Micronization of Pharmaceuticals and Food Ingredients using Supercritical Fluid Techniques

Micronization techniques based on supercritical fluids (SCFs) are promising for the production of particles with controlled size and distribution. The interest of the pharmaceutical field in the development of SCF techniques is increasing due to the need for clean processes, reduced consumption of energy, and to their several possible applications. The food field is still far from the application of SCF micronization techniques, but there is increasing interest mainly for the processing of products with high added value. The aim of this study is to use SCF micronization techniques for the production of particles of pharmaceuticals and food ingredients with controlled particle size and morphology, and to look at their production on semi-industrial scale. The results obtained are also used to understand the processes from the perspective of broader application within the pharmaceutical and food industries. Certain pharmaceuticals, a biopolymer and a food ingredient have been tested using supercritical antisolvent micronization (SAS) or supercritical assisted atomization (SAA) techniques. The reproducibility of the SAS technique has been studied using physically different apparatuses and on both laboratory and semi-industrial scale. Moreover, a comparison between semi-continuous and batch mode has been performed. The behaviour of the system during the SAS process has been observed using a windowed precipitation vessel. The micronized powders have been characterized by particle size and distribution, morphology and crystallinity. Several analyses have been performed to verify if the SCF process modified the structure of the compound or caused degradation or contamination of the product. The different powder morphologies obtained have been linked to the position of the process operating point with respect to the vapour-liquid equilibrium (VLE) of the systems studied, that is, mainly to the position of the mixture critical point (MCP) of the mixture. Spherical micro, submicro- and nanoparticles, expanded microparticles (balloons) and crystals were obtained by SAS. The obtained particles were amorphous or with different degrees of crystallinity and, in some cases, had different pseudo-polymorphic or polymorphic forms. A compound that could not be processed using SAS was micronized by SAA, and amorphous particles were obtained, stable in vials at room temperature. The SCF micronization techniques studied proved to be effective and versatile for the production of particles for several uses. Furthermore, the findings of this study and the acquired knowledge of the proposed processes can allow a more conscious application of SCF techniques to obtain products with the desired characteristics and enable the use of their principles for broader applications.

A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.

Fractionation of Hen Egg and Oat Lipids with supercritical Fluids Chemical and functional Properties of Fractions

Hen eggs and oats (Avena Sativa) are important materials for the food industry. Today, instead of merely satisfying the feeling of hunger, consumers are asking for healthier, biologically active and environmentally friendly products. The growing awareness of consumers’ increasing demands presents a great challenge to the food industry to develop more sustainable products and utilise modern and effective techniques. The modification of yolk fatty acid composition by means of feed supplements is well understood. Egg yolk phospholipids are polar lipids and are used in several applications including food, cosmetics, pharmaceuticals, and special nutrients. Egg yolk phospholipids are excellent emulsifiers, typically sold as mixtures of phospholipids, triacylglycerols, and cholesterol. However, highly purified and characterised phospholipids are needed in several sophisticated applications. Industrial fractionation of phospholipids is usually based on organic solvents. With these fractionation techniques, some harmful residues of organic solvents may cause problems in further processing. The objective of the present study was to investigate the methods to improve the functional properties of eggs, to develop techniques to isolate the fractions responsible for the specific functional properties of egg yolk lipids, and to apply the developed techniques to plant-based materials, too. Fractionation techniques based on supercritical fluids were utilised for the separation of the lipid fractions of eggs and oats. The chemical and functional characterisation of the fractions were performed, and the produced oat polar lipid fractions were tested as protective barrier in encapsulation processes. Modifying the fatty acid compositions of egg yolks with different types of oil supplements in feed had no affect on their functional or sensory properties. Based on the results of functional and sensory analysis, it is evident that eggs with modified fatty acid compositions are usable in several industrial applications. These applications include liquid egg yolk products used in mayonnaise and salad dressings. Egg yolk powders were utilised in different kinds of fractionation processes. The precipitation method developed in this study resembles the supercritical anti-solvent method, which is typically used in the pharmaceutical industry. With pilot scale supercritical fluid processes, non-polar lipids and polar lipids were successfully separated from commercially produced egg yolk powder and oat flakes. The egg and oat-based polar lipid fractions showed high purities, and the corresponding delipidated fractions produced using supercritical techniques offer interesting starting materials for the further production of bioactive compounds. The oat polar lipid fraction contained especially digalactosyadiacylglycerol, which was shown to have valuable functional properties in the encapsulation of probiotics.

Green diesel synthesis by hydrodeoxygenation of lipids extracted from Chlorella algae in supercritical hexane

Lipids were extracted from Chlorella algae with supercritical hexane. The high lipids yield of approximately 10% was obtained at optimum conditions of 300 rpm stirring speed and 2 h duration compared to the total contents of lipids being 12%. Furthermore, an easiness of hexane recovery may be considered as economically and ecologically attractive. For the first time, in the current work catalytic hydrodeoxygenation (HDO) of Chlorella algal lipids was studied over 5 wt% Ni/H-Y-80 and 5 wt% Ni/SiO2 at 300 C and under 30 bar total pressure in H2. A comparative HDO of stearic acid was carried out under similar conditions. The conversion of lipids was about 35% over 5 wt% Ni/H-Y-80 after 6h, whereas, 5 wt% Ni/SiO2 was totally deactivated after 60 min. The selectivity to hydrocarbons (C15-C18) is 6%. As a comparison, complete conversion of stearic acid over 5 wt% Ni/H-Y-80 was achieved in 6 h. The transformation of lipids proceeded mostly via hydrogenation and hydrolysis with formation of free fatty acid (FFA). The lower activity might be attributed to deactivation of catalysts caused by chlorophylls and carotenoids. Even though the conversion is low, future studies in HDO of lipids extracted from other algae species having higher lipid content could be proposed. Coke resistant catalyst might be considered to improve catalytic activity.

