Extração por fluido supercritico

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Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Instituto de Pesquisas de Produtos Naturais (IPPN)
Seminário didático
Extração por fluido supercrítico e sua aplicação no estudo de produtos naturais
Tairini Roberto da Silva
Rio de Janeiro
2018
Sumário
Introdução	3
Objetivo 	3
Justificativa	3
Desenvolvimento	4
 Processo de extração por fluido supercrítico	4
O uso de co-solventes (modificadores) 	5
Instrumentação 	6
Parâmetros que influenciam no processo de extração 	7
Vantagens e desvantagens 	8
Aplicações	8
Conclusão 	10
Referências 	10
1. Introdução
Desde os primórdios da humanidade tem-se o conhecimento do uso de plantas medicinais para a cura e prevenção de enfermidades. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia e o interesse no estudo de plantas medicinais, a química de produtos naturais tem tido grande progresso. Em virtude de as substâncias ativas estarem em concentrações nem sempre expressivas nas plantas, muitas pesquisas têm sido realizadas a fim de desenvolver métodos de extração mais seletivos e eficientes para a obtenção dessas substâncias através de sua matéria-prima (Lang e Wai, 2001).
Um dos métodos mais antigos de extração é a extração direta por solventes. Entretanto, o uso em larga escala de solventes orgânicos oferece uma séria ameaça ao meio ambiente. Devido as regulamentações ambientais cada vez mais severas e aos inconvenientes desse modo de extração, como a degradação de substâncias termolábeis, necessidade de grande quantidade de solvente e tratamento de resíduos, a extração com fluido supercrítico (EFS) surge como uma alternativa aos métodos de extração convencionais (Herrero et al., 2010).
No processo de extração por fluido supercrítico, a temperatura e a pressão de uma substância ultrapassa um valor crítico específico, ou seja, o ponto crítico. Quando este estado é alcançado, os fluidos supercríticos podem ser considerados gases altamente comprimidos com densidade de líquidos. Combinando assim, propriedades únicas de ambos estados físicos como baixa viscosidade e alta difusividade, de maneira que, muitas vezes, os fluidos em condições supercríticas sejam considerados fases móveis ideais para cromatografia por fluido supercrítico (Hartmann e Ganzerra, 2015). 
A extração (EFS) é um método rápido, eficiente e limpo utilizado para a extração de produtos naturais no qual permite que as características do produto final possam ser modificadas alterando os parâmetros do processo, como temperatura, pressão e co-solvente. Portanto, é de interesse para as indústrias farmacêuticas, alimentícias e cosméticas, visto que permite a obtenção de produtos sem resíduos tóxicos, sem degradação de princípios ativos e de alta pureza. Um número significativo de estudos já foi realizado na extração de óleos essenciais, compostos fenólicos, carotenoides, alcaloides e diversas classes de compostos químicos, de diversas matrizes vegetais, o que mostra a importância da técnica na área de produtos naturais (Pereira e Meireles, 2010).
2. Objetivo
Este trabalho tem por objetivo apresentar uma revisão bibliográfica dos fundamentos teóricos do processo de extração por fluidos supercríticos buscando a compreensão das variáveis do processo que influenciam na extração e sua aplicação em produtos naturais.
3. Justificativa
A extração com fluidos supercríticos é uma alternativa aos métodos de extração convencionais, contornando assim os problemas ocorridos, como a existência de resíduos de solventes, degradação de substâncias, toxicidade dos solventes utilizados e etc. Com o crescente interesse por produtos naturais e pela química verde a técnica pode tornar-se bem útil a área de química de produtos naturais.
4. Desenvolvimento
Para uma melhor compreensão do processo de extração (EFS) e do trabalho aqui apresentado os tópicos abaixo foram organizados numa sequência lógica de conhecimento.
