Il gruppo di Fluidi Supercritici dell’Università di Salerno

19 luglio 2017
fluidi supercritici

L’uso dei fluidi supercritici rappresenta un punto di forza per l’intera ingegneria chimica. In particolare, l’impiego della CO2 in condizioni supercritiche ha consentito la totale o parziale eliminazione di solventi organici da molti processi industriali.

Il nostro gruppo di ricerca, guidato dal professor Ernesto Reverchon, lavora nel campo dei fluidi supercritici e ha sede fisica presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIIN) dell’Università degli Studi di Salerno (UNISA). I processi da noi sviluppati in scala di laboratorio, pilota e industriale presentano applicazioni nel campo alimentare, nutraceutico, farmaceutico, biomedico e della chimica fine. Attualmente, il gruppo vanta complessivamente più di 400 lavori su riviste scientifiche, che hanno ottenuto negli anni quasi 14000 citazioni in tutto il mondo scientifico. Il gruppo ha inoltre siglato brevetti ed è stato insignito di premi europei e internazionali. Ecco una carrellata di alcuni dei progetti ai quali attualmente lavoriamo.

Il processo SAS (Supercritical AntiSolvent) viene utilizzato fino alla scala industriale per l’ottenimento di sistemi polimero/farmaco a rilascio rapido o prolungato oppure di ossidi metallici come supporto per catalizzatori. È possibile trattare materiali sia idrosolubili che liposolubili per l’ottenimento di nanoparticelle (30-200 nm), microparticelle (0.2-10 μm) o microparticelle espanse (10-200 μm) di materiali, al variare delle condizioni operative.

Il processo di impregnazione supercritica consente di adsorbire composti attivi in un’elevata varietà di matrici porose per applicazioni farmaceutiche, nutraceutiche e catalitiche. I vantaggi rispetto a tecniche tradizionali di impregnazione con liquidi sono i tempi di lavoro ridotti e la possibilità di modulare la percentuale di impregnazione attraverso un maggior numero di parametri (pressione, temperatura, tempo di contatto, portata del fluido supercritico, concentrazione del soluto).

La separazione di fase assistita da CO2 supercritica ha come vantaggi, rispetto alla separazione di fase tradizionale, la generazione di membrane porose a morfologia modulabile, con pori aperti e interconnessi, simmetriche e senza residui di solventi organici nel prodotto finale. Tali vantaggi permettono l’utilizzo delle membrane così prodotte nel settore alimentare e farmaceutico, ad esempio come sistemi a rilascio controllato di curcumina, sorbato di potassio e lisozima.

fluidi supercriticiIl supercritical drying viene utilizzato per l’essiccamento di idrogeli, generalmente di origine naturale, come chitosano, gelatina e collagene. La scelta delle opportune condizioni operative di temperatura e pressione, tali da garantire l’ottenimento di una miscela supercritica di CO2+solvente organico, permette di allontanare il solvente preservando la morfologia nanostrutturata natia del gel, risultato difficilmente ottenibile con le tecniche tradizionali di essiccamento. Gli aerogeli trovano applicazione ad esempio in campo biomedico, perché la loro morfologia mima la matrice extracellulare dei tessuti umani.

Il processo SEE (Supercritical Emulsion Extraction) utilizza la CO2 supercritica per estrarre solventi da emulsioni, allo scopo di formare, per precipitazione, micro e nanocapsule polimeriche. Emulsioni doppie W/O/W, nella cui fase acquosa interna è disperso o disciolto un principio attivo da incapsulare, e nella cui fase oleosa è disciolto un polimero, vengono processate in una colonna di estrazione continua. La velocità del processo continuo garantisce una dimensione controllata e un’elevata efficienza di incapsulamento.

Il nostro gruppo, inoltre, lavora anche sull’Estrazione con Fluidi Supercritici (SFE). Il processo comporta un’estrazione diretta seguita da una separazione frazionata di estratti in diversi separatori operanti in serie, in modo da isolare i composti in base alle loro diverse solubilità. Il processo è ampiamente utilizzato in applicazioni alimentari: estrazione di caffeina da semi di caffè, isolamento di oli essenziali dalle cere, ma anche principi attivi, biopesticidi e farmaceutici.

L’Estrazione per Antisolvente Supercritico (SAE) è una tecnologia innovativa per il frazionamento di uno o più composti solidi da miscele liquide e il loro recupero come solido secco. Con questa tecnologia si possono efficacemente frazionare composti nutraceutici, antiossidanti o biopesticidi. Inoltre, si possono utilizzare scarti alimentari come materia prima dalla quale estrarre composti quali polifenoli da semi d’uva o da frutti rossi, carotenoidi da pomodoro o foglie di olivo.

