 What is a Supercritical Fluid?

SCF Technologies SCF Technologies

Kwon, Cheong Hoon

Thermodynamics and Properties Lab.

PART I PART I

 What is a Supercritical Fluid?

 Applications for Supercritical Fluid

What is a Supercritical Fluid?

What is a Supercritical Fluid?

A supercritical fluid is a substance above its critical temperature and pressure.

For pure CO

, the critical conditions ; Pressure(73atm), temperature(31.1°C)

Supercritical fluids process

Phase Diagram for Water

Phase Diagram for Water

How to Make a Supercritical Fluid?

How to Make a Supercritical Fluid?

 Water Heated in an Open Container

If liquid water is placed in an open container, its temperature cannot be raised above 100 ° C.

 Water Heated in a Sealed Container

If water is placed in a sealed container, however, then it can be heated to

temperatures above 100 ° C.

The Variation of Water Properties

Properties of SCF Properties of SCF

압력과 온도를 변화시킴으로써 물성을 원하는 상태로 조율

환경오염에 미치는 영향이 적은 용매 사용 무독성, 환경친화 성 공정

Solvation, Inhomogeneity in space,

Fluctuation in time

SC - CO ₂

Supercritical Fluids are Attractive Solvents

 High diffusivity

 Low viscosity

 Zero surface tension

 Nontoxic

 Recyclable

Applications of SCF Applications of SCF

추출, 정제 재결정 분야

섬유공학 분야

Spectroscopy

폐수처리 등 오염물 분리공정

기 타

 혼합물에서 원하는 물질만을 고순도로 분리, 정제

 Hop Flavors Extraction

 Coffee & Tea Decaffeinate

 Spices & Herb Extraction

 물의 대체용매 : CO₂의 사용, 연구

 장점 : 에너지의 절감 효과와 산업 폐기물의 감소등

 환경 친화적인 Green Solvent로 각광

 물리화학, 초 임계 CO₂에서 Supercritical Water에 사용

 Spectroscopic Technic에 응용

 고순도가 아닌 재활용 CO₂등의 저순도 CO₂ 사용 ; 매우 경제적

 초임계 건조, 초임계 유기화학반응, 초임계수에 의한 PET 분해

 초임계 세척(SC Cleaning), 초임계 팽화(SC Swelling)

Supercritical Extraction Supercritical Extraction

 유동성이 있으며 추출용매로서의 역할을 하는 초임계 유체를 추출용매 로 사용하여 물질을 추출하는 방법

 이용 : 혼합물질 분리, 향료 물질로부터 향기 성분 추출, 원료로부터 기능

성 소재의 추출 및 잔류농약 분석시 식품으로부터 농약성분 추출

Supercritical CO ₂ Extraction of Caffeine from Coffee Bean

 초임계 이산화탄소를 추출 용매로 사용

: 카페인과 같이 낮은 분자량을 갖는 비극성 물질은 용해, 커피 향과 관계 있 는 극성의 carbohydrates 또는 peptides등은 제한적으로 용해 카페인 제거

카페인 함량 : 0.7~3%

0.02% 이하로 감소

Supercritical CO ₂ Extraction Supercritical CO ₂ Extraction

 Advantages

 저렴하면서도 훌륭한 물리적 성능 (무독성, 비착화성, 낮은 초임계점)

 생산되는 폐기물의 양이 극히 적음

 원하는 물질만을 손상 없이 고순도로 얻음

 Disadvantages

 매우 큰 극성을 지닌 화합물이나 이온적 화합물에 부적합

 미량의 Co-solvent(Modifier Fluid) 첨가로 해결

PART II PART II

 SFC Tech. for Producing Nano Particles

 Commercial Application ; Inhaled Drug

SFC Tech. for Producing Nano Particles SFC Tech. for Producing Nano Particles

(1) RESS (Rapid Expansion of Supercritical Solutions)

(2) GAS (Gas Anti-Solvent)

