Oferta tecnológica
Análisis y diseño de procesos con fluidos supercríticos (TEP- 128). Universidad de Cádiz
OFERTA DE TRANSFERENCIA DEL CONOCIMIENTO
GRUPO Y UNIVERSIDAD: Análisis y diseño de procesos con fluidos supercríticos (TEP- 128). Universidad de Cádiz
Científico responsable: Enrique Martínez de la Ossa y Casimiro Mantell Serrano Nombre: Extracción e impregnación de productos naturales Departamento/sección: Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos
Facultad /Centro: Facultad de Ciencias
e-mail: enrique.martinezdelaossa@uca.es y casimiro.mantell@uca.es
Teléfono: 34 956 016378
Página web con información adicional: http://tep128.uca.es/
TÍTULO: Extracción e impregnación de productos naturales.
Descripción: (máximo 500 palabras)
(Breve descripción del conocimiento transferible, indicando aspectos innovadores, campos potenciales
de aplicación y aquellos detalles que se consideren de mayor interés para las entidades destinatarias del conocimiento que se quiere transferir)
Nuestro grupo trabaja en el análisis y diseño de procesos con fluidos supercríticos aplicados a la extracción, fraccionamiento y purificación de productos a partir de materias primas naturales muy variadas. La experiencia de este grupo de investigación comenzó en 1992 y desde esta fecha se han estudiado muchos procesos entre los que destacan:
Extracción a altas presiones: extracción de sustancias bioactivas mediante el empleo de técnicas de extracción con CO2 supercrítico, extracción con líquidos presurizados y extracción con solventes mejorados.
- Extracción con CO2 supercrítico de aceites con alto contenido en tocoferol y ácidos grasos insaturados y polinsaturados a partir de semillas de borraja, higo chumbo, argán, uva, soja y microalgas.
- Extracción supercrítica de carotenos, clorofila y astaxantina a partir de micro y macroalgas.
- Extracción a alta presión de pigmentos naturales como antocianos a partir de hollejo de uva tinta y otros residuos agroindustriales.
- Extracción supercrítica de herbicidas de residuos agroalimentarios como la hoja de girasol.
- Extracción de diversos compuestos bioactivos como polifenoles, flavonoides, terpenoides, etc., a partir de residuos agroindustriales como orujo, hojas de olivo, hojas de mango y eucalipto.
- Estudios de escalado de los procesos de extracción. Estudios comparativos de escala laboratorio y planta piloto.
Fraccionamiento: fraccionamiento de sustancias activas y extractos naturales mediantes técnicas como cromatografía supercrítica, precipitación en cascada, extracciones consecutivas utilizando diferentes tipos de solventes a alta presión, y fraccionamiento mediante el uso de anti-disolventes.
Impregnación: también estudiamos procesos de impregnación supercrítica de sustancias activas naturales en diferentes tipos de matrices porosas tales como polímeros, films, telas entres otros para aplicaciones alimentarias y farmacéuticas.
- Impregnación de sustancias antioxidantes y con capacidad antimicrobiana para el desarrollo de empaques activos innovadores que permitan alargar la vida útil y/o monitorear la calidad del producto.
Realizamos la caracterización analítica y funcional de los productos obtenidos tales como caracterización de compuestos por técnicas de cromatografía HPLC o GC, composición de ácidos grasos, parámetros de calidad de aceites, evaluación de la capacidad antioxidante de extractos y compuestos activos, determinación de actividad antibacteriana y antifúngica, y estudios de liberación controlada de compuestos impregnados.
Ofrecemos soluciones para la mejora e innovación de productos y procesos, diseño y optimización de procesos a alta presión, dimensionado y/o diseño de plantas de proceso a escala piloto o industrial, al igual que estudios de viabilidad técnica y económica de los procesos.
