастворитель, т.е. осадитель, смешение которого с жидким раствором приводит к осаждению из него целевых веществ. Поток заранее приготовленного раствора целевых веществ в подходящем органическом растворителе смешивается с потоком сверхкритического антирастворителя. СКФ понижает растворяющую способность органического растворителя, и вещества выпадают из раствора в осадок. Селективный вариант SAS – это избирательное осаждение, при котором параметры процесса подбираются таким образом, чтобы из раствора высаживались не все компоненты, а только целевые. Ключевая характеристика, знание которой необходимо для разработки методик такого сепарационного процесса – растворимость веществ в бинарном (двухкомпонентном) сверхкритическом флюиде. Задача измерения растворимости веществ в СКФ, в особенности многокомпонентных, сама по себе достаточно нетривиальна; традиционные для жидких растворов методы, связанные с отбором проб, в СКФ-средах весьма сложны в осуществлении. В отчётный период мы предложили и испытали новый способ измерения растворимости в бинарных флюидах, основанный на совмещении сверхкритического антисольвентного осаждения и сверхкритической флюидной хроматографии (SAS-СФХ). В методе SAS после смешения потоков исходного раствора и СКФ-антирастворителя часть целевого вещества выпадает в осадок, а остающаяся в растворе доля точно соответствует растворимости этого вещества в образующемся бинарном флюиде состава СО2+органический растворитель. В предложенном методе аликвота этого выходного потока SAS направляется в СФХ и вводится в качестве хроматографической пробы. В хроматографе заранее устанавливаются предварительно отработанные условия, подходящие для определения концентрации целевого вещества в аликвоте по площади его хроматографического пика. Была смонтирована установка для реализации такого метода измерения растворимости. Испытания метода были проведены для трёх дикарбоновых кислот как модельных объектов – янтарной, малоновой и щавелевой кислот – и серии органических растворителей. С опорой на измеренные значения растворимости был сделан дизайн пробных опытов по селективному SAS-осаждению одной из дикарбоновых кислот и растворов из смесей. Было найдено, что полученные данные о растворимости хорошо коррелируют с результатами селективного осаждения: при работе со смесями двух кислот с равными мольными концентрациями, одна из которых выше растворимости для данной кислоты в условиях SAS, а вторая – ниже, происходит осаждение только первой кислоты. Помимо собственно исследовательской работы в отчётный период проделан большой объём работы по техническому совершенствованию СКФ-оборудования. Так, был разработан новый тип циклонного сепаратора малого объёма для сверхкритической экстракции, который позволяет существенно повысить эффективность улавливания и извлечения экстрактов. Была смонтирована и протестирована специальная форсунка для распыления вязких жидкостей в SAS, позволяющая работать с такими объектами, как тяжёлые масла или концентрированные растворы полимеров.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Второй год выполнения проекта был в основном посвящён разработке технического и методологического инструментария для проведения исследований по намеченным темам. Основными направлениями проекта по-прежнему оставались разработка подходов к управлению селективностью выделения нужных веществ из смесей природного либо синтетического происхождения с применением двух методов, в которых в качестве рабочей среды используется сверхкритический диоксид углерода (СК-СО2) – экстракции и антисольвентного осаждения. После демонстрации принципиальной работоспособности предлагаемых подходов к повышению селективности, произведённой на первом году проекта, возникла необходимость выработать инструментарий, позволяющий проводить изучение методов с точностью, достаточной для прогнозирования результатов. В части управления селективностью в сверхкритической флюидной экстракции (СФЭ) было показано, что стандартные циклонные сепараторы для лабораторной СФЭ не обеспечивают эффективного улавливания экстрактов. Был разработан и изготовлен новый сборник фракций для лабораторной СФЭ, состоящий из циклонного сепаратора малого объёма и термостатируемого обратного клапана. Этот модуль позволил получать воспроизводимые результаты и кратно увеличить эффективность улавливания экстрактов в СФЭ. С его использованием был построен ряд кинетических кривых экстракции модельных растительных объектов: зёрен кофе, листьев лавра. Было показано, что чисто кинетические параметры не позволяют фракционировать экстракты использованного сырья, и для получения фракций, свободных от балластных компонентов, необходимы дополнительные технологии. Был протестирован расширенный по сравнению с прошлым годом ряд сорбентов для отделения восков от терпенов при экстракции эфиромасличного сырья в методе СФЭ с избирательной сорбцией (СФЭИС). Несколько неожиданным выводом стал тот факт, что в данном методе практически всегда осуществляется режим не избирательной сорбции, а хроматографии. Адсорбируемые компоненты не пребывают на сорбенте неподвижно, а элюируются вдоль него с потоком СК-СО2, разделяясь на фракции в результате множественных актов сорбции-десорбции. Это коренным образом поменяло наши представления о подходах, которые необходимо использовать для оптимизации селективности разделений. В дальнейшей работе планируется сфокусировать основные усилия именно на этой направлении и реализовать онлайн-совмещение СФЭ и сверхкритической флюидной хроматографии (СФХ) с отбором нужных фракций в нужный момент времени. Также была разработана, смонтирована