Nodarbojoties ar ārstniecības un aromātisko augu pārstrādi lielos apjomos, blakusproduktu kalni ir neizbēgami – pavisam burtiski. Pēc ārstniecības kumelīšu (Matricaria) tvaika destilācijas procesa pāri paliek tonnām biomasas, kura līdz šim tika izmantota kā digestāts. Blakusprodukti rodas, arī augu biomasu audzējot bioreaktoros. Lai arī šādu blakusproduktu apjomi ir nelieli, itin bieži blakusproduktu masa arvien ir bagāta ar dažādiem aktīvajiem savienojumiem un vērtīgām vielām.
Lai no ārstniecības augu pārstrādes un biomasas ražošanas blakusproduktiem iegūtu augstas pievienotās vērtības produktu – potenciāli kosmētikas ražošanā izmantojamas aktīvās vielas –, Vides risinājumu institūts kopā ar partneriem SIA “Alternative plants” un SIA “Field and Forest” īsteno projektu “Biorafinēšanas pieeja bioloģiski aktīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem”. Tā laikā bioloģiski aktīvās vielas tiek iegūtas no kumelīšu (Matricaria) pārstrādes blakusproduktiem un Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus) biomasas kultivēšanas blakusproduktiem. Kā veiksmīgāko aktīvo vielu ekstrahēšanas veidu projekta ietvaros pētnieki ir atzinuši tieši superkritiskā CO2 ekstrakciju. Lai izprastu ekstrakcijas procesu, konkrētās metodes būtību un galvenās priekšrocības, uz sarunu aicinājām Vides risinājumu institūta ķīmijas laboratorijas vadītāju Dr. Ilvu Nakurti un SIA “Field and Forest” pētnieci un produktu attīstības speciālisti Lieni Kienkas.
Pastāstiet, kādēļ izvēlējāties strādāt tieši ar superkritiskā CO2 ekstrakcijas metodi?
Ilva Nakurte: Vides risinājumu institūts, sadarbojoties ar SIA “Field and Forest”, ir uzkrājis lielu pieredzi ārstniecības un aromātisko augu daudzpakāpju ekstrakcijas procesos. Mums ir zināšanas par to, kādi šķīdinātāji jāpielieto konkrētu aktīvo vielu ekstrahēšanai. Taču daudzi no šķīdinātājiem ir kaitīgi un pat toksiski – līdz ar to pastiprināti jāstrādā, lai samazinātu atlikušo šķīdinātāju daudzumus gala produktā. Tas, savukārt, prasa papildus testēšanu un veido lielākas izmaksas. Turpretī CO2 ekstrakcijas metode ir cilvēkam un videi draudzīga – jo netiek izmantoti toksiski šķīdinātāji, un pati CO2 gāze pēc ekstrakcijas procesa nav speciāli jāatdala no gala produkta. Papildus tam metode ir arī augsti efektīva, jo varam iegūt daudzveidīgu aktīvo vielu “kokteili”, no kura tālāk ērti izdalīt interesējošos savienojumus.
Liene Kienkas: CO2 ekstrakcija ir kā lielisks papildinājums ekstrakcijas tehnoloģiju ciklam. Ar tvaika destilāciju no biomasas varam iegūt viegli gaistošos savienojumus. Izmantojot ūdens ekstrakciju, iegūstam ūdenī šķīstošos savienojumus. Savukārt, CO2 ekstrakcija ļauj no biomasas iegūt plašu spektru lipofīlo savienojumu. Kombinējot šīs ekstrakcijas metodes, varam augu izmantot pilnvērtīgi, un ražošanas blakusprodukti tiek pārstrādāti 100%.
Superkritiskā CO2 ekstraktors. Attēls: VRI.
Kādi ir pirmie secinājumi, veicot biomasas ekstrakciju ar superkritiskā CO2 metodi?
IN: Pirmkārt, pētījumā izvirzītā hipotēze par to, ka ārstniecības un aromātisko augu pārstrādes un biomasas kultivēšanas blakusprodukti satur vērtīgus un potenciāli kosmētikā izmantojamus aktīvos savienojumus, ir apstiprinājusies. Esam gandarīti, ka, izmantojot šo ekstrakcijas metodi, iegūta virkne savienojumu, kuri šo augu kontekstā aprakstīti zinātniskajā literatūrā, taču ar kuriem paši vēl nebijām saskārušies. Identificēto un potenciāli kosmētikā izmantojamo savienojumu bioloģiskā aktivitāte tiek testēta “Alternative Plants” laboratorijās. Par šiem testiem vairāk iespējams lasīt intervijā ar “Alternative Plants” pētniekiem Annu Ramatu-Stundu un Mārtiņu Borodušķi. Vielas testos uzrāda labus rezultātus – piemēram, augustu antiradikālo un fotoprotektīvo aktivitāti. Runājot par biomasas kultivēšanas blakusproduktiem, tajos sastopamas kosmētikas izejvielu ražošanas industrijā pieprasītas vielas, kā rozmarīnskābe, kafijskābe, hlorogēnskābe.
Kāds ir CO2 ekstrakcijas darbības princips?
LK: Pamatprincips ir tāds pats jebkuram ekstrahēšanas procesam – tāpat kā līdzīgs šķīst līdzīgā, līdzīgs ekstrahē līdzīgu. Ekstraktorā izmantojam sašķidrinātu CO2 un, mainot spiedienu un temperatūru, nodrošinām CO2 pāreju superkritiskajā fāzē un pilnīgu tā recirkulāciju procesa beigās. Šajā fāzē CO2 piemīt gan gāzes, gan šķidruma īpašības. Līdzīgi gāzei, šajā fāzē CO2 spēj iekļūt mikroskopiskās šūnās un izspiest no tām aktīvās vielas. Savukārt, superkritiskā CO2 šķīdinātāja īpašības ir tikpat spēcīgas kā vielai šķidruma fāzē. Mainot spiedienu, temperatūru un papildus šķīdinātāju (kosolventu), varam kontrolēt procesu mērķtiecīgai savienojumu grupu ekstrakcijai.
Kā jāsagatavo paraugi, lai tiem varētu veikt ekstrakciju ar superkritisku CO2?
LK: Biomasai jābūt sausai. Parauga virsmas laukumam jābūt maksimāli lielam, tādēļ biomasa jāsasmalcina ļoti smalki. Šobrīd meklējam labākos tehnoloģiskos risinājums biomasas kultivēšanas blakusproduktu sagatavošanai. Šie blakusprodukti ir želejveida, un tos pirms ekstrahēšanas nepieciešams žāvēt vai nu izmantojot liofilizāciju, vai īpaši saudzīgus konvenciālas kaltēšanas apstākļus
Sasmalcinātu žāvētu kumelīšu (Matricaria) ziedlapu pulvera ievadīšana ekstraktora tvertnē. Attēls: VRI.
Minējāt, ka CO2 ekstrakcija ļauj iegūt plašu spektru dažādu savienojumu un vielu. Vai varat uzskaitīt galvenās vielu klases?
IN: Klāsts ir patiešām plašs. Vitamīni, cukuri, aminoskābes, flavonoīdi, polifenoli, tanīni, saponīni, lignīni, terpēni, arī ēteriskās eļļas. Tāpat ekstraktā nonāk arī proteīni, minerālvielas un citi savienojumi.
Ar CO2 ekstraktoru iegūtie kumelīšu (Matricaria) pārstrādes blakusproduktu ekstrakti. Attēls:VRI.
Kādas ir tieši šīs ekstrakcijas metodes priekšrocības? Vai metodei ir arī kādi trūkumi?
LK: Pie metodes plusiem varētu minēt to, ka šķīdinātājs ir videi draudzīgs. Tas ekstrahētajā produktā neatstāj atliekvielas, kā arī pēc ekstrakcijas procesa nav kā īpaši no produkta jāatdala – CO2 tiek recirkulēts atpakaļ sistēmā. Ekstrakcija ir efektīva, kā arī, protams, priekšrocība ir tā, ka ar vienu šķīdinātāju varam ekstrahēt dažādas vielu klases!
Runājot par trūkumiem, redzam, ka procesa mērogošana (scalability) varētu būt izaicinoša. Ja ekstrahēšana paredzēta komerciāliem nolūkiem, reaktora limitētās kapacitātes dēļ būtu jāiegādājas un paralēli jādarbina vairāki desmiti reaktoru. Gan iekārtu iegāde, gan uzturēšana kopā veidotu ļoti augstas izmaksas. Samērā sarežģīta ir arī zema blakusproduktu biomasas mitruma nodrošināšana.
Kopumā superkritiskā CO2 ekstrakcija ir process, kas prasa nemitīgu mācīšanos – tā kā strādājam ar dažāda veida biomasām, pie vieniem un tiem pašiem parametriem rezultāts tāpat vienmēr būs atšķirīgs. Ekstrakcijas iekārta ir pamatīgi jāiepazīst, lai ātri, neizniekojot paraugu, saprastu, kādi iestatījumi būs īstie, lai no biomasas “izspiestu” vēlamo!
Pētījums tiek veikts projekta “Biorafinēšanas pieeja bioloģiski aktīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem” (Nr. 1.1.1.1/19/A/075) ietvaros. Projektu atbalsta Eiropas Reģionālās attīstības fonds (ERAF), darbības programmas “Izaugsme un nodarbinātība” 1.1.1. specifiskā atbalsta mērķa “Palielināt Latvijas zinātnisko institūciju pētniecisko un inovatīvo kapacitāti un spēju piesaistīt ārējo finansējumu, ieguldot cilvēkresursos un infrastruktūrā” 1.1.1.1. pasākuma “Praktiskas ievirzes pētījumi” ietvaros.