Pohjaöljyn käsittely

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia Naantalin jalostamolle soveltuvaa pohjaöljyn käsittely-yksikköä syntyvän raskaan polttoöljyn määrän vähentämiseksi. Kirjallisuusosassa tutkittiin eri prosessivaihtoehtoja pohjaöljyn käsittelylle. Prosesseista selvitettiin käytettävät syötöt, prosessiolosuhteet, saatavat tuotteet ja niiden saannot sekä prosessin investointi- ja käyttökustannukset. Lisäksi tutkittiin tuotteiden käyttökohteita ja niiden vaatimia jatkokäsittelyjä. Työn tutkimusosassa valittiin tarkasteltavaksi prosessiksi ylikriittinen uutto, deasfaltointi. Työssä tarkasteltiin uuttoyksikön eri kytkentävaihtoehtoja Naantalin jalostamolle ja valittiin käytettävät uuttoprosentit ja liuottimet. Yksiköstä saataville tuotteille laskettiin aineominaisuudet. Deasfaltoidun öljyn käsittelyyn suunnitelluille katalyyttisille krakkausyksiköille tehtiin saantoarviot ja laskettiin massataseet. Deasfaltointiyksikön pohjatuotteena saatavan asfalteenirikasteen jatkokäsittelyssä tutkittiin bitumin, raskaan ja erikoisraskaan polttoöljyn sekä bitumikomponentin valmistusta. Vaihtoehdoista laskettiin massataseet ja tuotteiden aineominaisuudet. Prosessivaihtoehdoista tehtiin kannattavuustarkastelu vuotuisten käyttökatteiden perusteella, joita verrattiin nykyiseen jalostamorakenteeseen perustuvaan perus-tapaukseen. Lopuksi tehtiin yhteenveto ja annettiin ehdotuksia jatkotutkimuksille.

CO2:n käyttö puhdistuksessa ja inerttinä kaasuna öljynjalostusympäristössä

Tutkimuksen tavoitteena on löytää CO2:lle puhdistus- ja inertointikohteita öljynjalostusympäristöstä. CO2:na käytettäisiin Porvoon vetylaitokselta sivutuotteena tulevaa CO2:a. Vetylaitokselta saatava CO2-virta ei ole riittävän puhdasta käytettäväksi suoraan pesuissa ja inertoinnissa. CO2:n eri olomuotoja voidaan käyttää puhdistuksessa. Tutkimuksen lähtökohtana olleen ylikriittisen CO2:n tehokkuus perustuu sen liuottavuuteen. Huonosti liukenevien aineiden liukoisuus ylikriittiseen CO2:in paranee lisäaineiden ja pinta-aktiivisten aineiden käytöllä. Kiinteä CO2 jäädyttää ja poistaa epäpuhtauden sublimoitumisesta aiheutuvan paineaallon voimasta. Kuivajääpuhdistus soveltuu parhaiten tasaisten pintojen puhdistamiseen. Ylikriittisellä CO2:lla onnistuu nykyisellä teknologialla vain pienien kappaleiden puhdistaminen. Kuivajääpuhdistuksen toimivuutta kokeiltiin käytännössä Neste Oilin Porvoon jalostamolla hyvin tuloksin. Tasaisilta pinnoilta saatiin poistetuksi bitumia ja rasvakerros. Käyttökustannusvertailussa osoittautui ylikriittistä CO2:a käyttävä laitteisto halvemmaksi ja kuivajääpuhallus kalliimmaksi kuin konventionaaliset menetelmät. Säiliöiden paineistamiseen ja inertointiin käytetään yleisesti N2:ä. N2:llä inertoitavia kohteita voitaisiin korvata CO2:lla. CO2:n käyttöä rajoittavia seikkoja on hinta ja sen reaktiivisuus alkalimetallien kanssa. Vertailtaessa näiden kahden liukoisuuksia hiilivetyihin osoittautui CO2 monin kerroin liukoisemmaksi. Tämän ominaisuuden ansiosta CO2 voisi olla hyvä väliaine laitteiden hiilivetyvapaaksi saattamisessa.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

Tämä diplomityö on osa projektia, joka tähtää ylikriittisellä painealueella toimivan läpivirtaustekniikkaan perustuvan kiertoleijukattilan toteuttamiseen. Diplomityössä määritetään mittausten perusteella vaaka- ja pystysuuntaisia lämmönsiirtoprofiileja kaupallisen kiertoleijukattilan tulipesässä. Lisäksi samaisen kattilan tulipesä mallinnetaan ja mallin parametrejä säädetään niin, että mallin tulokset saadaan vastaamaan mitattuja tuloksia mahdollisimman hyvin. Työn tavoitteena on antaa lisätietoa tulipesässä vapautuvan lämpötehon jakautumisesta tulipesän eri osien kesken. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa käsitellään kiertoleijukattilan tulipesän perusilmiöitä kuten leijutusta, lämmönsiirtoa, hydrodynamiikkaa ja palamista sekä tutustutaan muutamiin tulipesämalleihin. Lisäksi tarkastellaan ylikriittisen läpivirtauskattilan tarjoamia etuja perinteisiin kattilaratkaisuihin nähden. Diplomityössä on myös esitelty työhön liittyvä mittausprojekti.