Überkritisches Kohlenstoffdioxid

Grundprinzip und kritischer Zustand

Überkritisches Kohlenstoffdioxid, auch superkritisches Kohlenstoffdioxid oder scCO2, ist Kohlenstoffdioxid in einem fluiden Zustand oberhalb seiner kritischen Temperatur und seines kritischen Drucks. Ein überkritisches Fluid verbindet Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen: Es hat eine hohe Dichte wie eine Flüssigkeit, aber zugleich eine geringe dynamische Viskosität und einen hohen Diffusionskoeffizienten wie ein Gas. Dadurch kann es Stoffe gut lösen und transportieren.

Für Kohlenstoffdioxid liegt der kritische Punkt bei mehr als 304,13 K, also 30,98 °C, und bei einem Druck von über 7,375 MPa, also 73,75 bar. Die kritische Dichte beträgt etwa 0,464 g/cm³, das kritische molare Volumen 94 cm³·mol−1.

Eigenschaften als Lösungsmittel

Die Lösungsmitteleigenschaften von scCO2 hängen stark von seiner Dichte ab. Diese Dichte kann im überkritischen Zustand durch Veränderung von Druck und Temperatur in einem relativ weiten Bereich eingestellt werden. Allgemein erhöht eine höhere Dichte die Löslichkeit der meisten Stoffe.

Weil sich seine Lösungs- und Transporteigenschaften gezielt verändern lassen, ist überkritisches Kohlenstoffdioxid für technische und wissenschaftliche Anwendungen interessant. Es kann in andere Stoffe eindringen und gelöste Stoffe wieder abgeben, wenn der Druck passend verringert wird.

Vorteile und Grenzen der Nutzung

Überkritisches Kohlenstoffdioxid gilt als vielversprechendes Lösungsmittel, weil Kohlenstoffdioxid leicht verfügbar, relativ ungiftig und einfach von gelösten Stoffen abzutrennen ist. Im Vergleich zu unpolaren Lösungsmitteln wie Benzol, Dichlormethan oder Hexan ist CO2 ungiftig und kann durch Druckverringerung rückstandsfrei vom Produkt entfernt werden. Eine Freisetzung in die Umwelt durch Leckagen oder als Teil eines Verfahrens wird im Artikel als unbedenklich beschrieben.

Nachteile sind der hohe benötigte Druck, die unterschiedlichen Eigenschaften von gasförmigem und überkritischem CO2 sowie Korrosionsprobleme. Diese Punkte stellen besondere Anforderungen an Materialien und Verfahren.

Gut extrahierbar sind im Druckbereich bis 300 bar lipophile, also fettliebende, Stoffe bis zu einer Molmasse von 300 bis 400 g/mol. Beispiele sind Kohlenwasserstoffe, Ether, Ester und Ketone. Nicht extrahierbar sind dagegen polare Substanzen wie Zucker, Glykoside, Aminosäuren, Lecithine sowie polymere Verbindungen wie Proteine, Cellulose, Polyterpene und Kunststoffe.

Industrielle und technische Anwendungen

Ein wirtschaftlich wichtiges Einsatzgebiet ist die Entkoffeinierung von Kaffee. Dabei wird überkritisches Kohlenstoffdioxid als Extraktionsmittel genutzt; der Prozessfortschritt kann zum Beispiel online mit NIR-Techniken verfolgt werden. Im Jahr 2007 wurde bereits ein Fünftel aller entkoffeinierten Kaffees durch Extraktion mit überkritischem Kohlenstoffdioxid hergestellt.

Überkritisches CO2 wird außerdem in industriellen Prozessen als Aufschäummittel, Kühlmittel und Lösungsmittel eingesetzt. Seit über 30 Jahren wird es bei der Ölexploration durch Enhanced Oil Recovery verwendet, weil es den Austrag von Öl aus Lagerstätten deutlich steigern kann. Bei der Sequestration, also der Verbringung von Kohlenstoffdioxid in den Untergrund, liegt das injizierte Gas wegen der dortigen Druck- und Temperaturbedingungen in vielen Fällen überkritisch vor.

Auch in aktiven Vulkanbereichen muss in Tiefen von 1 km oder mehr mit überkritischem CO2 gerechnet werden. Für die geothermische Nutzung trockener Gesteine ab 4 km Tiefe wird überkritisches Kohlenstoffdioxid als mögliches Medium genannt; gegenüber Wasser soll es Vorteile haben, die insgesamt eine um 30 % bessere Energiebilanz bedingen.

Seit 2006 wird überkritisches Kohlendioxid auch in kommerziellen Reinigungen für Privatkunden verwendet. Ende 2007 war die Zahl der Annahmestellen in Deutschland jedoch auf wenige Dutzend begrenzt. Da Kohlendioxid eine deutlich umweltfreundlichere chemische Reinigung ermöglicht, gibt es dafür den Blauen Engel nach RAL-UZ 126. Weitere genannte Anwendungen sind die Reinigung von Geldscheinen mit überkritischem CO2, die Nutzung als Medium in Turbinen zur Stromspeicherung und Stromerzeugung sowie die Diskussion als Kühlmittel für Kernkraftwerke der vierten Generation. Dort wären höhere Temperaturen und ein besserer Carnot-Wirkungsgrad möglich; Nachteile sind Materialanforderungen durch Druck und Temperatur sowie mögliche Korrosion.

Schonende Trocknung, Sterilisation und Analytik

Mit überkritischem CO2 lassen sich organische Präparate sehr schonend trocknen, zum Beispiel für die Rasterelektronenmikroskopie. Dabei werden die Proben zunächst vernetzt, anschließend wird das Wasser stufenweise gegen ein Lösemittel, meist Aceton, ausgetauscht. Danach wird das Aceton mit überkritischem CO2 entfernt. Dieses Verfahren heißt Kritischer-Punkt-Trocknung oder Überkritische Trocknung. Es erhält die Strukturen weitestgehend und erzeugt nur wenige Artefakte, also künstliche Veränderungen der Probe.

Neuere Studien zeigen laut Artikel, dass überkritisches Kohlenstoffdioxid eine wirksame Alternative für die Sterilisation von biologischem Material und medizinischen Instrumenten sein kann. Der Prozess läuft unter milden Bedingungen ab und erhält die Morphologie sowie das Proteinprofil von Totimpfstoffen.

Im Labormaßstab wurde überkritisches Kohlenstoffdioxid als Extraktionsmittel verwendet, etwa bei der Bestimmung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Böden und festen Abfällen sowie bei der Bestimmung von extrahierbaren Kohlenwasserstoffen in Sedimenten, Flugasche, Wasser und anderen Medien. In der überkritischen Fluidchromatographie dient es als mobile Phase, also als bewegliche Phase, die Stoffe durch das Trennsystem transportiert.