Metode de extracie primar Plantele sunt matrici complexe coninnd o mare diversitate de metabolii secundari, care i ei la rndul lor au structuri i proprieti dintre cele mai variate. Aceti compui au diferite polariti i solubiliti mai mari sau mai mici n diveri solveni. De aceea, extracia cu solveni trebuie s exploateze aceste caracteristici. Ca o prim clasificare, n funcie de modul de operare, exist procedee continue i discontinue. n procedeele continue solventul curge continuu prin materialul vegetal. Pe msur ce compuii activi difuzeaz n solvent acesta devine saturat, dar datorit curgerii solventului chiar dac acesta se saturez, o nou cantitate de solvent proaspt i va lua locul.

n cazul metodelor discontinue solventul este alimentat n arje. Cnd solventul s-a saturat atunci extracia trebuie oprit i solventul recuperat prin decantare. n cazul extraciilor repetate se va alimenta peste acelai material vegetal o nou cantitate de solvent.

Extractul obinut trebuie filtrat pentru a se ndeprta particulele vegetale foarte fine. Nu se recomand pstrarea extractelor vegetale la temperatura camerei i nici la lumina soarelui, deoarece crete riscul unor reacii nedorite de descompunere a unor compui sau de izomerizare a altora.

Dac se dorete concentrarea extractului primar, acest lucru se poate realiza prin evaporare sau distilare. Ambele operaii se pot efectua la presiune obinuit, sau la depresiune, dac extractul conine muli compui valoroi termolabili. Pentru concentrrile din laborator se recomand evaporatorul rotativ, deoarece are loc o evaporare n film, mult mai avantajoas dect evaporarea din ntreaga mas a unei soluii. La folosirea unui evaporator rotativ se recomand temperaturi de maxim 400C pentru a proteja compuii termolabili. Solventul recuperat prin condensare, att la evaporare, ct i la distilare poate fi refolosit, dar pentru acelai material vegetal, pentru a se evita contaminrile nedorite (Dobre i Floarea, 1997; Jones i Douglas Kinghorn, 2005).

Ca tehnici de extragere primar a metaboliilor secundari se pot enumera: Macerarea; Percolaia; Extracia cu Soxhlet; Extracia cu solvent presurizat (extracie accelerat cu solvent); Extracia cu reflux; Distilarea cu abur i hidrodistilarea; Extracia cu fluide supercitice.

La aceste categorii principale se adaug diverse tehnici de intensificare a extraciei cum ar fi extracia n cmp ultrasonor, extracia asistat cu microunde. Exist i tendina, justificat, de reducerea costurilor, de a realiza extracia i separarea compuilor n aceeai etap combinnd operaii unitare cunoscute deja.

5.2.1. Alegerea solventului i a metodei de extracie O problem important, indiferent de metoda de extracie, este alegerea solventului sau

a antrenantului. Ideal ar fi ca prin metoda i solventul ales s se obin numai metabolitul sau amestecul de metabolii de interes, iar operaia s fie simpl, rapid, reproductibil i s se desfoare cu costuri ct mai mici. Pentru atingerea acestui ideal, primul pas este alegerea solventului. Metodele tradiionale folosesc ap cald sau rece, alcool sau amestecuri hidro-alcoolice pentru a obine preparate care se pot administra intern (ceaiuri, infuzii, decocturi). Infuzia se refer la fierberea solventului i picurarea acestuia peste materialul vegetal; dac planta se introduce n solvent la fierbere atunci se obine un decoct. Selectarea solventului i a metodei vor fi determinate de natura i cantitatea materialului care trebuie extras. Ca solveni se pot folosi att solveni apoi, ct i solveni organici. Solventul trebuie s asigure o bun

solubilitate a solutului de interes, i dac se poate s fie i selectiv. n plus, trebuie s fie netoxic, neinflamabil, uor de recuperat prin distilare i s aib pre de cost sczut. Dintre solvenii organici care se utilizeaz deja se pot aminti: hidrocarburi alifatice sau clorurate, esteri, alcooli cu masa molecular mic. n ordinea creterii polaritii, cei mai cunoscui solveni pentru extracia primar sunt: n-hexan, diclormetan, n-butanol, iso-propanol, cloroform, acetat de etil, aceton, metanol, etanol i ap (Seidal, 2005). n continuare vor fi prezentate pe scurt principalele tehnici de obinere a extractelor primare din material vegetal.

