2) Extracţia taxolului cu co2 supercritic

Taxolul a fost descoperit în 1960 în urma programului de cercetare a plantelor organizat de Institutul National de Luptă împotriva Cancerului din SUA (National Cancer Institute). Componentul activ al extractului de Taxus Brevifolia a fost izolat în 1966 şi a primit ca denumire comercială numele de Taxol™, molecula activă fiind paclixatel, un diterpen înalt funcţionalizat (figura 5.10). Taxolul se mai găseşte şi în alte specii de Taxus, fiind folosit inclusiv de medicina indiană (Ayurveda) pentru tratarea cancerului, ca şi de nativii Americani pentru tratarea cancerului pulmonar. Este utilizat la ora actuală pentru tratarea cancerelor pulmonare care nu mai răspund la alte terapii şi reprezintă unul dintre cele mai bine comercializate medicamente anticancer (Gurib-Fakim, 2006; Kintzios, 2008; Cragg, 2008).

Figura 5.10. Formula structurală a Paclixatel-ului (Taxol™)

Metoda convenţională de purificare a taxolului cuprinde 4 etape. În prima etapă, extractul rezultat în urma procesului de extracţie cu un amestec acetonă-hexan este fracţionat cromatografic. Fracţiunile care conţin taxol sunt concentrate până la uscare. Concentratele de taxol sunt cristalizate din amestecul metanol-apă şi apoi recristalizate dintr-un amestec acetonă-hexan, obţinându-se taxol de puritate 85-95%. În a treia etapă taxolul este supus iarăşi cromatografiei pe silicagel cu 2.5% izopropanol sau n-butanol în clorură de metilen rezultând taxol de puritate 98%. În a patra etapă, taxolul este dizolvat în acetonă, soluţia este filtrată şi taxolul este recristalizat dintr-un amestec acetonă-hexan. În urma etapelor de extracţie în fază organică şi cromatografie se obţine taxol de puritate 99%, care reprezintă aproximativ 0.0145% din scoarţa iniţială utilizată ca materie primă.

Producerea taxolului prin această metodă se confruntă cu următoarele dezavantaje:

- timpul îndelungat necesar procedurilor de extracţie şi purificare;

- timpi lungi de staţionare în condiţii dure;

- randamente globale scăzute.

De asemenea, scoarţa de T brevifolia este obţinută, de obicei, din natură – copaci de 100 – 200 ani, deci sursa este limitată.

De-a lungul timpului au fost realizate multe studii pentru depăşirea acestor probleme şi pentru găsirea altor metode de obţinere a taxolului din alte surse naturale, prin culturi de ţesuturi vegetale sau alte metode biotehnologice, prin sinteză chimică sau prin semisinteză (Kintzios, 2008).

Deşi speciile de arbore de tisa sunt numeroase, iar unele au un conţinut ridicat de taxol, acestea prezintă inconvenientul unui conţinut ridicat de ceruri şi alţi compuşi nepolari, care fac separarea taxolului dificilă. De aceea, era necesar să se dezvolte tehnici selective pentru îndepărtarea acestor impurităţi.

Pentru îmbunătăţirea procedeului de extracţie a taxolului a fost propusă şi extracţia cu fluide supercritice.

Taxolul este legat de pereţii celulari din plante printr-o legătură chimică slabă. Funcţie de proprietăţile solvenţilor utilizaţi acesta poate fi extras parţial din materialul vegetal. Dioxidul de carbon supercritic determină gonflarea materiei prime, ceea ce permite extracţia mai uşoară a soluţilor vizaţi, în timp ce polaritatea sa favorizează extracţia substanţelor cu polaritate mare, ceea ce face extracţia taxolului dificilă. De aceea, Jennings şi colaboratorii (1992) au propus extracţia supercritică în care dioxidul de carbon are drept cosolvent etanolul, cunoscut ca un foarte bun solvent pentru taxol. Ei au propus un amestec de CO₂ supercritic şi 3.6% (procente molare) etanol la o presiune de 210 atm şi 45⁰C. În aceste condiţii se poate extrage o cantitate de dublă de taxol, decât utilizând CO₂ în condiţii supercritice singur.

Într-un brevet american (Kim şi colab., 2003) se prezintă un procedeu de extracţie a taxolului utilizând fluide supercritice şi un cosolvent (modificator).

Brevetul mai sus menţionat oferă o metodă de preparare a taxolului şi a derivaţilor săi care cuprinde o etapă de extracţie cu CO₂ supercritic şi un cosolvent, o etapă de extracţie lichid-lichid cu solvenţi organici pentru a obţine un strat organic şi o etapă cromatografică pentru izolarea taxolului şi a derivaţilor săi din stratul de solvent organic. Etapele pot fi realizate continuu sau discontinuu.

