Ekstrakcja surowców roślinnych nadkrytycznym CO2 i H2O

Ekstrakcja nadkrytycznym dwutlenkiem węgla (CO₂) to zaawansowana metoda separacji wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym oraz zielarskim. Proces ten opiera się na wykorzystaniu CO₂ w stanie nadkrytycznym, czyli w warunkach temperatury powyżej 31,1°C i ciśnienia przekraczającego 74 bar. W tym stanie dwutlenek węgla wykazuje jednocześnie właściwości gazu i cieczy – ma wysoką zdolność penetracji, a jednocześnie działa jak rozpuszczalnik, umożliwiając skuteczną ekstrakcję pożądanych związków chemicznych.

Jedną z głównych zalet tej techniki jest jej selektywność oraz brak konieczności stosowania organicznych rozpuszczalników, co sprawia, że uzyskane ekstrakty są wolne od szkodliwych zanieczyszczeń. Ekstrakcja nadkrytycznym CO₂ pozwala na precyzyjne wydobycie substancji takich jak olejki eteryczne, związki fenolowe, alkaloidy, sterole czy kannabinoidy. W porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak ekstrakcja rozpuszczalnikowa czy destylacja, proces ten jest bardziej efektywny, ekologiczny i pozwala na lepsze zachowanie struktury chemicznej składników bioaktywnych.

Zastosowanie tej technologii stale się rozwija, umożliwiając produkcję wysokiej jakości ekstraktów roślinnych wykorzystywanych w suplementach diety, kosmetykach, żywności funkcjonalnej oraz medycynie.

Elementy systemu do ekstrakcji nadkrytycznym CO2 i ich funkcje

  1. Butla CO₂

  2. Skraplacz

  3. Przepływomierz

  4. Pompa CO₂

  5. Pompa współrozpuszczalnika

  6. Podgrzewacz wstępny

  7. Naczynie ekstrakcyjne (komora ekstrakcji)

  8. Zawory wlotowe i wylotowe

  9. Automatyczny regulator ciśnienia zwrotnego

  10. Parownik

  11. Separator

  12. Pułapka zimna (Cold Trap)

  13. Ręczny regulator ciśnienia zwrotnego

Core Separations ekstrakcja ekstraktor schemat

Zbiornik na CO₂

  • Przechowuje ciekły CO₂ pod ciśnieniem.
  • Może być wyposażony w system chłodzenia, aby zapobiec przedwczesnemu odparowaniu.

Pompa wysokociśnieniowa

  • Podnosi ciśnienie CO₂ do wartości nadkrytycznych (zwykle 74–350 bar).
  • Musi być odporna na wysokie ciśnienie i precyzyjnie dozować CO₂.
  • Chłodzenie CO2/pompy pozwala na utrzymanie CO2 w stanie ciekłym podczas pompowania

Podgrzewacz CO₂

  • Podgrzewa CO₂ do temperatury powyżej punktu krytycznego (powyżej 31,1°C).
  • Zapewnia utrzymanie CO₂ w stanie nadkrytycznym.

Ekstraktor (komora ekstrakcyjna)

  • Zawiera surowiec roślinny poddawany ekstrakcji.
  • Wypełniony nadkrytycznym CO₂, który rozpuszcza pożądane substancje.
  • Może mieć różne rozmiary (laboratoryjne do przemysłowych).

Separator

  • Oddziela wyekstrahowane substancje od CO₂ poprzez zmniejszenie ciśnienia i/lub temperatury.
  • W skład zestawu może wchodzić kilka separatorów dla różnych frakcji ekstraktu.

Regulator ciśnienia (zawór dekompresyjny)

  • Umożliwia kontrolowane obniżanie ciśnienia i odzysk CO₂.
  • Zapobiega gwałtownemu uwalnianiu gazu i strat CO₂.

System odzysku CO₂ (recyrkulacja CO₂ – element opcjonalny polecany przy większych zestawach)

  • Pozwala na ponowne wykorzystanie CO₂, co obniża koszty operacyjne.
  • Może zawierać kondensator do skraplania CO₂ i ponownego magazynowania.

System sterowania

  • Odpowiada za monitorowanie i regulację ciśnienia, temperatury i przepływu CO₂.
  • Może być manualny lub w pełni zautomatyzowany (PLC, interfejs HMI).

Dodatkowe elementy:

  • Filtry – zapobiegają przedostawaniu się cząstek stałych do układu.
  • Chłodnice – mogą być stosowane w celu lepszego odzysku CO₂.
  • Pompy wspomagające – np. dla współrozpuszczalników (etanol, woda) w niektórych metodach ekstrakcji, pozwalają za zwiększenie polarności CO2.
  • Przepływomierze – pozwalają na dokładniejszą kontrolę i sterowanie przepływem CO2

Cały system działa w zamkniętym obiegu, co czyni go wydajnym i ekologicznym, ponieważ CO₂ można ponownie wykorzystać.

Dlaczego warto stosować CO2 w stanie nadkrytycznym?

Ekstrakcja płynem nadkrytycznym (SFE) przy użyciu CO2 jest powszechnie stosowana do ekstrakcji związków ze stałych materiałów botanicznych ze względu na osiągalne ciśnienie i niską temperaturę (temperatura krytyczna i ciśnienie 31°C i 74 bar). Wykazuje szereg zalet charakterystycznych dla CO2 w porównaniu z tradycyjnymi alternatywami pochodzenia petrochemicznego.

Regulowana polaryzacja

CO2 jest dobrym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji cząsteczek lipofilowych i hydrofobowych, dlatego jest popularny w ekstrakcji produktów naturalnych. Są jednak chwile, kiedy produkt będący przedmiotem zainteresowania jest bardziej polarny. Polarność CO2 można regulować przez dodanie rozpuszczalnika o wyższej polarności, takiego jak etanol. Niewielki procent bardziej polarnych rozpuszczalników może mieć znaczący wpływ na to, które składniki są ekstrahowane. Może również pomóc w zmniejszeniu ciśnień wymaganych do ekstrakcji składników, takich jak polifenole.

Frakcjonowanie selektywne

Podczas ekstrakcji można dostosować warunki, aby zmienić gęstość CO2 w celu selektywnej ekstrakcji określonych składników. Ta sama dostrajalność jest możliwa po stronie odbiorczej ekstraktora. W systemie, który ma wiele separatorów z własnymi regulatorami ciśnienia wstecznego, warunki w każdym z nich można dostosować, aby uzyskać określoną gęstość. Selektywne wytrącanie różnych związków do każdego z separatorów.

Izolacja

Wyodrębnianie ekstraktu wymaga rozprężenia CO2. Wiąże się to ze zmianą fazy z płynu nadkrytycznego w gaz. Ta diametralna zmiana gęstości powoduje oddzielenie rozpuszczonych związków od CO2. Gazowy CO2 jest wtedy w stanie uciec, pozostawiając ekstrakt niezanieczyszczony płynem ekstrakcyjnym.

Recykling

Jeden z najpotężniejszych aspektów CO2 jako rozpuszczalnika można zaobserwować podczas zbierania produktu z separatora, gdy CO2 przechodzi ponownie w gaz, pozostawiając czysty produkt. Możemy również ponownie wykorzystać CO2, ponownie go sprężając. Najbardziej powszechną metodą jest obniżenie ciśnienia CO2 w końcowym kolektorze do 55 barów (ciśnienie w butli), tak aby można go było zawrócić z powrotem do zbiornika do ponownego użycia.

Może to jednak stanowić pewne wyzwanie, ponieważ ekstrahowany materiał może przenosić się i powodować blokady. Przenoszony materiał może również zanieczyścić proces ekstrakcji. Dzięki zrozumieniu warunków materiałowych i procesowych efekty te można zminimalizować i/lub usunąć.

Odpowiedzialność za środowisko

W przeciwieństwie do innych ekstrakcji rozpuszczalnikowych, CO2 jest odzyskiwany z innych procesów przemysłowych jako produkt uboczny. Jest oczyszczany i przechowywany w stanie gotowym do użycia w wielu różnych procesach, w tym w ekstrakcjach CO2 w stanie nadkrytycznym. Odnawialny i obfity charakter CO2 jest jedną z najbardziej atrakcyjnych właściwości przy stosowaniu CO2 jako alternatywnego rozpuszczalnika, jednak ma również inne zalety:

  1. Nietoksyczność,
  2. Niepalność,
  3. Brak ekotoksyczności.

Ta kombinacja właściwości sprawia, że CO2 jest atrakcyjnym alternatywnym rozpuszczalnikiem dla przetwarzania przemysłowego.

Przykłady zastosowania ekstrakcji nadkrytycznym CO2

  1. Rośliny olejkodajne i ich składniki aktywne
  • Lawenda (Lavandula spp.) → olejek lawendowy (linalol, octan linalilu)
  • Mięta pieprzowa (Mentha × piperita) → olejek miętowy (mentol, menton)
  • Róża damasceńska (Rosa damascena) → olejek różany (geraniol, cytronelol, nerol)
  1. Rośliny przyprawowe i ich ekstrakty
  • Pieprz czarny (Piper nigrum) → piperyna
  • Wanilia (Vanilla planifolia) → wanilina
  • Goździki (Syzygium aromaticum) → eugenol
  1. Rośliny o właściwościach leczniczych
  • Nagietek lekarski (Calendula officinalis) → karotenoidy, flawonoidy
  • Dziurawiec zwyczajny (Hypericum perforatum) → hiperforyna, hiperycyna
  • Żeń-szeń (Panax ginseng) → ginsenozydy
  1. Rośliny zawierające substancje o działaniu psychoaktywnym
  • Konopie (Cannabis sativa) → kannabinoidy (CBD, THC)
  • Kawa (Coffea spp.) → kofeina, diterpeny (kafestol, kahweol)
  • Kakao (Theobroma cacao) → teobromina, flawonoidy
  1. Rośliny bogate w lipidy i kwasy tłuszczowe
  • Oliwka europejska (Olea europaea) → olej oliwkowy (kwas oleinowy, skwalen)
  • Len zwyczajny (Linum usitatissimum) → olej lniany (kwas α-linolenowy)
  • Orzechy włoskie (Juglans regia) → olej z orzecha włoskiego (kwasy omega-3)
  1. Rośliny zawierające antyoksydanty i związki bioaktywne
  • Rozmaryn lekarski (Rosmarinus officinalis) → kwas rozmarynowy, karnozol, karnozyna
  • Czarnuszka (Nigella sativa) → tymochinon, olej czarnuszkowy
  • Ostropest plamisty (Silybum marianum) → sylimaryna
  1. Rośliny o działaniu adaptogennym i immunostymulującym
  • Ashwagandha (Withania somnifera) → witanolidy
  • Różeniec górski (Rhodiola rosea) → salidrozyd, rozawiny
  • Maczużnik chiński (Cordyceps sinensis, grzyb) → kordycepin
  1. Rośliny kosmetyczne i dermatologiczne
  • Nagietek (Calendula officinalis) → flawonoidy, karotenoidy
  • Aloes (Aloe vera) → aloiny, polisacharydy
  • Drzewo herbaciane (Melaleuca alternifolia) → olejek herbaciany (terpinen-4-ol)
  1. Rośliny aromatyczne stosowane w perfumerii
  • Jaśmin (Jasminum grandiflorum) → estry jaśminowe (benzoesan benzylu)
  • Drzewo sandałowe (Santalum album) → olejek sandałowy (α-santalol, β-santalol)
  • Kardamon (Elettaria cardamomum) → olejek kardamonowy (1,8-cyneol, α-terpineol)
  1. Rośliny stosowane w przemyśle spożywczym i napojowym
  • Chmiel (Humulus lupulus) → lupulony, humulony
  • Lukrecja (Glycyrrhiza glabra) → kwas glicyryzynowy
  • Cynamonowiec cejloński (Cinnamomum verum) → aldehyd cynamonowy
  1. Rośliny bogate w alkaloidy
  • Krzew herbaciany (Camellia sinensis) → teina (kofeina), katechiny
  • Guarana (Paullinia cupana) → kofeina, teobromina
  • Mak lekarski (Papaver somniferum) → alkaloidy opium (morfinę, kodeinę – choć ekstrakcja CO₂ nie jest najczęściej stosowaną metodą)
  1. Rośliny barwnikowe
  • Kurkumina (Curcuma longa) → kurkuminoidy
  • Papryka (Capsicum annuum) → kapsaicyna, karotenoidy (luteina, beta-karoten)
  • Winogrona (Vitis vinifera) → resweratrol, antocyjany
  1. Rośliny włókniste i przemysłowe
  • Bawełna (Gossypium spp.) → olej bawełniany
  • Len (Linum usitatissimum) → lignany (secoisolariciresinol diglukozyd, SDG)
  • Konopie (Cannabis sativa) → kannabinoidy (CBD, CBG, THC – w zależności od odmiany)

Oczyszczanie produktów po ekstrakcji nadkrytycznym CO₂ za pomocą chromatografii flash

Ekstrakcja nadkrytycznym CO₂ to skuteczna i ekologiczna metoda pozyskiwania cennych związków z surowców roślinnych, jednak uzyskane ekstrakty często zawierają mieszankę różnych substancji, które wymagają dalszego oczyszczania. Jedną z najczęściej stosowanych technik separacji i oczyszczania jest chromatografia flash, pozwalająca na szybkie i efektywne frakcjonowanie ekstraktów w celu uzyskania pożądanych składników o wysokiej czystości.

