Extracción con Fluidos Supercríticos PDF

EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS Extraer un compuesto de una matriz líquida o sólida. El fluido supercrítico es el agente extractante. 1. Ventajas Selectividad: con cambios en la presión y temperatura se puede modular el poder de solvatación de un fluido. Por lo tan...

EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS Extraer un compuesto de una matriz líquida o sólida. El fluido supercrítico es el agente extractante. 1. Ventajas Selectividad: con cambios en la presión y temperatura se puede modular el poder de solvatación de un fluido. Por lo tanto, se pueden extraer una gran variedad de compuestos (se amplía). Ejemplo: el hexano extrae compuestos apolares, para extraer compuestos un poco más polares se deberá seleccionar otro disolvente. En extracción SCF, se modula las características del disolvente cambiando la presión y la temperatura, sin tener que cambiar el extractante se pueden extraer diferentes tipos de compuesto. Esto no se puede hacer con un líquido. Rapidez: al ser un fluido supercrítico menos viscoso que un líquido y junto a su menor tensión superficial, penetra mejor una matriz sólida que un fluido más viscoso, con lo cual es más rápida. El coeficiente de difusividad es mayor que en líquidos, por lo tanto, se da una alta difusividad y es más rápido el transporte de materia. Tecnología verde: el CO2 es respetuoso con el MA, por lo tanto, se puede considerar un proceso verde. Con CO2 se pueden extraer compuestos termolábiles (no hace falta calentar mucho, 31ºC). Para la extracción de aceites esenciales se utiliza la hidrodestilación (arrastre por vapor) y por lo tanto en este caso, si se usa CO2 se podrían conservar compuestos volátiles a 100ºC, que se perderían. Ahorro en disolventes orgánicos. Altas recuperaciones. Se puede extraer muestras sólidas (sobre todo) y líquidas. 2. Etapas del proceso de extracción a. Desorción-difusión: transporte del soluto hasta la superficie del sólido. Puede ser un proceso lento o rápido dependiendo del tipo de interacción. b. Disolución-elución: en el fluido supercrítico. El compuesto una vez disuelto en el extractante fluye hacia fuera de los poros y eluye. Se utiliza una especie de columna para depositar el sólido que se quiere extraer. Curvas: porcentaje de extracción vs tiempo.  A. Curva A. Se distinguen 3 tramos: I. La velocidad de extracción aumenta rápida y linealmente con el tiempo. El control de la velocidad es por solubilidad, si esta no es buena, la velocidad de extracción será más baja. El rendimiento de extracción es prácticamente de un 100%. II. La velocidad de extracción disminuye su crecimiento con el tiempo, casi es horizontal la curva. III. Finalmente, la velocidad de extracción está controlada por los procesos de difusión, lo que se desorbe fácilmente ya ha eluído y lo que no se ha desorbido va difundiendo más lentamente. Siempre queda un porcentaje de analito que no se puede extraer. B. Curva B. La solubilidad es baja, por lo tanto, aparecen rendimientos más bajos y el control de la velocidad viene dado por la difusión. C. Curva C. Caso intermedio, las dos etapas de solubilidad y difusión influyen en la velocidad de extracción. Se necesita más tiempo y más extractante, no renta mucho. Si el objetivo es con fines analíticos interesa extraer un 99%, para producción no interesaría tanto el rendimiento, sino la rentabilidad. 3. Factores que influyen en la extracción de un sólido a. Situación del analito dentro de la matriz: no es lo mismo que esté completamente adsorbido que en estructuras celulares, polímeros… b. Tamaño de partícula y porosidad de la matriz. Si el tamaño de partícula es pequeño, el área superficial es más alto y hay más contacto con el eluyente. En los procesos de extracción, el sólido a extraer se tritura primero. En este proceso es necesario controlar el tamaño de la partícula para que no se creen camino preferentes. Si el sólido compacta demasiado (tamaño de partícula muy pequeño), puede ocurrir que el extractante que no entra en contacto con parte del sólido, y se crean caminos preferentes debido a la compactación. Si las partículas son demasiado grandes, se reduce el área superficial y es peor. La porosidad también es importante, es necesario que el sólido sea poroso. c. Solubilidad del analito en el FS. Es necesario fijar unas condiciones de humedad, temperatura, presión, ya que la solubilidad depende del poder de solvatación del fluido (depende de la densidad, a +, +solubilidad) y también depende de la presión de vapor de soluto en ese extractante (depende de la T, a +T, +Pvap). ➔ En ocasiones la humedad de la matriz influye en la extracción. La humedad puede impedir a veces el contacto del extractante con los analitos. Habitualmente se liofiliza o se seca en estufa (si se puede no degradar) antes de extraer. Ocasionalmente, la presencia de humedad