4.1.1 Processo de extração com fluidos supercríticos
O diagrama de fases mostra as condições de temperatura e pressão necessárias para obter uma substância em um determinado estado físico, ou seja, mostra as condições de equilíbrio entre as fases. As linhas que separam as regiões no diagrama de fases, chamadas de limites de fases, mostram as condições nas quais duas fases podem coexistir em equilíbrio dinâmico. E no ponto triplo, as três fases, sólido, líquido e gás coexistem em equilíbrio. Vamos supor, que uma substância no estado líquido é aquecida em recipiente fechado, e submetida a uma determinada pressão, a pressão de vapor da substância aumenta conforme o aumento da temperatura. Assim, ocorre o aumento da pressão de vapor do líquido, juntamente com a diminuição da densidade em consequência do aumento do seu volume. Há um ponto em que a densidade do vapor é muito grande e igual à do líquido restante. Nesse ponto, chamado de ponto crítico (Figura 1), a superfície de separação entre as duas fases, liquido e vapor, desaparece, e a partir daí, já não é mais possível identificar a fase líquida. Logo, uma única fase fluida é observada. Um fluido denso que existe acima da pressão e da temperatura crítica é chamado fluido supercrítico (Atkins, 2001).
Atualmente, o processo de extração utilizando fluidos supercríticos é considerado uma alternativa aos métodos convencionais de extração. É uma operação que explora o poder de solvatação dos fluidos a pressão e temperatura acima do ponto crítico, para extrair ou separar os componentes de uma amostra. Nestas condições, os fluidos passam a ter propriedades físico-químicas intermediárias aos gases e líquidos, assim, a sua alta densidade lhes confere uma alta potência de solvatação e seus altos valores de difusão e baixa viscosidade, uma potência de penetração desejada na matriz (Machado et al., 2013).
Figura 1 - Diagrama de fases de uma substância que indica o estágio do fluido supercrítico acima da pressão crítica (Pc) e da temperatura (Tc) (Hartmann e Ganzerra, 2015).
A possibilidade de modificar a densidade dos fluidos é uma das principais características de um fluido em condições supercríticas, alterando sua pressão e temperatura. Como a solubilidade está diretamente relacionada com a densidade, alterando-se a pressão consegue-se modificar a força do solvente. Assim, a escolha dos parâmetros adequados leva a uma melhoria na seletividade de modo que a solubilidade de impurezas seja mínima e de soluto potencializada. Uma isoterma típica de solubilidade na região supercrítica, demonstra uma curva sigmoide (Figura 2). Isso indica um aumento exponencial na capacidade do solvente para um soluto em particular em relação à pressão e temperatura constante. Essas condições aumentam a possibilidade de extração de certas substâncias ou grupo de substâncias, selecionando parâmetros que maximizem a solubilidade desses compostos (Patil et al., 2013).
Figura 2 - Solubilidade do soluto em relação à pressão a temperatura constante (Patil et al., 2013).
4.1.1. O uso de co-solventes (modificadores)
Existem vários tipos de solventes que podem ser utilizados como fluidos supercríticos, porém como exigem manipulação especial por não atenderem aos padrões de saúde e segurança, devido a seus efeitos potencialmente nocivos e perigosos para os seres humanos, não são tão empregados, como amônia, benzeno e ciclohexano. De maneira geral, os fluidos na EFS precisam atender a certos requisitos como: ser inerte e de fácil separação do produto, boa solubilidade, ter baixo custo e não ter uma pressão crítica muito alta (Machado et al., 2013).
Num intuito de aumentar a polaridade do solvente e das substâncias a serem extraídas é costume adicionar co-solventes. A figura 3, mostra uma estatística dos co-solventes mais utilizados em matrizes vegetais baseado em 166 publicações de banco de dados.
