كاربرد فرايندهاي فوق بحراني در توليد ميكرو و نانو ذرات

          oliver 
            بازدید : 68
          شنبه 28 اسفند 1389
           نظرات (0)
        

مقدمه
امروزه استفاده از فناوري سيالات فوق بحراني جهت توليد محصول با اندازه هاي ميكرو و نانو رشد روز افزوني يافته است. با استفاده از اين روش مي توان محصولي با توزيع اندازه ذرات كنترل شده توليد نمود و همين امر موجب افزايش مطالعات در اين زمينه شده است.
روشهاي توليد صنعتي جامدات ريز در حد ميكرو و نانو با كنترل توزيع اندازه ذرات اهميت فراواني در صنايع مختلف از جمله صنايع شيميايي و دارويي دارد . بعنوان مثال مي توان به توليد موادي نظير رنگها، پليمرها، نمكها، قرصها و مواد دارويي ديگر شامل پروتئين ها بوسيله اين فناوري اشاره داشت [1،2،3،4،5،6 .]
در روشهاي قديمي استفاده از روشهاي مكانيكي جهت كاهش اندازه ذرات بيشتر مورد توجه بوده است. از جمله اين روشها آسياب كردن، خرد كردن ، تبلور مجدد ذرات مورد نظر بوسيله حلال ديگر و همچنين روشهايي نظير استفاده از خشك كردن پاششي ( Spray Drying ) مي باشد. هر كدام از روشهاي فوق الذكر داراي معايبي نظير تغيير كيفيت بعلت اثرات گرمايي و يا شيميايي، مصرف زياد حلال و همچنين مشكلات زدودن حلال همراه كريستال بخصوص در توليد قرصها و تغيير كيفيت مواد بعلت تغييرات دما مي باشد. بنابراين براي مرتفع ساختن مشكلات فوق نياز به استفاده از روشهاي نوين جهت توليد ذرات ريز در مقياس ميكرو يا نانو با توزيع اندازه ذرات كنترل شده و همچنين كيفيت كريستالهاي تشكيل شده از نظر خلوص و شكل هندسي آنها مي باشد.. فناوري استفاده از سيالات فوق بحراني تمهيدات متعددي را جهت دستيابي به اهداف ذكر شده مهيا مي سازد. يكي از سيالات رايج به منظور استفاده در فناوري سيال فوق بحراني، دي اكسيد كربن مي باشد. دي اكسيد كربن با داشتن فشار بحراني 8/73 بار و دماي بحراني 1/31 درجه سانتيگراد، داراي شرايط مناسب جهت استفاده در فرايندهاي مختلف مي باشد. بعلاوه دي اكسيد كربن، سيالي غير سمي، غير قابل احتراق و ارزان مي باشد [1،2،3،4،5،6،7،8،،9،37 .]
توليد ذرات در اندازه هاي ميكرو و نانو با استفاده از فناوري سيالات فوق بحراني
فرايند هاي فوق بحراني برحسب اهداف مختلف، داراي تنوع بسياري مي باشند ولي همگي بر پايه استفاده از برخي خواص گازگونه نظير نفوذپذيري و برخي خواص مايع گونه نظير دانسيته سيال فوق بحراني مورد استفاده، استوارند. برخي از روشهاي مورد استفاده در فناوري فوق بحراني به ترتيب زير مي باشند:

1. RESS ( Rapid Expansion of Supercritical Solutions ) [ 1،4،14،15،16،17 .]
2. PGSS ( Particle form Gas-Saturated Solution ) [1،2،3،4،5،6 .]
3. SAS ( Supercritical Antisolvent System ) [1،2،3،4،5،6 .]
4. GAS ( Gas Antisolvent System ) [1،2،3،4،5،6،25،26 .]
5. PCA ( Precipitation with Compressed Antisolvent ) [1،2،3،4،5،6 .]

هر يك از فرايندهاي فوق داراي ويژگيهاي خاصي بوده و در توليد ذرات با اندازه ريز و بسيار ريز مورد استفاده قرار مي گيرد.
فرايند RESS
روش RESS شامل دو مرحله بوده بطوريكه در مرحله اول جزء حل شونده دلخواه در سيال فوق بحراني در محفظه اشباع كننده حل مي شود، سپس انبساط ناگهاني محلول فوق بحراني از طريق نازلي كه در خروجي محفظه اشباع كننده، تعبيه شده است، انجام مي گيرد.

هنگاميكه سيال منبسط مي شود، بعلت كاهش قدرت حلاليت در اثر انبساط، جزء حل شونده در قسمت خروجي با اندازه ذرات مناسب رسوب زايي نموده و جمع آوري مي شود. كاهش فشار در اين سيستمها بطور سريع مي باشد . بنابراين حالت فوق اشباع در اين سيستمها براحتي و در مقادير بالا قابل تشكيل ميباشد و ذراتي با كيفيت مناسب توليد مي شوند. در بيشتر كارهاي انجام شده به علت شرايط مناسب ذكرشده، اين روش بيشتر مورد استفاده قرار گرفته و براي توليد مواد دارويي ، پروتئين ها و مواد انرژي زا مورد توجه قرار گرفته است [‍1‍‍‍،14‍،15،16‍،17]. از ديگر مزاياي اين روش مي توان به خلوص بالاي مواد توليد شده اشاره داشت. نمايي از فرايند فوق درشكل (1) نشان داده شده است.

شكل (1) : نمايي از فرايند RESS

توانايي سيال فوق بحراني جهت انحلال مواد جامد اولين بار توسط Houng وHogarth در حدود يك قرن پيش صورت پذيرفته است [ 13.] تا سال 1984 در هيچ مرجعي كاربرد سيالات فوق بحراني جهت توليد ريزذرات ارائه نشده است، تا اينكه Krukonis و همكارانش نتايج خوبي جهت هسته زايي و ساير مواد ثبت نموده اند [14،15]. از جمله مطالعات انجام شده ميتوان به كاهش اندازه ذرات مواد دارويي و موادي كه نسبت به فرايند هاي دماي بالا حساسيت دارند، اشاره داشت [16،17]. Smith و همكارانش فرايند RESS را جهت توليد مواد مختلف نظير اكسيد فلزات، پليمرها با هندسه و اندازه مناسب بكار برده و تاثير انبساط اوليه را بر روي شكل و هندسه ذرات را مورد مطالعه قرار دادند [18،19،20،21،22.] همچنين فرايند RESS در توليد ريزذرات پليمري اهميت فراواني داشته ومي توان به توليد ريزذرات پليمري نظير PolyMethylMethacrylate ،Polycaprolactone و PolyEthylMethacrylate توسط Lele و Shine اشاره نمود[23،24].

شكل (2) : تصاوير SEM ذرات Griseofulvin و β_Sitosterol توليد شده بوسيله روش RESS ]39]

شكل (2) تصاوير نمونه هايي از محصولات توليد شده در اندازه هاي ريز را بوسيله روش RESS نشان مي دهد. همانطور كه مشاهده مي شود اندازه ذرات و توزيع اندازه آنها در شكلها مشخص ميباشند. اندازه ذرات توليد شده Griseofulvin و β_Sitosterol در مقياس 200 نانومتر ميباشد[39].
فرايند PGSS
در روش PGSS با افزايش فشار، ميزان حلاليت سيال فوق بحراني در فاز مايع افزايش يافته در نتيجه نقطه ذوب جزء حل شدني كاهش مي يابد و با اين روش مي توان نقطه ذوب مواد با جرم مولكولي بالا را كاهش داد. گاز تزريق شده كه معمولا دي اكسيد كربن مي باشد موجب كاهش نقطه ذوب جامدات مي گردد و به اين ترتيب محلول اشباع تشكيل مي گردد. پس از تشكيل محلول اشباع، اجازه داده مي شود محلول منبسط گردد. در اثر انبساط، گاز سبك تبخير شده و دماي سيستم بدليل پديده ژول – تامسون كاهش مي يابد وبدليل كاهش همزمان دما و فشار حالت فوق اشباع بوجود مي آيد و به اين ترتيب ذرات ريز تشكيل مي گردد [1،2،3،4،5،6،7،8،9.] نماي كلي از اين فرايند در شكل ( 3 ) نشان داده شده است.

