إستخلاص المركبات الطبيعية باستخدام CO2 في الحالة فوق الحرجة

بسم الله الرحمن الرحيم 

إستخلاص المركبات الطبيعية باستخدام CO2 في الحالة فوق الحرجة (Supercritical Fluid CO2 Extraction), وتطبيقاته في المجالات الصناعية :
 بسم الله الرحمن الرحيم والحمد لله رب العالمين وصلى الله وسلم على سيدنا محمّد 

المقدمة :

إنّ استخدام الإنسان للمركبات الطبيعية في حياته اليومية بدأ منذ قديم الزمان , حيث لجأ وقتئذ إلى استخدام النباتات بشكل مطحون , أو استعمال وسائلٍ بدائيةٍ في الاستخلاص , عن طريق الغلي بالماء والترشيح , ثم مع تطور الاكتشافات , لا سيما تلك في مجال الكيمياء التطبيقية والعضوية , تطورت معها عمليات الاستخلاص ليتم استخدام المحلات العضوية والقطبية التي لازالت إلى يومنا هذا هي الطريقة الأكثر استخداماً . لكن مشكلة بقاء آثار من المحلات العضوية (كالهيكسان وغيره) في المنتج النهائي , رغم التبخير في الحجرات المفرغة , وماله من تأثير على صحة الإنسان , بالإضافة إلى مشكلة أحب أن أنوه إليها , لأنها تهمنا نحن معاشر المسلمين , وهي استخدام الكحول الايتيلي كمحل قطبي في كثير من المركبات المستخلصة من النباتات , تدعونا إلى التفكير لإيجاد بدائل صناعية في الاستخلاص , وإن كانت التقنية التي سأقوم بطرحها تقوم فقط بإيجاد حل للمشكلة الأولى دون الثانية .

 ماهي تقنية الاستخلاص بواسطة CO2 في الحالة الحرجة ؟ 

في عام 1822 م قام البارون شارلز كانيار Charles Cagniard باكتشاف وجود النقطة الحرجة لغاز ثنائي أوكسيد الكربون , لكنَّ التحليل العلمي لهذه الظاهرة لم يتم حتى عام 1870 م , من قبل توماس أندرو Thomas Andrews . إلا أن هذه المعلومات لم يتم استخدامها في مجال استخلاص المركبات الطبيعية إلا بعد تسعين عاماً تقريباً , من قبل كورت زوزيل Kurt Zosel . إن نقل فكرة استخدام ثنائي أكسيد الكربون في الحالة فوق الحرجة , إلى المستوى الصناعي , لم يرَ طريقه إلى النور إلّا في نهاية السبعينات من القرن الماضي , حيث ابتدأت عملية نزع الكافئيين من الشاي , وتطور التطبيق الصناعي إلى أن وصل إلى استخلاص المنكهات وغيرها . 

مبدأ الاستخلاص : إنَّ مبدأ الاستخلاص باستخدام CO2 في الحالة فوق الحرجة , يعتمد على كونه في حالة ليست بالسائل ولا بالغاز مما يجعل منه محلاًّ جيداً للمركبات العضوية , وذلك بتطبيق ضغط يساوي 73.8 بار و درجة حرارة تساوي 31 درجة مئوية كحد أدنى .