Zasada działania chromatografii flash

Chromatografia flash to metoda oparta na technice chromatografii kolumnowej, w której rozdział substancji zachodzi na kolumnie wypełnionej fazą stacjonarną (najczęściej krzemionką lub innymi sorbentami o różnej polarności). Próbka ekstraktu jest nanoszona na kolumnę, a następnie elucjonowana przy użyciu odpowiednio dobranej fazy ruchomej (rozpuszczalnika lub ich mieszaniny), co umożliwia selektywne wypłukiwanie składników w zależności od ich właściwości fizykochemicznych, takich jak polarność czy masa cząsteczkowa.

Dzięki zastosowaniu chromatografii flash ekstrakty uzyskane metodą nadkrytycznego CO₂ mogą zostać skutecznie oczyszczone, co pozwala na uzyskanie składników o wysokiej czystości i zwiększa ich wartość w zastosowaniach farmaceutycznych, kosmetycznych i spożywczych.

Przykład zastosowania – oczyszczanie ekstraktów konopi za pomocą chromatografii Flash w celu usunięcia THC

Ekstrakty konopne uzyskiwane metodą ekstrakcji nadkrytycznym CO₂ zawierają pełne spektrum kannabinoidów, terpenów i innych związków bioaktywnych. W wielu zastosowaniach, szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym, wymagana jest eliminacja tetrahydrokannabinolu (THC) z ekstraktów, aby uzyskać produkt wolny od efektów psychoaktywnych. Jedną z najskuteczniejszych metod oczyszczania ekstraktu konopnego z THC jest chromatografia Flash, która pozwala na szybkie i selektywne rozdzielenie kannabinoidów.

Dzięki chromatografii flash możliwe jest skuteczne oczyszczanie ekstraktów konopnych i eliminacja THC, co pozwala na uzyskanie bezpiecznych produktów zgodnych z regulacjami prawnymi. Oczyszczony ekstrakt może być wykorzystywany w produkcji olejów CBD, farmaceutyków oraz suplementów diety o wysokiej czystości.

olej kannabinoidy thc ekstrakcja, cannabis

Dostępne rozwiązania w obszarze ekstrakcji nadkrytycznej

Urządzenie do wielostanowiskowej ekstrakcji nadkrytycznym CO2 – system screeningowy Core ESS

Core ESS jest systemem do wielostanowiskowej ekstrakcji nakrytycznym CO2, który umożliwia jednoczesne prowadzenie do 8 procesów w warunkach nadkrytycznych, w celu optymalizacji procesu ekstrakcji. Urządzenie może pracować za równo z nadkrytycznym CO2, CO2 z modyfikatorem lub czystym rozpuszczalnikiem.

Core Separations ESS, ekstrakcja system wielostanowiskowy, wielostanowiskowa ekstrakcja nadkrytycznym CO2

Ekstraktory do ekstrakcji nadkrytycznym CO2

Szeroki wybór pełnoskalowych urządzeń do ekstrakcji nadkrytycznym CO2. Szeroki zakres objętości naczyń ekstrakcyjnych i akcesoriów, pozwalających na prowadzenie ekstrakcji w skali laboratoryjnej, półprzemysłowej lub przemysłowej.

System laboratoryjne: 100 mL – 5 L

Systemy pilotażowe/produkcyjne: 10 – 200 L

Core Separations ESS, ekstrakcja system wielostanowiskowy, wielostanowiskowa ekstrakcja nadkrytycznym CO2

Ekstrakcja i przetwarzanie wodą w stanie nadkrytycznym i podkrytycznym

Aparatura firmy Core Separations do prowadzenia ekstrakcji i przetwarzania wodą w stanie nadkrytycznym i podkrytycznym.

Core Separations ekstrakcja system wielostanowiskowy, wielostanowiskowa ekstrakcja nadkrytycznym H2O, ekstrakcja nadkrytyczną wodą

Pompy do nadkrytycznego CO2

Pompy wysokociśnieniowe Core Separations do ciekłego CO2 oraz innych rozpuszczalników.

Core Separations ESS, ekstrakcja system wielostanowiskowy, wielostanowiskowa ekstrakcja nadkrytycznym CO2, pompa, pompy

Zbiorniki ciśnieniowe do nadkrytycznego CO2

Zbiorniki o pojemności od 5 ml do 10 litrów | do 1100 barów | do 150°C.

Core Separations ekstrakcja system wielostanowiskowy, wielostanowiskowa ekstrakcja nadkrytycznym CO2

Chromatografy Flash

Chromatografy pozwalające na pracę z przepływami nawet do 1000 mL/min i ciśnieniu 100 bar.

Urządzenia do rozdziałów wykorzystują plastikowe kolumny wypełnione żelem krzemionkowym (pracujące w układzie faz normalnych lub odwróconych), które można zamawiać fabrycznie napełnione lub samodzielnie napełniać, w celu obniżenia kosztów eksploatacji.

SepaBean chromatograf Flash