Processo

ESTRAZIONE CON FLUIDI SUPERCRITICI (SFE)

L’estrazione con fluidi supercritici, o supercritical fluid extraction (SFE), rappresenta una valida alternativa ai sistemi classici di estrazione con solvente e ad altre tecniche, come di stillazione frazionata, estrazione in corrente di vapore e desorbimento termico. Per comprendere al meglio le potenzialità e i vantaggi dei fluidi supercritici, è importante esaminare le caratteristiche dello stato supercritico e le proprietà dei fluidi supercritici.

LO STATO SUPERCRITICO

Il diagramma di fase di una sostanza evidenzia aree nelle quali questa esiste sotto forma di solido, di liquido o di gas, nonché un punto triplo in cui le tre fasi coesistono (Fig. 1). Le curve del grafico rappresentano la coesistenza di diverse fasi. Spostandosi da sinistra a destra lungo la curva di coesistenza gas-liquido (che rappresenta le variazioni della pressione di vapore in funzione della temperatura), aumentano sia la temperatura sia la pressione, e di conseguenza il liquido diviene via via meno denso a causa dell’espansione termica, mentre il gas diviene via via più denso a causa dell’aumento di pressione. Continuando a spostarsi verso destra lungo la curva, si arriva a un punto nel quale le densità delle due fasi coincido no e non vi è più distinzione tra fase gassosa e fase liquida (punto critico). In tale punto la sostanza viene descritta come un fluido supercritico: sul diagramma di fase il punto critico è individuato dalle coordinate di pressione critica (Pc) e temperatura critica (Tc), che assumo no valori diversi a seconda della sostanza in esame.

PROPRIETA’ DEI FLUIDI SUPERCRITICI

Quando viene portata a valori di temperatura e pressione superiori, rispettivamente, a Tc e Pc, una sostanza assume caratteristiche fisiche particolari intermedie tra quelle di un liquido e quelle di un gas: scompare la differenza tra stato liquido e stato gassoso e la sostanza può essere descritta solo come un “fluido” di densità uniforme che, all’aumentare della pressione, si avvicina a quella di un solvente liquido. Nel contempo, i fluidi supercritici hanno viscosità simile a quella di un gas (molto bassa). Semplificando, un fluido in queste condizioni potrebbe essere definito come un gas “molto denso”. Il fluido supercritico esiste quindi come singola fase (né liquida, né gassosa) e non può es sere liquefatto o vaporizzato aumentando la temperatura o la pressione. Aggiustando opportunamente la temperatura o la pressione (o entrambe), si possono variare la densità e le altre proprietà del fluido per adattarle alla solubilità dei diversi componenti di specifico interesse, rendendo l’estrazione altamente selettiva.

PRINCIPI E VANTAGGI DELLA TECNICA

La SFE non utilizza un solvente organico bensì un fluido supercritico, che, come si è visto, rende più rapido ed efficiente il processo di estrazione. Secondo la definizione IUPAC, un fluido supercritico è qualsiasi elemento, sostanza o miscela riscaldato sopra la temperatura critica (Tc) e pressurizzato sopra la pressione critica (Pc); nella pratica per la maggior parte delle applicazioni si utilizza CO2 supercritica. L’estrazione è condotta in celle d’acciaio che vengono caricate con il campione macinato. Una pompa invia la CO2 alla cella termostatata dove avviene l’estrazione in condizioni di temperatura e pressione supercritiche. All’uscita della cella la pressione si abbassa e la CO2 evapora completamente, rilasciando i soluti estratti.

Come già discusso, i fluidi supercritici hanno proprietà intermedie tra quelle di un liquido e quelle di un gas; in particolare hanno densità simile a quella di un liquido e viscosità simile a quella di un gas. Poiché il potere solvente di un fluido è correlato direttamente alla densità, ne consegue che, rispetto a una classica estrazione con solvente, l’estrazione con un fluido supercritico di comparabile potere solvatante (densità) richiede meno tempo. Grazie alla minore viscosità, il fluido supercritico è inoltre in grado di penetrare in profondità nella matrice del campione; per tanto il trasferimento di massa (diffusione) dell’analita dalla matrice risulterà più rapido rispetto a quello dell’estrazione classica con solvente. Tutto ciò può significare minor consumo di solvente e, di conseguenza, costi ridotti rispetto alle tradizionali estrazioni liquido-liquido o mediante Soxhlet (considerando anche gli oneri correlati allo smaltimento dei solventi). Scegliendo opportunamente il fluido supercritico, le condizioni di temperatura e pressione e la modalità di raccolta del campione, l’estrazione può essere resa altamente selettiva nei confronti dell’analita di interesse. Ciò significa che gli estratti ottenuti saranno più puliti (conterranno meno interferenti), rispetto a quelli ottenuti con solventi organici, e non necessiteranno di ulteriore purificazione prima della determinazione analitica finale. Altri vantaggi offerti da questa tecnica sono la possibilità di automazione e l’applicabilità ai settori più svariati (polimeri, alimentare, farmaceutico, ambientale). In definitiva la SFE rappresenta una valida alternativa alla tradizionale estrazione con solvente, in quanto limita il consumo di solventi organici, riduce i tempi di analisi e può essere facilmente automatizzata.