Il frazionamento di liquidi con fluidi supercritici (SFF) in torre impaccata in controcorrente è un modo efficace per la purificazione o separazione di miscele liquide; il processo in continuo rende questa tecnologia industrialmente promettente. Modulando i parametri di processo è possibile ottenere un frazionamento molto selettivo. È stato usato per l’eliminazione dell’esano dagli oli di semi e la rigenerazione degli oli fritti. Un’applicazione recente molto interessante è il frazionamento di omega-3 e omega-6 a partire da olio di pesce, per concentrare EPA (acido eicosapentanoico) e DHA (acido docaesanoico).

La tecnica Supercritical Assisted Atomization (SAA) produce micro e nanoparticelle di composti puri (farmaci, polimeri, catalizzatori) e microparticelle composite nanostrutturate, di dimensioni controllate e con una stretta distribuzione. Le particelle prodotte trovano numerose applicazioni, ampiamente riconosciute dalla letteratura internazionale; ad esempio, nel campo farmaceutico, sistemi farmaco-polimero possono essere utilizzati per migliorare la biodisponibilità di farmaci poco solubili in acqua e per controllarne il rilascio nel tempo.

SuperLip (Supercritical Assisted Liposome Formation) è un processo realizzato su scala di laboratorio per la produzione di liposomi, vescicole sferiche costituite da un nucleo acquoso interno e da un doppio strato lipidico esterno. I liposomi, molto simili alle barriere cellulari, sono impiegati per il trasporto di principi attivi in applicazioni terapeutiche, cosmetiche e alimentari. Con SuperLip, le dimensioni dei liposomi prodotti sono comprese fra 100 e i 300 nm, le efficienze di incapsulamento sono superiori al 95 % e sono stabili per oltre 4 mesi.

fluidi supercriticiSupercritical Assisted Injection in Liquid Antisolvent (SAILA) è un processo sviluppato essenzialmente per la produzione di micro e nanoparticelle per applicazioni terapeutiche. La CO2 supercritica viene solubilizzata in un solvente organico in cui si scioglie un principio attivo, mentre l’acqua agisce da antisolvente per indurre la precipitazione e la formazione delle particelle. È possibile processare anche polimeri, ottenendo particelle sferiche di distribuzione uniforme, impiegate per l’incapsulamento di principi attivi durante il processo di sovrasaturazione e precipitazione.

Non meno importante, la modellazione matematica, mediante metodi agli elementi finiti, consente di ingegnerizzare le caratteristiche dei prodotti degli impianti supercritici, specie nel caso di agenti incapsulati o precipitati molto costosi. In particolare, è stata largamente utilizzata nell’ottimizzazione di microambienti bioattivati per la medicina rigenerativa e l’ingegneria tissutale, valutando i fenomeni di trasporto e le proprietà meccaniche di scaffold per osteogenesi.

Fra la strumentazione utilizzata dal gruppo al fine di caratterizzare le particelle prodotte, viene utilizzato il microscopio elettronico a scansione SEM (Scanning Electron Microscope), che sfrutta gli elettroni al posto della luce per creare l’immagine della morfologia delle superfici con una risoluzione e una profondità di campo non ottenibili in microscopia ottica. Il SEM permette di identificare particolari di superfici, anche rugose, di dimensioni dell’ordine dei nanometri e contemporaneamente di eseguire analisi chimica elementare mediante lo spettrometro di raggi X a dispersione di energia (EDS). Nei nostri laboratori sono presenti 2 microscopi elettronici a scansione (SEM) di cui, il più recente, rispetto ai tradizionali microscopi ha la particolarità di operare anche in condizioni di basso vuoto (3000 Pa) e in presenza di vapore acqueo. In quest’ultimo caso, è possibile osservare anche materiali non conduttori, ad esempio quelli biologici.

La vera chiave del successo è il lavoro di gruppo, con la guida esperta di chi ha più esperienza e l’entusiasmo dei più giovani. Il gruppo di fluidi supercritici gode di fama a livello internazionale per il suo curriculum notevole, non fa ricerca esclusivamente fine a se stessa, ma ha contatti di collaborazione con numerose realtà industriali esterne, e lavora ogni giorno in un ambiente sereno e ricco di spunti di riflessione e di crescita.

Fonte: Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIIN) dell’Università degli Studi di Salerno (UNISA)

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