SAS (Supercritical fluid Anti-Solvent)

ASES (Aerosol Solvent Extraction System)

SEDS (Solution Enhanced Dispersion by Supercritical Fluids) (3) PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions)

(4) RPSS (Reactive Precipitation in Supercritical Solution)

RESS RESS

나노 입자를 만들기 위한 물질을 초임계 유체에 용해

급속 팽창

가스상태의 초임계유체

아스피린의 원재료와 RESS로 만든 미세입자

RESS RESS

200㎛ 4㎛

GAS / SAS GAS / SAS

용질이 녹아있는 용매를 결정기 내에 채움

초임계 유체 주입

용매 팽창

ASES ASES

초임계 유체 내에 용액 분산

입자가 얻어지면 분사 중단

초임계 유체로 입자 세척

코점막 내장벽 피부 폐 인체 각 부위의 세포막의 모양

Commercial Application ; Inhaled Drug (Insulin)

 인슐린은 단백질이나 펩티드 같이 분자량이 크고 3차원 구조를 갖는 약물은 코점막, 내장벽, 그리고 피부로 전달하기 어렵다.

폐의 세포벽이 작아 통과 용이

Commercial Application ; Inhaled Drug (Insulin)

 임상 실험중인 약 : 인슐린, 몰핀, 골다공증 치료제 등…

 들이마시는 약물뿐만 아니라 코점막을 통한다던지 피부를 통하여 약물을 전달하는 기술이 개발되고 있다.

 인슐린을 나노 입자로 만들면…

- 인슐린을 상온에서 오랫동안 보관 가능

- 주사를 맞는 고통에서 벗어나 매우 쉽고 간편한 방법으로 치료 가능

기존의 난용성 약물 재검토

Commercial Drug (Nano particles) Commercial Drug (Nano particles)

 Tobramycin ;폐질환의 일종인 포낭 섬유가 감염된 경우

 Parathyroid Hormone ;주사로만 투여해야 하고 항체 출현 등 문 제점이 있어왔던 골다공증 환자를 위한 부갑상선 호르몬 치료제

 Leuprolide ; 전립선 암이나 자궁 내막증 치료제

 Dronabinol ; 항암 치료 후 구토증세를 완화하거나, HIV/AIDS환 자에게 식욕을 돋우는 데 사용

 C형 간염 치료제와 같은 나노 입자들 개발

Commercial Drug (Nano particles) Commercial Drug (Nano particles)

 Lysozyme, Albumin, Insulin, Trypsin의 나노 입자 SEM사진

Conclusion Conclusion

 초임계 유체기술은 화학공학 분야의 새로운 영역

 기존 공정에서의 저효율, 저품질, 저속, 환경에의 악영향 등과 같은 기술적 난제를 해결할 수 있는 기술로 주목

 초기…추출공정, 크로마토그래피, 분획 등

 최근…고분자공정, 의약품공정, 반도체공정, micro-machine제조 공정, 청정반응 공정 분야에 관심

 무한한 가능성을 가진 환경 친화적인 기술

 초임계 유체기술로 나노 입자를 제조하는 기술은 고부가가치의

정밀화학, 의약품, 식품, 반도체 산업에서 두각

References References

http://sfrl.kist.re.kr

http://www.laball.co.kr/thar/supercritical.htm

한국 과학기술 연구원 초임계 유체 연구실(http://sfrl.kist.re.kr) 그린텍21(http://www.greentek21.com/)

동우과학 자료실(http://dwlab.co.kr/data/supercritical.htm) 화학공학연구정보센터 개인연구정보

: 이윤우(한국 과학기술 연구원 책임연원)(http://infosys.korea.ac.kr/) http://www.dyenet.co.kr/DyeNews/252/염색/무수염색기술개발.htm http://infosys.korea.ac.kr/broadcast/kiche/kiche_2001s.html

http://www.scrub.lanl.gov