Technika ekstrakcji dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (SFE) (2/2)

Technika ekstrakcji dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (SFE) (2/2)

Ekstrakcja CO2 zapewnia naturalny skład i nie powoduje degradacji składników ekstraktu. Przede wszystkim technika ta nie wymaga stosowania wysokich temperatur, które często wymagane są przy ekstrakcji rozpuszczalnikowej (zwłaszcza gdy stosowane są amatorskie metody, np. destylacji czy odparowania rozpuszczalnika poprzez grzanie), więc nie zachodzi degradacja termiczna [1]. Degradacja termiczna to nie tylko zmiana koloru ze złocistego (naturalny kolor kannabinoidów) na brunatny czy wręcz czarny. Najgorsze jest niewidoczne dla oczu – procesy oksydacji, izomeryzacji czy polimeryzacji, którym sprzyja podwyższona temperatura, mogą powodować niszczenie wielu cennych składników ekstraktu, a co gorsza, często wręcz zamieniają pożyteczne składniki w substancje szkodliwe dla organizmu. Przykładem są chociażby terpeny, które pod wpływem utleniania mogą nabierać właściwości podrażniających, alergizujących i prozapalnych [2]. Oczywiście proces SFE nie trzeba, ale można prowadzić w podwyższonej temperaturze (dowolnej powyżej 31°C), ale nawet wówczas procesy utleniania (oksydacji) nie będą zachodzić z tego prostego względu, że w instalacji nie ma tlenu, jest tylko czysty i kompletnie obojętny chemicznie (nie wchodzący w żadne reakcje) dwutlenek węgla.

SFE należy do tak zwanych zielonych technologii, czyli jest technologią sprzyjającą środowisku. Przede wszystkim, w przeciwieństwie do ekstrakcji rozpuszczalnikami, nie generuje toksycznych odpadów, które trafiając do wód, gleb i powietrza, obciążają środowisko naturalne. Co więcej, konstrukcja instalacji do ekstrakcji dwutlenkiem węgla pozwala na jego cyrkulację w obiegu zamkniętym, więc nawet zużycie CO2 jest zminimalizowane [3].

SFE należy do całej grupy innowacyjnych technologii wykorzystujących płyny w stanie nadkrytycznym, które ze względu na swoje zalety znajdują coraz większe zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, w tym spożywczego i farmaceutycznego. Oprócz technik ekstrakcyjnych i separacyjnych, CO2 jest bowiem również wykorzystywany jako idealne medium do prowadzenia różnego rodzaju reakcji, procesów mikronizacji, krystalizacji, impregnacji i wielu innych [4]. Moim osobiście ulubionym zastosowaniem jest z kolei chromatografia z fazą ruchomą w stanie nadkrytycznym (SFC).

Uproszczony schemat podstawowej instalacji do ekstrakcji CO2 w stanie nadkrytycznym przedstawiony został na powyższym rysunku.

W najprostszej wersji instalacji do ekstrakcji w stanie nadkrytycznym, dwutlenek węgla w postaci ciekłej (np. z butli lub zbiornika) dostarczany jest do pompy, która ‘nabija’ ekstraktor, w którym znajduje się materiał roślinny, do uzyskania zadanego ciśnienia. Jednocześnie ekstraktor jest podgrzewany do zadanej temperatury powyżej temperatury krytycznej. Gdy osiągnięty zostaje stan nadkrytyczny, rozpoczyna się właściwy proces ekstrakcji. Dwutlenek węgla krąży w obiegu i to co ‘wyciągnie’ z materiału roślinnego w ekstraktorze, to ‘wyrzuca’ w znajdującym się za ekstraktorem zbiorniku, zwanym separatorem. Jest to możliwe dzięki temu, że w separatorze panują z kolei warunki takie, że CO2 ze stanu nadkrytycznego przechodzi nagle w stan gazowy. Gaz nie ma zdolności ekstrakcji, więc substancje wyekstrahowane przed chwilą w stanie nadkrytycznym, ‘wytrącają’ się w czasie rozprężania do stanu gazowego. Cykl zamyka przejście ze stanu gazowego z powrotem w stan ciekły poprzez wykroplenie gazu w chłodziarce. Ciekły CO2 wraca do pompy, ekstraktora, separatora i tak w kółko, aż wszystko zostanie wyciągnięte z materiału roślinnego. Oczywiście schemat pokazuje jedynie zasadę działania tej techniki, a w zależności od zastosowanych rozwiązań technologicznych, instalacje do SFE mogą być dużo bardziej skomplikowane i służyć do wielorakich celów [5].

Optymalne warunki ekstrakcji dobiera się eksperymentalnie. Jest to technika mocno empiryczna i znawcy tej techniki doskonale wiedzą, jak często stan nadkrytyczny wymyka się teoretycznym założeniom. Wynika to z wielu przyczyn. Przede wszystkim ze złożoności składu materiałów poddawanych ekstrakcji i wzajemnym między nimi oddziaływaniom. Poza tym, nie ma jednego stanu nadkrytycznego. Każda kombinacja temperatury i ciśnienia powyżej wartości nadkrytycznych (a także wielu innych warunków, o których jednak nie wspominam, aby nie komplikować sprawy) będzie dawała stan nadkrytyczny o trochę innych zdolnościach ekstrakcji. Jest to jedna z wielu zalet tej techniki – skład uzyskiwanego ekstraktu można zmieniać w zależności od zastosowanych warunków ekstrakcji [6]. W procesie produkcji olejków CannabiGold wykorzystujemy wszystkie możliwości tej techniki i dlatego opracowaliśmy odrębne procesy produkcji dla każdej linii olejków. Oznacza to, że produkt 5% otrzymywany jest nieco inaczej niż np. produkt 20%, a nie jest (jak w przypadku większości dostępnych na rynku preparatów) po prostu rozcieńczeniem bardziej stężonej pasty otrzymywanej w przypadkowych warunkach.

Dr inż. Beata Plutowska

Literatura:

[1] Sovova H., Stateva R.P. Supercritical fluid extraction from vegetable materials. Rev Chem Eng 27 (2011) 79-156.
[2] Turek C., Stintzing F. C. Stability of essentail oils: a review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 12 (2013) 40-53.
[3] de Melo M.M.R., Silvestre A.J.D., Silva C.M. Supercritical fluid extraction of vegetable matrices: Applications, trends and future perspectives of a convincing green technology. The Journal of Supercritical Fluids 92 (2014) 115-176.
[4] Marentis R., Hsu J.T. Supercritical fluid extraction of nutraceutical products. 4th Brazilian Meeting on Supercritical Fluids EBFS 2001
[5] Pourmortazavi S.M., Hajimirsadeghi S.S. Supercritical fluid extraction in plant essential and volatile oil analysis. Journal of Chromatography A 1163 (2007) 2-24.
[6] Reverchon E. Supercritical fluid extraction and fractionation of essential oils and related products. Journal of Supercritical Fluids 10 (1997) 1-37.