• Enoagri – Tinh hoa công nghệ nông nghiệp Việt
  • Enoagri – Tinh hoa công nghệ nông nghiệp Việt
Bài viết

CHIẾT XUẤT TINH DẦU BẰNG CO₂ SIÊU TỚI HẠN

Đăng vào bởi Enoagri

1. Giới thiệu

Công nghệ chiết xuất bằng CO₂ siêu tới hạn (Supercritical CO₂ Extraction – SC-CO₂) được xem là giải pháp tách chiết tinh dầu và hoạt chất sinh học chất lượng cao, áp dụng rộng rãi trong dược liệu, thực phẩm chức năng, mỹ phẩm và hương liệu. So với chưng cất lôi cuốn hơi nước hoặc trích ly dung môi hữu cơ, SC-CO₂ vận hành ở nhiệt độ thấp, tính chọn lọc cao, không để lại dung môi tồn dư, và tinh dầu thu được có thành phần gần nguyên bản nhất.

máy chiết xuất tinh dầu CO2
Hệ thống chiết xuất tinh dầu CO2

Để đạt hiệu suất cao, bước tiền xử lý nguyên liệu – đặc biệt là sấy tới độ ẩm tối ưu bằng máy sấy lạnh – đóng vai trò quyết định. Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng khuếch tán của CO₂ vào ma trận thực vật, khả năng hòa tan của các hợp chất mục tiêu và tốc độ tách chiết.

Tài liệu này trình bày tổng quan công nghệ, phân tích kỹ thuật, thiết kế hệ thống, thông số tối ưu hóa, cùng các đề xuất thực hành chuẩn 2025 cho cơ sở sản xuất quy mô pilot – small industrial.

2. Nguyên lý CO₂ siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn
Biểu đồ CO2 siêu tới hạn

CO₂ trở thành siêu tới hạn khi vượt qua:

  • Nhiệt độ tới hạn (Tc): 31.1°C

  • Áp suất tới hạn (Pc): 73.8 bar (~7.38 MPa)

Trong trạng thái siêu tới hạn, CO₂ thể hiện đồng thời hai đặc tính:

  • Giống khí: độ nhớt thấp → thấm sâu vào ma trận thực vật.

  • Giống chất lỏng: mật độ cao → khả năng hòa tan mạnh.

Đặc tính hòa tan (solvating power) của CO₂ có thể điều chỉnh bằng áp suất & nhiệt độ, giúp chiết chọn lọc từng nhóm hợp chất (monoterpen, sesquiterpen, diterpen, các cấu tử mùi, flavonoid, alkaloid nhẹ…). CO₂ sạch, không độc, tái tuần hoàn gần như hoàn toàn.

3. Quy trình công nghệ tổng quát

  1. Thu hoạch – tiền xử lý thô
    Loại bỏ tạp chất, đất cát, phần hư hỏng.

  2. Sấy nguyên liệu (tối quan trọng)
    Mục tiêu: đưa độ ẩm về 8–12% tùy nguyên liệu, tránh biến tính cấu trúc, giữ nguyên tinh dầu dễ bay hơi.

  3. Giảm kích thước (milling)
    Độ mịn khuyến nghị 0.5–2 mm. Mịn quá → tạo trở lực dòng CO₂; thô quá → khó chiết.

  4. Nạp liệu vào bình chiết (Extractor)
    Đóng gói dạng lớp đều, tránh “kênh khí”.

  5. Nén CO₂ – gia nhiệt – đạt siêu tới hạn
    Tùy nguyên liệu: thường 100–350 bar, 35–60°C.

  6. Chiết – tuần hoàn CO₂
    CO₂ siêu tới hạn đi qua lớp nguyên liệu, hòa tan tinh dầu/hợp chất.

  7. Tách (separator)
    Giảm áp suất → CO₂ mất khả năng hòa tan → tinh dầu tách ra.

  8. Thu hồi CO₂ – đóng gói sản phẩm
    CO₂ được thu hồi 85–98%.

4. Tiền xử lý bằng máy sấy lạnh – yếu tố quyết định hiệu suất

4.1. Vai trò của sấy trước khi chiết SC-CO₂

Độ ẩm ảnh hưởng tới:

  • Hệ số khuếch tán D của CO₂ trong ma trận thực vật: ẩm cao → D giảm mạnh.

