TECHICHE D' ESTRAZIONE

Le tecniche attuali di estrazione solido-liquido sfruttano essenzialmente la diffusione e l'osmosi come principi sui quali è possibile incidere per ridurre il tempo di estrazione e per aumentare la resa. Infatti, la tendenza attuale è quella di aumentare la temperatura del sistema estrattivo per ottenere migliori risultati oppure realizzare più volte il contatto del solvente estraente con il solido da estrarre.

Una tecnica estrattiva largamente usata è la macerazione che consiste nel ricoprire il solido da estrarre con il liquido e lasciare stare il sistema in questo stato per un tempo prolungato. L'estrazione avviene a temperatura ambiente e di conseguenza non c'è alterazione dei composti termolabili; d'altra parte i tempi di estrazione sono mediamente lunghi per il fatto che l'estrazione avviene principalmente per effetti diffusivi, tanto che si richiede di agitare il sistema di tanto in tanto per favorire la diffusione dei composti estratti ed evitare un sovrassaturazione localizzata nelle immediate vicinanze della superficie del solido da estrarre, cosa che porta ad un rallentamento del processo estrattivo globale. Per ridurre i tempi, trattando grandi quantità di matrice solida, è possibile ricorrere industrialmente alla percolazione; questa tecnica prevede la realizzazione di una colonna di solido realizzata nei percolatori che sono dei grandi cilindri di acciaio capaci di contenere tonnellate di materiale con volumi che vanno da 0,5 metri cubi ai 5 metri cubi. Nei percolatori si fa scorrere il liquido estraente; poiché in un unico passaggio non si ottiene una grande resa, è necessario fare riciclare il liquido diverse volte per arricchirlo quanto più possibile in estraibile. Per aumentare l'efficienza del processo è possibile riscaldare ed in questo caso i composti termolabili sono soggetti a degradazione termica. L'efficienza del processo globale in genere non è alta, ma date le grandi quantità di solido impiegate l'estratto risulta abbastanza ricco di composti estraibili. Anche in questo caso il principio estrattivo si fonda essenzialmente sulla diffusione e sull'osmosi.

Una tecnica molto giovane che richiede un particolare sistema estrattivo è l'estrazione con fluidi supercritici specialmente anidride carbonica. La limitazione di questa tecnica, che prevede il contatto del solido con l'anidride carbonica allo stato di fluido, sta nel fatto che l'anidride carbonica nello stato supercritico acquista le caratteristiche chimico-fisiche dell'esano. Se da una parte è difficile utilizzare questa tecnica per usi di laboratorio, dall'altra vi sono tutt'oggi dei processi industriali che sono stati brillantemente impiegati a livello industriale, come ad esempio l'estrazione della caffeina dal caffè oppure l'estrazione del grasso dell'olio di semi.

In molti processi industriali la fase iniziale della preparazione di un prodotto richiede l'applicazione di una tecnica di estrazione solido-liquido per isolare il materiale estraibile contenuto nelle più svariate matrici di tipo vegetale. L'esempio più importante è il settore delle piante officinali, da cui si ricavano i principi attivi con proprietà farmacologiche per la cura di determinate patologie e malattie dell'uomo; campi affini sono quello dell'erboristeria, della cosmetica e della profumeria che ricavano gli ingredienti principali dei loro preparati sottoponendo ad estrazione solido-liquido parti di piante come fiori, foglie, radici etc. Anche in altri settori industriali come quello dell'industria delle bevande, viene impiegata una estrazione solido-liquido per ottenere estratti alcolici di bucce di agrumi, fiori, foglie etc., che poi sono mescolati ad acqua e zucchero per l'ottenimento del prodotto finito. L'elenco potrebbe ancora continuare richiamando molteplici applicazioni industriali.

Alla base dell'estrazione solido-liquido vi è, senza dubbio, una osservazione sperimentale facilmente constatabile da tutti: se, semplicemente una matrice solida contenente del materiale estraibile, viene immerso in un liquido, quest'ultimo inizia ad arricchirsi di determinate sostanze chimicamente affini. Questa tecnica di estrazione, la macerazione, è quella più semplice e più economica perciò largamente diffusa. Purtroppo essa non è sempre applicabile in quanto richiede tempi lunghi di contatto tra il solido ed il liquido; ad esempio i vegetali non possono essere posti a macerare in acqua per l'insorgere di fenomeni di putrefazione. Le esigenze produttive dell'industria, che impongono l'ottenimento di grandi quantità di estratti in poco tempo, hanno trovato una applicazione nell'estrazione per percolazione; in tale caso è possibile trattare grandi quantità di materiale solido con grandi volumi di liquido e giungere in tempi abbastanza brevi all'estratto sacrificando però l'efficienza dell'estrazione che si mantiene bassa per il limitato contatto tra il solido ed il liquido estraente. Per applicazioni particolari, come la produzione di oli essenziali e, in genere, composti con alta tensione di vapore, si può ricorrere alla distillazione in corrente di vapore. Questa tecnica di estrazione solido-liquido è particolare in quanto richiede il trasporto dei composti volatili da parte di una corrente di vapore. In ogni caso, poiché il sistema estrattivo è sottoposto ad un forte riscaldamento, i composti termolabili subiscono delle trasformazioni e di conseguenza non sono recuperati integri.