CAMPI IN CUI IL PROCESSO SUPERCRITICO PUO’ ESSERE APPLICATO

• Estrazione (SFE)
• Frazionamenti Liquidi
• Produzione di Nano e micro particelle
• Essiccazione
• Reazioni Chimiche
• Formazioni di membrane
• Applicazioni Biomediche
• Colorazioni

SCELTA DEL FLUIDO SUPERCRITICO

Per essere convenientemente utilizzata come fluido supercritico, una sostanza deve avere un basso peso molecolare, una temperatura critica prossima a quella ambiente (Tc ~ 10÷40ºC) e una pressione critica non troppo elevata (Pc ~ 40÷60 atm). Gli idrocarburi leggeri possiedono queste caratteristiche, ma presentano problemi a causa dell’infiammabilità e della tossicità. Oltre il 90% delle applicazioni SFE utilizza CO2 supercritica. L’anidride carbonica, pur avendo una pressione critica più elevata (Pc = 72,9 atm), offre maggiori vantaggi rispetto alle altre sostanze utilizzabili: è priva di tossicità, è inerte, non è infiammabile, è riciclabile (e quindi priva di impatto ambientale) e a temperatura e pressione ambiente è un gas, ciò che la rende facilmente separabile dal soluto, una volta terminato il processo estrattivo; inoltre è reperibile a elevata purezza e basso costo. Lo svantaggio principale della CO2 è rappresentato dalla sua natura non polare (ha una polarità simile a quella dell’esano); per tale motivo, in alcuni casi deve essere addizionata di piccole percentuali di modificanti polari, quali metanolo e acetonitrile, per aumentarne il potere solubilizzante nei confronti di analiti più polari.

I Fluidi Supercritici (SCFs) stanno rapidamente soppiantando i comuni solventi organici in molte applicazioni industriali, in particolare nei trattamenti di purificazione e ricristallizzazione, soprattutto a causa delle sempre più pressanti regolamentazioni a carattere ambientalistico riguardanti idrocarburi e le emissioni dannose per lo strato d’ozono.

Inoltre gli estratti con Sc-CO2 sono microbiologicamente stabili, non necessitano di conservazione e sono per natura praticamente sterili.

SETTORI DI IMPIEGO

I settori d’impiego sono molteplici, basti pensare che le piante superiori sintetizzano un gran numero di sostanze chimiche e biologicamente attive, conosciute anche come “metaboliti secondari”. Queste sostanze possono essere sfruttate, in funzione della specifica composizione chimica, per la preparazione di prodotti farmaceutici, cosmetici, liquoristici, di sostanze coloranti, di oli essenziali, di ingredienti per l’industria alimentare, di prodotti per la difesa delle colture.

• Esempi applicativi:
• Estrazione dell’olio dai semi, della caffeina dal caffè, della nicotina dal tabacco, del grasso dell’olio di semi.
• Estrazione di sostanze bioattive, nutraceutici e/o antiossidanti (flavonoidi, fenilpropanoidi, antociani, licopene), da Pomodoro, Carciofo e Vite.
• Estrazione di sostanze da impiegare nella difesa delle colture agrarie, provenienti da Alloro, Arancio dolce e Olivo.
• Estrazione di sostanze da impiegare in ambito farmaceutico da bucce di specifiche cultivar di Limoni e Canapa, aromi estratti dal Luppolo da impiegare nell’industria della birra.
• Produzione di polimeri, di oli, lubrificanti e prodotti chimici.
• Estrazione di CBD dalla canapa per uso farmaceutico.
• Sistemi a rilascio controllato di farmaci (controlled drug delivery release)
• Contenimento della carica microbica o batterica.
• Allontanamento di pesticidi.
• Processi di micronizzazione.
• Cromatografia preparativa (SFC – Supercritical Fluid cromatography).
• Trattamento di miscele di olio di pesce.

Un video esemplificativo : La CO2  nel suo stato supercritico.