  • Độ hòa tan: nước giảm khả năng hòa tan của CO₂ với hợp chất kỵ nước.

  • Biến tính hợp chất: nước + nhiệt → dễ thủy phân terpene, polyphenol.

  • Nghẽn dòng CO₂: nguyên liệu ẩm dễ nén chặt, gây tăng ΔP trong extractor.

Ngưỡng tối ưu:

  • Đa số nguyên liệu: độ ẩm 8–12%.

  • Nguyên liệu rất nhạy (hoa, lá tinh dầu nhẹ): 6–10%.

4.2. Vì sao máy sấy lạnh là lựa chọn tối ưu?

Ưu điểm kỹ thuật:

  • Nhiệt độ sấy thấp 10–50°C → bảo toàn cấu trúc tế bào.

  • Không mất mùi – không biến tính các cấu tử nhẹ (linalool, citral, limonene…).

  • Giữ màu – tránh nâu hóa enzym so với sấy nhiệt 60–80°C.

  • Tốc độ khử ẩm ổn định, không tạo gradient nhiệt gây nứt/cháy mép.

  • Chi phí thấp hơn sấy thăng hoa (freeze-dry) nhưng chất lượng cao hơn sấy nhiệt.

Đề xuất thiết bị cho cơ sở pilot:

Máy sấy lạnh 20 kg/mẻ:

  • Phù hợp cơ sở làm nguyên liệu dược liệu/tinh dầu pilot.

  • Mẻ nhỏ giúp thử nghiệm nhiều mẫu.

  • Nhiệt độ 15–45°C, kiểm soát ẩm và gió tối ưu.

  • Dễ tối ưu hóa quy trình sấy từng nguyên liệu trước khi đưa lên quy mô lớn.

5. Tối ưu hóa thông số chiết SC-CO₂

5.1. Phạm vi vận hành

Nhóm nguyên liệu Áp suất (bar) Nhiệt độ (°C) Ghi chú
Lá – hoa (tinh dầu nhẹ) 80–200 35–45 Tối ưu chọn lọc terpene
Vỏ trái cây 120–250 40–55 Yield cao, tinh dầu dày
Rễ – thân – dược liệu 200–350 45–60 Cần áp suất cao hơn
Nhựa cây – resin 250–400 40–55 Dùng co-solvent nếu cần

5.2. Các biến cần tối ưu (DOE – Design of Experiment)

  1. Áp suất P – yếu tố then chốt nâng mật độ CO₂.

  2. Nhiệt độ T – tăng T giảm mật độ nhưng tăng tính khuếch tán → có điểm tối ưu.

  3. Flow CO₂ – ảnh hưởng tốc độ chiết (5–15 kg/h ở pilot).

  4. Kích thước hạt.

  5. Độ ẩm ban đầu.

  6. Thời gian chiết – 30–180 phút.

  7. Sử dụng đồng dung môi (co-solvent: ethanol 1–5%) nếu tách polyphenol.

6. Thiết kế hệ thống chiết SC-CO₂ (Pilot 5–20 L)

Hệ thống chiết xuất CO2 siêu tới hạn
Hệ thống chiết xuất CO2 siêu tới hạn

 

6.1. Cấu hình tiêu chuẩn

  • Extractor (bình chiết): 5–20 L, chịu áp 450 bar.

  • Bơm nén CO₂: 10–60 mL/min (tùy thiết bị).

  • Bộ gia nhiệt: ổn định ±0.5°C.

  • Separator 1 & 2: 2 giai đoạn để tách phân đoạn tinh dầu.

  • Bình CO₂ + bộ thu hồi.

  • PLC – HMI: ghi dữ liệu, kiểm soát áp suất – nhiệt độ – flow.