¿Cómo funciona? / ¿En qué consiste?: (aproximadamente 500 palabras)
(Descripción detallada de los principios científico-técnicos, procesos, procedimientos, capacidades, recursos o conocimientos en los que se basa la oferta)
Se han investigado técnicas de extracción para desarrollar métodos más rápidos, eficientes, más baratos y "más ecológicos". En este sentido, la extracción con fluidos supercríticos y con líquidos presurizados se han comparado ampliamente con otras técnicas de extracción (por ejemplo, maceración, extracción con ultrasonidos, separación de disolventes y extracción Soxhlet) en términos de recuperación de compuestos bioactivos y han mostrado resultados prometedores.
Actualmente, el número de estudios relacionados con extracción supercrítica (SFE) de compuestos activos de plantas, productos alimenticios u otras matrices vegetales se ha incrementado significativamente. SFE utiliza principalmente dióxido de carbono supercrítico como disolvente de extracción. De hecho, el CO2 es una opción atractiva porque ofrece una alta difusividad combinada con un elevado poder disolvente, el cual se puede modificar a través de cambios de temperatura y presión. La adición de un disolvente orgánico en pequeñas proporciones puede mejorar la eficiencia y la selectividad de la extracción. Uno de los principales intereses en la aplicación de SFE es el posible uso de temperaturas más bajas que cuando se trabaja con líquidos presurizados, lo que permite la extracción de compuestos que pueden oxidarse o degradarse por altas temperaturas.
Es posible usar el fluido en dos estados: como fluido subcrítico o como supercrítico. En el caso de un fluido subcrítico (extracción mejorada), la presión se mantiene por encima del valor crítico mientras la temperatura está por debajo de su valor crítico. En cambio, para un fluido supercrítico, la presión y la temperatura están por encima de los valores críticos. En condiciones supercríticas se emplean normalmente el CO2 puro cuyos valores críticos son 74 bar y 31 ° C. Las condiciones subcríticas se emplean con más frecuencia cuando se usa un co-disolvente (ya que la introducción de co-disolvente provoca un aumento de los valores críticos). Aparte de estas nociones fundamentales, los fluidos sub- y supercríticos tienen características comparables. Todos los parámetros que actúan sobre cambios de densidad son parámetros importantes porque modifican la solubilidad del analito, la relación de transferencia de masa y la selectividad de extracción.
En la extracción con líquidos presurizados generalmente se utilizan disolventes clasificados como seguros (por ejemplo, etanol, agua o sus mezclas). Otras de las ventajas están relacionada con la posibilidad de automatizar el proceso así como la menor cantidad de líquido a utilizar para conseguir resultados satisfactorios.
Otra de las aplicaciones del CO2 es su uso en procesos de impregnación de extractos con propiedades antioxidantes y/o antimicrobianas en telas, plásticos y/o polímeros. Las mismas propiedades del mencionado fluido contribuyen a facilitar este proceso.
Ventajas: (máximo 300 palabras)
(Ventajas y beneficios que supondría para una entidad la incorporación dicho conocimiento)
El uso de fluidos supercríticos ofrece varias ventajas operativas sobre los métodos convencionales de extracción e impregnación, ya que utiliza disolventes supercríticos, los cuales poseen especiales propiedades fisicoquímicas tales como densidad, difusividad, viscosidad y constante dieléctrica. Debido a su baja viscosidad y difusividad relativamente alta, los fluidos supercríticos tienen propiedades de transporte mejoradas con respecto a los líquidos, y pueden difundir fácilmente a través de materiales sólidos y por lo tanto pueden dar velocidades de extracción más rápidas.
Una de las características principales de un fluido supercrítico es la posibilidad de modificar la densidad del fluido cambiando su presión y / o temperatura. Dado que la densidad está relacionada con la solubilidad, alterando la presión de extracción, puede modificarse la densidad del disolvente. Otras ventajas, comparadas con las técnicas convencionales, son el uso de disolventes generalmente reconocidos como seguros (GRAS), la mayor eficiencia del proceso de extracción en términos de aumento de los rendimientos y menores tiempos de extracción.