Cosolvenţii servesc pentru eliberarea taxolului şi a derivaţilor săi din matricea solidă. Sunt preferaţi cei care au în structura lor grupări –OH (ex: apă în amestec cu un alcool, acid acetic, trietil amină).

Condiţiile de realizare a primei etape – extracţia supercritică sunt: temperatura între 60 –100⁰C, presiunea 300 – 400 bari, preferabil 80⁰C şi 350 bari.

Pentru etapa a doua este preferat, ca solvent organic, n-hexanul, care poate fi utilizat în combinaţie cu cosolventul utilizat în prima etapă.

Ultima etapă se realizează pe mai multe coloane cromatografice.

I nstalaţia de separare a taxolului şi a derivaţilor săi din surse vegetale (figura 2.14) cuprinde un rezervor pentru fluidul supercritic, un extractor în care se alimentează materia primă, un vas de separare în care se separă fluidul supercritic de componenţii extraşi, un separator lichid-lichid şi cel puţin o coloană cromatografică.

Figura 2.14. Instalaţie industrială pentru obţinerea taxolului prin extracţie supercritică: 1- rezervor CO_2, 2-pompă CO_2, 3- răcitor; 4- încălzitor, 5- schimbător de căldură pentru lichefiere, 6- rezervor cosolvent prevăzut cu agitare; 7- pompă alimentare cosolvent, 8- schimbător de căldură pentru cosolvent; 9- extractor, 10- regulator de presiune; 11- primul vas de separare, 12- valvă pentru controlul fazei lichide; 13. schimbător de căldură pentr încălzire/răcire, 14-al doilea vas de separare, 15- valvă de control al fazei lichide, 16- regulator de presiune; 17- compresor CO_2, 18- rezervor cu alcool; 19-evaporator alcool, 20- pompă pentru vehicularea alcoolului, 21- răcitor; 22- rezervor hexan; 23-evaporator hexan, 24- pompă vehiculare hexan; 25- răcitor; 26- vas pentru amestecarea alcoolului cu hexan, 27- separator lichid lichid; 28. concentrator; 29-ansamblu de coloane cromatografice.

Instalaţia prezentată în figura 2.14 este utilizată pentru procedee industriale, când se utilizează cantităţi mari de materie primă.

Alte exemple de utilizare a extracţiei supercritice pentru obţinerea unor metaboliţi secundari din plante sunt prezentate în tabelul 5.2.