 شكل توضيحي للحالات الفيزيائية المختلفة لمركب ثنائي أكسيد الكربون 

آلية العمل : يتم تكثيف غاز CO2 من أجل تحويله إلى سائل , حيث يتم تجميعه ضمن خزَّان , ومن ثم يتم دفع وتسخين وضغط CO2 السائل حتى يصل إلى حجرة الاستخلاص وهو في حالته الحرجة , لكي يتلاقى مع القطع الصلبة المطحونة من النبات أو غيره , والتي يراد استخلاص المواد الفعالة منها (سواء كانت لاستخدام غذائي كالمنكهات ومضادات الأكسدة وبدائل السكر الطبيعية أو لاستخدامات في المجال الصيدلاني أو كمواد فعالّة في مستحضرات التجميل) . ومن ثم ينقل CO2وهو في حالته الحرجة محمَّلاً بالمواد المستخلصة من النبات إلى حجرات فصل , حيث يعود إلى الحالة الغازية ليترك المواد المستخلصة تترسب , ويتم سحب الغاز ليكثف ويستخدم من جديد كما هو موضح في الشكل رقم (1). بشكل عام يمكن لـ CO2 في حالته الحرجة أن يستخلص المركبات العضوية الغير قطبية (المركبات الزيتية خصوصاً) ذات الوزن الجزيئي المنخفض , ولكن بإمكاننا أن نتحكم بقدرة الاستخلاص هذه عن طريق تغيير الحرارة أو الضغط ضمن المجال الحرج , لكي نجعل من العملية أكثر اصطفائيةً وملائمة لبعض المركبات دون الأخرى . أما عند إضافة أحد المحلات القطبية (كالماء أو الكحول ...) كمحل مساعد , فإنه بإمكاننا أن نعدل من قطبية CO2 ليصبح قادراً على استخلاص البروتينات والألكالوئيدات الغير منحلين أو المنحلين بشكل ضعيف باستخدام الشروط الأساسية , وهذا يعد من سلبيات هذه التقنية . 

 الشكل رقم (1) , شكل توضيحي لآلية الاستخلاص

خزانات الاستخلاص  حجرة الفصل 
الاستخلاص بواسطة CO2 في الحالة الحرجة على المستوى الصناعي 

مجالات التطبيق - الإيجابيات والسلبيات المترافقة مع هذه التقنية : يمكن تطبيق هذه التقنية في مجال الصناعات الغذائية للحصول على المنكهات (كخلاصة البهار و نكهة الفانيلين وغيرها) والملونات و بدائل السكر ومضادات الأكسدة , كلها من مصادر طبيعية . كما يمكن استخدامها في المجال الصيدلاني لاستخلاص المواد الفعالة من النباتات وغيرها , بالإضافة إلى المواد الداخلة في تصنيع مستحضرات التجميل . تجدر الإشارة إلى بعض إيجابيات هذه التقنية ألا وهي : - أنها غير سامة , لا تترك أثراً غير مرغوباً في طعم المنتج , تعطي مركبات بنقاوة عالية وهي بديل لعملية الاستخلاص بالمحلات العضوية الغير قطبية . - هذه التقنية تسمح الاستخلاص بدرجات حرارة غير مرتفعة (31 درجة مئوية) وبمعزل عن غاز الأكسيجين , مما يسمح باستخلاص المركبات الحساسة , والتي تتخرب بسهولة بالأكسدة أو عند تعرضها لحرارة زائدة . - لها قدرة اصطفائية , تتغير بتغيير شروط الضغط والحرارة ضمن المجال الحرج . بعض سلبيات هذه التقنية : -اختصاصها باستخلاص المركبات الزيتية الغير قطبية , أما بالنسبة للبروتينات والألكالوئيدات فلابد من إضافة محل مساعد (ولا أدري إن كان بالإمكان تجاوز هذه السلبية من خلال استخدام غازات أخرى غير CO2. - الاستثمار اللازم لهذه التقنية لا يزال مرتفعاً , بالإضافة إلى ضرورة العمل في شروط خاصة من ضغط مرتفع . - الاستخلاص يتم فقط من مواد صلبة (مطحون النبات وغيره) , أما الاستخلاص من المواد السائلة (الاستخلاص السائل \ السائل) فلا يتم عن طريق هذه التقنية . أخيراً أقول , لعل هذه التقنية تقدم حلاً لبعض المشكلات والسلبيات الموجودة في طرق الاستخلاص التقليدية لاسيما مشكلة بقاء أثار من المحل في منتج النهائي , لكن لابد من وضع السلبيات الموجودة في هذه التقنية قيد الحسبان , ولابد من تكثيف جهود البحث العلمي من أجل العمل على محاولة تجاوز العقبات