El dióxido de carbono es el disolvente más comúnmente utilizado por tres razones principales: en primer lugar, es inocuo para la salud humana y el medio ambiente, respetando los criterios de sostenibilidad que cada vez más rige la idoneidad de los procesos químicos; en segundo lugar, su temperatura crítica moderada (31 °C) es una cuestión clave para la preservación de compuestos bioactivos en extractos; finalmente, se conserva el extracto del contacto con el aire, donde pueden producirse reacciones leves de oxidación.
Dado que el dióxido de carbono es un gas a temperatura ambiente, cuando se termina el proceso (extracción e impregnación) y se descomprime el sistema, se consigue la eliminación de CO2, obteniéndose un extracto exento de disolvente. A escala industrial, cuando el consumo de dióxido de carbono es alto, la operación puede ser controlada para reciclarla.
Entre las principales ventajas de la técnica de impregnación con CO2 supercrítico destaca el hecho de que se pueden modular factores como la carga de soluto y la profundidad de la impregnación, simplemente variando las condiciones de proceso. Además se originan productos finales que estén libres de residuos de disolventes orgánicos ya que el CO2 se libera en forma de gas después de la despresurización; y, finalmente, la técnica permite trabajar en condiciones relativamente suaves en un ambiente libre de oxígeno, cuestión que a veces es imprescindible.
¿Dónde se ha desarrollado?: (máximo 200 palabras) (Breve descripción del grupo de investigación)
Todos los estudios se han realizado a nivel de investigación, enfocados principalmente a la industria cosmética, farmacéutica y alimentaria.
Últimos proyectos concedidos:
- Estudio del proceso de transesterificación no catalítica para la producción de biodiesel mediante fluidos supercríticos. Proyecto Plan Nacional de I+D+i (CTQ2008-03336/PPQ).
- Fraccionamiento y purificación de compuestos antioxidantes a partir de subproductos agrarios utilizando técnicas de separación a alta presión. Proyecto Plan Nacional de I+D+i (CTQ2008- 03336/PPQ).
- Aprovechamientos de productos y subproductos agrícolas de Cochabamba: la papa andina (A/032041/10).
- Impregnación supercrítica de extractos naturales en la preservación de alimentos perecederos. Proyecto Plan Nacional de I+D+i (CTQ2014-52427-R).
Y además:(máximo 100 palabras)
(Otras capacidades del grupo de investigación, equipamiento destacable)
En este momento, la Universidad de Cádiz cuenta con varios equipos a diferentes escalas:
Escala analítica:
- Planta de extracción de fluidos supercríticos con un recipiente de extracción de 100 mL. Caudal máximo de 50 g / min de dióxido de carbono.
- Planta de reacción con fluido supercrítico con un reactor de 100 ml y provisto de un sistema de agitación.
Escala de laboratorio:
- Plantas de extracción de fluidos supercríticos con un recipiente de extracción de 500 mL, 1L y 2L de volumen. Estas plantas pueden separar el extracto obtenido utilizando dos separadores ciclónicos en serie.
- Dos columnas supercríticas que pueden operar en contracorriente para las extracciones de materias primas líquidas. Las alturas de las columnas son de 2,8 m y el diámetro interior de 2 cm.
Escala de planta piloto:
- Planta de extracción de fluidos supercríticos con dos extractores de 5 L que pueden operar en serie o en paralelo. El equipo incluye tres separadores ciclónicos para el fraccionamiento de los extractos. El caudal máximo es de 200 g / min de dióxido de carbono.
Equipos para la caracterización de los productos: HPLC; GC, viscosímetro y densímetro a alta presión.
Knowledge Transfer Offer
GROUP/UNIVERSITY: Analysis and design of supercritical fluid processes (TEP-128). Universidad de Cadiz
Contact Person: Enrique Martínez de la Ossa y Casimiro Mantell Serrano Name: Extraction and impregnation of natural products
Department/Section: Department of Chemical Engineering and Food Technology School/Center: Science Faculty, University of Cadiz
e-mail: enrique.martinezdelaossa@uca.es casimiro.mantell@uca.es Phone: 34 956 016378
Web: http://tep128.uca.es/
TITLE: Extraction and impregnation of natural products
Description: (500 words approximately)
(Brief description of the transferable knowledge, indicating innovative aspects, potential scopes and any detail that could be considered of interest to the target entities)
Our group are working in the analysis and design of supercritical fluid processes applied to the extraction, fractionation and purification of products obtained from natural raw materials. The experience of this research group began in 1992 and since this date, many processes have been studied.