Figura 3 – Maioria dos co-solventes empregados 
Fonte: Melo et al., 2014
Entre todos os líquidos e gases estudados, o CO2 continua sendo o fluido mais empregado nas extrações (EFS) devido as suas propriedades não tóxicas, não inflamáveis, baixa pressão e temperaturacrítica (31, 04ºC e 72,8 bar) e é disponível em alta pureza a baixo custo. Devido o CO2 ser uma substância apolar, possui boa capacidade de extração de compostos não polares ou pouco polares de baixo peso molecular. Diante disso, a adição de modificadores é maneira mais simples e eficiente de se mudar a polaridade do fluido e assim, aumentar a sua capacidade de solvatação, empregando modificadores polares como, por exemplo, o etanol (Kumar, 2015).
4.1.2. Instrumentação
O esquema de extração supercrítica consiste basicamente dos seguintes componentes: um cilindro de CO2, uma bomba de alta pressão, uma bomba para o co-solvente (se necessário), uma célula extratora, separadores, válvulas de pressurização/despressurização e controlares de temperatura e pressão (Figura 4). O material a ser extraído é colocado na célula extratora, o gás pressurizado, está no estado líquido, entra no sistema, onde é aquecido, alcançando-se assim a condição supercrítica. O fluido entra na câmara de extração, onde encontra-se o material, difunde-se rapidamente pela matriz, dissolvendo as frações desejadas. O extrato flui pelo sistema e assim que chega ao separador, a pressão e temperatura reduzida, o material é precipitado e coletado, e neste momento, o gás carbônico volta ao estado gasoso, passa por um trocador de calor, é refrigerado, comprimido e liquefeito, é recirculado ao sistema e pode ser reutilizado em condições pré-determinadas (Nahar e Sarker, 2012).
Figura 4 – Esquema da extração por fluido supercrítico
4.1.3. Parâmetros que influenciam no processo de extração
Uma etapa muito importante na EFS é a seleção dos parâmetros que vão influenciar na seletividade do processo de extração. Os fatores a serem determinados incluem:
a) Pressão e temperatura: vai depender da classe de compostos desejados, por exemplo, um aumento na pressão e na temperatura implica na extração de compostos mais pesados, como cera. A pressão pode usada como controle da densidade de um fluido a uma determinada temperatura, tendo em vista que afetam o poder de solvatação do fluido. Logo, o poder de solvatação, pode ser alterado manipulando essas duas condições. Em geral, quando a temperatura é constante, um aumento na pressão, aumenta o poder de solvatação; e quando a pressão é constante, um aumento na temperatura reduz a densidade do solvente e do seu poder de solvatação. Diante disso, a solubilidade do soluto está diretamente relacionada à densidade do fluido (Pereira e Meireles, 2010).
b) Tamanho de partícula: a matriz sólida deve ser triturada, afim de aumentar a área de transferência de massa. Porém, partículas muito pequenas podem dar problemas de canalização no leito de extração, portanto devem ser evitadas. Já partículas medianas, parte do solvente pode não entrar em contato com o material a ser extraído causando assim perda de eficiência e rendimento do processo. No geral, são utilizadas partículas com diâmetros entre 0,25 e 1,80 mm. No entanto, essa questão deve ser avaliada para cada caso (Zukinik et al., 2012).
c) Vazão: em geral, um alto fluxo de solvente aumenta a capacidade de extração. Porém, em alguns casos, podem diminuir o rendimento devido ao baixo tempo de contato entre o soluto e o solvente (Pereira e Meireles, 2010).
d) Adição de co-solvente: o ideal é selecionar um bom solvente no estado líquido para o analito alvo, visto que a natureza do modificador vai depender da natureza da substância a ser extraída (Zukinik et al., 2012; Pourmortazavi e Hajimirsadeghi, 2007).
e) Tempo de contato: com o intuito de aumentar a eficiência da extração EFS, é necessário maximizar o tempo de contato da amostra com o fluido supercrítico (Pourmortazavi e Hajimirsadeghi, 2007).
f) Umidade da matriz: geralmente, a água presente na matriz diminui o rendimento do processo, porque compete com o solvente para interagir com a amostra. Logo, é recomendada a secagem do material (Pereira e Meireles, 2010).