شكل (3) : نمايي از فرايند PGSS

فرايند PGSS در مقايسه با فرايند RESS در فشار پايينتري انجام مي شود و محدوده ذرات توليد شده، بخصوص مواد دارويي، بطور متوسط در حدود 10 تا 20 ميكرومتر مي باشد.
فرايندهاي SAS ، GAS و PCA
روشهاي SAS ، GAS و PCA با استفاده از يك حلال آلي از جمله روشهاي مهم در توليد مواد در اندازه هاي ميكرو و نانو مي باشند . لازم به ذكر است كه در اين روشها جزء دلخواه داخل حلال آلي بصورت فوق اشباع حل شده وسپس در شرايط فوق بحراني يا نزديك بحراني با سيالي نظير دي اكسيد كربن در تماس قرار مي گيرد. البته نحوه تماس محلول اشباع و سيال فوق بحراني و همچنين نوع دستگاههاي مورد استفاده موجب ايجاد تفاوتهايي بين روشهاي فوق الذكر گرديده است ولي در همه روشها از يك نكته در توليد ذرات ميكرو بهره مي گيرند. نكته مهم اين است كه دي اكسيد كربن بخوبي در اكثر حلال هاي آلي حل مي شود، لذا با حل شدن دي اكسيد كربن در حلال آلي، حالت فوق اشباع براي جزء حل شدني پديد مي آيد و موجب تبلور(Salting-Out ) جزء مورد نظر مي گردد [1،2،3،4،5،6،7،8،9.] نمايي از فرايندهاي SAS ، PCA وGAS در شكلهاي (4) و (5) نشان داده شده است. همانطور كه ازشكلها مشخص است تفاوت اين فرايندها در نوع سيستم پيوسته ( Continoues )‍‍، ( Semi Batch )‍‍ و غير پيوسته (Batch )‍‍ مي باشد.
بصورت ويژه در فرايند GAS حلاليت گاز دي اكسيد كربن در فشارهاي بالا موجب انبساط حجمي ( Volumetric Expansion ) محلول اشباع مي گردد و در نتيجه دانسيته و قدرت حلاليت آن كاهش مي يابد و اين عمل موجب تبلور جزء حل شونده بصورت ذرات ريز با توزيع اندازه مناسب مي گردد.

شكل (4) : نمايي از فرايند PCA/SAS

شكل (5) : نمايي از فرايند GAS

لازم به ذكر است روشهاي ديگري نيز جهت نيل به اهداف ذكر شده وجود دارند كه همگي بر همان اصول ذكر شده استوارند و تنها اختلاف آنها نحوه تماس دو جريان و نوع دستگاه مورد استفاده ميباشد. اندازه ذرات توليد شده بوسيله روشهاي فوق الذكر تابع شرايط عملياتي و بخصوص هندسه دستگاه است. بعنوان مثال مي توان به توليد نانو ذرات Tetracycline در مقياس كمتر از 125 نانومتر بوسيله فرايند SASاشاره داشت[40]. فرايند GAS اولين بار جهت كريستاليزاسيون مجدد مواد منفجره نظير Nitroguanidine و Cyclotrimethylenetrinitramine توسط Krukonis و همكارانش صورت گرفت[25،26.] همچنين فرايند GAS بصورت ويژه جهت كاهش اندازه ذرات با مقادير كنترل شده و دلخواه از اهميت فراواني برخوردار مي باشد. نمونه هايي از مواد توليد شده با اندازه ميكرو در جدول(1 ) آورده شده است.

جدول (1 ) : نمونه هايي از مواد منفجره توليد شده بوسيله فرايند GAS
مرجع	اندازه ذرات	فرايند	ضد حلال	حلال	جزء حل شدني
[ 26 ] Gallagher et al.	100 تا 1	GAS	CO₂	NMP	NQ
[ 25 ] Gallagher et al.	200 تا 1	GAS	CO₂	C₃H₆O	RDX
[ 27 ] Jiango et al.	25 تا 2	GAS	CO₂	C₃H₆O

كه در جدول ( 1 ) حلال و جزء حل شونده به ترتيب زير مي باشند:

NQ:Nitroguanidine
NM :N-Methylpyrrolidone
RDX:Cyclotrimethylenetrinitramine
:Cycloetetramethyleneeteranitramine

همچنين فرايندهاي SAS ، GAS و PCA در كاهش اندازه ذرات مواد جامد اعم از مواد دارويي، شيميايي و پليمري مورد استفاده قرار گرفته و بر حسب ميزان راندمان و نوع ماده مورد نظر از يكي فرايندهاي مذكور استفاده گرديده است. بعنوان نمونه كاربردهايي از فرايندهاي فوق الذكر بطور خلاصه در جداول زير آورده شده است. در جدول (2 ) نمونه هايي از مواد پليمري توليد شده در اندازه هاي ميكرو بوسيله فرايندهاي ذكر شده ارائه گرديده است.

جدول (2 ) : نمونه هايي از مواد پليمري توليد شده بوسيله فرايندهاي فوق بحراني
مرجع	اندازه ذرات	فرايند	ضد حلال	حلال	جزء حل شدني
[ 28 ] Mawson et al.	5/0 تا 1/0	PCA	CO₂	Toluene	Polystyrene
[ 28 ] Gallagher et al.	3/0 تا 1/0	PCA	CO₂	DMF	Polyacrylonitrile
[ 29 ] Tan et al.	25 تا 2	PCA	HFC-134a	Toluene	Polystyrene

جدول (3 ) نمونه هايي از مواد دارويي توليد شده بوسيله حلالهاي مختلف در اندازهاي ميكرو بوسيله فرايندهاي فوق بحراني ارائه مي دهد.

