Supercritical CO2 technologies for the production of bioactive compounds from natural sources

This Ph.D. project was aimed to evaluate the potential of supercritical CO2 technologies for obtaining natural extracts rich in bioactive compounds from residual agricultural biomass and microalgae. Three different supercritical CO2 techniques have been investigated with the purpose of optimizing the operating conditions and assessing the possibility to obtain the desired products in a safe, green and efficient way. First, attention has been focused on supercritical CO2 extraction (SFE). Experimental work regarding essential fatty acids extraction from microalgae and the application of solubility and kinetic models to the data measured are reported. Another application concerns the SFE of different bioactive compounds from rocket salad. In this case, a sequential extractive approach is proposed, consisting in the extraction of two products by using different co-solvents: the first one rich in phenols and glucosinolates and the second step headed to extract lipids. A profitability analysis of the SFE process is also reported, where data from experimental results have been used together with large scale process simulations. Eventually, SFE is applied to asparagus for the effective recovery of phenolic compounds and is compared with Soxhlet and pressurized liquid extraction methods. Another investigation has been carried out to obtain a dried natural extract from cherries. In this case, the supercritical anti-solvent technique (SAS) has been investigated, which allows to precipitate compounds non soluble in CO2 previously extracted by a traditional solvent method. The operating conditions were optimized to obtain a precipitate rich in polyphenols and anthocyanins from cherries extracts. Eventually, it is presented a study about supercritical counter-current fractionation for the extraction of fat from soy skim, which is the aqueous residue after enzyme-assisted aqueous extraction of soybeans. In the conclusion, a summary of the potential of CO2 in natural extracts technology is outlined and some perspectives are discussed for industrial applications in the near future.

La richiesta di estratti naturali e composti di origine vegetale sta aumentando a causa del loro crescente uso in alimenti funzionali, medicina naturale, additivi per la salute, prodotti cosmetici e applicazioni farmaceutiche. Questi settori richiedono prodotti ultra-puliti, verificabili, di alta qualità, apparecchiature affidabili e prezzi competitivi. Finora, sono state studiate numerose fonti vegetali come materie prime per la produzione di estratti naturali. L'idea della trasformazione dei rifiuti alimentari è sempre più presa in considerazione anche perché è vantaggiosa rispetto ai problemi di contaminazione, di gestione del processo e delle vie economiche. Inoltre, le fonti naturali emergenti come le microalghe contengono elevate quantità di composti di alto valore, la cui estrazione potrebbe essere ambientalmente ed economicamente vantaggiosa. In questo contesto, è necessario mettere a punto un metodo di estrazione e/o separazione efficiente e “verde” non solo per elaborare gli alimenti non vendibili e i rifiuti e sfruttare le fonti naturali emergenti, ma anche per creare un prodotto molto richiesto nel mercato attuale. La tecnologia della CO2 supercritica è emersa come un’importante alternativa ai processi tradizionali con solventi organici e meccanici, grazie alla sua pressione critica moderata, che permette di contenere i costi di compressione, mentre la sua bassa temperatura critica consente l'estrazione di composti termosensibili senza degradazione. Altri vantaggi rispetto ai metodi di estrazione con solventi classici includono il fatto che la CO2 è inerte, non tossica e rispettosa dell'ambiente. Inoltre, nei processi supercritici, la CO2 viene facilmente rimossa dopo la depressurizzazione e permette cicli più veloci. D’altra parte, la natura polare della maggior parte dei composti naturali rende necessaria l'aggiunta di co-solventi alla CO2 supercritica, al fine di migliorare l'affinità del fluido verso composti polari, e il loro effetto è rilevante sulla composizione dell’estratto e di conseguenza sull'economia del processo. In questo caso, è importante utilizzare solventi ecologici, come acqua ed etanolo, al fine di mantenere i vantaggi dei processi supercritici. L’estrazione supercritica con la CO2 è il processo più studiato ed applicato tra quelli che usano la CO2 sotto pressione. Tuttavia, c’è un certo numero di tecnologie supercritiche che vengono studiate e sviluppate per altre applicazioni interessanti, come la precipitazione di composti polari (precipitazione supercritica con anti-solvente, SAS), che permette di ottenere precipitati