Ekstrakcija hranil in naravnih produktov sega daleč v preteklost - vse do antičnih civilizacij. Že takrat so ekstrakte uporabljali za prehrambne, kozmetične in spiritualne namene. Arheologi so ugotovili, da so že pred dobrimi 4000 leti v času faraonskih dinastij prakticirali ekstrakcije za pridobivanje barv, arom in zdravil.
Med izkopavanji v Iraku so naleteli na posode, ki izvirajo iz leta 3500 pr. n. št. in so bile namenjene pridobivanju dišav, zdravilnih učinkovin in ekstraktov, ki so jih uporabljali med verskimi obredi. Sestavljene so bile tako, da jih je bilo možno uporabljati podobno kot »Soxhlet« napravo. Na območju Mediterana obstaja dolga tradicija priprave ekstraktov, ki se je običajno prenašala od matere na hčer. Na ta način so ohranjali skrivnost dišav in starodobnih zdravil. Ena najbolj spoštovanih starodavnih kemikov je vsekakor Marija iz Aleksandrije, znana kot »Marija Judinja«, po kateri je poimenovana tudi znamenita Marijina kopel (»bain-marie«). Redke shranjene razprave kažejo, kako je uspela učinkovito uporabiti sončno energijo pri pridobivanju ekstraktov že leta 100 n. št.
Danes ne najdemo proizvodnega procesa v prehrambni, kozmetični, farmacevtski industriji, industriji naprednih materialov in kemikalij ali proizvodnji biogoriv, v katerega ne bi bili vključeni procesi ekstrakcije. Ekstrakcija naravnih učinkovin se v laični javnosti smatra kot »čista« v primerjavi s kemijsko industrijo. Raziskovalci in strokovna javnost se s tem ne strinjajo, saj je okoljski vpliv lahko precej večji, kot se zdi na prvi pogled. Eterična olja se na primer pridobivajo iz naravnih surovin, pri čemer pa morajo biti po tradiciji uporabljeni samo fizikalni procesi, ti pa vključujejo alembično destilacijo s paro, vodo/paro ali vodo, stiskanjem ali destilacijo s topili. Ti procesi so zahtevni zaradi porabe energije, topil, vode in časa. Tudi lipide, arome, antioksidante in barve še zmeraj v veliki meri pridobivajo z uporabo Soxhletovih ekstrakcijskih procesov. Ti so zasnovani na ponavljajočem izpiranju surovine s svežim topilom, pri čemer se za topilo običajno uporablja heksan, aceton, diklorometan in metanol. Zaradi zapletenih postopkov pridobivanja teh topil pa je še dandanes težko oceniti njihov celoten vpliv na okolje in zdravje ljudi, čeprav je poraba topil in energije pri ekstrakcijah zelo velika. Organska kemika Paul T. Anastas in John C. Warner sta zato leta 1991 predstavila 12 pravil, na katerih bi morala sloneti »zelena« kemija. Vse zahteve za zeleno kemijo niso primerne za uporabo pri ekstrakcijskih procesih, ker slednji podlegajo specifičnim kemijskim in fizikalnim zakonitostim. Chemat in sodelavci so ob upoštevanju zahtev za »zeleno« kemijo in pravil »zelenega« inženirstva izluščili šest načel za zelene ekstrakcijske procese:
Načelo 1: Izboljšave na področju izbire naravnih materialov in uporaba lahko obnovljivih rastlinskih virov.
Načelo 2: Uporaba alternativnih topil, predvsem okoljsko nevtralnih superkritičnih tekočin, vode in agro topil (GRAS topila).
Načelo 3: Zmanjševanje porabe energije z možnostjo rekuperacije in uporaba inovativnih tehnologij.
Načelo 4: Izraba odpadkov ekstrakcijskih procesov v obliki koproduktov.
Načelo 5: Zmanjševanje števila osnovnih operacij pri pridobivanju končnih produktov in uporaba varnih, robustnih in kontroliranih procesov.
Načelo 6: Cilj mora biti proizvodnja nerazgrajenih in biorazgradljivih ekstraktov brez nečistoč.
Slika 1: Šest načel zelene ekstrakcije
V vsakem primeru so načela mišljena bolj kot usmeritve, ki pa morajo sloneti na znanstvenih dognanjih in ki jih je na industrijskem nivoju mogoče varno uporabiti.