puede favorecer la extracción, el H2O puede hinchar las estructuras de la matriz (ejemplo: cafeína de café). ➔ A presión constante, si se aumenta la temperatura, aumenta la presión de vapor del soluto y aumenta la solubilidad. Pero también al aumentar la temperatura, disminuyen la densidad y la solubilidad. Son efectos contrarios que pueden  predominar diferentemente en función de la naturaleza de la extracción. Además, los rangos de presión en los que se trabajen influyen en estos efectos, dependiendo de cada compuesto y cada caso. ➔ La presión causa un comportamiento constante, a T constante si se aumenta la presión, aumenta la densidad y la solubilidad siempre. ➔ Modificador orgánico: el CO2 supercrítico es apolar y disuelve compuestos apolares y poco polares, por lo que se usan modificadores orgánicos miscibles con este para extraer compuestos polares. En ocasiones, la extracción no solo depende de las interacciones entre el analito y el extractante. Si el analito tiene grupos que pueden formar enlaces de hidrógeno, será más difícil disolverlo en CO2. ➔ También influye la voluminosidad del compuesto. Se extraen mejor compuestos pequeños que grandes. Ejemplo: el betacaroteno es apolar, pero no se disuelve bien el CO2 SF, se necesita añadir un 5-10% de un alcohol. 4. Solubilidad en CO2 supercrítico Compuestos lipofílicos presentan la mayor solubilidad como regla general. La presencia de grupos funcionales polares la disminuye, más grupos OH, cada vez es más difícil. Para ello se modula la presión, la temperatura y uso de modificadores (más habitual: MeOH, pero más ecofriendly y con fines comerciales (menos tóxico): EtOH) 5. Parámetros importantes. Presión umbral: presión a la cual comienza a solubilizarse el compuesto. A veces está tabulada. Si no es así, se puede trabajar con el patrón para conocerla y construir la curva: Curva %solubilidad vs presión. Comienza a solubilizarse a 75 atm. Presión máxima de solubilidad: mayor pendiente. Para realizar una extracción selectiva (condiciones apropiadas para el fraccionamiento de los solutos) se trabaja entre la presión umbral y la máxima, en cuanto más se diferencie el analito de otros compuestos acompañantes mejor. Si la diferencia en las presiones umbrales entre el analito y los otros compuestos es pequeña, la extracción será difícil, por lo tanto, se favorece utilizando un gradiente de temperatura, modulando la densidad y enriqueciendo el extracto del analito y disminuyendo la extracción de otros compuestos. Es necesario siempre conocer las propiedades físicas y químicas de los solutos. Hay que informarse para diseñar el plan adecuado. No hay nada 100%, no se puede extraer todo del todo nunca. 6. Reglas básicas a. Favorecer la difusión ➔ Aumentando la temperatura (favorece transporte de materia, la difusión). ➔ Disminuyendo el tamaño de partícula (más contacto, más superficie activa).  ➔ Con modificadores orgánicos, en ocasiones, si el soluto está fijado al sólido, para desorberlo. b. Favorecer la solubilidad ➔ Aumentando la densidad, es decir aumentando la presión, aunque también se extraen más cosas. ➔ Temperatura, depende del compuesto aumentando o disminuyendo. ➔ Con modificadores orgánicos, favorecen la solubilidad sobre todo para los polares. c. Optimizar el flujo ➔ Si el flujo es alto, es más rápido, pero se consume más. ➔ Compromiso entre el tiempo de extracción y el coste. 7. Instrumentación Partes: a. Bala CO2 (extractante), con una sonda para que salga el CO2 líquido de la zona de abajo, manteniendo la presión y la temperatura baja. El CO2 va a una bomba para hacerlo pasar a través de la celda donde se encuentra el sólido a extraer. La bomba es de doble pistón (típica para bombear líquidos), por lo que el CO2 tiene que llegar como mayoritariamente como líquido. Para ello se refrigeran los cabezales de la bomba a -5ºC. b. La celda de extracción de acero (que aguante presiones elevadas sin romperse) cuyo tamaño depende del fin del proceso. A escala analítica, el volumen de las celdas es pequeño (5-10 cm) de (0,5-1cm de diámetro). Se utiliza unos tornillos y unas fritas arriba y debajo de la celda (filtros de acero poroso, con tamaño determinado, para que pueda penetrar el fluido, pero no partículas sólidas). La temperatura de extracción se fija colocando la celda en un horno. Hay una bobina de tubería (también todo de acero) dentro del horno para que el CO2 tome la temperatura adecuada antes de llegar a la celda. c. La presión de extracción se modula dentro de la celda con un restrictor manual o automático, fijo (mismo estrechamiento siempre, es un tubo capilar de sílice fundida con una determinada longitud y diámetro interno) o variable (modulando el estrechamiento y la presión, más usado). Tiene una válvula que puede penetrar o no en la celda en función de la presión que se quiera, que se controla  electrónicamente. Posterior al restrictor hay un capilar con el CO2 de salida con los analitos, finalmente se expande, el CO2 se gasifica y el sólido precipita. d. Para añadir el modificador orgánico se añade otra bomba para programar un flujo del modificador con un sistema de válvulas, para obtener el porcentaje deseado. Posterior al restrictor el CO2 se va y se recoge la disolución líquida final (el soluto en el modificador). Con un restrictor fijo no se puede hacer un gradiente de modificador porque se modifica la presión (se modifica la viscosidad) sin modificar el flujo, con un restrictor variable sí se puede aplicar. 