Oxid uhličitý je za obvyklých podmínek plyn, ale po stlačení nad 73,9 atmosfér při teplotě vyšší než 31 ºC se stává účinným rozpouštědlem nepolárních a slabě polárních látek. Takto stlačený oxid uhličitý už není ve stavu plynném, ale není to ani kapalina – nazývá se superkritickou tekutinou. Nastavením vhodného tlaku a teploty lze dosáhnout toho, že tento tekutý oxid uhličitý má hustotu blízkou hustotě kapalin (a je tedy možné ho použít jako kapalné rozpouštědlo), ale zároveň lépe než kapaliny proniká do porézních materiálů, protože jeho viskozita je blízká plynům. Toho se stále více využívá v technických oborech, protože oproti běžným rozpouštědlům je oxid uhličitý zdravotně nezávadný, nehořlavý, levný a v uvažovaných množstvích též neškodný pro životní prostředí.  V tomto příspěvku se můžete seznámit s obecnými principy superkritické extrakce i s některými činnostmi Laboratoře superkritických extrakcí, která je součástí Oddělení separačních procesů.

Jak probíhá extrakce?

Rostlinný materiál (sušené rostlinné části) k extrakci se nejprve mechanicky rozmělní (mletím, sekáním nebo krájením) a uloží se do extraktoru. Oxid uhličitý je z plynného stavu stlačen kompresorem nad kritický tlak a ohřát na teplotu vyšší než je jeho kritická teplota, tak, aby se z něj stala superkritická tekutina. Poté se přivádí do extraktoru, prochází vrstvou rostlinného materiálu a rozpouští v sobě žádané látky (silice, oleje, barviva, biologicky aktivní látky…). Následuju expanze z vysokého tlaku zpět do tlaku atmosférického, ke které dochází v tzv. expanzním ventilu. Při ní se ze superkritické tekutiny stává opět plyn, který už nemá schopnost rozpouštět. Tak se extrakt oddělí ve zvláštní nádobě a oxid uhličitý odchází čistý zase do kompresoru, kde se opět stlačí a celý cyklus začíná nanovo, dokud se z rostlinného materiálu nevyextrahují žádané látky.

(Obrázek je z webových stránek české firmy Flaveko www.link.cz/flaveko/czhome.html,
která extrahuje rostlinné látky superkritickým CO₂)  

V průmyslovém měřítku se dnes oxid uhličitý uplatňuje jako rozpouštědlo při výrobě kávy a čaje bez kofeinu, chmelových extraktů pro pivovary, extraktů z koření, které se vyznačují koncentrovanou chutí a velkou trvanlivostí, rostlinných výtažků používaných v kvalitních kosmetických produktech a podobně.

Kolegové v  Laboratoři superkritických extrakcí se v současnosti zabývají extrakcí z rostlin za účelem získání biologicky aktivních látek, které jsou přirozeně obsaženy v rostlinách a mají rozsáhlé využití jak ve farmacii, kosmetice a výživě, ale například také jako přírodní insekticidy. Jejich cílem je co nejlépe nastavit podmínky a průběh extrakce tak, aby se získaly co nejvyšší koncentrace dané látky ve vzorku.
Kromě extrakce zkoumají i chování superkritických tekutin (jak jsou schopny rozpouštět dané skupiny látek, jak se chovají při průtoku naplněným extraktorem…) a jejich využití v oblasti enzymatických reakcí.

Průmyslové měřítko

Extrakce superkritickým oxidem uhličitým jsou již běžně využívanou průmyslovou technologií. Zde jsou některé příklady těchto průmyslových aplikací.

Extrakce rostlinného oleje, Jižní Korea, 2 x 3800 litrů, 550 bar

Zpracování rýže, Taiwan, 3 x 5800 litrů, 325 bar

Káva bez kofeinu

Extrakce kofeinu z kávy je nejvýznamnější průmyslovou aplikací superkritické extrakce oxidem uhličitým. Kofein se extrahuje z celých zelených bobů. Ty jsou nejprve navlhčeny horkou vodní parou, poté vloženy do extraktoru a pomalu extrahovány protékajícím superkritickým CO₂. Extrakce je vysoce selektivní a boby se při ní zbaví až 97% kofeinu. Po ukončení extrakce odchází oxid uhličitý jako plyn a zelené boby, zbavené kofeinu, postupují do procesu pražení, který dává kávě charakteristickou chuť a vůni. Výhodou této metody, na rozdíl od extrakce organickými rozpouštědly (tradičně používaný je methylenchlorid) je snadné oddělení rozpouštědla od vyextrahovaných bobů, které tak z procesu extrakce vycházejí suché a hotové k dalšímu zpracování, zatímco při použití kapalného rozpouštědla musejí projít krokem sušení.
Podobným způsobem lze extrahovat kofein z čajových lístků. Zde je ovšem překážka v tom, že na rozdíl od kávy, jejíž aroma vzniká až pražením, jsou aromatické látky v čaji přítomny již při sběru. Při extrakci kofeinu z lístků pak dochází i k částečnému odstranění těchto látek z čaje.

Chmelové extrakty

Druhou nejvýznamnější aplikací superkritické extrakce je extrakce látek z chmelových šišek. Chmelové extrakty se tradičně získávají extrakcí hlávkového chmele 90% ethanolem, který je polárním rozpouštědlem. Získaný roztok se rozděluje na polární, tříslovinný extrakt (vodní podíl) a na nepolární pryskyřičný extrakt. Na trh přichází buď čistý pryskyřičný extrakt, nebo na zvláštní přání zákazníka se dodává směs pryskyřičného a tříslovinného extraktu jako standardizovaný extrakt o určité koncentraci α-hořkých kyselin. Extrakce kapalným či superkritickým oxidem uhličitým za vysokého tlaku je velmi moderní způsob výroby chmelového extraktu a postupně nahrazuje extrakci ethanolem. Z charakteru rozpouštědla vyplývá, že extrakt obsahuje pouze nepolární složky výchozího chmele, tedy především hořké kyseliny a silice, dále obsahuje v nepatrném množství nepolární rezidua postřikových látek. CO₂-extrakt prakticky neobsahuje polární složky chmele, jako polyfenoly a dusičnany. Podkritický extrakt se vyrábí za mírnějších podmínek, ale s nižší výtěžností, superkritický se vyrábí při vyšší teplotě, ale s větším výtěžkem. Oba produkty jsou prakticky čisté pryskyřičné extrakty, vysoce homogenní s dlouhodobou stabilitou chemického složení. Na přání se CO₂-extrakt dodává smíšený s tříslovinným extraktem.

Příklady látek rozpouštěných CO₂