Ekstrakcijski procesi pridobivanja bioaktivnih učinkovin s subkritičnim in superkritičnim ogljikovim dioksidom ter sub- in superkritično vodo ustrezajo vsem principom »zelene« ekstrakcije. Če se te bio učinkovine uspe ekstrahirati iz agrikulturnih ostankov in odpadkov, se poleg tega izpolni tudi vse zahteve industrijske ekosimbioze in krožnega gospodarstva, saj se iz odpadkov proizvede produkte z veliko dodano vrednostjo. Zelena ekstrakcija v veliki meri sloni na pravilni izbiri topila in postopka, kar zahteva veliko potrpljenja in pozornosti pri načrtovanju takega procesa.
Slika 2: Razvoj procesa zelene ekstrakcije
Moderni tehnološki procesi, ki so se že razvili znotraj okvira teh zahtev, vključujejo: subkritične in superkritične ekstrakcijske procese, tehniko nadzorovanega popuščanja tlaka (DIC ekstrakcija), izobarne in neizobarne ekstrakcije s tekočimi plini, ekstruzijsko ekstrakcijo, ekstrakcijo, podprto z ultrazvokom (UAE) in/ali mikrovalovi (MAE), ekstrakcije s pulzirajočimi električnimi polji (PEF) in/ali sproščanjem visokih napetosti (HVED) ter vse vrste ekstrakcij pri visokih in ultravisokih tlakih (PLE).
Rastline so najbolj razširjena naravna entiteta, na katero se narodna folklora opira v iskanju farmakoloških koristi. Pri tem pa se velikokrat zanemari ostanke in odpadke. Listje in korenine krompirja in korenja, ki jih običajno zavržemo, vsebujejo velike količine fenolnih spojin z antioksidativnim delovanjem, na primer klorogenska kislina in njeni derivati, ki se v kozmetiki uporablja kot ena glavnih komponent v kremah za odpravljanje celulita in debelosti, hkrati pa ima protivirusno in protivnetno delovanje, ščiti srce in ožilje ter pospešuje celjenje poškodb. Drug tak primer so grozdne peške ter tiste pri drugih koščičnih sadežih. Ti ostanki so bogat vir antocianinov, proantocianinov, fenolnih kislin in njihovih derivatov, ki medicinsko dokazano ščitijo srce, ožilje in živčni sistem, delujejo protivnetno in antimikrobno ter preprečujejo nastanek tumorjev. Flora in favna sta neizčrpen vir bioaktivnih komponent, vendar je pri tem potrebno slediti misli, da narava ustvarja najbolj učinkovita zdravila in tudi najbolj smrtonosne strupe. Skrbno načrtovanje procesa je nujno za pridobivanje učinkovine, ki bo blagodejno delovala na naš metabolizem.
Voda in ogljikov dioksid sta dve zeleni topili, ki se ju s pridom uporablja za ekstrakcijo bio učinkovin iz naravnih matric.
Kaj pravzaprav so subkritične in superkritične tekočine?
Tekočine v subkritičnem stanju so tekočine, ki so stisnjene pri visokih tlakih, vendar pod njihovo kritično temperaturo. Zaradi visokega tlaka se ne uparijo, ampak prevzamejo specifične fizikalne lastnosti. Pri plinih se običajno poveča viskoznost, gostota in s tem tudi topnostna moč, pri tekočinah pa se spremeni dielektrična konstanta.
| CO2 | H2O | EtOH | BZA | |
| Tc | 31,1 | 374 | 241 | 403 |
| Pc | 7,4 | 22,1 | 6,1 | 4,6 |
Uporaba superkritičnega CO2 v postopkih ekstrakcije je narasla dokaj hitro, zato pridobivanje živil in naravnih izdelkov s superkritičnim ali tekočim CO2 velja za razmeroma zrelo tehnologijo. Se pa v okviru modernih tehnologij preučuje tudi širok spekter drugih načinov uporabe superkritičnega CO2, vključno s kemičnimi reakcijami, proizvodnjo in predelavo polimerov, obdelavo polprevodnikov, proizvodnjo prahu, sanacijo okolja in tal ter kemičnim čiščenjem.
Superkritične tekočine so tako našle svoje mesto v številnih kemijskih procesih kot so: superkritična ekstrakcija, zmanjšanje velikosti delcev pri proizvodnji zdravil, doziranje nanodelcev, premazovanje delcev, proizvodnja micelarnih raztopin in mikroemulzij ter amorfnih zdravil, procesiranje visokotehnoloških materialov, tekočinska superkritična kromatografija, izvedba oksidacijskih procesov, Friedel-Craftsova alkilacija, superkritična sterilizacija, sušenje bioloških materialov, sinteza visokotehnoloških polimerov itd.