и опробована установка для измерения концентраций веществ в растворах в СК-СО2, представляющая собой онлайн-сочленение сверхкритического автоклава и СФХ. Эта установка позволяет в онлайн-режиме измерять растворимость веществ в СК-СО2, осуществлять мониторинг кинетики растворения, экстракции, адсорбции веществ из сверхкритического раствора. С помощью данного устройства было проведено исследование влияния способа сушки пористого геля на сорбционную ёмкость получаемого сорбента. Крайне неожиданным результатом этого исследования оказалась малая сорбционная ёмкость аэрогелей, полученных сверхкритической сушкой, по кофеину из СК-раствора и высокая ёмкость ксерогелей, полученных сушкой на воздухе. Данный результат нуждается в верификации на большем количестве объектов и типов гелей. В части антисольвентного осаждения была успешно проведена верификация применимости метода измерения растворимости веществ в двухкомпонентных флюидах, основанного на онлайн-совмещении сверхкритического антисольвентного осаждения и СФХ. На примере аспирина и серии смесей СО2 с органическими растворителями (метанол, этанол, ацетон) при различных давлениях было показано, что данный метод даёт результаты, близкие к имеющимся в литературе. Ввиду ряда технических сложностей, имеющих место при элюировании аммониевых солей в методе СФХ, не удалось осуществить измерение растворимости диастереомерных солей 1,2-аминоспиртов методом SAS-СФХ. В дальнейшей работе планируется сфокусировать применение этого разделительного процесса к природным объектам, для которых его применимость продемонстрирована.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На третьем году выполнения проекта акцент был сделан на практическое воплощение идей и наработок, возникших на предыдущих этапах работы. Была осуществлена трансформация исходно предлагавшегося метода сверхкритической флюидной экстракции (СФЭ) с избирательной адсорбцией в метод СФЭ, онлайн-совмещённый с препаративной сверхкритической флюидной хроматографией (СФЭ-СФХ). Для этого был решён целый комплекс технических задач: - усовершенствован сборник фракций для лабораторной СФЭ на основе циклонного сепаратора малого объёма, совмещённого с термостатируемым обратным клапаном; - разработан новый сепаратор для проведения раздельного сбора фракций в ходе экстракции и/или хроматографии; - разработан накопительный модуль для депонирования экстракта в методе СФЭ-СФХ для последующей его одномоментной подачи на хроматографическое разделение; - спроектирован модуль водяного нагрева, позволяющий вести термостатирование экстракционных, накопительного и хроматографических сосудов; - смонтирована установка для осуществления метода преп-СФЭ-СФХ. На нескольких примерах эфиромасличного сырья (лавр, розмарин) продемонстрирована высокая эффективность улавливания экстрактов с помощью усовершенствованного циклонного сепаратора, показана возможность его использования для экспрессного построения кинетических кривых экстракции. При этом обнаружен любопытный эффект влияния частоты измерений вдоль кинетической кривой на тотальный массовый выход экстракции. Апробация метода СФЭ-СФХ проведена на нескольких практически значимых задачах селективного выделения биологически активных компонентов, перспективных в качестве пищевых или фармацевтических ингредиентов – выделение сесквитерпеновых лактонов из листьев лавра, выделение токоферолов из погонов дезодорации растительных масел. Показано, что метод СФЭ-СФХ весьма успешен в задачах селективного фракционирования липофильных смесей сложного состава, в частности, для получения токоферольных концентратов из погонов дезодорации. Для решения задач, связанных с очисткой экстрактов эфиромасличного сырья от балластных нелетучих компонентов этот метод пока не столь эффективен. В качестве альтернативного способа решения таких задач предложено использовать метод СФЭ с онлайн-винтеризацией экстракта. Продемонстрирована применимость этого метода для решения задачи получения экстракта лавра, обогащённого по сесквитерпеновым лактонам и свободного от балластных компонентов. Сочетание двух этих методов управления селективностью в сверхкритической экстракции позволяет гибко подходить к решению задач такого рода. Разработаны два метода характеризации адсорбции из сверхкритических растворов. Один основан на онлайн-соединении автоклава высокого давления со сверхкритическим флюидным хроматографом и представляет собой отбор пробы сверхкритического раствора и его онлайн-анализ методом СФХ без сброса давления. Второй основан на применении хроматографических методов восстановления изотерм адсорбции из форм пиков, получаемых в сверхкритической хроматографии в условиях нелинейной адсорбции, с последующим их анализом методом распределения адсорбционной энергии. Обоими методами построены экспериментальные изотермы адсорбции модельного соединения, кофеина, на различных сорбентах, как хроматографических, так и собственного изготовления, в том числе силикагелевых ксеро- и аэрогелях, полученных, соответственно, воздушной и сверхкритической сушкой. Найдено, что гели на основе метилтриметоксисилана не обладают сорбционной способностью по отношению к кофеину, в то время как гели на основе тетраэтоксисилана хорошо сорбируют данное соединение из раствора в сверхкритическом СО2. Подтверждено наблюдение, впервые сделанное в предыдущем отчётном периоде, о большей сорбционной ёмкости ксерогелей по сравнению с аналогичными аэрогелями, что подталкивает к отказу от использования аэрогелей в качестве селективных сорбентов для избирательной адсорбции целевых компонентов из сверхкритических растворов.