8. Estático vs dinámico Extracción estática: se carga la celda, se bombea CO2 a un determinado flujo. El restrictor (con una determinada presión), cuando llega el CO2 a la celda, corta el flujo y se mantiene así durante un tiempo. Finalmente, de abre el restrictor y se recoge el extracto. Para procesos control por difusión, sólidos difíciles de disolver, se da tiempo para la desorción. Suelen ser compuestos minoritarios y con una interacción fuerte analito-matriz. En ocasiones se monta la celda, se añade un modificador y luego se carga con CO2. Extracción dinámica: el CO2 fluye de forma continua por la celda, a una T y P. Se va recogiendo el extracto. No hay un tiempo de contacto extractante-sólido. Para procesos controlados por la solubilidad. Interesa pasar un volumen grande de extractante (flujo) para favorecer la solubilidad de forma continua (mejor con extractante fresco). Suelen utilizarse para compuestos mayoritarios y con interacciones débiles analito- matriz. Habitualmente se combinan los dos tipos de extracción. Se recoge el analito hasta un tiempo adecuado (se observa en la curva). 9. Offline vs Online a. Off-line: se hace por un lado la extracción y luego se analiza ➔ Se pueden hacer más análisis de diferentes cosas: IR, UV-vis… ➔ La instrumentación es más simple. b. Online: El extracto se pasa directamente al aparato de análisis (HPLC o SFC), se carga el extracto en un loop y luego a la columna. A veces, cuando el volumen es alto, se pasa por un cartucho que adsorbe los analitos, se retienen ahí y sustituye el loop del  inyector. La fase móvil de la cromatografía se pasa a través del cartucho, desorbe los analitos y los lleva a la columna. ➔ Solo se puede hacer el análisis contiguo que se haya puesto. ➔ Es más difícil acoplar diferentes sistemas. ➔ Se analiza todo el extracto. ➔ Disminuye la manipulación de muestra (menos errores personales, evitamos degradaciones…). ➔ Se automatiza. ➔ Es más complejo. ➔ Comercial SFE-SFC para muestras de sangre, análisis rutinarios, infrecuente. Offline Online 10. Modo de recoger el extracto Precipitación del analito En un recipiente vacío (vial). El extracto precipita cuando el CO2 pasa a gas, el analito se queda en las pareces y hay que recogerlo. Soporte sólido inerte. El tubo de salida se acopla a un cilindro o celda que tiene un soporte sólido (bolas de acero/sílica gel), queda depositado en la superficie y luego hay que disolverlo para analizarlo. Elución con disolvente Soporte sólido activo (adsorbentes). Es un soporte no inerte a los analitos, hecho de sílica para compuestos polares. Los analitos se quedan retenidos y hay que eluirlos con un disolvente adecuado (30-100 m) Si hay interacciones sólido-analito, hay que romperlas (adsorción, intercambio iónico). No hay una extracción al 100%. En un volumen de disolvente, en un vial. En una pequeña cantidad de disolvente en el que los analitos sean solubles. Los compuestos se van disolviendo y el CO2 pasa a fase gas. Puede que parte del disolvente se elimine si es un disolvente orgánico volátil, entonces el volumen final no es conocido, no se puede analizar. Se evaporará ese disolvente y luego se añade un volumen conocido de disolvente. Siempre es necesario conocer el volumen exacto y la cantidad de analito que tienes. 11. Aplicaciones Alimentos Eliminación de algún componente (cafeína, colesterol) Extracción de aromas Extracción y refinado de aceites Extracción de compuesto con actividad biológica: ac. Grasos, antioxidantes Industria Farmacéutica Extracción de principios activos de plantas Purificación de proteínas. Ejemplo extracción de hojas de brócoli aminoácidos. Productos naturales Extracción de fitoesteroles, que se extraen, por ejemplo, de la soja para luego comercializarlo como complemento vitaminas. Extracción de vitaminas Extracción de antioxidantes. Concentración de ingredientes activos. Consiste en eliminar componentes específicos de una muestra líquida de algún extracto. Por ejemplo, se puede realizar una primera extracción a partir de las pieles de limón. Si después de esta etapa inicial aún permanecen compuestos no deseados, estos se pueden eliminar mediante una segunda extracción o mediante cromatografía preparativa, lo cual permite aislar los compuestos de interés y descartar los demás. Cosmética Extracción de fragancias