Macerarea Macerarea este o tehnic foarte simpl i nc destul de utilizat pentru eliberarea

metaboliulor secundari din matricea vegetal. Materialul vegetal mrunit se las ntr-un solvent n recipiente nchise la temperatura camerei. Metoda se aplic pentru o extragere iniial n sistem discontinuu. Ocazional se mai poate folosi agitarea pentru a avea un amestec omogen i pentru a crete viteza de extracie. Extracia se oprete la atingerea echilibrului metabolitului ntre extract i materialul vegetal. O prim separare grosier se poate face prin decantare, urmat de cele mai multe ori de filtrare. Centrifugarea este necesar numai dac materialul vegetal este format din particule foarte fine. Peste materialul vegetal rmas (numit marc) se mai poate aduga o cantitate proaspt de solvent. Noul filtrat obinut se poate amesteca cu cel obinut prima dat. Dezavantajul maceraiei este consumul mare de solvent i a duratei mari de timp n care are loc, de la cteva ore la cteva sptmni. De asemenea, pot avea loc pierderi de metabolit i de material vegetal. Metaboliii care au solubilitate sczut la temeperatura camerei nu pot fi extrai prin aceast metod (Seidal, 2005).

Percolarea Percolarea, care se mai numete i splare extractiv, este frecvent utilizat pentru

obinerea extractelor primare. Materialul solid vegetal i solventul de extracie se contacteaz discontinuu n vase (tancuri) de percolare nchise sau deschise i care pot fi n strat fix, sau chiar vase cu agitare. n figura 5.1. sunt prezentate dou tancuri de percolare n strat fix.

Percolarea este recomandat pentru extracia la scar mare. Ca i la macerare se pot face mai multe treceri ale solventului peste materialul vegetal, operaia desfsurndu-se n regim nestaionar. Gradul de mrunire, temperatura i timpul de staionare influeneaz randamentul operaiei. De exemplu, materialele prea fin divizate, cele rinoase sau alte materiale vegetale care se gonfleaz excesiv (cele care conin mucilagii) pot nfunda percolatorul. Dac materialul nu este distribuit uniform n tanc (de exemplu, dac este prea dens) atunci solventul nu poate intra n contact cu o suprafa mare a materialului i extracia va fi incomplet. Temperatura mai mare favorizeaz procesul de extracie, dar n acelai timp poate distruge metaboliii termolabili. Alte dezavantaje ale percolrii sunt consumul mare de solvent i durata mare de timp a operrii (Dobre i Floarea, 1997).

Fig. 5.1. Tancuri de percolare deschise; a.prezentare general; b.operare cu alimentare

continu de solvent 1.- corpul tancului; 2.- placa perforat; 3.- pnza filtrant;

4.- pomp recirculare; 5.- gur ncrcare solid; 6.- gur descrcare solid; 7.- strat solid

Extracia cu Soxhlet Extractorul Soxhlet, a fost utilizat de ctre chimiti pentru extracia compuilor chimici dintr-o

prob solid nc de la mijlocul secolului al XIX-lea.

Figura 5.2 prezint schema unui extractor Soxhlet. n extractor se introduce solidul care conine substanele de interes. Proba solid este introdus mai nti ntr-un cartu de hrtie de filtru. Dispozitivul este prevzut cu un vas pentru solvent i dou tuburi laterale de sticl care fac legtura ntre extractor i vasul cu solvent. Tubul pentru circulaia vaporilor este cuprins ntre partea superioar a vasului cu solvent i partea superioar a extractorului n care se introduce cartuul cu proba. Tubul pentru recircularea solventului leag i el cele dou pri componente; ncepe de la baza extractorului, se continu pn la jumtatea corpului extractorului i apoi coboar brusc i intr n vasul cu solvent.

Extractorul Soxhlet lucreaz n cicluri. Solventul fierbe n vas i se formeaz vapori care ajung la condensator unde condenseaz, iar condensul curge peste i prin prob i se colecteaz la partea inferioar. n acest moment solventul va conine o concentraie mic de substane extrase din prob. Nivelul lichidului crete simultan n camera de extracie i n tubul lateral de recirculare. Cnd tubul se umple, sub aciunea gravitaiei, lichidul se scurge rapid napoi n vasul cu solvent, acesta fiind sfritul unui ciclu. Acestui tip de aparat i s-au adus de-a lungul timpului modificri care vor fi prezentate n continuare. Unele dintre ele au

condus la denumiri noi ale aparatelor proiectate.

Fig. 5.2. Extractorul

Soxhlet

Extracia cu solvent presurizat Extracia accelerat cu solvent este o tehnic de extracie din probe solide sau

semisolide cu solveni lichizi obinuii, care utilizeaz temperaturi i presiuni ridicate pentru a crete eficiena procesului de extracie (Seidal, 2005). Aceast tehnic poate nlocui extracia cu Soxhlet, extracia cu lichide la fierbere, extracia cu agitare, extracia asistat de ultrasunete sau alte tehnici de extracie.

Utilizarea temperaturilor ridicate conduce la creterea solubilitii soluilor, la depirea efectelor de matrice, scderea vscozitii solvenilor, creterea vitezelor de desorbie, creterea coeficientului de difuziune prin matricea solid. Presiunea ridicat ajut la meninerea solvenilor n stare lichid la temperaturi ridicate i grbete umplerea celulelor. Se mrete astfel viteza de extracie i crete randamentul extraciei. Etapele de lucru sunt, n general, urmtoarele:

- se introduce proba n celula de extracie; - se umple celula cu solvent; - se aduce celula la presiunea i temperatura corespunztoare; - se menine proba la temperatura i presiunea prestabilite; - se pompeaz solvent n celula cu prob; - se purjeaz solventul din celul cu gaz inert;

n urma acestor etape rezult extractul pentru analiz. Avantajele extraciei accelerate cu solvent sunt urmtoarele:

- este o tehnic de extracie mai rapid dect alte tehnici convenionale de extracie; - necesit cantiti mai mici de solvent;

- nu permite manifestarea efectelor de matrice;

- utilizeaz solveni de extracie convenionali, ceea ce confer simplitate acestei tehnici; - poate fi programat, ceea ce crete reproductibilitatea datelor; - deoarece materialul dup extracie este uscat, se poate repeta extracia cu acelai solvent

sau cu ali solveni de polaritate cresctoare. n figura 2.6 este prezentat schematic o astfel de instalaie de extracie.

Ca exemplu de aplicare a

acestei tehnici se poate

meniona extracia manitolului din frunze de

mslin la 3-11 MPa, la 60-150

0C i la viteze de curgere foarte mici ale solventului (Ghoreishi i Gholami Shahrestani, 2009). Instalaia de laborator folosit n acest scop este prezentat n figura 5.4.

Fig. 5.3. Instalaie pentru extracie accelerat cu solvent.

Alte exemple sunt: extracia unor derivai de terpene din frunze de Ginko biloba (Lang i Wai, 2003), extracia uleiurilor eseniale din semine de coriandru (Eikani i colab., 2007), ca i extracia glicirizinei din Radix glycyrrhizae (rdcin de cicoare) i a efedrinei din Ephedra sinica (Eng i colab., 2007).

Fig. 5.4. Instalaie de laborator pentru extracia sub presiune a manitolului din frunze de mslin: 1-rezervor de solvent,2-filtru de teflon, 3-pomp de presiune nalt, 4-manometru, 5-valv, 6-serpentin de prenclzire, 7-coloan de extracie, 8- filtru din fibre de bumbac, 9-cuptor, 10-indicator-regulator de temperatur,12-conatiner de extract (dup Ghoreishi i Gholami Shahrestani, 2009).

