Introduction Organic solvents used in industries are the main responsible for pollution and environmental damages. In particular, solid/liquid extractions of plants materials require large quantities of solvents, only partially recovered.1 Currently, environmental and economic issues stimulate the search for eco-friendly solutions, identifying water as the best choice as solvent. In the meantime, the scientific community, national and international institutions and all the industrial world have found in the circular economy a new production and business model, designed to protect the environment by reusing materials and wastes.2 Aim of the thesis Water as "green" solvent for natural organic substances has certain limitations, mainly related to low-polar compounds extractions. Aim of this thesis was therefore the design of alternative extraction processes, exploiting the peculiar properties of subcritical water, due to dielectric constant decrease, lower density, viscosity and surface tension and higher diffusion coefficient.3 After a preliminary survey on typical Piedmont’s plant matrices, the circular economy strategies have been pursued, exploiting this innovative and efficient extraction method to obtain high added value products from agro-food chain by-products, such as hazelnut and chestnuts shells, cocoa husk peels and grape pomace. The same extractive approach has been applied to isolate alkaloids from Mitragyna speciosa. To the best of our knowledge, subcritical water has not yet been applied as industrial extraction method. For this reason, based on results obtained in our laboratory, a semi-industrial pilot extractor was tested. Results and discussion The selected matrices have been extracted in subcritical water and the results were compared to conventional ethanol/water extractions. Different protocols were examinated, varying temperatures, times of extraction and solid/liquid ratios. Moreover, downstream processes were carefully analysed, including concentration, purification and evaporation, aiming to preserve the quality and the antioxidant activity of products. The technologies applied were ultra- nano-filtration, resins and vacuum concentration, and freeze-drying. Results were remarkable, comparable to those obtained by conventional methods, as evidenced by qualitative and quantitative analyses (HPLC-UV, LC-MS, UV-vis). Laboratory-scale extractions were carried out using a pressurised microwave reactor, while semi-industrial scale extractions were performed on an innovative reactor equipped with an efficient boiler for steam generation. This allowed to scale up solvents volume from 25-600 mL up to 160 L. Conclusion In this thesis, the investigation of subcritical water extractions showed the high efficiency and the low environmental impact. Our findings are in agreement with circular economy strategies, opening new business opportunities from the valorisation of agro-food industries by-products.
Introduzione I solventi organici utilizzati nell'industria costituiscono una delle maggiori fonti d'inquinamento e sono responsabili di gravi danni ambientali. In particolare, le estrazioni solido/liquido di matrici vegetali ne richiedono elevate quantità e solo in parte riescono a essere riciclate. Le problematiche ambientali ed economiche hanno stimolato la ricerca di soluzioni più ecosostenibili e l’acqua ben si inserisce in questo contesto. Allo stesso tempo la comunità scientifica, le istituzioni internazionali e il mondo industriale hanno trovato, nell’economia circolare, un nuovo modello produttivo e di business volto alla salvaguardia dell’ambiente, grazie al riutilizzo di materiali e alla riduzione degli sprechi. Scopo della Tesi Le limitazioni nell’impiego dell’acqua quale solvente “green” per l’ottenimento di sostanze organiche naturali sono principalmente legate all’estrazione di composti poco polari. Lo scopo della tesi è stato pertanto la progettazione di processi estrattivi alternativi in grado di sfruttare le proprietà peculiari che l’acqua assume in condizioni subcritiche, dovute alla diminuzione della costante dielettrica, a una minore densità, viscosità e tensione superficiale e a un coefficiente di diffusione più elevato. Dopo l’identificazione di matrici vegetali tipiche del territorio piemontese, si è inteso perseguire le strategie dell'economia circolare sfruttando questo innovativo ed efficiente processo estrattivo, per ottenere prodotti ad elevato valore aggiunto da sottoprodotti della filiera agro/alimentare quali: bucce di cabossa del cacao, gusci di castagna e di nocciola, e vinacce. Il medesimo approccio è stato applicato per l’isolamento di alcaloidi dalle foglie di Mitragyna speciosa. Poiché, allo stato delle attuali conoscenze, l’acqua subcritica non è stata ancora adottata come metodo estrattivo a livello industriale, sulla base dei risultati ottenuti in laboratorio è stato testato un prototipo di impianto pilota semi-industriale. Discussione dei risultati Le matrici selezionate sono state sottoposte a estrazione in acqua subcritica, confrontando i risultati con le estrazioni convenzionali. Sono stati studiati diversi protocolli variando la temperatura, il tempo di estrazione e il rapporto solido/liquido. Inoltre, particolare attenzione è stata prestata ai processi a valle dell’estrazione, vale a dire concentrazione, purificazione ed evaporazione, con l’obiettivo di preservare la qualità e l'attività antiossidante dei prodotti ottenuti. Le tecnologie applicate, ovvero ultra e nanofiltrazione, concentrazione tramite resine, concentrazione sottovuoto e liofilizzazione, hanno consentito di ottenere risultati incoraggianti, in quanto confrontabili con quelli ottenuti in convenzionale come evidenziato delle analisi quali-quantitative (HPLC-DAD, DAD-MS e UV-vis). Le estrazioni in scala di laboratorio sono state effettuate su un reattore a microonde pressurizzato, mentre su scala semi-industriale è stato impiegato un reattore dotato di un efficiente boiler per la generazione di vapore. Si è passati così da quantitativi di solvente nel range di 25-600 mL all’impiego di volumi di 160 L. Conclusione Lo studio della capacità estrattiva dell’acqua subcritica ha dimostrato l'elevata efficienza e il basso impatto ambientale del metodo. I risultati sono in accordo con le strategie dell'economia circolare e aprono nuove opportunità di business a partire dal recupero dei sottoprodotti delle industrie agroalimentari.