  • Hệ an toàn: van an toàn, rupture disc, cảm biến áp.

6.2. Sơ đồ quy trình

  1. CO₂ lỏng → bơm nén → làm nóng → vào extractor.

  2. CO₂ hòa tan tinh dầu → qua S1 tách phần nặng → S2 tách phần nhẹ.

  3. CO₂ → ngưng tụ → quay lại bình chứa.

6.3. Lưu ý khi vận hành

  • Đảm bảo extractor được nhồi đầy 85–90%, không quá chặt.

  • Vật liệu phải được sấy trước và đồng nhất kích thước hạt.

  • Kiểm tra áp suất & nhiệt độ của từng zone.

7. Tính toán năng suất – chi phí

7.1. Năng suất chiết (yield)

Yield (%) = (Khối lượng tinh dầu thu được / Khối lượng nguyên liệu khô) × 100%

Ví dụ với vỏ cam: 2.0–4.5%.
Lá sả: 0.3–0.6%.
Hoa oải hương: 1.2–3%.

Nếu độ ẩm đầu vào >12% → yield giảm 15–40% tùy loại.

7.2. Cân bằng CO₂

  • Tỉ lệ CO₂ : nguyên liệu khô = 20–60:1 (pilot).

  • Tái sử dụng CO₂: 85–98%.

7.3. Chi phí vận hành (OPEX)

Chi phí chính:

  • Điện cho bơm – gia nhiệt: 2–6 kWh/h.

  • Hao hụt CO₂: 1–8% mỗi chu kỳ.

  • Nhân công: 1 người/ca.

  • Sấy nguyên liệu: máy sấy lạnh 0.8–1.5 kWh/kg ẩm bốc hơi.

8. So sánh SC-CO₂ với phương pháp khác

Tiêu chí SC-CO₂ Chưng cất hơi nước Chiết dung môi
Nhiệt độ Thấp (35–60°C) Cao (100°C) Trung bình
Chất lượng tinh dầu Xuất sắc Dễ biến tính Có tồn dư dung môi
Hiệu suất Trung bình – cao Trung bình Rất cao
Chi phí đầu tư Cao Thấp Trung bình
An toàn Rất cao Cao Thấp

9. Ứng dụng

  • Tinh dầu dược liệu (sả, bạc hà, quế, hương nhu, tràm, long não).

  • Hương liệu thực phẩm – đồ uống.

  • Mỹ phẩm – spa – nước hoa.

  • Chiết xuất hợp chất hoạt tính (curcumin, flavonoid, polyphenol).

  • Chiết xuất resin giá trị cao (trầm hương, nhụy hoa nghệ tây, sâm).

10. Kết luận – Đề xuất cho cơ sở sản xuất

  1. Máy sấy lạnh là bắt buộc nếu mục tiêu là tinh dầu chất lượng cao, không biến tính.

  2. Độ ẩm tối ưu: <10%.

  3. Chiết SC-CO₂ thích hợp cho cơ sở hướng đến sản phẩm cao cấp – giá trị gia tăng.

  4. Quy mô pilot 5–20 L phù hợp thử nghiệm – xây dựng công thức – phân tích chi phí.

  5. Khi đã tối ưu, có thể mở rộng lên 50–200 L tùy mục tiêu.

ENOAGRI hiện đang triển khai đề án R&D về hệ thống chiết xuất CO₂ siêu tới hạn phục vụ các nhóm sản phẩm tinh dầu, hoạt chất sinh học và dược liệu tiêu chuẩn cao. Hệ thống được định hướng theo mô hình pilot – semi-industrial, dung tích 5–20 L cho thử nghiệm và 50–100 L cho sản xuất nhỏ.

Anh/chị quan tâm có thể liên hệ trực tiếp ENOAGRI để đăng ký thử nghiệm hoặc nhận tài liệu kỹ thuật nội bộ:

Bài viết liên quan

Bản đồ chỉ đường:

Để lại một bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *