tecniche estrattive

l'estrattore Soxhlet

animazione: www.amphora-society.com

Come si può vedere, il solvente è riscaldato nella caldaia in basso ed il vapore puro sale attraverso il tubo di bypass, unico percorso possibile, e raggiunge la parte superiore del contenitore di Soxhlet, che è chiuso in basso. Il vapore continua ad salire fino a che non viene a contatto del condensatore, allora il liquido gocciola giù nel ditale (sostituibile) che contiene il materiale dal quale desideriamo estrarre le sostanze. Questo ditale è poroso, in modo che trattiene non solo il prodotto solido, come semi o bacche, ma agisce anche da filtro evitando che il materiale blocchi il tubo del sifone. Quando il livello del liquido nel contenitore di Soxhlet raggiunge lo stesso livello della parte superiore del sifone, il liquido contenente i residui dissolti è travasato nuovamente dentro la caldaia.

L'animazione mostra che il livello di liquido nel ditale diminuisce più lentamente del liquido circostante, poiché il liquido nel ditale deve impregnarsi dai lati porosi e questo accade solo quando il livello del liquido nel contenitore scende sotto il livello nel ditale.

Il risultato finale è che il materiale nel ditale è sottoposto ad un ripetuto impregnamento nel solvente puro, e questo rende il processo molto più efficiente di un'impregnazione continua in un solvente che in cui la concentrazione dei residui estratti aumenta costantemente, giacché forma uno strato che ne impedisce progressivamente la liberazione della matrice.

http://www.amphora-society.com/Activities/Soxhlet/Extractor/extractor.html

la tecnica dell'estrazione con CO₂ supercritico

Il diagramma di stato del biossido di carbonio (v. avanti), visualizza le varie fasi (solido, liquido, vapore) in funzione della pressione e della temperatura. Il biossido di carbonio, alla temperatura di 37,7 °C e pressione di 68 atm, si trova nello stato supercritico, in cui non c'è distinzione fra fase vapore e fase liquida (v. sequenza fotografica seguente).

fotogrammi che illustrano la sequenza della transizione a biossido di carbonio superfluido (foto NASA)

Aumentando la temperatura a pressione costante (68 atm), il CO₂ rimane nello stato supercritico, e così amche aumentando la pressione a temperatura costante (37,7 °C): si individuano così due semirette - rispettivamente parallele all'asse delle temperature ed a quello delle pressioni - che definiscono la zona in cui si ha lo stato supercritico. In particolare, all'interno di questo stato, le varie combinazioni possibili di pressione e temperatura variano le proprietà solubilizzanti del biossido di carbonio.

diagramma di fase del biossido di carbonio

Anche se i fluidi supercritici sono molto caldi e l'estrazione industriale deve considerare il costo della produzione e della relative sicurezza e protezione dell'ambiente, il CO₂ è un fluido supercritico ideale per l'estrazione perché è poco costoso, si ottiene facilmente e la temperatura e la pressione critiche sono più basse ed il calore latente di evaporazione è anche più basso. I vantaggi del CO₂ supercritico sono i seguenti:

• la capacità estrattiva del CO₂ supercritico dipende dalla densità del liquido, dalle condizioni operative (pressione e temperatura) che possono cambiare le sue proprietà solventi e realizzare l'estrazione selettiva. Poiché la permeabilità è forte, il tempo di estrazione estrattivo può essere notevolmente più breve di quello richiesto dal dell'estrazione con il comune solvente;
• il CO₂ è inodore, non tossico, non danneggia lo strato di ozono e non contamina prodotti e ambiente. Conformandosi ai più elevati requisiti della moderna qualità produttiva industriale, il materiale residuo può essere riciclato senza alcun trattamento;
• la temperatura di lavoro è vicina alla temperatura ambiente, particolarmente adatta a materiale sensibile al calore, che verrebbe decomposto dala trattamento termico. L'elevata efficienza estrattiva e la qualità del prodotto ottenuto non possono essere ottenuti con altri metodi estrattivi;
• il CO₂ supercritico è poco costoso, non brucia e non esplode, rimuovendo il pericolo dall'estrazione con solventi organici. Così è sicuro;
• il ricupero del solvente è semplice e conveniente e può risparmiare risorse energetiche;
• riunisce l'estrazione e la rimozione in una tecnica unica, abbreviando notevolmente i tempi di lavorazione in modo semplice e conveniente.

A fronte di questi vantaggi, presenta un'unica limitazione rispetto ai solventi organici: una minor capacità solubilizzante per i composti solubili in acqua.

procedimento industriale mediante CO₂ superfluida

Lo schema in figura mostra i componenti fondamentali che costituiscono un sistema di riciclo del CO₂ supercritico. Il biossido di carbonio, che può essere immagazzinato sia in fase gassosa che liquida, è compresso mediante una pompa al di sopra della sua pressione critica. Il biossido di carbonio compresso è quindi riscaldato sopra la sua temperatura critica in un riscaldatore, o a volte in una camera detergente, producendo CO₂ supercritico. Tutte le parti della camera di pulizia sono pulite dall'esposizione al CO₂ supercritico. Tipicamente la camera di pulizia include un agitatore per accelerare il processo.

schema semplificato del processo estrattivo di droghe vegetali mediante CO2 supercritico. Cliccando sul bottone si visualizza in una nuova finestra lo schema industriale.

Il CO₂ supercritico contiene particelle contaminanti dissolte che sono espulse in una camera separatrice, dove il biossido di carbonio supercritico è decompresso e ritorna in fase liquida per essere immagazzinato e riutilizzato. Questo ciclo chiuso per il ricupero del CO₂ comporta che solo una piccola frazione della soluzione detergente deve essere rimpiazzata per compensare le perdite del sistema. Le parti pulite possono essere rimosse dalla camera e sono pronte per la fase successiva del processo di lavorazione, dal momento che non è richiesta alcuna procedura di essiccazione e risciacquo per rimuovere i residui della soluzione detergente.

L’utilizzo di fluidi supercritici (SFE, Supercritical Fluid Extraction) per trovare delle alternative ai metodi di estrazione classici, vede - come detto - in primo piano il biossido di carbonio, che in fase supercritica assume le caratteristiche di solvente non polare ed è paragonabile al n-esano; con questo metodo è perciò possibile estrarre composti non polari da matrici solide. Il vantaggio di questa tecnica è che alla fine dell’estrazione il solvente, il biossido di carbonio, viene allontanato sotto forma di gas dando la possibilità di recuperare i composti estratti concentrati. Questa tecnica trova delle applicazioni nell’estrazione dell’olio dai semi, della caffeina dal caffè, della nicotina dal tabacco etc., ma è comunque conveniente solo a livello industriale e non universalmente applicabile.

Naviglio Estrattore® o Estrattore Rapido Solido-liquido Dinamico

rappresentazione schematica del funzionamento del Naviglio Estrattore®

Alla base delle camere di estrazione (i due cilindri muniti di pistone mobile) sono posti due setti porosi che lasciano passare il liquido e le sostanze in esso disciolte, mentre bloccano le particelle grossolane di materiale solido. Le due camere di estrazione sono messe in comunicazione tramite un condotto su cui viene inserita una elettrovalvola che resta chiusa per tutto il tempo totale dell’estrazioneper ed è utilizzata solo per la raccolta del solvente.

Il materiale solido da estrarre viene posto nelle camere di estrazione che in séguito vengono riempite completamente con il solvente estraente (organico o inorganico o loro miscele). Quando i pistoni spingono contemporaneamente si ha l’aumento di pressione del sistema e di conseguenza la "fase di statica"; quando i pistoni vengono spostati dalla posizione di equilibrio inizia la "fase di dinamica", che viene completata con l’alternarsi delle spinte dei due pistoni.

Questa nuova tecnologia estrattiva sostituisce ottimamente tutte le tecniche estrattive solido-liquido attualmente esistenti ed apporta delle considerevoli novità e vantaggi nell’ottenimento di estratti di qualità. Innanzitutto non è necessario riscaldare il sistema estrattivo in quanto l’azione esercitata è di tipo meccanico; le tecniche estrattive attuali (percolazione, Soxhlet, distillazione in corrente di vapore, ultrasuoni) tendono ad aumentare la temperatura per aumentare l’efficienza estrattiva, poiché esse si basano sulla diffusione e sull’osmosi, principi dipendenti entrambi dalla temperatura; nel caso di composti termolabili l’aumento di temperatura contribuisce alla loro degradazione.

Nel Naviglio Estrattore®, essendo l’azione estrattiva di tipo meccanico, bastano pochi cicli estrattivi, circa venti, che si concludono in circa due ore, per portare a completo esaurimento qualsiasi matrice solida che contiene del materiale estraibile. Perciò, nei confronti della macerazione, che è un metodo ufficiale di estrazione in molti processi, l’estrazione è rapida ed esauriente allo stesso tempo. Inoltre, è possibile effettuare una estrazione acquosa grazie ai ridotti tempi di estrazione, cosa impossibile da realizzare per macerazione.

Il Naviglio Estrattore® è una tecnica poco costosa e richiede un dispendio energetico minimo, se paragonata all’estrazione con fluidi supercritici (Anidride carbonica supercritica) o all’estrattore ASE® (Accelerated Solvent Extraction) brevetto della Dionex americana.

Riassumendo, i principali vantaggi del Naviglio Estrattore® sono: esaurimento in tempi brevi delle matrici solide, contenenti sostanze estraibili, a temperature operative basse (Ambiente o sub-ambiente) e, in aggiunta, riproducibilità dell’estrazione; di conseguenza gli estratti risultano standardizzati per il contenuto di principi attivi. Queste caratteristiche garantiscono la produzione di estratti di qualità. Nessuna tecnica di estrazione solido-liquido attualmente esistente fornisce contemporaneamente tutti i vantaggi sopra esposti.

L’impiego più importante del Naviglio Estrattore® è nel settore delle piante officinali; la Farmacopea Ufficiale impone una estrazione di ventuno giorni in macerazione per l’ottenimento dell’estratto; industrialmente l’estrazione viene condotta utilizzando dei percolatori che consentono di ottenere una grande quantità di estratto in tempi brevi, impiegando un blando riscaldamento del sistema e sacrificando la completezza della estrazione. Prove analitiche di confronto hanno evidenziato che gli estratti ottenuti con il Naviglio Estrattore® contengono una quantità di princìpi attivi maggiore di quella ottenibile con le tecniche ufficiali ed industriali. In questo settore l’importanza di ottenere estratti con princìpi attivi non degradati sta nel fatto che aumenta l’attività farmacologia degli estratti stessi.

Anche nell’industria delle bevande trova utile impiego il Naviglio Estrattore® rispetto alla macerazione per tutta una seria di bevande alcoliche derivanti da estratti in alcol etilico di bucce di agrumi (limone, mandarino, arancio etc.) oppure da erbe come nel caso degli amari. Nell’industria dei profumi è ancóra possibile ottenere degli estratti di piante odorose e aromatiche in alternativa alla macerazione.

Il Naviglio Estrattore® è dimensionabile a diverse grandezze, da quelle industriali (100-1000 L) fino a quelle di laboratorio o casalinghe per soddisfare delle esigenze più limitate di produzione. Ad esempio, il modello per uso laboratorio che lavora dai 50 ai 500 mL è un’ ottima alternativa al metodo di estrazione ufficiale del Soxhlet; esso consente di ridurre i tempi nella preparazione del campione, aumenta la resa dell’estrazione e, nel caso di composti termolabili evita la loro degradazione.

Nell'animazione sono schematizzate le camere di estrazione con la matrice solida da estrarre ed il solvente estraente. Il riempimento avviene a pressione atmosferica e l’indicatore di pressione segna il valore zero. Sul fondo delle due camere cilindriche di estrazione sono posti due setti porosi che consentono il passaggio del liquido e bloccano la matrice solida ed eventuali parti grossolane di materiale.

1. il sistema, dopo il riempimento, viene chiuso e messo sotto pressione dall’azione meccanica di due pistoni spinti ad aria compressa. La pressione esercitata dai pistoni viene trasferita a tutta la massa liquida poiché le due camere di estrazione sono collegate tramite un condotto.
2. fase di statica: quando viene raggiunto il valore massimo di pressione impostata (5 atm), il sistema viene fermato per il tempo necessario a stabilire un equilibrio tra l’interno e l’esterno della matrice solida; il liquido penetra all’interno del solido e permea tutti gli spazi vuoti attraversando anche le pareti cellulari dei vegetali in una maniera più efficace rispetto alla macerazione.
3. fase di dinamica: trascorso la fase precedente, i pistoni vengono rapidamente messi in movimento, generando così un abbassamento immediato della pressione nel sistema (1 atm). Inizia così la fase estrattivo; le sostanze estraibili (schematizzate da quadretti colorati in rosso e giallo) vengono trasferite nel solvente estraente per un effetto di “risucchio” dovuto al gradiente di pressione negativo venuto a crearsi tra l’interno e l’esterno della matrice solida. Inoltre, il movimento dei pistoni produce un rimescolamento del liquido in tutto il sistema che evita la formazione di zone di sovrassaturazione dei composti estratti in prossimità della superficie del solido.

L’alternarsi di una fase di statica con una di dinamica costituisce un ciclo estrattivo; reiterando più cicli estrattivi si giunge al completo esaurimento della matrice solida. Alla fine dell’estrazione il solvente estraente viene espulso attraverso una elettrovalvola e raccolto in un apposito contenitore

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Marcello Guidotti, copyright 2004
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