Ανάκτηση αντιοξειδωτικών από φυσικές πρώτες ύλες με χρήση της υπερκρίσιμης εκχύλισης: πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση

Abstract

Supercritical CO2 has attracted scientists and industry because its properties fullfill the principles of 'Green Chemistry'. The most popular application of the particular solvent is its use for the recovery of valuable components from natural raw materials, a process called Supercritical Extraction. In this thesis the supercritical extraction essential oil with antioxidant activity of the medicinal herb Dittany of Crete was examined. Experimental measurements were performed at a laboratory scale supercritical extraction apparatus, investigating the influence of pressure and cosolvent addition on the yield and the antioxidant activity of the extract. The components of the essential oil were identified by chromatographic analysis by HPLC, and the antioxidant activity of the extracts was assessed by the free radical DPPH • method and oil oxidation method. Moreover, extracts were obtained by conventional liquid extraction using a Soxhlet-type apparatus and ethyl acetate as solvent, by hydrodistillation and by combining the liquid and supercritical extraction. The results showed that the supercritical extraction is an efficient alternative method for obtaining extracts from dittany. The pressure increase or co-solvent addition results in an increase of the process efficiency, and the antioxidant activity of the extracts vary with the assay method. In comparison, the combination of liquid and supercritical extraction appears to yield the most active product. The antioxidant activity of the extracts can be attributed to the presence of carvacrol and thymoquinone (two mild antioxidants), as the chromatographic analysis demonstrated. In addition, rosmarinic acid, a relatively active antioxidant, was identified in the classical extraction extract.For the design, development and optimization of a physical process, such as supercritical extraction, it is necessary to have information on phase equilibrium of the components involved in this process, which is obtained either by experimental measurements or by means of appropriately developed thermodynamic models for the description or prediction of the equilibrium curves. An interesting equilibrium that occurs in the processes of supercritical fluids is the solid - liquid - gas equilibrium of binary-CO2 systems with nonvolatile compounds, where the solubility of carbon dioxide in the melt of the compound leads to a melting point depression, increasing the pressure. In the present thesis the phase equilibrium of binary-CO2 systems with compounds which form the backbone of antioxidant compounds, such as naphthalene, phenanthrene, benzoic acid, and natural compounds found in dittany, such as fatty acids stearic acid and palmitic acid, was studied . The experimental determination of the equilibrium curve was performed on a laboratory-scale equilibrium cell, following α visual method of 'the first melting point’. The results showed a clear depression of the melting point of the solid substance in all systems, while only in the CO2 system - benzoic acid a temperature minimum at the equilibrium curve was not observed. For thermodynamic modeling of the systems the cubic equation of Peng-Robinson (PR) was used, combined either with conventional mixing rules van der Waals with one or two adjustable parameters, or with the free energy excess model Gibbs UNIQUAC (EoS / GE UMR - PRU model), where the direct estimation of the energy model parameters in the equilibrium data and the addition of an adjustable parameter in α repulsive term of the equation were examined. The results showed that the description of the equilibrium with the PR-van der Waals model with two adjustable parameters were very satisfactory in all systems, whereas UMR - PRU model had distinct behavior per system, where only in the CO2 systems with naphthalene, phenanthrene and benzoic acid the equilibrium curves were relatively satisfactory described.