Uporabnost superkritičnih tekočin je neposredno povezana z njenimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi. Uravnavanje gostote s spreminjanjem tlaka zagotavlja visoko topnost želene komponente in visoko selektivnost ekstrakcije. Njihova nizka površinska napetost, nizka viskoznost in možnost uravnavanja difuzivnosti omogoča hitro penetracijo tekočin v pore in skozi celične stene, kar omogoča ekstrakcijo notranjega celičnega materiala brez trganja celičnih sten in po potrebi tudi njihovo učinkovito deaktivacijo (za potrebe sterilizacije). V določenih primerih lahko enake učinke dosežemo tudi v subkritičnem stanju v bližini kritične točke, pri čemer velja P > Pc in T < Tc.
Subkritična in superkritična ekstrakcija z ogljikovim dioksidom
Razen pri ekstrakcijskih procesih, ki temeljijo na superkritičnih tekočinah, se prenos snovi izboljša, poraba topila pa zmanjša ob višanju temperature procesa, kar ima negativne vplive na izkoristek procesa, mnogokrat pa tudi na stabilnost termolabilnih bio učinkovitih spojin.
Ekstrakcija s sub- in superkritičnim CO2 (SC-CO2) spada med visoko učinkovite zelene ekstrakcijske procese. Ogljikov dioksid je nestrupen, negorljiv, nekoroziven, poceni in široko dosegljiv plin, s katerim je lahko ravnati, zato je v tehnoloških krogih prepoznan in priznan kot zeleno topilo (GRAS). V superkritične pogoje preide že malo nad sobno temperaturo in pri za tehnološke razmere relativno nizkih tlakih. Je kemično inerten, in če je primerno očiščen, minimalno vpliva na kvaliteto ekstrahiranih biokomponent, ki tako ohranijo zdravilne in funkcionalne lastnosti. Raztaplja maščobotopne (lipofilne) snovi in iz končnih produktov se ga v popolnosti odstrani s preprostim popuščanjem tlaka.
Subkritične pogoje se uporablja pri izluževanju nepolarnih komponent, ki so občutljive na temperaturo. Izkoristki so običajno majhni, vendar pa je kvaliteta produktov dobra, saj ekstrakcija poteka v inertni atmosferi in pri nizkih temperaturah. Po popuščanju tlaka CO2 popolnoma odpari že pri temperaturah nižjih od 0 °C, kar omogoča pridobivanje naravnih ekstraktov pri nizkih temperaturah ter brez njihove naknadne obdelave. Dobre prakse so se pokazale pri ekstrakciji lahkohlapnih eteričnih olj in karotenoidov. V prehrambni industriji je še bolj pomembno odstranjevanje ekstraktov in pridobivanje »očiščenega« ostanka, kot je na primer proces dekofeinizacije kave, pri čemer se ohrani naravna sestava ostalih kavnih komponent. Pomemben delež pri uporabi ekstrakcije s subkritičnim CO2 predstavlja predvsem izolacija visoko učinkovitih naravnih farmakoloških komponent. V zadnjem času se hitro razvijajo postopki sterilizacije farmakoloških učinkovin in medicinskih pripomočkov, kot so na primer endoskopi, porozni implantati, intravenozne tekočine, tekoča zdravila in tekoča hrana, pri katerih je pomembno vzdrževati inertno atmosfero in nizko temperaturo procesa. Subkritična ekstrakcija s CO2 je hitro razvijajoča veja pri uporabi utekočinjenih plinov za namene ekstrakcije in sterilizacije.
Slika 4: Možnosti ekstrakcije s CO2 v sub- in superkritičnih pogojih
V nasprotju s subkritično ekstrakcijo pa so ekstrakcije v superkritičnih pogojih (SCE) že uveljavljen separacijski proces tako v laboratorijskem (na primer pri pripravi analitskih vzorcev) kot tudi v industrijskem merilu (dekofeinizacija, izločanje kanabinoidov itd.). Zaradi velike učinkovitosti in stroškovne sprejemljivosti se SCE procese veliko uporablja v prehrambni in farmacevtski industriji, kot tudi v ostalih industrijskih panogah, ki vključujejo področja toksikologije, kemije, okolja, tekstila, petrokemije in polimerov. Velik napredek na področju superkritične tehnologije v zadnjih treh desetletjih je spodbudil pridobivanje naravnih ekstraktov iz naravnih materialov, med katere se prišteva rastline in njihove ostanke, alge in mikroalge. Prednosti SCE so visoka selektivnost, kratki časi ekstrakcije in možnost uporabe nestrupenih organskih topil, ki se jih lahko popolnoma odstrani iz končnih produktov. Učinkovitost procesov temelji na dinamični kontroli fizikalnih lastnosti topil, kot so na primer gostota, difuzivnost, dielektrična konstanta in viskoznost. V superkritičnem območju lahko vse te lastnosti enostavno uravnavamo s spreminjanjem tlaka in temperature. V teh superkritičnih pogojih je snov v nekakšnem meta stanju med tekočino in plinom, kjer je gostota podobna tekočini, viskoznost, površinska napetost in termične lastnosti pa plinu.