Sviluppo di processi estrattivi in acqua subcritica dal laboratorio alla scala pilota
CRAVOTTO, CHRISTIAN
2020/2021
Abstract
Introduzione I solventi organici utilizzati nell'industria costituiscono una delle maggiori fonti d'inquinamento e sono responsabili di gravi danni ambientali. In particolare, le estrazioni solido/liquido di matrici vegetali ne richiedono elevate quantità e solo in parte riescono a essere riciclate. Le problematiche ambientali ed economiche hanno stimolato la ricerca di soluzioni più ecosostenibili e l’acqua ben si inserisce in questo contesto. Allo stesso tempo la comunità scientifica, le istituzioni internazionali e il mondo industriale hanno trovato, nell’economia circolare, un nuovo modello produttivo e di business volto alla salvaguardia dell’ambiente, grazie al riutilizzo di materiali e alla riduzione degli sprechi. Scopo della Tesi Le limitazioni nell’impiego dell’acqua quale solvente “green” per l’ottenimento di sostanze organiche naturali sono principalmente legate all’estrazione di composti poco polari. Lo scopo della tesi è stato pertanto la progettazione di processi estrattivi alternativi in grado di sfruttare le proprietà peculiari che l’acqua assume in condizioni subcritiche, dovute alla diminuzione della costante dielettrica, a una minore densità, viscosità e tensione superficiale e a un coefficiente di diffusione più elevato. Dopo l’identificazione di matrici vegetali tipiche del territorio piemontese, si è inteso perseguire le strategie dell'economia circolare sfruttando questo innovativo ed efficiente processo estrattivo, per ottenere prodotti ad elevato valore aggiunto da sottoprodotti della filiera agro/alimentare quali: bucce di cabossa del cacao, gusci di castagna e di nocciola, e vinacce. Il medesimo approccio è stato applicato per l’isolamento di alcaloidi dalle foglie di Mitragyna speciosa. Poiché, allo stato delle attuali conoscenze, l’acqua subcritica non è stata ancora adottata come metodo estrattivo a livello industriale, sulla base dei risultati ottenuti in laboratorio è stato testato un prototipo di impianto pilota semi-industriale. Discussione dei risultati Le matrici selezionate sono state sottoposte a estrazione in acqua subcritica, confrontando i risultati con le estrazioni convenzionali. Sono stati studiati diversi protocolli variando la temperatura, il tempo di estrazione e il rapporto solido/liquido. Inoltre, particolare attenzione è stata prestata ai processi a valle dell’estrazione, vale a dire concentrazione, purificazione ed evaporazione, con l’obiettivo di preservare la qualità e l'attività antiossidante dei prodotti ottenuti. Le tecnologie applicate, ovvero ultra e nanofiltrazione, concentrazione tramite resine, concentrazione sottovuoto e liofilizzazione, hanno consentito di ottenere risultati incoraggianti, in quanto confrontabili con quelli ottenuti in convenzionale come evidenziato delle analisi quali-quantitative (HPLC-DAD, DAD-MS e UV-vis). Le estrazioni in scala di laboratorio sono state effettuate su un reattore a microonde pressurizzato, mentre su scala semi-industriale è stato impiegato un reattore dotato di un efficiente boiler per la generazione di vapore. Si è passati così da quantitativi di solvente nel range di 25-600 mL all’impiego di volumi di 160 L. Conclusione Lo studio della capacità estrattiva dell’acqua subcritica ha dimostrato l'elevata efficienza e il basso impatto ambientale del metodo. I risultati sono in accordo con le strategie dell'economia circolare e aprono nuove opportunità di business a partire dal recupero dei sottoprodotti delle industrie agroalimentari.| File | Dimensione | Formato | |
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