Το υπερκρίσιμο CO2 έχει προσελκύσει επιστήμονες και βιομηχανία εξαιτίας των ιδιοτήτων του, οι οποίες πληρούν τις αρχές της «Πράσινης Χημείας». Η δημοφιλέστερη εφαρμογή του συγκεκριμένου διαλύτη είναι η χρήση του στην ανάκτηση πολύτιμων συστατικών από φυσικές πρώτες ύλες, μια διεργασία που ονομάζεται Υπερκρίσιμη Εκχύλιση. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η υπερκρίσιμη εκχύλιση αιθέριου ελαίου με αντιοξειδωτική δράση από το φαρμακευτικό βότανο Δίκταμο Κρήτης. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε συσκευή υπερκρίσιμης εκχύλισης εργαστηριακής κλίμακας, διερευνώντας την επίδραση της πίεσης και της προσθήκης συνδιαλύτη στην απόδοση και την αντιοξειδωτική δράση του εκχυλίσματος. Τα συστατικά του αιθέριου ελαίου ταυτοποιήθηκαν με χρωματογραφική ανάλυση μέσω HPLC, ενώ η αντιοξειδωτική δράση των εκχυλισμάτων αξιολογήθηκε με τη μέθοδο δέσμευσης της ελεύθερης ρίζας DPPH· και τη μέθοδο οξείδωσης ελαίου. Επιπλέον, εκχυλίσματα παρελήφθησαν με κλασσική υγρή εκχύλιση με χρήση συσκευής τύπου Soxhlet και διαλύτη οξικό αιθυλεστέρα, με υδροαπόσταξη, καθώς και με συνδυασμό της υγρής και της υπερκρίσιμης εκχύλισης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υπερκρίσιμη εκχύλιση είναι μια αποδοτική εναλλακτική μέθοδος παραλαβής εκχυλίσματος δικτάμου. Η αύξηση της πίεσης ή η προσθήκη συνδιαλύτη οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης της διεργασίας, ενώ η αντιοξειδωτική δράση των εκχυλισμάτων ποικίλει ανάλογα με την μέθοδο προσδιορισμού. Συγκριτικά, ο συνδυασμός υγρής και υπερκρίσιμης εκχύλισης φαίνεται να αποδίδει το πιο δραστικό προϊόν. Η αντιοξειδωτική δράση των εκχυλισμάτων μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία καρβακρόλης και θυμοκινόνης (δυο ήπιων αντιοξειδωτικών ουσιών), όπως κατέδειξε η χρωματογραφική τους ανάλυση. Ταυτόχρονα στο εκχύλισμα της κλασσικής εκχύλισης ταυτοποιήθηκε και η παρουσία ροσμαρινικού οξέως, ενός σχετικά δραστικού αντιοξειδωτικού. Για τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αριστοποίηση μιας φυσικής διεργασίας, όπως είναι η υπερκρίσιμη εκχύλιση, είναι αναγκαίο να υπάρχουν πληροφορίες για την ισορροπία φάσεων των συστατικών που λαμβάνουν μέρος σε αυτή τη διεργασία, οι οποίες ανακτώνται είτε μέσω πειραματικών μετρήσεων είτε μέσω των κατάλληλα ανεπτυγμένων θερμοδυναμικών μοντέλων περιγραφής ή πρόρρησης της ισορροπίας. Μια ενδιαφέρουσα ισορροπία που απαντάται στις διεργασίες των υπερκρίσιμων ρευστών είναι η ισορροπία φάσεων στερεού – υγρού – αερίου δυαδικών συστημάτων του CO2 με μη πτητικές ενώσεις, όπου η διαλυτότητα του διοξειδίου του άνθρακα στο τήγμα της ένωσης οδηγεί σε ταπείνωση του σημείου τήξης της με αύξηση της πίεσης. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η εν λόγω ισορροπία φάσεων δυαδικών συστημάτων του CO2 με ενώσεις που αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των αντιοξειδωτικών ενώσεων, όπως είναι το ναφθαλένιο, το φαινανθρένιο, το βενζοϊκό οξύ, και με φυσικές ενώσεις που απαντώνται στο δίκταμο, όπως είναι τα λιπαρά οξέα στεατικό οξύ και παλμιτικό οξύ. Ο πειραματικός προσδιορισμός της καμπύλης ισορροπίας των συστημάτων πραγματοποιήθηκε σε συσκευή-κελί ισορροπίας εργαστηριακής κλίμακας, ακολουθώντας την οπτική μέθοδο του «πρώτου σημείου τήξης». Τα αποτελέσματα έδειξαν σαφή ταπείνωση του σημείου τήξης της στερεής ουσίας σε όλα τα συστήματα, ενώ δεν παρατηρήθηκε θερμοκρασιακό ελάχιστο στην καμπύλη ισορροπίας μόνο στο σύστημα CO2 – βενζοϊκό οξύ. Για την θερμοδυναμική μοντελοποίηση των συστημάτων χρησιμοποιήθηκε η κυβική καταστατική εξίσωση Peng-Robinson (PR) συνδυασμένη είτε με τους κλασικούς κανόνες ανάμιξης van der Waals με μια ή δυο προσαρμόσιμες παραμέτρους, είτε με το μοντέλο υπολογισμού περίσσειας ελεύθερης ενέργειας Gibbs UNIQUAC (EoS/GE μοντέλο UMR – PRU), όπου μελετήθηκε η απευθείας εκτίμηση των ενεργειακών παραμέτρων του μοντέλου στα δεδομένα της ισορροπίας αλλά και η προσθήκη μιας προσαρμόσιμης παραμέτρου στον απωστικό όρο της καταστατικής εξίσωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η περιγραφή της ισορροπίας με το μοντέλο PR-van der Waals με δυο προσαρμόσιμες παραμέτρους ήταν πολύ ικανοποιητική στο σύνολο των συστημάτων, ενώ το μοντέλο UMR – PRU είχε ξεχωριστή συμπεριφορά ανά σύστημα, όπου η περιγραφή μόνο στα συστήματα του CO2 με το ναφθαλένιο, το φαινανθρένιο και το βενζοϊκό οξύ ήταν σχετικά ικανοποιητική.