Innovación y sostenibilidad en la extracción de compuestos naturales
“Un fluido supercrítico (FS) se define como cualquier sustancia que se encuentra a una presión y
temperatura por encima de su punto crítico, lo que le confiere propiedades fisicoquímicas híbridas entre
las de un líquido y un gas… La extracción con FS ha ganado relevancia en el ámbito de los compuestos
naturales, utilizándose para obtener una gran diversidad de extractos, como aceites, oleorresinas y diversos
grupos de compuestos bioactivos, incluyendo alcaloides, terpenos y compuestos fenólicos”.
Gaitán Agustina a, Pernochi Scerbo Matías b, Comba Lucia a, Palma Santiago Daniel b
Las tendencias actuales en la investigación y desarrollo de nuevos fármacos se están enfocando cada vez más en compuestos bioactivos de origen natural. Estos compuestos, conocidos como metabolitos secundarios, están presentes en las plantas y han demostrado poseer una variedad de efectos terapéuticos, lo que los convierte en candidatos prometedores para el desarrollo de medicamentos innovadores. (Kravanja, 2022)
Dado que estos compuestos se encuentran en matrices vegetales complejas, es necesario aplicar métodos de extracción para
su aislamiento. Los métodos de extracción convencionales incluyen la destilación por arrastre de vapor, extracción con solventes orgánicos, el método Soxhlet, prensado e hidrodestilación. Aunque son técnicas ampliamente utilizadas, presentan varios inconvenientes, tales como tiempos de procesamiento prolongados, consumo elevado de solventes orgánicos, pérdida de compuestos volátiles, degradación de sustancias termolábiles, bajo rendimiento y riesgo de dejar residuos tóxicos en el extracto final. (Uwineza, 2020; Khaw, 2017)
En respuesta a estas limitaciones, en los últimos años se han desarrollado métodos de extracción alternativos bajo el enfoque de “química verde”, los cuales buscan reducir el consumo de energía y sustituir los solventes orgánicos por opciones menos perjudiciales para el medio ambiente.
Entre estos métodos se incluyen la extracción asistida por ultrasonido, la extracción de líquidos presurizados, la extracción asistida por microondas y la extracción con fluidos supercríticos (EFS). (Uwineza, 2020; Khaw, 2017)
La EFS se destaca como una de las técnicas más utilizadas, ofreciendo una alternativa superadora capaz de sustituir eficazmente los métodos convencionales.
¿Qué es un fluido supercrítico?
Un fluido supercrítico (FS) se define como cualquier sustancia que se encuentra a una presión y temperatura por encima de su punto crítico, lo que le confiere propiedades fisicoquímicas híbridas entre las de un líquido y un gas.
En estas condiciones la sustancia presenta una baja viscosidad, alta densidad y difusividad. Estas propiedades le permiten difundir a través de matrices sólidas (comportamiento similar a un gas) y disolver los materiales presentes (comportamiento similar a un líquido).
Dichas cualidades son las que lo convierten en un excelente solvente de extracción, ya que le otorgan un alto poder de penetración en las matrices vegetales y una elevada tasa de transferencia de masa desde el analito de interés al FS.
Además, variando la presión o la temperatura es posible modificar esas propiedades, logrando un mayor rendimiento, eficiencia y selectividad de la extracción. (Khaw, 2017; Uwineza, 2020)
Este tipo de comportamiento se representa en un diagrama de fases (Figura 1). En el punto triple del diagrama las tres fases del solvente coexisten en equilibrio, mientras que por encima del punto crítico se encuentra la región supercrítica. En ella el solvente se convierte en lo que denominamos FS, donde por más que se aumente la presión o la temperatura el solvente permanecerá en ese estado.
La región supercrítica se puede lograr a través de dos enfoques: aumentando la presión por encima de la presión crítica (Pc) de la sustancia, mientras se mantiene una temperatura estable y luego aumentando la temperatura por encima del valor de temperatura crítica (Tc) a un valor de presión estable; o aumentando primero la temperatura por encima del valor Tc y luego aumentando la presión por encima del valor Pc. (Khaw, 2017; Uwineza, 2020).
Solventes utilizados en condiciones supercríticas
Aunque se pueden emplear diversas sustancias en estado supercrítico para la extracción, como agua, nitrógeno, hexafluoruro
de azufre, óxido nitroso, etileno, propileno, propano, isobuteno y trifluorometano, entre otros, el dióxido de carbono (CO₂) es el más ampliamente utilizado por múltiples razones. (Kravanja, 2022; Khaw, 2017)
El CO₂ es un gas inerte, apolar, no inflamable, económico y considerado como seguro para aplicaciones farmacéuticas según la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA). (Kankala, 2017) Además, su baja temperatura crítica (31,1 °C) y presión crítica relativamente baja (72,8 bar) facilitan su uso y reducen los costos operativos. (Khaw, 2017)
Otra ventaja es que no deja residuos en el producto final, ya que puede separarse y reciclarse mediante despresurización en la
última etapa del proceso de extracción. (Kravanja, 2022)
Sin embargo, en el estado supercrítico, el CO₂ tiene afinidad por componentes apolares, lo que limita su uso a este tipo de sustancias.
