5.2.7.1. Aplicaţii ale extracţiei cu fluide supercritice

Dintre marii beneficiari ai extracţiei supercritice se pot aminti industria alimentară, cea a produselor cosmetice şi industria farmaceutică. De exemplu, extracţia cu fluide supercritice a fost utilizată în industria alimentară din anii 1970. Două exemple semnificative vor fi prezentate în continuare: decofeinizarea cafelei şi extracţia taxolului, medicament anticancerigen.

1) Decofeinizarea cafelei

Pentru extracţia cofeinei din cafea cel mai utilizat procedeu este cel de extracţie cu solvenţi din boabele verzi umezite. Autorul unui studiu în acest sens afirma la nivelul anilor 2001 că peste 50% din cafeaua decofeinizată se bazează pe acest procedeu, ca argumente aducându-se costurile scăzute şi standardele înalte de calitate care sunt îndeplinite de produsul final. Dintre solvenţi se remarcă diclormetanul şi acetatul de etil cu peste 98% pondere din totalul de peste 30 de solvenţi care pot fi utilizaţi (Heilmann, 2001). Era greu de presupus ca alte procedeee să poată concura din punct de vedere economic cu extracţia cu solvenţi. Dar, prin directivele de reducere a emisiilor de compuşi volatili în atmosferă, procedeele de decofeinizare au primit un nou impuls pentru a se perfecţiona şi în sensul reducerii poluării.

Fără a trece în revistă toate încercările făcute de firme mari în domeniu, amintim totuşi folosirea polimerilor imprentaţi pentru decofeinizare. Aceşti polimeri se obţin prin polimerizarea monomerilor în prezenţa agenţilor de reticulare şi a moleculei de interes, în acest caz cofeina. Astfel de polimeri pot recupera peste 99% din cofeină fără pierderi ale aromei (Theodoridis şi Manesiotis, 2002; Lin şi colab., 2003; Farrington şi colab., 2006).

În 1974 Kurt Zosel (Zosel, 1979) a descoperit că se poate extrage cafeina din boabele verzi de cafea utilizând ca solvent CO₂ la temperatură şi presiune supercritice. El a demonstrat că, în aceste condiţii, CO₂ este un solvent foarte specific pentru cafeină şi că extracţia poate fi realizată în timp rezonabil şi la temperaturi moderate. Aroma cafelei obţinută din boabele decofeinizate diferea semnificativ de cea a cafelei obţinute din boabele originale de cafea. Pe lângă acest avantaj, cafeaua decofeinizată în acest mod putea fi considerată “naturală”, deoarece nu erau implicaţi solvenţi chimici. În acea perioadă, acest aspect era foarte important din două motive: calitatea cafelei decofeinizate era considerată slabă, iar companii ca Maxwell House căutau modalităţi pentru îmbunătăţirea calităţii acesteia. Pe de altă parte, consumatorii erau foarte îngrijoraţi în legătură cu utilizarea solvenţilor cloruraţi, care erau solvenţii uzuali pentru îndepărtarea cofeinei din boabele de cafea.

Pentru extracţia cofeinei din boabele verzi de cafea cu CO₂ în condiţii supercritice sau aproape critice au fost sugerate următoarele metode:

• Boabele de cafea verde umezite se amestecă cu un curent de CO₂ într-un vas sub presiune. Cofeina difuzează din boabele de cafea în dioxidul de carbon care trece apoi într-un turn de spălare, unde are loc absorbţia cofeinei în apă. După 10 ore de recirculare aproape toată cofeina trece în apă, de unde se separă ulterior prin diverse metode.

• Folosind aceleşi condiţii pentru extracţie ca în prima metodă se modifică doar procedeul de recuperare a cofeinei din CO₂, trecând amestecul peste un strat de cărbune activ pe care se adsoarbe cofeina.

• Al treilea procedeu foloseşte un amestec de boabe de cafea verde şi particule de cărbune activ care se introduc într-un vas împreună cu CO₂. În acest vas se realizează presiuni de 220 bari şi temperaturi de 90⁰C. În aproximativ 5 ore cafeina difuzează din boabe în dioxidul de carbon supercritic şi de acolo direct pe particulele de cărbune activ. După extracţie boabele de cafea se separă de particulele de cărbune prin sitare.

În figura 5.8 este prezentat procedeul propus de General Foods (Katz şi colab., 1991) în care se foloseşte o coloană de absorbţie cu apă pentru recuperarea cofeinei. Dioxidul de carbon care mai poate conţine urme de cofeină (fiind recirculat) este alimentat continuu în vasul de extracţie (1) unde se introduc şi boabele de cafea verde. Extractul de cofeină în CO₂ este evacuat pe la partea inferioară a coloanei de extracţie. Cafeua este re-extrasă în apă într-o coloană numită de absorbţie (2) în care curentul de dioxid de carbon şi cofeină circulă în contracurent cu apa pură. Soluţia de cofeină în apă este apoi concentrată prin osmoză inversă pentru a obţine cofeina de puritate 97% sau chiar mai mare.

Cele mai multe procedee se referă la utilizarea dioxidului de carbon în stare supercritică ca mediu de extracţie a cofeinei. Există şi procedee care propun utilizarea aceluiaşi CO₂ dar în condiţii aproape critice, procedee care se justifică prin costurile energetice mai mici datorate presiunii şi temperaturilor mai scăzute care sunt necesare în instalaţiile respective.

Figura 5.8. Procedeul Katz de extracţie a cofeinei din cafea cu CO₂ supercritic; 1-coloană de extracţie; 2-coloană de absorbţie cu apă. (Katz şi colab., 1991).

În 1989 Compania Hermsen din Germania a patentat decofeinizarea cafelei cu dioxid de carbon lichid (Heilmann, 2001). Boabele de cafea cu o umiditate de 45-55% şi dioxidul de carbon lichid saturat cu apă au fost contactate la temperaturi de 20-25⁰C şi la presiuni de 65-70 de atm. Separarea cofeinei se face prin depresurizare sub 60 de atmosfere într-un separator. Se obţine un amestec foarte pur de cofeină în apă. Extracţia durează cam 60 de ore, ceea ce este mult, din cauza temperaturilor mici de operare. Ca avantaj se menţioneză faptul că boabele decofeinizate astfel păstrează aproape toate calităţile cafelei netratate. Instalaţia propusă de Compania Hermsen este prezentată în figura 5.9.

Figura 5.9. Proces de decofeinizare al cafelei folosind CO₂ lichid: 1-vas de extracţie; 2-separator; 3-condensator; 4-vas de colectare; 5-pompă;6-schimbător de căldură; 7-rezervor de stocare CO₂; 8-vas de saturare cu apă; 9-valvă de destindere (Heilmann, 2001).