4.1.4. Vantagens e desvantagens 
A EFS possui diversas vantagens quando comparada com métodos convencionais de extração. Além dos fluidos possuírem viscosidade relativamente baixa e alta densidade, o que permite uma penetração mais eficaz nos materiais sólidos do que os solventes líquidos, o tempo de extração pode ser reduzido para poucas horas ao invés de dias. Os fluidos solubilizados são separados por despressurização, o que elimina a etapa de concentração da amostra, que além de ser demorado, pode resultar na perda de substâncias voláteis. Variando a temperatura e/ou a pressão é possível alterar o poder de solvatação dos fluidos, alcançando-se uma alta seletividade. Como a extração geralmente ocorre a baixas temperaturas, é ideal para análise de compostos termicamente lábeis. É possível a obtenção de uma extração quantitativa ou completa, visto que o fluido passa continuamente pela amostra. A EFS permite também baixas quantidades de amostras, na faixa de 0,5 a 1,5g. Logo, pode ser aplicada em diferentes escalas, analítica, preparativa e industrial. Nos processos em larga escala, o CO2 pode ser recuperado e reciclado, minimizando a geração de resíduos. E como não utiliza solventes orgânicos é considerado uma tecnologia limpa (Ayre et al., 2013).
A principal limitação que a EFS enfrenta é o alto custo dos equipamentos comercialmente disponíveis (Machado et al, 2013). Outra desvantagem é a dificuldade de extração analitos polares, como o solvente mais utilizado nesse tipo de extração é o CO2, sua baixa polaridade dificulta a extração de compostos iônicos e polares, sendo excelente para analitos não-polares. Outro problema envolvido, tal como ocorre nos métodos convencionais, é a necessidade de etapas de limpeza do equipamento (Castro e Jiménez-Carmona, 2000; Ayre et al., 2013).
5. Aplicações
Tendo em vista a natureza e as propriedades físicas do CO2, a EFS com CO2 tem sido muito utilizado na extração de compostos bioativos não-polares, como ácidos graxos, carotenoides, fitoesteróis. Estudos comprovam que extratos obtidos por SFE mantem e/ou excedem a bioatividade dos extratos, devido a especificidade do processo que promove uma extração seletiva, obtendo-se um extrato rico em compostos desejáveis, isentos de solventes orgânicos e sem perda de compostos por degradação ou reação (Pereira e Meireles, 2010).
As extrações de compostos antioxidantes a partir de matrizes naturais foram demostradas viáveis e com alto potencial nas indústrias alimentares. Em um trabalho recente de Ferrentino (2018) explorou o potencial da EFS na extração de compostos fenólicos e antioxidantes do bagaço de maça. A extração foi realizada a 20 e 30 MPa, temperatura de 45 e 55°C, na ausência e na presença de etanol (5%) como co-solvente e com amostras frescas, secas e liofilizadas. Foi realizada também uma extração no Soxhlet com etanol e maceração com água em ebulição para fins comparativos. Os melhores resultados foram obtidos com as amostras liofilizadas, pressão à 30MPa e temperatura à 45°C por 2h com 5% de etanol que levaram a uma maior atividade antioxidante do que os métodos convencionais.
Uma outra aplicação de EFS está na utilização de resíduos alimentícios gerada das atividades industriais. Em razão disso, estudos nesta área visam agregar valor a essa variedade de subprodutos. Sementes e peles de uva são fontes importantes de polifenóis. Um subproduto da fabricação de pisco (bebida alcóolica feita de uva), como lees, poderia ser uma fonte desses compostos em potencial. Compostos fenólicos, como ácido gálico, protocatéquico, vanílico, siríngico; derivados ferúlicos, derivados p-cumáricos e flavonoides, como quercetina e seus derivados foram extraídos com EFS a 20Mpa e 313K (Farías-Campomanes et al., 2015). Wenzel et al. (2016) extraiu compostos fenólicos de casca de Juglansnigra (nogueira negra) usando EFS com CO2 e etanol como modificador. A densidade geral do sistema foi mantida constante em 0,75g/mL e as condições de extração ótimas foram de 68°C e a porcentagem de etanol de 20%.
