Was sind „Überkritische Fluide“ (Supercritical Fluids = SCF) ?

Ein überkritisches Fluid befindet sich in einem Zustand, bei dem Druck und Temperatur größer sind als im kritischen Punkt (kritischer Druck und kritische Temperatur). Der kritische Punkt KP kennzeichnet das Ende der Phasengrenze zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. Oberhalb dieser Temperatur sind Flüssigkeit und Gas nicht mehr zu unterscheiden. Gekennzeichnet wird dieser durch eine stoffspezifische kritische Temperatur Tk und einem stoffspezifischen kritischen Druck pk. Liegen Temperatur und Druck über dem kritischen Punkt (T>Tk ; p>pk), spricht man demzufolge von einem „überkritischen Fluid“.

Was ist das Besondere an „Überkritischen Fluiden“?

Überkritische Fluide kombinieren das hohe Lösevermögen von Flüssigkeiten mit der niedrigen Viskosität ähnlich den Gasen. Die Dichten überkritscher Fluide liegen in dem Bereich von Flüssigkeitsdichten.
Diese besondere Kombination bietet für verfahrenstechnische Anwendungen viele Vorteile.

Medium Dichte
ρ [g/cm3]		 Viskosität
η [mPas]		 Selbstdiffusionskoeffizient
D11 [m2/s]
Gase 0,6*10-3 - 2*10-3 1*10-4 - 5*10-5 1*10-5 - 4*10-5
überkritische Fluide 0,2 - 1,0 1*10-4 - 5*10-5 2*10-8 - 7*10-8
Flüssigkeiten 0,6 - 1,8 1 - 50 2*10-10 - 2*10-9

Aus prozesstechnischer Sicht stellt ein überkritisches Fluid das „ideale Lösungsmittel“ dar. Der Einsatz von überkritischen Fluiden bietet somit eine gute Alternative zu den traditionell eingesetzten organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Methanol, Ethanol oder Dichlormethan. Im Gegensatz zu vielen anderen herkömmlichen Lösungsmitteln sind die meisten überkritischen Fluide nicht toxisch und lassen sich leicht und vollständig aus den gelösten Substanzen entfernen.

Vorteile von überkritischen Fluiden

  • Niedrige Viskosität bei vergleichbarer hoher Dichte
  • Gute Lösungseigenschaften und großes Massentransportvermögen
  • In der Regel nicht toxisch
  • Selektives Lösevermögen
  • Rückstandslose Entfernung aus den Produkten
  • Eine nahezu vollständige Rückgewinnung ist möglich

Da sich viele Substanzen erst bei relativ hohen Drücken in den kritischen Zustand überführen (p > pk) lassen, stehen die genannten Vorteile oftmals einem erhöhten verfahrenstechnischen und apparatetechnischen Aufwand gegenüber.

Überkritische Fluide

Die Überführung von Stoffen in den überkritischen Zustand ermöglicht die Verwendung von Substanzen, die unter herkömmlichen Umgebungsbedingungen verfahrenstechnisch bisher nicht genutzt wurden. Für viele überkritische Extraktionsanwendungen hat sich CO2 als besonders geeignet erwiesen. Die niedrige kritische Temperatur von 31°C, die kostengünstige Beschaffung und die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit von CO2 machen diese Substanz für überkritische Anwendungen besonders attraktiv.

Vorteile der überkritischen Extraktion mit CO2

  • Aufgrund der niedrigen kritischen Temperatur können auch temperaturempfindliche Stoffe behandelt werden (z.B. empfindliche Naturstoffe)
  • Niedrige Viskosität
  • Rückstandslose Entfernung des Lösungsmittels aus den Produkten
  • Einfache Rückgewinnung des Lösungsmittels möglich
  • Extrahierte Stoffe können selektiv getrennt werden
  • Leichte Handhabung, da CO2 gesundheitlich unbedenklich, nicht brennbar und umweltverträglich ist
  • Antiseptische Wirkung von CO2
  • CO2 ist nahezu unbegrenzt verfügbar und leicht zu beschaffen
  • CO2 ist im Vergleich zu vielen anderen Lösungsmitteln kostengünstig

Je nach Anwendung und erforderlichen Eigenschaften können aber auch andere überkritische Stoffe wie z.B. Distickstoffmonoxid (N2O),  Xenon (Xe) oder Propan (C3H8) zum Einsatz kommen (siehe Tabelle).
Uhde hat schon für viele überkritische Fluide Anlagen gebaut. Noch nicht verwendete Substanzen können unter Laborbedingungen untersucht und somit geeignete Verfahren entwickelt werden.

Fluid kritische Temperatur
TC [°C]		 kritischer Druck
PC [bar]		 Anmerkungen
Kohlendioxid, CO2 31,1 73,8  
Distickstoffmonoxid, N2O 36,6 74,0 instabil
Xenon, Xe 16,8 58,0 sehr teuer
Ethan, C2H6 32,4 48,8 brennbar, *
Ethylen, C2H4 9,4 50,4 brennbar; *
Propan, C3H8 36,8 42,5 brennbar; *
Wasser, H2O 374,1 220,5 hohe Temperatur, korrosiv

* Brennbare und unerwünschte Fluidrückstände in Extrakt und Raffinat