Distilarea cu abur i extracia la reflux n extracia la reflux, materialul vegetal este imersat n solvent ntr-un balon cu fund

rotund, conectat la un condensator. Solventul este nclzit pn la temperatura de fierbere. Pe msur ce vaporii condenseaz, solventul se rentoarce n balonul de extracie. Distilarea cu abur este un proces similar i care se aplic, mai ales, pentru uleiurile eseniale (amestecuri complexe de constituieni volatili). Materialul vegetal, proaspt sau uscat, este acoperit cu ap ntr-un balon i este conectat la un condensator. Pe msur ce balonul este nclzit vaporii (un amestec de uleiuri eseniale i ap) condenseaz, distilatul, care se separ n dou straturi nemiscibile, este colectat ntr-un cilindru gradat conectat la condensator. Faza apoas se recircul n balonul de extracie, n timp ce uleiul volatil se colectez separat. Principalul dezavantaj al acestor moduri de operare este c se pot degrada compuii termolabili.

Extracia cu solveni n stare supercritic Preocuprile privind protecia mediului au determinat o nou perspectiv i asupra

chimiei, nvinuit de producerea unui numr mare de deeuri toxice. Aa a aprut ceea ce se numete la ora actual "chimie verde". n domeniul extraciei, unde se folosesc cantiti mari de solveni organici, ar trebui redus cantitatea acestora i unii chiar ar trebui nlocuii. O alternativ nepoluant este considerat aplicarea extraciei cu fluide supercritice.

Punctul critic al unei substane pure este definit ca cea mai nalt temperatur i presiune la care substana exist n echilibru lichid-vapori. La temperaturi i presiuni mai mari dect acest punct se formeaz un fluid omogen numit fluid supercitic. Aceste aspecte se pot observa pe diagrama de faz a unei substane oarecare, diagram prezentat n figura 5.5. n punctul triplu coexist trei faze. Curba de coexisten a fazelor gaz-lichid este curba de fierbere. Deplasndu-ne n sus pe curba de fierbere prin creterea att a presiunii ct i a temperaturii, lichidul devine mai puin dens datorit expansiunii termice, iar gazele mai dense datorit creterii presiunii. n cele din urm, densitile celor dou faze converg ctre aceeai valoare, devenind identice, diferena dintre gaz i lichid dispare iar curba de fierbere se sfrete n punctul critic.

Capacitatea de solvatare a gazelor supercritice crete proporional cu creterea presiunii i a densitii. Ceea ce face ca fluidele supercritice s fie considerate solveni atractivi, este faptul c densitatea gazelor devine mult mai mare la presiuni ridicate, n timp ce vscozitatea i difuzivitatea au valori apropiate de cele la presiune atmosferic. Aceste proprieti fac ca mobilitatea i puterea de solvatare a fluidelor supercritice s fie unice. De aceea, fluidele supercritice sunt candidai foarte buni pentru extracia unor substane active de orgine vegetal, i nu numai. n plus, fluidele supercritice pot avea proprieti chiar surprinztoare fa de fluidele din care provin i pe care le cunoatem n condiii normale de presiune i temperatur.

Figura 5.5. Diagrama de faz

Apa supercritic este un exemplu interesant de proprieti neateptate ale fluidelor supercritice. n mod normal, srurile sunt uor solubile n ap, n timp ce uleiul i apa nu se amestec. n condiii supercritice, srurile sunt insolubile n ap, pe cnd uleiurile i substanele organice sunt complet miscibile cu apa. Aceast proprietate a dus la dezvoltarea unui proces de purificare a apelor reziduale prin amestecarea acestora cu ap i aer aflate n condiii supercritice. Substanele organice sunt oxidate, formeaz gaze i ap, n timp ce srurile precipit.

Astfel de schimbri drastice apar i n cazul amestecurilor de lichide, pe msura apropierii de punctul critic al amestecului.