A extração convencional de óleos essenciais por hidrodestilação, envolve algunsinconvenientes como degradação térmica, hidrólise e solubilização na água de alguns compostos que alteram o seu sabor e aroma. No entanto, o uso de SFE tem sido uma excelente alternativa para a obtenção desses compostos (Machado et al., 2013). Khalili et al. (2017) comparou a extração do óleo essencial de alecrim via EFS e hidrodestilação (HD) e mostrou que EFS ofereceu mais vantagens de extração, como menor tempo de processo e maior seletividade. A EFS foi conduzida sob pressão de 30 MPa e temperatura de 40°C por um período de 20 minutos estático, seguido de 35 minutos dinâmico. Os compostos identificados em maior abundância relativa foram: α-pineno (HD: 30,42%, SFE: 0,47%), 1,8-cineol (HD: 15,46%, SFE: 20,05%), Verbenona (HD: 13,09%, EFS: 5,17%), cânfora (HD: 8,97%, EFS: 15,69%), Borneol (HD: 7,16%, EFS: 9,15%) e β-cariofileno (EFS: 6,85%).
Carotenoides são pigmentos naturais com pouca polaridade, logo apresentam grande potencial para serem explorados pelas características e vantagens do EFS. São interessantes por suas capacidades antioxidantes e propriedades de coloração. Geralmente, é necessário o uso de elevadas pressões para esses compostos serem dissolvidos utilizando CO2 puro devido à sua baixa solubilidade. Embora sua estrutura não seja polar, apresentam um grande peso molecular e isso reduz a solubilidade em CO2 supercrítico devido à baixa volatilidade. Portanto, a maioria das extrações faz uso co-solvente para modificar a polaridade do CO2 (Rostagno e Prado, 2012). Lima et al. (2018), avaliou e otimizou a extração de carotenoides a partir de cascas de cenoura usando CO2 supercrítico e etanol como co-solvente. Os parâmetros avaliados foram temperatura, pressão e concentração de co-solvente. Onde as condições ótimas para recuperação de carotenoides foram encontradas 59,0°C, 349 bar e 15,5% de etanol. Outro estudo avaliou a viabilidade de extração de carotenóides, além das clorofilas a, b e c de uma cepa selvagem de Scenedesmus obliquus, usando CO2 supercrítico modificado. A pesquisa verificou a influência de diversos parâmetros como pressão, temperatura, vazão de CO2 e um co-solvente polar. Os resultados mostraram que as melhores condições de rendimentos para extração de carotenóides totais e das clorofilas, foram 200 bar e 60°C; e 250 bar e 40°C, respectivamente. E que na presença de etanol a 7,7% os rendimentos de carotenóides e clorofila aumentaram em relação ao CO2 puro. Logo, uma notável seletividade das condições operacionais permite a separação e purificação dos pigmentos (Guedes et al., 2013).
6. Conclusão
Tendo em vista a atual preocupação da sociedade com o meio ambiente, o uso da técnica de extração por fluidos supercríticos tem se difundido cada vez mais e abrangendo uma grande variedade de aplicações. A EFS apesar de não ser uma técnica recente, seu potencial ainda não foi totalmente atingida e vem se mostrado uma alternativa viável aos métodos convencionais de extração, enfatizando suas principais características, a utilização de uma tecnologia limpa, extração de produtos com maior qualidade, sem resíduos de solventes orgânicos e tóxicos, não alterando as das propriedades dos produtos de extração de diferentes matérias-primas. Embora a técnica apresente uma série de vantagens, o alto custo do equipamento tem sido um limitador para sua aplicação.
7. Referências 
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