High-pressure extraction: extraction of bioactive compounds by supercritical CO2 extraction, subcritical water extraction, pressurized liquid extraction and enhanced solvent extraction.
- Supercritical CO2 extraction of oils from different vegetables such as soya, borage, argan, grape seeds, wheat germ and microalga.
- Supercritical extraction of carotenoids, chlorophyll, astaxantin and fatty acids from microalgae and microalgae.
- High pressure extraction of anthocyanins from Solanum stenotomun peel and grape pomace
- Supercritical fluid extraction of allelopathy compounds from sunflower leaves.
- Extractions of antioxidants compounds such as polyphenols, flavonoids, terpenoids from different crop residues: olive, eucalyptus, mango leaves.
- Comparison of analytical and pilot-scale extraction. Pilot-plant scale extraction of different compounds using green techniques.
Fractionation: fractionation of bioactive compounds and extracts by reverse phase supercritical fluid chromatography, precipitation in different cyclone separators and fractionation using anti-solvent.
Impregnation: supercritical impregnation with CO2 of natural extracts with antimicrobial, antioxidant and anti-inflammatory properties in textile, food and polymeric materials. Active packaging technologies are designed primarily with the goal of protecting food products from deterioration and from the growth of microorganisms. Supercritical CO2 is an attractive process for imparting antioxidant and antimicrobial functionality to textile and polymeric materials.
We work in the characterization of the products obtained such as identification and quantification of compounds by techniques HPLC or GC, evaluation of the antioxidant capacity, studies of allelophatics activities and other.
We offer solutions for improvement and innovation of products and processes, design and optimization of processes at high pressure.
How does it work? /What is it about?: (500 word approximately)
(Detailed description of the scientific-technical principles, processes, procedures, capabilities, resources or knowledge on which the offer is based)
Extraction techniques have been investigated in order to develop faster, more efficient, cheaper and “greener” methods. In this regard, supercritical fluid extraction and pressurized liquid extraction have been widely compared to other extraction techniques (e.g., maceration, ultrasound extraction, solvent partitioning and Soxhlet extraction) in terms of recovery of bioactive compounds, and have shown promising results.
In the recent years, the number of studies related to supercritical fluid extraction has increased for active ingredients from plants, food products or other vegetable matrices. Supercritical fluid extraction mainly uses supercritical carbon dioxide as extraction solvent. Indeed, CO2 is an attractive choice because it offers high diffusivity combined with its easily tunable solvent strength through changes in temperature and pressure. The addition of an organic solvent in small proportions is also possible, to improve extraction efficiency and selectivity. One of the main interest in supercritical fluid application is the possible use of lower temperature with regards to pressurized liquid, which allows the extraction of compounds that may be oxidized or degraded by high temperatures.
The use of two types of fluid is possible: a subcritical or supercritical fluid. In the case of a subcritical fluid (enhanced solvent extraction), the pressure is maintained over its critical value while temperature is below its critical value. For a supercritical fluid, pressure and temperature are both over the critical values. For neat CO2, the critical values are 74 bar and 31 °C. Subcritical conditions are most often employed when a co-solvent is used (as the introduction of co-solvent causes increased critical values), while supercritical conditions are usually employed with neat CO2. Apart from these fundamental notions, sub- and supercritical fluids have comparable features. All parameters acting on density changes are important parameters because they modify analyte solubility, mass transfer ratio and the extraction selectivity.
In the pressurized liquid extraction solvents classified as generally recognized as safe (GRAS) (e.g., ethanol, water or its mixtures) are used in the process. The main advantages of pressurized liquid are higher extraction efficiencies requiring significantly lower amounts of solvents, reduced extraction time and possibility of process automation.