Alte proprieti care se modific drastic n apropierea punctului critic sunt conductivitatea termic, tensiunea superficial, capacitatea caloric i vscozitatea. Densitatea, conductivitatea termic i difuzivitatea unei substane aflate n stare supercritic sunt mai mari dect cele ale aceleai substane n stare lichid, vscozitatea este mult mai mic, n timp ce tensiunea superficial i cldura de vaporizare dispar complet. Proprietile termice i fizice ale fluidelor supercritice sunt intermediare ntre cele ale gazelor i ale lichidelor. Densitatea fluidelor supercritice depinde puternic de presiune i temperatur. Coeficientul de difuziune este mult mai mare dect cel al lichidelor, i din acest motiv, fluidele supercritice penetreaz mult mai uor solidele poroase i fibroase.

n tabelul 5.1 sunt prezentate cteva fluide i punctele lor supercritice. Cel mai utilizat fluid n stare supercritic este CO2. Punctul critic al dioxidului de carbon este caracterizat de

presiunea de 73.8 bar i temperatura de 31.10C. Se mai pot utiliza etan, butan, pentan, oxid de azot, amoniac, triflormetan i ap. Unele dintre aceste fluide prezint unele dezavantaje evidente care vor fi amintite n continuare.

De exemplu, solvenii organici sunt explozivi i instalaiile n care acetia ar putea fi utilizai trebuie asigurate mpotriva acestui pericol. Hidrocarburile cloro-fluorurate sunt restricionate ca utilizri din cauza efectului lor negativ asupra stratului de ozon atmosferic.

Fluid Presiune critic (atm)

Temperatur critic (0C)

Dioxid de

carbon

73.8

31.1

Etan 48.8 32.4

Etilen 50.4 9.4

Propan 42.5 96.8

Propilen 46.9 91.9

Triflormetan 48.6 26.3

Clorotrifluormetan 38.7 29.0

Triclofluorometan 44.1 18.2

Amoniac 113.5 132.5

Ap 212.2 374.3

Ciclohexan 40.7 280.5

n-Pentan 33.7 196.7

Toluen 41 318.8

Cu toate acestea exist o serie de avantaje ale extraciei cu fluide supercritice care

decurg din proprietile acestora:

deoarece puterea de solvatare poate fi modificat prin modificarea presiunii sau temperaturii, separarea solutului de solvent este mai rapid i mai uoar.

adugnd modificatori fluidelor supercritice (ex: metanol n CO2), polaritatea acestora se poate modifica, fcndu-le mai selective.

n procesele industriale din industria alimentar sau farmaceutic nu apar probleme legate de solveni reziduali, ca n cazul utilizrii solvenilor organici clasici.

n general, fluidele supercritice sunt mai ieftine, mai simple i mult mai sigure. Costurile de depozitare sunt mult mai mici, deoarece pot fi uor recirculate i regenerate.

Unul din principalele avantaje ale extraciei cu fluide supercritice este eliminarea solvenilor organici, n acest mod reducndu-se problemele legate de depozitare. Mai mult, cteva protocoale legislative (ex: EPA Pollution Prevention Act n SUA) impun reducerea utilizrii solvenilor organici care ar putea fi duntori mediului nconjurtor.

Principalul dezavantaj al acestei tehnici este necesitatea folosirii de utilaje care

lucreaz sub presiune (pentru a menine fluidul n stare critic). Un alt dezavantaj este faptul c randamentul de extracie depinde mult de mrimea particulelor de material vegetal i de cantitatea de ap coninut n acesta (Nahar i Sarker, 2005; Dobre i Floarea, 1997).

Cel mai utilizat solvent supercritic este dioxidul de carbon, deoarece este ieftin,

netoxic, iar punctul supercritic poate fi atins uor. Un proces de extracie cu CO2 supercritic conine dou etape principale: - extracia cu fluid supercritic (ex: extracia cafeinei din boabele verzi de cafea); - recuperarea CO2-ului i, recircularea acestuia, atunci cnd este avantajos.

Cea de a doua etap se poate realiza n mai multe moduri:

1. decomprimarea gazului, permind materialului extras s prseasc amestecul aflat sub presiune; este o operaie simpl i util atunci cnd sunt implicate volume mari de extract, dar scump, deoarece este necesar recomprimarea gazului pentru recirculare. 2. adsorbia pe materiale cum este crbunele activ. Este uor de realizat i este utilizat pentru separarea cafeinei de CO2 supercritic. Ca i n cazul cafeinei, recuperarea materialului extras de pe suprafaa adsorbantului poate fi dificil. 3. absorbia materialului extras ntr-un solvent adecvat. n figura 5.6 este prezentat o instalaie pilot pentru extracia cu fluide supercritice. Chiar dac este de capacitate foarte mic (