secchi naturali, o la separazione di composti in miscele liquide (frazionamento supercritico in contro-corrente) per l'ottenimento di composti bioattivi più puri. L’ottimizzazione dei processi e delle variabili operative per estrarre composti di interese dalle nuove fonti naturali sono importanti per garantire rese massime di alta qualità e rendere il prodotto finale adatto per l'uso nelle industrie alimentari, cosmetiche e farmaceutiche. Perciò, è fondamentale continuare la ricerca delle tecnologie con la CO2 supercritica per diversi materiali e generare nuovi dati che possano essere utili per il potenziale scale-up dei processi proposti. Per tutti questi motivi, l'obiettivo di questo progetto di ricerca è stato quello di valutare il potenziale delle tecnologie supercritiche con CO2 per ottenere in modo sicuro, verde ed efficiente nuovi estratti naturali ricchi di composti bioattivi da prodotti agricoli e microalghe. I temi affrontati da questa tesi sono organizzati e suddivisi in capitoli come segue. Il capitolo 1 è una discussione introduttiva sul mercato degli estratti naturali, la situazione dei diversi metodi di estrazione, le ricerche e gli ultimi risultati riportati per le tecnologie supercritiche con CO2. I capitoli 2, 3, 4 e 5 presentano i risultati sperimentali e la modellizzazione eseguite sulla estrazione con CO2 supercritica da diverse fonti naturali, con lo scopo di verificare l'efficacia di questo metodo per ottenere in modo competitivo estratti naturali ricchi di diversi composti bioattivi. Nel capitolo 2, viene mostrata l’estrazione di acidi grassi essenziali con CO2 supercritica da tre diverse specie di microalghe. Viene studiato l'effetto delle variabili operative sulla resa di estrazione totale e sulla solubilità. Vengono applicati i modelli matematici sviluppati da Sovová per descrivere le curve di estrazione sperimentali. Nel capitolo 3 viene riportata l'estrazione di frazioni arricchite in diverse classi di composti bioattivi. Secondo i risultati, si propone l'applicazione di un metodo di estrazione sequenziale, utilizzando prima CO2 + etanolo per l'estrazione dei lipidi e poi l’acqua come co-solvente per ottenere estratti ricchi in composti fenolici e glucosinolati. Il capitolo 4 descrive la valutazione economica di un impianto su scala industriale per la produzione di estratti naturali ricchi di glucosinolati e composti fenolici di rucola. Il software Aspen Plus ™ V8.2 è stato impiegato per la simulazione del processo su larga scala, basandosi sulle misure sperimentali di laboratorio. Viene valutato l'effetto dei parametri operativi sui costi di processo. Il capitolo 5 è imperniato sul recupero dei composti fenolici da asparagi. Ulteriormente, viene esaminato l'effetto di miscele di co-solventi diverse sulla estrazione con CO2 supercritica per estrarre selettivamente molecole di polifenoli. I risultati sono confrontati con l'estrazione attraverso un liquido sotto pressione (PLE) e con il metodo Soxhlet. Inoltre, è stato applicato il processo supercritico con anti-solvente (SAS), con l'obiettivo di ottenere un precipitato essiccato ricco di composti antiossidanti. Il capitolo 6 è focalizzato sul processo SAS con CO2 per ottenere precipitati che sono ricchi di polifenoli e antociani composti da ciliegie. Vengono confrontati il modo continuo e batch di funzionamento. Inoltre, sono discussi l'effetto della pressione e della composizione della CO2 sui rendimenti di precipitazione di polifenoli e antociani. Il terzo metodo che è stato studiato è il frazionamento in controcorrente per la separazione dei composti di interesse di una miscela liquida. Nel capitolo 7, viene riportata la verifica del impianto di frazionamento con CO2 in colonna continua riempita. A tal fine, è stato eseguito il recupero di butanolo da soluzioni acquose. L'influenza delle variabile operative, come il rapporto delle portate del solvente e la soluzione, la temperatura, la pressione e la composizione della soluzione è stato studiato sperimentalmente in termini di efficienza di separazione, percentuale tasso di rimozione del butanolo, rimozione totale e di concentrazione butanolo nell'estratto alla fine del ciclo continuo. Nel capitolo 8 è presentato l'uso della CO2 in controcorrente come mezzo per ridurre il grasso residuo nella soia dopo l'estrazione acquosa enzimatica assistita della soia. In particolare, vengono analizzati gli effetti del rapporto di solventi da alimentare, dell’aggiunta di etanolo come modificatore e dell'introduzione di un riempimento nella colonna. L'interpretazione dei risultati è stata effettuata mediante l’analisi statistico ANOVA. Infine, nelle conclusioni, sono discussi la sintesi della tesi e gli aspetti che dovrebbero essere messi a fuoco per garantire il futuro di questa tecnologia.