Unità di estrazione a freddo NECTACEL

di solventidi gasdi vapore

Introduzione
Since its start-up, CELSIUS builds equipment for the pharmaceutical industries producing active ingredients by chemical synthesis. Per l’industria dell’estrazione, CELSIUS ha sviluppato il procedimento NECTACEL per l’estrazione di molecole naturali usando gas liquefatti. Questo procedimento interessa anche cosmetica, profumeria, aromi e nutraceutica. Il testo descrive i principi, i vantaggi, i solventi e le diverse tecniche di estrazione applicabili alle matrici vegetali o animali.

CHIMICA VERDE
La natura è ricca di molecole d’interesse (principi attivi, aromi, oli essenziali, ingredienti funzionali). CELSIUS progetta unità di estrazione (NECTACEL) basate sulla chimica dei vegetali per produrre estratti, reagenti, oli essenziali, concrete, absolute e ingredienti funzionali. Ogni unità è studiata per una matrice e un solvente di estrazione specifici.

• Vapore
• Acqua
• Alcol
• Esano, Toluene, ecc.
• Solventi verdi
• Gas liquefatti

ESTRAZIONE DI MOLECOLE NATURALI
Per estrazione di molecole naturali si intende il trasferimento di molecole da una matrice solida (vegetale o animale) a una fase liquida. Termini usati: matrice, carica, bagassa, panelli, trebbie, vinacce, residui. I procedimenti si distinguono in meccanici (p. es. spremitura) e di chimica dei vegetali (solvatazione in solvente). L’estrazione riguarda la dissoluzione della molecola d’interesse nel solvente.

Fasi del procedimento:

1. Fase di estrazione: la matrice viene mescolata con il solvente; la molecola d’interesse si dissolve (liquore, filtrato).
2. Fase di separazione: separazione del solvente dall’estratto tramite evaporazione/condensazione; l’estratto rimane liquido, solido o in sospensione.

CRITERI DI SCELTA DEI SOLVENTI
I criteri principali sono:

• Capacità di solvatazione della molecola cercata (polarità, carattere ionico).
• Capacità del solvente di attraversare le membrane cellulari (dimensione molecolare, penetrazione nei pori).
• Proprietà termodinamiche che definiscono condizioni di servizio e tecnologie dell’apparecchiatura.

Considerazioni etiche/ambientali: uso di risorse rinnovabili, solventi “verdi” o riciclati, basso consumo energetico, temperature che non degradino il prodotto.

PROCEDIMENTI DI ESTRAZIONE
Descrizione delle principali tecniche:

• 1. Idrodistillazione: solvente = vapore d’acqua; applicata per oli essenziali; forma azeotropo e condensa in miscela acquosa e organica.
• 2. Enfleurage a freddo: solvente solido (grasso); processo tradizionale difficile da industrializzare.
• 3. Estrazione con solvente liquido: acqua, alcol, esano, toluene; solvente liquido in condizioni normali; separazione tramite evaporazione o riduzione di pressione; considerare temperatura di separazione, residui di solvente e riciclaggio.
• 4. Gas liquefatti: solventi che sono gas a condizioni normali ma liquidi a pressione; vantaggi: lavorare a temperatura ambiente (ideale per prodotti termosensibili), solvente inerte e potenzialmente “verde”, pressioni relativamente basse rispetto al CO2 supercritico; schema: estrazione, evaporazione della condensa, riciclaggio del solvente.
• 5. Estrazione con R134a con gruppo frigorifero: utilizza le proprietà refrigeranti del fluido in un ciclo tipo Carnot con compressore di gas; applicazioni su piccola scala ma consumo energetico maggiore.
• 6. Estrazione con CO2 supercritico: CO2 inerte, poco costoso, eccellente solvente in stato supercritico; estrazione a pressione elevata (in pratica 300–500 bar per la fase supercritica; separazione gas 20–60 bar); limitazioni: maggior costo d’investimento e capacità ridotte per alcune applicazioni.

Tabella: confronto esemplificativo di gas liquefatti
Gas liquefatto | Temperatura di ebollizione a Patm | Pressione di vapore a 35 °C
Butano (C4H10) | -0.5 °C | 2,3 bar
R134a (1,1,1,2 Tetrafluoroetano / C2F4H2) | -26 °C | 7,9 bar

NECTACEL - PROCEDIMENTO SOTTO PRESSIONE
Il procedimento NECTACEL, sviluppato e brevettato da CELSIUS, è pensato per l’estrazione di molecole polari e non polari da origine vegetale o animale. Caratteristiche principali:

• Uso di gas liquefatti (butano, HFO1234ze, DME, ecc.) come solvente di estrazione.
• Estrazione e separazione a temperatura ambiente (vantaggio per molecole termosensibili).
• Proprietà di solvatazione ampliabili con co-solventi a carattere ionico complementare.
• Pressioni di lavoro relativamente basse (< 10 bar) senza pompe di circolazione né compressori di gas; usa eventualmente una pompa per vuoto per l’essiccazione del residuo.
• Riciclaggio della quasi totalità del solvente; consumi energetici limitati all’evaporazione/condensazione.
• Unità costruite da laboratorio a scala pilota (es. estrattore laboratorio 1 litro) fino a impianti industriali; progettate chiavi in mano e conformi a PED e ATEX dove necessario.

Applicazioni
Esempi di applicazioni studiate: estrazione di cannabidiol dall’hemp, estrazione di artemisinina da Artemisia annua, estrazione di oli da oil cakes; usi farmaceutici, cosmetici, aromi, profumi e neutraceutica.

Risorse e documentazione tecnica
La pagina include pubblicazioni scientifiche e diagrammi entalpici (Mollier) relativi ai solventi utilizzati per supportare la scelta e l’ottimizzazione dei processi di estrazione.

Caratteristiche / specificazioni tecniche

• Processo commerciale/brand: NECTACEL (CELSIUS).
• Tipologia: estrazione con gas liquefatti (unità con riciclaggio solvente, senza pompe di circolazione).
• Solventi frequentemente citati: n-butano, HFO1234ze, DME (dimethylether), R134a (TFE), CO2 supercritico.
• Pressione operativa per gas liquefatti: tipicamente < 10 bar (a 35 °C la pressione di vapore del butano ≈ 2,3 bar; R134a ≈ 7,9 bar).
• Temperatura di lavoro: possibilità di operare a temperatura ambiente, vantaggioso per molecole termosensibili.
• CO2 supercritico: estrazione a 300–500 bar (fase supercritica); separazione 20–60 bar.
• Fasi operative: estrazione (contatto matrice/solvente), separazione (evaporazione/condensazione), essiccazione sottovuoto della matrice esaurita.
• Unità pilota: estrattore di laboratorio da 1 litro; esistono unità da 200 L e impianti su misura.
• Caratteristiche impiantistiche: conformità PED 2014/68/EU e ATEX 2014/34/EU per impieghi con solventi infiammabili; progettazione finalizzata a limitare consumi e recuperare solvente.
• Proprietà intellettuale: procedimento e dispositivo oggetto di deposito di brevetto da parte di CELSIUS.