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
-
Butla CO₂
-
Skraplacz
-
Przepływomierz
-
Pompa CO₂
-
Pompa współrozpuszczalnika
-
Podgrzewacz wstępny
-
Naczynie ekstrakcyjne (komora ekstrakcji)
-
Zawory wlotowe i wylotowe
-
Automatyczny regulator ciśnienia zwrotnego
-
Parownik
-
Separator
-
Pułapka zimna (Cold Trap)
-
Ręczny regulator ciśnienia zwrotnego
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:
- Nietoksyczność,
- Niepalność,
- Brak ekotoksyczności.
Ta kombinacja właściwości sprawia, że CO2 jest atrakcyjnym alternatywnym rozpuszczalnikiem dla przetwarzania przemysłowego.
Przykłady zastosowania ekstrakcji nadkrytycznym CO2
- 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)
- Rośliny przyprawowe i ich ekstrakty
- Pieprz czarny (Piper nigrum) → piperyna
- Wanilia (Vanilla planifolia) → wanilina
- Goździki (Syzygium aromaticum) → eugenol
- Rośliny o właściwościach leczniczych
- Nagietek lekarski (Calendula officinalis) → karotenoidy, flawonoidy
- Dziurawiec zwyczajny (Hypericum perforatum) → hiperforyna, hiperycyna
- Żeń-szeń (Panax ginseng) → ginsenozydy
- Rośliny zawierające substancje o działaniu psychoaktywnym
- Konopie (Cannabis sativa) → kannabinoidy (CBD, THC)
- Kawa (Coffea spp.) → kofeina, diterpeny (kafestol, kahweol)
- Kakao (Theobroma cacao) → teobromina, flawonoidy
- 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)
- 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
- Rośliny o działaniu adaptogennym i immunostymulującym
- Ashwagandha (Withania somnifera) → witanolidy
- Różeniec górski (Rhodiola rosea) → salidrozyd, rozawiny
- Maczużnik chiński (Cordyceps sinensis, grzyb) → kordycepin
- Rośliny kosmetyczne i dermatologiczne
- Nagietek (Calendula officinalis) → flawonoidy, karotenoidy
- Aloes (Aloe vera) → aloiny, polisacharydy
- Drzewo herbaciane (Melaleuca alternifolia) → olejek herbaciany (terpinen-4-ol)
- 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)
- Rośliny stosowane w przemyśle spożywczym i napojowym
- Chmiel (Humulus lupulus) → lupulony, humulony
- Lukrecja (Glycyrrhiza glabra) → kwas glicyryzynowy
- Cynamonowiec cejloński (Cinnamomum verum) → aldehyd cynamonowy
- 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)
- Rośliny barwnikowe
- Kurkumina (Curcuma longa) → kurkuminoidy
- Papryka (Capsicum annuum) → kapsaicyna, karotenoidy (luteina, beta-karoten)
- Winogrona (Vitis vinifera) → resweratrol, antocyjany
- 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.
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.
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
Ekstrakcja i przetwarzanie wodą w stanie nadkrytycznym i podkrytycznym
Aparatura firmy Core Separations do prowadzenia ekstrakcji i przetwarzania wodą w stanie nadkrytycznym i podkrytycznym.
Pompy do nadkrytycznego CO2
Pompy wysokociśnieniowe Core Separations do ciekłego CO2 oraz innych rozpuszczalników.
Zbiorniki ciśnieniowe do nadkrytycznego CO2
Zbiorniki o pojemności od 5 ml do 10 litrów | do 1100 barów | do 150°C.
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.
![Fundusze Europejskie](/wp-content/uploads/2020/04/unia3.png")