جدول (3 ) : نمونه هايي از مواد دارويي توليد شده بوسيله فرايندهاي فوق بحراني
مرجع	اندازه ذرات	فرايند	ضد حلال	حلال	جزء حل شدني
[ 31 ] Reverchon et al.	2/1 تا 25/0	SAS	CO₂	NMP	Amoxicillin
[ 30 ] Tschernjaew et al.	100>	GAS	CO₂	EtOH	Ascorbic Acid
[ 32 ] Steckel et al.	5 ~	ASES	CO₂	DCM	Budesonide-butyronide
[33 ] Wubbolts et al.	5 تا 1	PCA	CO₂	EtOH	Ascorbic Acid

DCM : Dichloromethane
EtOH : Ethanol

در جدول (4) نمونه هايي از مواد معدني و آلي توليد شده بوسيله حلالهاي مختلف در اندازهاي ميكرو بوسيله فرايندهاي فوق بحراني ارائه گرديده است.

جدول (4 ) : نمونه هايي از مواد معدني و آلي توليد شده بوسيله فرايندهاي فوق بحراني
مرجع	اندازه ذرات	فرايند	ضد حلال	حلال	جزء حل شدني
[ 34 ] Gallagher et al	300>	GAS	CO₂	Acetone	Cobalt Chloride
[ 35 ] Reverchon et al.	10 تا 05/0	SAS	CO₂	NMP	Zinc Oxide
[ 36 ] Krober et al.	60 تا 10	PCA	CO₂	EtOH	Tartaric Acid
[ 38 ] Griffith et al.	5 تا 1	PCA	CO₂	Formic Acid	Nylon 6/6

بعنوان نمونه تصوير ذرات توليد شده نايلون به روش SAS در شكل ( 6 ) نشان داده شده است.

شكل (6) : تصوير SEM نايلون توليد شده بوسيله روش SAS با استفاده از اسيد فرميك بعنوان حلال [40]

نتيجه گيري
روشهاي توليد صنعتي جامدات ريز در حد ميكرو و نانو با كنترل توزيع اندازه ذرات اهميت فراواني در صنايع مختلف از جمله صنايع شيميايي و دارويي دارد. در روشهاي قديمي استفاده از روشهاي مكانيكي جهت كاهش اندازه ذرات بيشتر مورد توجه بوده است. هر كدام از روشهاي ذكر شده قديمي داراي معايبي نظير تغيير كيفيت بعلت اثرات گرمايي و يا شيميايي، مصرف زياد حلال و همچنين مشكلات زدودن حلال همراه كريستال بخصوص در توليد قرصها و تغيير كيفيت مواد بعلت تغييرات دما مي باشد. بنابراين براي مرتفع ساختن مشكلات فوق نياز به استفاده از روشهاي نوين جهت توليد ذرات ريز در مقياس ميكرو يا نانو با توزيع اندازه ذرات كنترل شده وهمچنين كيفيت كريستالهاي تشكيل شده از نظر خلوص و شكل هندسي آنها مي باشد.بعلاوه امروزه رعايت قوانين زيست محيطي و بهبود كيفيت توليد مواد مختلف موجب استفاده روز افزون از فناوريهاي نوين شده است. بنابراين شناخت صحيح فرايندهاي فوق بحراني و پارامترهاي موثر در فرايندهاي ذكر شده جهت توليد ذرات در مقياس ميكرو يا نانو با هندسه مناسب و ترخ كنترل شده ضروري مي باشد.

