Estrazione con le microonde

L’estrazione con microonde (MW) senza solventi è una tecnologia solvent-free e rappresenta una delle tecniche più attraenti utilizzata per l’estrazione e la separazione di interessanti composti ad alto valore aggiunto da campioni solidi.

Nell’estrazione senza solventi assistita da MW, l’acqua in-situ nelle cellule vegetali viene stimolata a ruotare sotto l’effetto delle MW, generando calore ed un successivo aumento di pressione all’interno delle cellule vegetali, che porta alla rottura delle pareti cellulari e al rilascio di molecole target.

Questa tecnica consente il trasferimento di massa e calore dall’interno della cellula vegetale verso l’esterno, mentre nei processi di separazione convenzionale questi due fenomeni di trasporto avvengono nella direzione opposta.

Questa differenza significativa fa aumentare la temperatura in un tempo molto più breve a causa dell’effetto di riscaldamento volumetrico, a seconda della potenza delle microonde e del fattore di perdita dielettrica del materiale da irradiare.

Con l’aiuto delle MW, l’estrazione può essere completata senza solventi in pochi minuti anziché in ore con vari vantaggi.

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Le Micoonde

Le microonde sono onde elettromagnetiche non ionizzanti di lunghezza d’onda compresa tra 1 mm (ν=300 GHz) e 1 m (ν=300 MHz), situate nella zona dello spettro tra le frequenze dell’infrarosso e quella delle onde radio.

Esse sono largamente impiegate nel campo delle telecomunicazioni e, per tale motivo, solo alcune bande sono permesse per altre applicazioni. Le frequenze ISM (consentite per scopi Industriali, Scientifici e Medici).

L’energia delle microonde è assorbita dal campione mediante due meccanismi: la conduzione ionica e la rotazione dei dipoli.

  • La conduzione ionica è la migrazione conduttiva degli ioni presenti nelle soluzioni sotto l’effetto di un campo elettromagnetico. Tale migrazione è influenzata da parametri quali la concentrazione, la mobilità degli ioni e la temperatura della soluzione. La resistenza che la soluzione oppone al libero flusso di ioni produce un attrito che svolge calore;

La rotazione dei dipoli consiste nell’allineamento delle molecole che hanno momenti di dipolo non nulli, sotto l’effetto di un campo magnetico. Poiché il campo applicato

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I Vantaggi

La tecnica MAE (Microwave Assisted Extraction) è già molto utilizzata in laboratorio per l’estrazione di inquinanti organici da diverse matrici e per l’isolamento di prodotti naturali. Essa consente una notevole riduzione dei tempi del processo e dei volumi di solvente impiegati rispetto all’estrazione classica condotta attraverso estrattori Soxhlet.

La tecnica presenta i seguenti vantaggi:

  • Drastica riduzione dei tempi di contatto tra il solido ed il liquido;
  • Si impiega una quantità ridotta di solvente (economico e rispetta l’ambiente);
  • Si ottengono risultati riproducibili;
  • Le rese di estrazione sono più elevate.

Estrazione con i fluidi supercritici

I tradizionali metodi di estrazione utilizzati per ottenere gli ingredienti che possono essere utilizzati in prodotti nutraceutici e cosmeceutici presentano diversi svantaggi: sono lunghi, laboriosi, hanno bassa selettività e/o bassi rendimenti di estrazione. Inoltre, queste tecniche tradizionali impiegano grandi quantità di solventi tossici. Attualmente, tra i metodi di estrazione più promettenti in grado di superare gli inconvenienti sopra menzionati sono l’estrazione con fluidi supercritici (SFE) e l’estrazione con acqua subcritica (SWE). Queste tecniche di estrazione forniscono selettività più elevate, tempi di estrazione più brevi e non utilizzano solventi organici tossici.