Tabelul 5.2. Aplicaţii ale extracţiei cu fluide supercritice în diverse domenii

INDUSTRIA ALIMENTARĂ
COLORANŢI ALIMENTARI	Condiţii de operare	Referinţe bibliografice
Extracţie caroteni din morcov	Capacitate extractor- 150mL Pmax-345 bar Extracţie-207, 276 şi 345 bar, Temp.-40, 55 şi 70 0C Co-solvent: Etanol (5 and 10%) Volum CO2- 250 L Debit CO2-1.5 L/min	Barth şi colab., 1995
Morcovi liofilizaţi	-Extracţie 342, 456 şi 570 bar, 30, 40 and 50 0C -Co-solvent ethanol (5 and 10%) - Debit CO2 +etanol-500 mL/min	Vega şi colab., 1996
Cartofi dulci (Extracţie β-caroten)	P-138, 276 şi 414 bar T-38 0C (and 48 0C at 414 bar) Debit CO2 -14–18 L/min Vol. CO2- 1000 L	Spanos şi colab., 1993
Extracţie caroten din ulei de palmier	P- 14, 22 şi 30 MPa Temp- 40, 60 şi 80 0C Debit CO2= 5, 10 şi 15 mL/min	Wei şi colab., 2005
Extracţie β-caroten ulei de palmier	P- 75, 125 şi 175 bar Temp- 80, 100 şi 120 0C Timp extracţie-1,3 şi 5 h	Davarnejad şi colab., 2008
Extracţie β-caroten şi vitamina E din fibre de palmier (Elaeis guineensis)	Extracţie: 3 h la 10 Mpa, creştere la 20 Mpa -1h şi 6h la 30 Mpa Temp.-400C	Lau şi colab., 2008
Reziduri de la fabricarea pastei de tomate (extracţie β-caroten şi licopen)	P- 200, 250 şi 300 bar Temp- 35, 45, 55 şi 65 0C Debit CO2-2, 4 şi 8 kg/h	Baysal şi colab., 2000
Coajă de tomate (extracţie licopen-carotenoid)	P-405.2 bar Temp.-60, 85 şi 110 0C Timp extracţie: 5, 12, 19, 26, 38, 50, 62, 79 minute Solvenţi: acetonă, metanol, etanol, hexan, diclorometan şi apă Debit CO2 -1.5 mL/min	Ollanketo şi colab., 2001
	P-25–45 MPa Temp.-40–70	Kassama şi colab., 2008
	P-25,30, 35 MPa Temp.- 45, 60 şi 75 0C	Shi şi colab., 2009
Subproduse de la prelucrarea roşiilor, extracţie: carotenoide- (β-caroten şi licopen), tocoferol, acizi graşi şi sistosteroli	P-300, 380, 460 bar Temp.-40, 60 şi 80 0C	Vági şi colab., 2007
Licopen din tomate zdrobite	Poptimă- 40 MPa Temp. optimă- 57 0C Durata operaţiei 1.8 h	Huang şi colab., 2008
Extracţie β-caroten şi luteină din Mentha spicata L.	P-de la 86–259 bar Temp.-40, 50 şi 60 0C Debit CO2 -4 mL/min	Gómez-Prieto şi colab., 2007
Coajă de struguri negri (Extracţia antocianilor)	P-70–150 bar, Temp.- 80 0C	Blasco şi colab., 1999
ULEIURI ESENŢIALE ŞI AROME	Condiţii de operare	Referinţe
Ulei esenţial de lămâie	P-8.7, 9.5 şi 10.3 MPa Temp.-50, 60 şi 70 0C Timp extracţie: 7-9 ore Debit CO2 -8–10 L/min )0.1 MPa şi 250C)	Gironi şi colab., 2008
Limonen din ulei de lămâie obţinut prin presare la rece	P-8.8 şi 9.8 MPa Temp.- 40 şi 60 0C Debit CO2 -8-9.3 L/min	Kondo şi colab., 2002
Extracţie carvonă şi limonen din seminţe de chimen	P- 75, 125, 150 şi 300 bar Temp.- 32, 45, 60 şi 75 0C Debit CO2- 4kg/h	Baysal şi Starmans, 1999
Uleiuri esenţiale din coaja de portocale	Poptimă- 12.5 bar Temp. optimă- 35 0C Debit CO2- 0.5–3.5 kg/h	Mira şi colab., 1999
Extract din boabe de piper negru (Piper nigrum L.)	P-16–26 MPa Temp.-35–50 0C Debit CO2- 0.2–0.3 m3/h	Zhiyi şi colab., 2006
INDUSTRIA FARMACEUTICĂ ŞI MEDICINĂ TRADIŢIONALĂ
Eugenol din Eugenia caryophyllata	P-20,30 şi 40 MPa Temp.-30, 40 şi 60 0C Timp extracţie: 10 minute-extracţie statică	Geng şi colab., 2007
	P-10, 20 şi 30 MPa Temp.-30, 40 şi 50 0C Debit CO2 -2 L/min	Wenqiang şi colab., 2007
Extract din frunze de mentă (Mentha piperita) familia Lamiaceae	P-10 MPa şi temp. 400C-1h Aceleaşi condiţii, dar debit CO2- 0.28 kg/h în sistem continuu	Zizovic şi colab., 2005
Extract din seminte de Myristica fragrans (extract numit nutmeg oil)- utilizări incluv alimentare şi cosmetice	P-10, 15 şi 20 MPa Temp.-40, 45 şi 50 0C Debit CO2-2.78x10-5, 8.33x10-5, 1.39x10-5 m3/s (măsurat la temp. camerei şi 0.1 MPa)	Machmudah şi colab., 2006
Extract din rozmarin (Rosmarinus officinalis)-poate avea şi aplicaţii în alimentaţie	P-100–300 MPa Temp.-30–40 0C	Carvalho Jr. şi colab., 2005
	P-100,200 şi 350 bar Temp.-49, 60 şi 80 0C Timp extracţie: 30 minute Modificatori: etanol, apă, acid acetic, Debit CO2 -3–4 mL/min	Ibáñez şi colab., 2001
Ulei din seminţe de Hippophae rhamnoides L, aplicaţii tratarea cancerului şi a rănilor provocate de radiaţii X	P-29–30 MPa Temp.-35–40 0C Debit CO2- 0.15–0.3 m3/h Durată-4–5 ore	Yin şi colab., 2005
Extracţia artemisinei din frunze de Artemisia annua L	P-75–400 MPa Temp.-30–50 0C Debit CO2-5.5x10-5, 11x10-5 kg/s	Quispe-Condori şi colab., 2005
Extract de fenicul (Foeniculum vulgare) –poate avea şi aplicaţii alimentare	P-100–300 bar Temp.-30–40 0C Debit CO2-8.33x10-5 kg/s	Moura şi colab., 2005
Extract de Ginger (Zingiber Officinale Roscoe)-poate avea şi aplicaţii alimentare	P-160 bar Temp.-40 0C	Balachandran şi colab., 2006
INDUSTRIA COOSMETICĂ
Extracţie ulei de jojoba	P-125,35 şi 45 MPa Temp.-70–90 0C Debit CO2-3.33x10-8, 6.67x10-8, 13.33x10-8 m3/s	Salgin, 2007