Fraccionamiento de fluidos supercríticos
Por Fraccionamiento se entiende la separación de uno o más componentes (de una mezcla) con el empleo de un solvente miscible o inmiscible, gracias a un favorable coeficiente de reparto del soluto. El coeficiente de reparto viene dado por la relación entre la concentración de soluto en el SCF en el equilibrio y la concentración del soluto en la matriz de partida en el equilibrio. La extracción es un proceso conveniente solo si el componente a extraer muestra simultáneamente:
- Un coeficiente de reparto favorable (lo que significa una alta solubilidad en el SCF);
- Un factor de separación favorable (si se evalúa en relación con los posibles compuestos que se extraen de la mezcla junto con el compuesto de interés).
Si la columna está equipada con un sistema de calentamiento diferenciado a lo largo de la altura de la columna, es conveniente realizar el fraccionamiento del gradiente de temperatura con la torre calentada a diferentes temperaturas, generalmente crecientes a lo largo de la altura. La solubilidad de los diferentes compuestos en SC-CO2 disminuye, la mayoría de las veces, con el aumento de la temperatura. En la sección de agotamiento, donde la temperatura es más baja, se producirá una solubilización aproximada pero eficiente de los compuestos a fraccionar. En cambio, en la sección de rectificación, la temperatura se ajusta adecuadamente para provocar una disminución drástica de la solubilidad de uno de los dos compuestos. Este será liberado por el SC-CO2 y sufrirá un reflujo interno, mientras que el compuesto más soluble se irá concentrando en el extracto.
En los demás casos, para obtener un nivel de separación satisfactorio, es necesario recurrir al proceso de fraccionamiento, modificando la configuración de la Columna Cromatográfica (ver figura): la columna se divide en una Sección de Rectificación (la parte de la columna por encima de la sección de alimentación) y una sección de agotamiento (la parte debajo de la sección de alimentación). El fraccionamiento puede ocurrir de dos formas diferentes: por gradiente de temperatura y por reflujo del extracto. La elección de uno de los dos métodos generalmente está condicionada por el diseño de la planta.
De todos modos, es necesario conocer de antemano la solubilidad de los compuestos a separar en SC-CO2 en relación con la temperatura. El fraccionamiento a reflujo de los extractos ocurre a temperatura constante, pero necesita la inserción de una segunda bomba para los líquidos antes del separador, para recircular parte de los extractos hacia la cabeza de columna. De esta forma, por tanto, aunque el factor de separación no sea muy favorable, es posible obtener el fraccionamiento, ya que la mezcla alimentada es cada vez más rica en el componente deseado. Regulando la fracción de extractos a reciclar y el número de reciclados a aplicar, es posible obtener un extracto total con la composición deseada. En el caso de que el factor de separación sea tal que prohíba la separación con modo extracción o, en cambio, Se solicitan extractos más ricos que el posible límite alcanzable, es necesario aplicar fraccionamiento por reflujo. En el caso de SFF la fase de extracción está constituida por SC-CO2, al que se le puede añadir un codisolvente.
Principios de fraccionamiento de ésteres etílicos en columna.
Supongamos, por simplicidad, que las mezclas de ésteres etílicos están compuestas por dos pseudocomponentes, es decir grupos de moléculas con comportamiento similar:
ésteres etílicos ligeros, que son ácidos grasos de 14-18 C;
Ésteres etílicos pesados, siendo ácidos grasos 20-22 C.
Dado que el primer grupo de compuestos es más soluble en SC-CO2, se deriva que un aumento en la concentración de una mezcla de ésteres etílicos pesados significa eliminar de la manera más eficiente los ésteres etílicos ligeros. Dicha eliminación se puede realizar convenientemente utilizando torres de llenado, en el que una fase disolvente y una fase líquida (mezcla de ésteres etílicos) entran en contacto a contracorriente. La torre de llenado es el equipo habitualmente utilizado para el fraccionamiento de mezclas líquidas con solventes líquidos o gaseosos. El nombre de torre (o columna) proviene del hecho de que parece un recipiente de gran relación altura-diámetro. En general el fraccionamiento se realiza alimentando continuamente ya contracorriente la mezcla a separar y el solvente de extracción. Para maximizar el contacto entre las fases y el intercambio de masa, en el interior de la torre se encuentra el relleno, formado por elementos de tamaño y/o forma adecuados (relleno no estructurado). Cuando la torre de llenado está en régimen, la mezcla líquida a fraccionar, alimentada por la parte superior de la torre, se mueve hacia abajo a lo largo del relleno entregando los compuestos más solubles al solvente de extracción, que es más liviano y se mueve a lo largo de la torre en dirección opuesta. La fracción agotada (refinada) se recoge por el fondo de la torre, y el extracto (compuesto por el disolvente y los productos solubilizados) se recoge por la parte superior. Es decir, en el caso de mezclas de ésteres etílicos, la fracción más ligera de la mezcla se recogerá como extracto en la parte superior de la columna (siendo más soluble en la fase supercrítica), mientras que la fracción más pesada (menos soluble) se recogerá del fondo como refinado, ya que se concentrará en la fase líquida residual por efecto de la eliminación de la fracción ligera. Por lo tanto se debe considerar que cuanto mayor sea la similitud entre los compuestos a separar, menor será la capacidad productiva de la planta (expresada en Kg fraccionamiento/sección columna), y mayor será la altura de la torre necesaria para la separación solicitada.