Quando un fluido viene portato a una pressione e una temperatura superiori al suo punto critico, diventa un fluido supercritico. A causa delle sue proprietà fisico-chimiche, SFE offre diversi vantaggi operativi rispetto ai metodi di estrazione tradizionali. La bassa viscosità e la diffusività relativamente elevata dei fluidi supercritici consentono un trasporto migliori dei liquidi, una diffusione facilitata attraverso i materiali solidi e migliori rese di estrazione.

Una delle principali caratteristiche di un fluido supercritico è la possibilità di modificare la densità del fluido cambiando la sua pressione e/o la sua temperatura. Poiché la densità è direttamente correlata alla solubilità, alterando la pressione di estrazione, è possibile modificare il capacita solvente del fluido.

I Vantaggi

Il vantaggio di questa tecnica è che alla fine dell’estrazione il solvente, il biossido di carbonio, viene allontanato sotto forma di gas, dando la possibilità di recuperare i composti estratti concentrati.  Nei processi industriali, la CO2 può essere riciclata minimizzandone il consumo. Questa tecnica trova numerose applicazioni quali ad esempio, l’estrazione di olio da semi, della caffeina dal caffè, della nicotina dal tabacco etc., ed è particolarmente conveniente a livello industriale.

Solvente Peso molecolare Temperatura critica Pressione critica Densità critica
g/mol K MPa (bar) g/cm3
Anidride carbonica (CO2) 44,01 304,1 7,38 (73,8) 0,469
Acqua (H2O) 18,015 647,096 22,064 (220,64) 0,322
Metano (CH4) 16,04 190,4 4,60 (46,0) 0,162
Etano (C2H6) 30,07 305,3 4,87 (48,7) 0,203
Propano (C3H8) 44,09 369,8 4,25 (42,5) 0,217
Etilene (C2H4) 28,05 282,4 5,04 (50,4) 0,215
Propilene (C3H6) 42,08 364,9 4,60 (46,0) 0,232
Metanolo (CH3OH) 32,04 512,6 8,09 (80,9) 0,272
Etanolo (C2H5OH) 46,07 513,9 6,14 (61,4) 0,276
Acetone (C3H6O) 58,08 508,1 4,70 (47,0) 0,278

ANALISI E VANTAGGI NELL’IMPIEGO DELLA CO2 ALLO STATO SUPERCRITICO

 
Caratteristiche della CO2 allo stato supercritico Vantaggi derivati dalle specifiche caratteristiche
Inodore, non tossica Non contamina il materiale o l’ambiente di lavoro
Gas presente nell’atmosfera e nei processi biologici che non lascia tracce e non contamina Consente valorizzazione dei prodotti di scarto come materia prima derivata o come altro prodotto
La temperatura critica e di processo è prossima a quella ambiente Possibilità di ottenere estratti termolabili senza alterazioni
Conserva l’elevata permeabilità alla materia di un gas Il tempo di estrazione è più breve di quello richiesto dall’estrazione con il comune solvente
Le variazioni delle condizioni di pressione e temperatura possono cambiare le proprietà solventi Elevata efficienza estrattiva e alta qualità del prodotto
Poco costosa, non brucia, non presenta i rischi connessi all’impiego di solventi organici Facilità d’impiego
Riciclaggio industriale semplice sia come materiale di consumo in altri processi (es. fotosintesi) e/o per lo stesso processo Risparmi nei costi di solvente ed energetici, i processi di ricircolo della CO2 applicati al processo industriale non alterano gli equilibri ambientali
Sviluppa in fase di depressurizzazione una notevole espansione (circa 600 volte rispetto al volume della miscela supercritica La rimozione dell’estratto dalla matrice è completa, avviene in un’unica fase industriale molto rapida e non soggetta a surriscaldamento come in altre tecnologie. Ottimizzazione dei tempi di lavorazione.
Satura completamente la camera di estrazione Inibizione dei processi ossidativi
Flessibilità per l’impiego in diverse condizioni operative nei processi industriali di trasformazione per effetto delle sue caratteristiche chimico-fisiche Impiego in processi di estrazione, frazionamento, polimerizzazione e micronizzazione, pastorizzazione, purificazione, reazioni di sintesi ecc.