| Lastnost |
Gostota [kg/m3] |
Viskoznost [cP] |
Difuzivnost [mm2/s] |
| Plin |
1 | 0,01 | 1-10 |
| Superkritična tekočina | 100-800 | 0,05-0,1 | 0,01-0,1 |
| Tekočina | 1000 | 0,5-1,0 | 0,001 |
Tabela 1: Primerjava tipičnih vrednosti za gostoto, viskoznost in difuzivnost
Superkritično stanje tekočine je stanje, pri katerem sta tekočina in plin enakovredna drug drugemu, fizikalno stanje pa se ne spremeni kljub spremembi tlaka ali temperature.
Število aplikacij v prehrambni in farmacevtski industriji se je v zadnjih nekaj letih eksponentno povečalo, saj je bilo vloženega neverjetno veliko truda v raziskave in komercializacijo pridobivanja „naravnih“ ekstraktov za uporabo v funkcionalnih živilih in zdravilih. Iz različnih študij je razvidno, da se specialna olja iz koščic in oreškov pogosto pridobivajo s superkritično ekstrakcijo predvsem zato, ker so bogata z bioaktivnimi komponentami, količinsko jih je malo ter so zato zelo dragocena. Poleg karotenoidov, β-karotena in likopena se pri tem pridobiva fitosterole, fosfolipide, skvalene in Q-encim 10, ki vplivajo na nižanje holesterola in imajo antioksidativne lastnosti. Kljub nizki topnosti fenolnih snovi v SC-CO2 se ekstrakcije teh snovi v superkritičnih pogojih obsežno izvajajo predvsem zaradi njihove farmakološke vrednosti. Novejše ekstrakcijske metode se razvijajo z uporabo ultravisokih pritiskov nad 1000 bar, kjer CO2 postaja polaren, uporabo večstopenjskih ekstrakcij, sočasno uporabo kotopil in z uporabo ciklov stiskanje-popuščanje. Superkritično tehnologijo, posebej v povezavi s CO2, se v moderni procesni tehniki uporablja za sterilizacijo brez vpliva na organoleptične lastnosti bioaktivnih učinkovin ter na kvaliteto komponent, ki bi jih sicer s konvencionalnimi termičnimi ali kemijskimi postopki uničili.
Gonilna sila ekstrakcijskih postopkov temelji na interakciji med topilom in topljeno komponento ter masnega prenosa. SCE se je izkazala kot odlična tehnika za pridobivanje bioaktivnih komponent iz naravnih pridelkov in njihovih ostankov predvsem zaradi relativno kratkega časa ekstrakcije, nizkih temperatur ekstrakcije ter pridobitvi čistega ekstrakta, pri čemer pa je dobro poznavanje topnostnega produkta bistvenega pomena za izvedbo učinkovite ekstrakcije.
Superkritični CO2 ima odlične solvatacijske lastnosti, ki jih lahko učinkovito nadziramo z uravnavanjem temperature in tlaka, kar močno vpliva na gostoto CO2 in posledično na moč topila. Povečanje tlaka omogoča povečanje gostote SC-CO2, ki postane podobna gostotam tekočin, s čimer se poveča verjetnost interakcij med topljeno snovjo in topilom, kar vodi do velikega povečanja topnosti. Po drugi strani pa povišanje temperature zmanjšuje gostoto SC-CO2 in hkrati povečuje parni tlak topljene snovi. Neto učinek teh dveh nasprotujočih si dejavnikov narekuje spremembo topnosti. Pri relativno nizkih tlakih blizu kritične točke se s povečevanjem temperature zmanjšuje gostota SC-CO2 in s tem tudi topnost, medtem ko se pri višjih tlakih pokaže učinek parnih tlakov, kjer je sprememba gostote v odvisnosti od temperature relativno majhna in se topnost z višanjem temperature povečuje. Kot posledica teh prehodov se pojavi navzkrižno obnašanje topnostnih izoterm. Na topnost vplivajo tudi fizikalno-kemijske lastnosti topljenca, kot so na primer molekulska masa, parni tlak in zmožnost interakcije s topilom (npr. vzpostavitev vodikove vezi itd.).
