Valorization of vegetal biomass through supercritical CO2 extraction: from lab to exploitation

Abstract

A investigação no tema de extração com dióxido carbono supercrítico (SFE) de compostos de valor acrescentado a partir de biomassa vegetal tem sido fortemente impulsionada por duas motivações: a valorização de subprodutos e a biorefinaria. Neste trabalho seis estágios diferentes da investigação neste campo são abordados: a caraterização preliminar de extratos, a otimização experimental, a medição de curvas cinéticas, a modelação das mesmas, estudos de escalabilidade (scale-up), e a análise tecno-económica. Para este efeito, selecionaram-se subprodutos e resíduos agroflorestais promissores, a saber: resíduos de café, folhas e ramos de jacinto de água, cortiça de carvalho turco, sementes de moringa, fruto gac, e casca de eucalipto, com especial ênfase neste último pela sua pertinência no contexto industrial português, nomeadamente para o setor da pasta e papel. O trabalho experimental focou-se em extratos crude e compostos bioativos com potencial para aplicações em cosmética e nutracêutica, tais como os ácidos triterpénicos (ácidos ursólico, oleanólico, betulínico), diterpenos (cafestol, kahweol, 16-O-methylcafestol), esteróis (estigmasterol, etc), friedelina, e licopeno.  Casca de eucalipto (Eucalyptus globulus): puro ou modificado com etanol, o SC-CO2 foi capaz de remover ácidos triterpénicos, e a medição e modelação de curvas de extração em condições ótimas (200 bar, 40 ºC e 2.5-5.0 % m/m de etanol) apontaram o rácio entre o caudal e a massa de biomassa como o critério de scale-up apropriado para o processo. Seguindo este critério realizou-se com sucesso um scale-up experimental a três escalas: 0.5, 5.0, and 80 L.  Cortiça de carvalho turco (Quercus cerris): extratos crude contendo cerca de 35 % m/m de friedelina foram produzidos com sucesso por SFE e as curvas de extração foram modeladas. A seletividade para a friedelina pode atingir 2.5 através da correta seleção do tamanho de partícula, quantidade de cosolvente (etanol) e tempo de extração.  Folhas e ramos de jacinto de água (Eichhornia crassipes): extratos ricos em estigmasterol foram obtidos para tempos de extração curtos (<1 h). As condições ótimas para o rendimento total de extração são 250–300 bar e 5.0 % m/m de etanol, enquanto que para os esteróis são 300 bar e 2.5 % m/m  Resíduos de tomate (Solanum lycopersicum): tanto o dióxido de carbono como o etano podem ser usados como solvente supercrítico para produzir um óleo essencial que é rico em licopeno. A viabilidade da SFE foi demonstrada, e apesar de o etano conduzir a maior produtividade, mais investigação é necessária para definir qual dos solventes é preferível na globalidade.  Fruta gac (Momordica. cochinchinensis): poderá ser uma promissora e economicamente viável fonte de carotenos, quando extraídos por SFE a 400 bar, 70-90 , durante 0.5-1.0 h.  Sementes de moringa (Moringa oleifera): uma análise tecno-económica revelou que um processo integrado bem projetado e combinando SFE com destilação a vácuo permite a produção simultânea de um óleo essencial e de um extratos com uma concentração de esteróis de 89.4 %.  Borras de café (Coffea spp.): o óleo produzido por SFE é até 4.1 vezes mais rico em diterpenos do que extratos obtidos com n-hexano, e um processo altamente rentável é esperado a nível comercial. No cômputo geral, esta tese contribui para a sistematização de uma abordagem científica e técnica que promova a valorização industrial de biomassa vegetal através da tecnologia de extração supercrítica.

The research on supercritical CO2 extraction (SFE) of added value compounds from vegetal biomass has been strongly driven by by-products valorization and biorefinery motivations. In this work, preliminary characterization of extracts, experimental optimization, measurement of kinetic curves, modeling, scale-up, and techno-economic analysis are covered. For this, several promising agro-forest by-products and residues were selected: spent coffee grounds, water hyacinth stalks and leaves, Turkish oak cork, moringa seed, tomato wastes, gac fruit, and eucalypt bark, with a strong emphasis on the latter due to its pertinence for the Portuguese industrial pulp and paper sector. Experimental work focused on bulk extracts and bioactive compounds with potential cosmetic and nutraceutical applications, such as essential oils, triterpenic acids (ursolic, oleanolic, and betulinic acids), diterpenes (cafestol, kahweol, 16-O-methylcafestol), sterols (e.g., stigmasterol), friedeline, and lycopene. The main results are:  Eucalypt (Eucalyptus globulus) bark: whether pure or modified with ethanol, SC-CO2 was able to remove triterpenic acids, and the measurement and modeling of extraction curves under optimum conditions (200 bar, 40 ºC and 2.5-5.0 wt.% of ethanol) pointed the ratio between solvent flow rate and biomass weight as the appropriate scale-up criterion of the process. With this criterion, a successful experimental scale-up was achieved at three scales: 0.5, 5.0, and 80 L.  Turkish oak (Quercus cerris) cork: bulk extracts containing ca. 35 wt.% of friedeline were successfully produced by SFE and the extraction curves were modeled. The selectivity to friedeline can reach up to 2.5 through a correct selection of particle size, cosolvent (ethanol) amounts and extraction time.  Water hyacinth (Eichhornia crassipes) leaves and stalks: stigmasterol enriched extracts were obtained for shorter times (<1 h). The optimized conditions for total extraction yield were 250–300 bar and 5.0 wt.% ethanol, while for sterols were 300 bar and 2.5 wt.%.  Tomato (Solanum lycopersicum) wastes: both carbon dioxide and ethane can be used as supercritical solvents to produce an essential oil that is rich in lycopene. The viability of the SFE was demonstrated, but while ethane led to greater productivity, further research is needed to define which one is preferable on a global basis.  Gac (Momordica. cochinchinensis) fruit: it may be a promising and economically viable source of carotenes when produced by SFE at 400 bar, 70-90 , during 0.5-1.0 h.  Moringa (Moringa oleifera) seeds: a techno-economic analysis unveiled that a well designed integrated process combining SFE and vacuum distillation allows the simultaneous production of an essential oil and a sterols enriched extract with 89.4 % concentration.  Spent coffee (Coffea spp.) grounds: the oil produced by SFE is up to 4.1 times richer in diterpenes than n-hexane extracts, and a highly profitable process may be expected at commercial level. In the whole, the presented thesis contributes to the systematization of a scientific and technical approach to foster the industrial valorization of vegetal biomass through SFE technology.