Supercritical CO2 is an attractive process for imparting antioxidant and antimicrobial functionality to textile materials and polymeric matrices. It is a “green” technology, which does not produce any harmful by-products. Supercritical solvent impregnation method can represent an efficient and advantageous alternative.
Advantages:(300 words maximum)
(Advantages and benefits for an entity that would integrate the knowledge)
Supercritical fluid provides several operational advantages over conventional extraction and impregnation methods since it uses supercritical solvents, with different physicochemical properties such as density, diffusivity, viscosity and dielectric constant. Due to their low viscosity and relatively high diffusivity, supercritical fluids have enhanced transport properties than liquids, can diffuse easily through solid materials and can therefore give faster extraction rates.
One of the main characteristics of a supercritical fluid is the possibility of modifying the density of the fluid by changing its pressure and/or temperature. Since density is related to solubility, by altering the extraction pressure, the solvent strength of the fluid can be modified. Other advantages, compared to conventional techniques, are the use of solvents generally recognized as safe (GRAS), the higher efficiency of the extraction process in terms of increasing yields and lower extraction times.
The carbon dioxide is the most commonly used solvent for three major reasons: firstly, it is innocuous to human health and to environment, respecting the sustainability criteria that increasingly governs the suitability of chemical processes; secondly, its moderate critical temperature (31 °C) is a key issue for the preservation of bioactive compounds in extracts; finally, the extract is preserved from contact with air, where light reactions of oxidation may occur.
Since carbon dioxide is a gas at room temperature, when the process (extraction and impregnation) are completed and the system decompressed, the elimination of CO2 is achieved, yielding a solvent- free extract. On an industrial scale, when carbon dioxide consumption is high, the operation can be controlled to recycle it.
Among the main advantages of the supercritical impregnation technique it can be referred that the solute loading and depth of impregnation can be tuned by changing process conditions; it originates final products that are free from organic solvent residues since supercritical CO2 is released as a gas after depressurization; and finally the technique permits to work at relatively mild conditions in an oxygen free environment which is often desirable when the objective is to impregnate natural based compounds with biological activity.
Where has it been developed?: (200 words approximately) (Brief description of the research group)
All studies were performed at the level of research, focused mainly cosmetic, pharmaceutical and food industries.
During investigations, have established collaboration with companies such as IDOKI, Acciona Infraestructuras SA, Bio-Oils, Olivar de Segura, Phytoplant Research, SL, CEPSA, KEEY Aerogel SAS Clinic Dr. Lobatón among others.
Projects:
- No catalytic transesterification process for the production of biodiesel using supercritical fluids. Project National (CTQ2008-03336 / PPQ).
- Fractionation and purification of antioxidant compounds from agricultural products using separation techniques at high pressure. Project National (CTQ2008-03336 / PPQ).
- Harvesting of agricultural products and by-products of Cochabamba: Andean potato (A / 032041/10).
- Supercritical impregnation of natural extracts in the preservation of perishable foods. Project National (CTQ2014-52427-R).
And also: (100 words maximum)
(Other capacities of the research group, Equipment)
At this moment, in the University of Cadiz there are some equipment at different scales:
Analytical scale:
- Supercritical Fluid extraction plant with an extraction vessel of 100 mL. Maximum flow rate of 50 g/min of carbon dioxide.
- Supercritical fluid reaction plant with a reactor of 100 mL.
Laboratory scale:
- Supercritical Fluid extraction plants with extraction vessel of 500 mL and 1L volume. This plant can separate the extract obtained using two cyclonic separators in series.
- Two supercritical Fluid Countercurrent columns for the extractions of liquid raw materials. The heights of the columns are son 2.8 m and the inner diameter is 2 cm.
Pilot plant scale:
- Supercritical Fluid extraction plant with tree vessels of 5 L that can operate in series or in parallel. The equipment includes three cyclonic separators for the fractionation of the extracts. The maximum flow rate is 200 g/min of carbon dioxide.
Equipment for the characterization of the products: HPLC, GC, viscosimeter and densimeter at high pressure.