مراجع

[1] P.G. Debenedetti, J.W. Tom, S.D. Yeo, and G.B. Lim. Journal of Controlled Release, 24:27–44, 1993.
[2] D. W. Matson, J. L. Fulton, R. C. Petersen, R. D. Smith. Industrial & Engineering Chemistry Research, 26, 2298, 1987.
[3] J.W. Tom and P.G. Debenedetti. Journal of Aerosol Science, 22:555–584, 1991.
[4] C.A. Eckert, B.L. Knutson, and P.G. Debenedetti. Nature, 383:313317,1996.
[5] B. Subramaniam, R. Rajewski, and K. Snavely. Journal of Pharmaceutical Sciences, 86:885–890, 1997.
[6] B. Bungert, G. Sadowski, and W. Arlt. Industrial & Engineering Chemistry Research, 37:3208–3220, 1998.
[7] E. Reverchon. Journal of Supercritical Fluids, 15:1–21, 1999.
[8] J. Jung and M. Perrut. Journal of Supercritical Fluids, 20:179–219, 2001.
[9] P. Subra and P. Jestin. Powder Technology, 103:2–9, 1999.
[10] S. P. Hong, K. D. Luks. Fluid Phase Equilib. 74:133, 1982.
[11] A. Ben-Amotz. Ternds Biochem. 11:411, 1992.
[12] M. J. Cocero, S. Perez, S. Gonzalez, E. Alonso. Journal of Supercritical Fluids, 19: 39, 2000.
[13] J. Hannay and J. Hogarth., On the solubility of solids in gases. Proceedings of the Royal Society London A, 29:324–326, 1879.
[14] V.J. Krukonis, In AIChE annual meeting, San Francisco, Nov 25-30, 1984. Paper140.
[15] M.A. McHugh and V.J. Krukonis. Supercritical fluid extraction.Butterworth-Heinemann, Newton, MA, 2nd edition, 1994.
[16] H. Loth and E. Hemgesberg., International Journal of Pharmaceutics, 32:265–267, 1986.
[17] K.A. Larson and M.L. King., Biotechnology Progress, 2:73–82, 1986.
[18] D.W. Matson, R.C. Petersen, and R.D. Smith., Advanced Ceramic Materials, 21:242–246, 1986.
[19] D.W. Matson, R.C. Petersen, and R.D. Smith. Advances in Ceramics, 21:109–120, 1987.
[20] D.W. Matson, J.L. Fulto, R.C. Petersen, and R.D. Smith. Industrial & Engineering Chemistry Research, 26:2298–2306, 1987.
[21] D.W. Matson, R.C. Petersen, and R.D. Smith. Journal of Materials Science, 22:1919–1928, 1987.
[22] R.C. Peterson, D.W. Matson, and R.D. Smith. Polymer Engineering & Science, 27:1693–1697, 1987.
[23] A.K. Lele and A.D. Shine. AIChE Journal, 38:742–752, 1992.
[24] A.K. Lele and A.D. Shine. Industrial & Engineering Chemistry Research, 33:1476–1485,1994.
[25] P. M. Gallagher., M. P. Coffey, V.J. Krukonis, and H.H. Hillstrom. Journal of Supercritical Fluids, 5:130–142, 1992.
[26] P.M. Gallagher, M. P. Coffey, V.J. Krukonis, and N. Klasutis., ACS Symposium Series 406, pages 334–354. American Chemical Society, Washington, 1989.
[27] C. Jianguo, X. Deng, and Z. Zhanyun. Chinese Journal of Chemical Engineering, 9:258–261, 2001.
[28] S. Mawson, S.K. Kanakia, and K.P. Johnston. Journal of Applied Polymer Science, 64:2105–2118, 1997.
[29] C.S. Tan and H.Y. Lin. Industrial & Engineering Chemistry Research, 38:3898–3902, 1999.
[30] J. Tschernjaew, T. Berger, A. Weber, and R. K¨ummel. Chemie Ingenieur Technik, 69:670–674, 1997.
[31] E. Reverchon, G. Della Porta, and M.G. Falivene. Journal of Supercritical Fluids, 17:239–248, 2000.
[32] H. Steckel and B.W. Muller.. International Journal of Pharmaceutics, 152:99–110, 1997.
[33] F.E.Wubbolts, O.S.L. Bruinsma, and G.M. van Rosmalen. Journal of Crystal Growth, 198/199:767–772, 1999.
[34] P.M. Gallagher, V.J. Krukonis, and G.D. Botsaris. volume 87 of AIChE Symposium Series 284, pages 96–103. American Institute of Chemical Engineers, New York, 1991.
[35] E. Reverchon, G. Della Porta, D. Sannino, and P. Ciambelli. Powder Technology, 102:127–134, 1999.
[36] H. Krober and U. Teipel. Journal of Supercritical Fluids, 22:229-235, 2002.
[37] E. Nemati and H. Bahmanyar. The 7th Iranian Chem. Eng. Cong., 1:213-221, 2002.
[38] A.T. Griffth, Y. Park, and C.B. Roberts. Polymer - Plastics Technology and Engineering, 38:411–431, 1999.
[39] P. Alessi, A. Cortesi, I. Kikic and N. R. Foster, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 35, 1996, pp. 4718-4726.
[40] P. Chattopodhyay and R. B. Gupta, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 39, 2000, pp. 2281-2289.

علمی

نانو تکنولوژی

كاربرد فرايندهاي فوق بحراني در توليد ميكرو و نانو ذرات