Obtenção de compostos bioativos de cravo-da-índia e alecrim utilizando tecnologia supercrítica: influência da geometria do leito, intensificação de processos de extração e custo de manufatura dos extratos

Substâncias naturais extraídas de plantas têm propriedades funcionais que as tornam preferíveis em relação às substâncias sintéticas, havendo grande interesse para aplicação farmacológica e na elaboração de bioprodutos. Técnicas de extração, como a que utiliza fluidos supercríticos, vêm se destacando por proporcionarem a obtenção seletiva de compostos bioativos com elevada qualidade. No campo da tecnologia supercrítica, pesquisas são desenvolvidas para aumentar o rendimento de extração através da alteração de condições de processo, como pressão e temperatura. No entanto, há a necessidade de discriminar mais a influência tecno-econômica de outras variáveis, como a geometria do leito de extração. Em vista disso, realizou-se a avaliação técnica da extração com CO2 supercrítico de compostos bioativos de cravo-da-índia e alecrim em uma unidade de extração laboratorial constituída por dois extratores de 1 L com diferentes razões de altura do leito (HB) pelo diâmetro (DB), sendo para o extrator 1 (E-1) a razão de 7,1 e para o extrator 2 (E-2) a razão de 2,7. Dois critérios utilizados para mudança de geometria e aumento de escala foram aplicados, consistindo em: (1) manutenção da velocidade intersticial do solvente igual em ambas as geometrias; e (2) manutenção da razão de massa de solvente por massa de matéria-prima (S/F) igual em ambas as geometrias para um determinado tempo de processo. De acordo com os resultados cinéticos de rendimento de extrato e composição química, o critério (1) não se mostrou indicado para ser aplicado em processos de extração com fluidos supercríticos (SFE) de compostos de cravo-da-índia. O critério (2) mostrou-se apropriado para a obtenção de óleo volátil de cravo-da-índia, pois houve igualdade nos perfis das curvas de extração em E-1 e E-2, avaliados em termos de parâmetros cinéticos como taxa de transferência de massa, duração dos períodos de taxa constante de extração (CER) e taxa decrescente de extração (FER), rendimento de extrato e razão mássica de soluto no solvente. No entanto, o critério (2) não se mostrou adequado para a obtenção de compostos bioativos de alecrim, sendo que o leito de extração E-2 proporcionou rendimentos até 86 % maiores em relação ao E-1, sendo a diferença mais notória no final do período FER. Houve diferença também no custo de manufatura (COM) dos extratos de alecrim simulado pelo SuperPro Designer 8.5®, sendo 23 % menor em E-2 do que em E-1 para uma planta industrial com 2 extratores de 100 L. Com relação ao alecrim, terpenoides majoritários como 1,8-cineol e cânfora foram extraídos com CO2 supercrítico. No entanto, alguns compostos fenólicos foram extraídos em pequena quantidade (ácido carnósico) ou nem foram extraídos via SFE (ácido rosmarínico). Logo, o conceito de intensificação de processos foi utilizado para facilitar a extração das duas frações presentes em alecrim. O processo consistiu em extrair inicialmente a fração rica em terpenoides com CO2 supercrítico (SFE-CO2) e logo após, no mesmo equipamento e sem desempacotar o leito, a fração rica em terpenos fenólicos foi extraída com água líquida pressurizada (PWE). Com isso, aproximadamente 2,5 % (m/m, base seca) de óleo volátil contendo terpenoides e 18,6 % (m/m, base seca) de extrato não-volátil contendo terpenos fenólicos foram obtidos em frações separadas. Um método analítico para quantificação de terpenos fenólicos por cromatografia líquida de alta eficiência foi desenvolvido e validado, com tempo total de análise de apenas 10 min. O custo operacional anual de uma planta produtiva instalada no Brasil com 2 extratores de 100 L foi simulado para os processos SFE-CO2 + PWE para obtenção de compostos de alecrim. O aproveitamento maior da matriz vegetal para a obtenção diversificada de compostos bioativos permitiu a redução em 28 % dos custos anuais de produção em relação ao processo SFE-CO2Natural substances extracted from plants present functional properties which are preferable against the synthetic ones, being useful in formulating bioproducts and in the pharmaceutical area. Novel extraction techniques, as the use of supercritical fluids, are acquiring notoriety by providing the selective extraction of bioactive compounds with high quality. In the supercritical technology field, researches are performed to increase the extraction yield by changing process conditions (i.e., pressure, temperature). However, there is a need for further techno-economic discriminations about the influence of other variables, as the bed geometry. Thus, we performed the evaluation of the supercritical CO2 extraction of clove and rosemary bioactive compounds using a laboratory equipment containing two extractors of 1 L with different height (HB) to bed diameter (DB) ratios. Bed 1 (E-1) and 2 (E-2) present HB/DB ratios of 7.1 and 2.7, respectively. Two criteria used for geometry shift and scale up were applied: (1) maintaining the solvent interstitial velocity equal in both bed geometries; and (2) maintaining the solvent mass to feed mass (S/F) ratio equal in both bed geometries for a fixed processing time. According to the kinetic results of extraction yields and chemical composition, the criterion (1) is not indicated for supercritical fluid extraction (SFE) of rosemary compounds. Criterion (2) is suitable for obtaining clove extract, because the extraction curves profiles were similar in E-1 and E-2. We evaluated the extraction curves in relationship to kinetic parameters as mass transfer rate, duration of constant extraction rate (CER) and falling extraction rate (FER) periods, extraction yield and mass ratio of solute in the fluid phase. However, criterion (2) is inappropriate for obtaining rosemary bioactive compounds. E-2 provided extraction yields up to 86% higher than E-1. The difference was more pronounced in the end of FER period. We observed differences on the cost of manufacturing (COM) of rosemary extracts simulated by SuperPro Designer 8.5®. COM¿s were 23% lower in E-2 than in E-1 for an industrial plant of 2 extractors of 100 L. With respect to rosemary, major terpenoids as 1,8-cineole and camphor were extracted with supercritical CO2, while some phenolic compounds were low (carnosic acid) or no extracted (rosmarinic acid) using SFE. Thus, process intensification concept was used for becoming possible the extraction of two fractions of bioactive compounds found in rosemary. The procedure comprised the initial extraction of the terpenoids-rich fraction with supercritical CO2 (SFE-CO2) and, thereafter, in the same equipment without unloading the bed, performing the extraction of the polyphenols-rich fraction with pressurized water (PWE). Approximately 2.5 wt.% (dry basis) of volatile oil containing terpenoids and 18.6 wt.% (dry basis) of non-volatile extract containing phenolic terpenes were obtained in separated fractions. We developed and validated an analytical method for quantifying phenolic terpenes by high performance liquid chromatography, presenting a total time of analysis of 10 min. Also, we simulated the annual operating cost of a plant installed in Brazil containing 2 vessels of 100 L applying SFE-CO2 + PWE processes for obtaining rosemary compounds. The higher use of the vegetal matrix for diversifying the extraction of bioactive compounds enabled 28% reduction in the annual production costs whether compared to SFE-CO2 process alon