Kot je razvidno iz slike 4, se topnost komponente, ki jo želimo izlužiti, manjša z višanjem njene molekulske mase in njenega parnega tlaka. Velja pravilo, da se pri nižjih gostotah SC-CO2 raztapljajo nepolarne snovi z nizko molekulsko maso in višjim parnim tlakom in da je za raztapljanje bolj polarnih in manj hlapnih snovi potrebno zviševanje gostote topila. Velja torej, da se selektivnost ekstrakcije enostavno doseže z uravnavanjem tlaka in temperature, kar je glavna prednost superkritičnih ekstrakcij, saj s tem pridobivamo čiste produkte brez nezaželenih primesi, topilo pa se popolnoma odstrani z enostavnim popuščanjem tlaka. S tem se znatno znižajo stroški za naknadno čiščenje končnega produkta.
Čeprav se CO2 prednostno uporablja za ekstrakcijo nepolarnih spojin, pa lahko polarnost superkritičnega CO2 enostavno uravnamo z dodatkom lahko mešljivega polarnega modifikatorja (na primer etanola). Topilo pospešuje ekstrakcijo s tem, da s snovjo, ki jo želimo izlužiti, vzpostavlja vodikove vezi. Pri tem tvori sklopitve dipolov in komplekse na osnovi prenosa nabojev, povečuje pa tudi gostoto topila. V farmakologiji in prehrambni industriji se kot kotopilo običajno uporablja jedilni etanol. Ostala kotopila se uporabljajo, ko kvaliteta in cena produkta opravičujeta stroške njihovega odstranjevanja.
Za učinkovito izvedbo ekstrakcije biokomponent pa je potrebno upoštevati tudi druge parametre, vključujoč predhodno obdelavo ekstrahiranca, velikost delcev, temperaturo, tlak, pretok, način dovajanja topila ter razmerje med ekstrahirancem in topilom. Ti parametri lahko odločilno vplivajo na izkoristek in kasnejšo obdelavo ekstrakta.
Ekstrakcijski sistem MoSES Škrlj
Ekstrakcijski sistem SCE MoSES Škrlj je namenjen ekstrakciji spojin iz trdnih ali poltrdnih snovi. Z natančnim uravnavanjem tlaka in temperature lahko z uporabo CO2 selektivno ekstrahiramo točno določeno komponento. Sistem deluje v sub- in superkritičnem območju glede na topilo, in sicer v območju do 400 bar in 100 °C. V sistemu, ki je konfiguriran za čiščenje in zbiranje izluženih spojin, se ekstrahiranec naloži v ekstrakcijsko posodo. Ekstrahiranec se glede na aplikacijo namaka (statičen proces) ali kontinuirno izpira (dinamičen proces). Kot topilo se uporablja CO2 v subkritičnem ali superkritičnem stanju z dodatkom kotopila, če narava ekstrakcije to zahteva. Sub- in superkritične pogoje v ekstrakcijski posodi se vzpostavlja z uporabo hlajene membranske črpalke in zaporedno vezanega grelca. Tlak v ekstrakcijski posodi se vzdržuje z regulatorjem tlaka. Avtomatski regulator protitlaka (ABPR), ki se nahaja med ekstrakcijsko posodo in ciklonskimi ločevalniki, omogoča nadzorovano zmanjšanje tlaka CO2. Raztopljeno komponento se s pretokom CO2 občasno ali kontinuirno prenaša iz ekstrakcijske posode v enega ali več ciklonskih separatorjev, odvisno od aplikacije. Po ABPR se sistemski tlak zniža, zaradi česar CO2 izgubi svojo moč topnosti. Ko so ročni regulatorji protitlaka (MBPR) pravilno nastavljeni, ekstrahirani material izpade iz raztopine v ciklonske ločevalnike glede na topnostni produkt posameznih komponent v ekstraktu, kar nam omogoči selektivno separacijo ekstrakta na posamezne komponente. Očiščeni CO2 se preusmeri v hlajen reciklator CO2. Spodnji diagram prikazuje ključne komponente, ki sestavljajo sistemski tok naprave MoSES, konfigurirane s črpalko za kotopila, dvema ekstrakcijskima posodama in tremi ciklonskimi ločevalniki.
Slika 5: Shema delovanja SCE ekstraktorja MoSES Škrlj