Questi esempi servono ad indicare che, le tecniche di estrazione solido-liquido che sono attualmente impiegate, non sono universalmente applicabili in quanto limitate. Inoltre il principio estrattivo su cui esse si basano è essenzialmente legato ai fenomeni della diffusione e dell'osmosi delle sostanze contenute nel solido, che tendono ad occupare tutto il volume del liquido estraente, dopo essere state estratte. Per aumentare l'efficienza di tali sistemi estrattivi si ricorre ad un aumento di temperatura, che incide sull'aumento della diffusione, al fine di ridurre i tempi di estrazione ed aumentare le rese. Tale espediente non è applicabile a matrici vegetali in quanto esse contengono sostanze che si degradano per effetto del calore.

L'utilizzo degli ultrasuoni per l'estrazione di principi attivi dalle piante officinali porta ad ottenere gli stessi risultati dell'estrazione per spremitura, se non risultati peggiori in quanto il sistema si riscalda a causa del prolungato trattamento. In questi casi la matrice solida viene completamente frantumata e si ottiene un miscuglio che è impossibile da separare nei suoi costituenti e di conseguenza, ciò rende non applicabile queste tecniche a livello industriale.

Non essendo soddisfacenti le tecniche di estrazione solido-liquido finora citate la ricerca si è spinta verso l'utilizzo di fluidi supercritici (SFE, Supercritical Fluid Extraction) per trovare delle alternative. L'anidride carbonica 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, l'anidride carbonica, viene allontanato sotto forma di gas dando la possibilità di recuperare i composti estratti concentrati. Questa tecnica trova delle applicazioni a livello industriale come l'estrazione dell'olio dai semi, della caffeina dal caffè, della nicotina dal tabacco etc., ma è comunque molto costosa e non universalmente applicabile.

Un'altra tecnica estrattiva da laboratorio è il Soxhlet, che viene riportato come metodo ufficiale di estrazione per numerosi metodi analitici in cui è prevista una iniziale preparazione dell'estratto di un campione solido. Anche il Soxhlet utilizza il riscaldamento del sistema, poiché si basa sui principi della diffusione e dell'osmosi, per cui non è utilizzabile per le sostanze che si degradano per effetto del calore.

Per aumentare le rese di estrazione e per ridurre i tempi è possibile utilizzare l'estrattore ASE ® (Accelerated Solvent Extraction) brevettato dalla americana Dionex. In contenitore cilindrico di acciaio viene posto il materiale da estrarre e viene introdotto il solvente estraente; la temperatura del sistema viene portata oltre la temperatura di ebollizione del solvente, che viene mantenuto nello stato di liquido grazie ad un contemporaneo aumento della pressione. Dopo un contatto breve la matrice solida è completamente estratta. Anche per questa tecnica non è possibile impiegare matrici instabili al calore.

In questo lavoro viene presentata una tecnologia di estrazione solido-liquido innovativa, che può essere utilizzata come valida alternativa a quelle esistenti, il Naviglio Estrattore ® . Essa cambia completamente la filosofia dell'estrazione solido-liquido grazie alla scoperta di un nuovo principio di estrazione; il Principio di Naviglio. L'estrazione avviene per la generazione di un gradiente di pressione negativo dall'interno verso l'esterno della matrice solida, perciò essa può essere condotta a temperatura ambiente o addirittura sub ambiente. Un ciclo estrattivo è costituito da una fase di statica ed una di dinamica; durante la fase di statica il liquido viene messo sotto pressione a circa 6-8 atm sul solido da estrarre e viene lasciato per un tempo sufficiente a fare penetrare il liquido all'interno del solido e ad equilibrare la pressione tra l'interno e l'esterno del solido. Trascorso questo tempo, viene immediatamente tolta la pressione che nel liquido cala rapidamente a 0-1 atm; in questo momento si realizza il Principio di Naviglio che si concretizza in un effetto di risucchio del liquido dall'interno verso l'esterno del solido; questo rapido spostamento del solvente estraente trasporta il materiale estraibile verso l'esterno. I cicli possono essere reiterati fino ad esaurimento del solido. Prove sperimentali condotte fino ad oggi su più di duecento vegetali hanno dimostrato che, lavorando alla pressione di 6 atm, la maggior parte delle matrici solide, indipendentemente dal grado di sminuzzamento, possono essere estratte utilizzando circa venti cicli estrattivi che si completano in circa due ore. Inoltre è stata provata la riproducibilità dell'estrazione su una stessa matrice in termini ponderali e sono stati condotti esperimenti di confronto con le altre tecniche estrattive, che hanno evidenziato un recupero più alto a favore del Naviglio Estrattore ® , nonché una qualità dell'estratto superiore e in nessun caso è stata indotta alterazione delle sostanze termolabili. Infine, dimostrata la validità del Principio di Naviglio, esperimenti nel settore farmaceutico delle piante officinali sono in corso presso la Facoltà di Farmacia dell'Università degli Studi di Napoli "Federico II, e ricerche per il miglioramento dei prodotti di erboristeria, cosmetica e profumeria, nonché prodotti alimentari, sono in corso presso il Dipartimento di Scienza degli Alimenti dell'Università degli Studi di Napoli "Federico II".

Nella tab. 1 è riportato il confronto tra le differenti tecniche estrattive solido-liquido attualmente esistenti e, come è possibile osservare, il Naviglio Estrattore ® offre in una unica soluzione tutto ciò che l'operatore pretenderebbe di ottenere da una estrazione solido-liquido.

Tabella 1 - Confronto delle principali caratteristiche legate alle tecniche attuali di estrazione solido-liquido.