Por esta razón, es común utilizar pequeñas cantidades de co-solventes como agua, metanol, etanol o acetonitrilo, cuando es necesario extraer compuestos polares. (Fraguela-Meissimilly, 2023)
Más recientemente otros compuestos han ganado presencia, como el dimetil-eter (DME). DME es un gas que se puede obtener de biomateriales, no es tóxico, y es económico en comparación con compuestos similares. (Ahangari 2021)
Principios de la técnica de extracción con fluidos supercríticos La EFS se lleva a cabo en varias etapas (Figura 2). En primer lugar, el solvente a utilizar se somete a la presión y temperatura deseada para alcanzar el estado supercrítico. Luego,
el FS ingresa a un tanque extractor donde entra en contacto con el material vegetal. Una vez allí, penetra a través de la matriz sólida vegetal y solubiliza al analito de interés (junto con impurezas).
Por último, los compuestos arrastrados por el FS se separan del solvente mediante despresurización, aumento de temperatura o ambos. (Uwineza, 2020; Silva 2016)
“La EFS se lleva a cabo en varias etapas”
Esta técnica se puede llevar a cabo de modo dinámico o estático, pudiendo emplearlos por separado o combinados. En el modo dinámico, el FS circula de manera continua a través del extractor que contiene la muestra, mientras que, en el modo estático, la muestra retiene el FS. (Uwineza, 2020)
Para realizar u optimizar una EFS las variables que afectan al proceso deben ajustarse de tal manera de maximizar la extracción del analito de interés. Para llevar a cabo esto, en la práctica es muy común el uso de diseños experimentales.
Los principales aspectos a tener en cuenta en una EFS son la temperatura, presión, solvente/s utilizado/s y el tiempo de extracción.
Variables como el flujo y el tamaño de partícula de matrices sólidas también deben ser analizadas. (Herrero 2010)
El control de la presión y la temperatura es muy importante, tanto para regular el comportamiento del FS como para proteger a
aquellos analitos termolábiles. Mientras que con la temperatura no se observa una relación directa en la eficiencia de extracción, por regla general, a mayores presiones, se obtienen mejores resultados. El tamaño de partícula de las matrices sólidas también es un factor a considerar, dado que en la mayoría de los casos, menores tamaños de partícula conllevan a mejores eficiencias de extracción.
En cuanto a los tiempos de extracción, un tiempo más prolongado favorece la extracción, sin embargo, la técnica se vuelve inviable y costosa, además de aumentar el riesgo de extraer un mayor porcentaje de impurezas. (Ahangari 2021).
Ventajas de la extracción con fluidos supercríticos
Este método de extracción posee una amplia variedad de ventajas que se listan a continuación:
- Capacidad de ajustar las propiedades del fluido variando la presión y temperatura del sistema para mejorar la selectividad en la extracción.
- No utiliza solventes orgánicos, con lo cual es considerada una técnica amigable con el medio ambiente.
- El fluido puede ser reciclado y reutilizado, lo que minimiza la generación de desperdicios.
- Alta capacidad de transferencia de masa en comparación con técnicas convencionales.
- Es una técnica rápida con respecto a otros métodos de extracción.
- No deja residuos tóxicos en el extracto obtenido.
- Utiliza temperaturas relativamente bajas, permitiendo la extracción de compuestos termolábiles evitando su degradación.
- Posibilidad de acoplarse a métodos analíticos como cromatografía gaseosa (GC) o cromatografía con fluidos supercríticos para la identificación o separación de compuestos.
- Disminución del consumo de energía al suprimirse los procedimientos de eliminación de solventes. (Fraguela-Meissimilly, 2023; Uwineza 2020; Badens, 2018; Silva, 2016)
Otras aplicaciones en la industria farmacéutica
En las últimas décadas, la EFS ha ganado relevancia en el ámbito de los compuestos naturales, utilizándose para obtener una gran diversidad de extractos, como aceites, oleorresinas y diversos grupos de compuestos bioactivos, incluyendo alcaloides, terpenos y compuestos fenólicos. (Khaw, 2017)
Por otra parte, esta tecnología no se limita únicamente a la extracción de compuestos, sino que también representa una alternativa eficaz de numerosos procesos físicos o químicos convencionales en la industria farmacéutica. (Kravanja, 2022; Kankala, 2017)
Entre las aplicaciones de la tecnología por fluidos supercríticos (TFS) se destacan el diseño de partículas de tamaño micrométrico, obtención de nanopartículas y liposomas, elaboración de polvos farmacéuticos, solubilización de fármacos, formación de complejos de inclusión de compuestos activos poco solubles en un portador sólido, impregnación
de polímeros para mejorar la solubilidad de principios activos, formulación de medicamentos de liberación controlada, purificación y separación de compuestos polimorfos, esterilización de productos, extracción y análisis de fármacos presentes en plasma, diseño de materiales antimicrobianos, entre otros. (Kravanja, 2022; Zizovic, 2020; Girotra, 2012;Deshpande, 2011; Badens, 2018)
• En la tabla 1 se muestran algunos ejemplos de aplicaciones de la TFS en la industria farmacéutica
“La tecnología de fluidos supercríticos se ha consolidado como una alternativa innovadora y ecológicamente sostenible en la extracción de compuestos de origen natural”
Consideraciones finales
La tecnología de fluidos supercríticos se ha consolidado como una alternativa innovadora y ecológicamente sostenible en la extracción de compuestos de origen natural además de las múltiples aplicaciones en el ámbito de la industria farmacéutica y biomédica.
Su capacidad para superar las limitaciones de los métodos convencionales, como la degradación de compuestos sensibles, el uso de solventes tóxicos y los altos costos energéticos, resalta su relevancia en el marco de la “química verde”.
Además, las propiedades únicas de los fluidos supercríticos permiten la optimización del proceso de extracción y la formulación de medicamentos avanzados de manera eficiente.
Sin embargo, su uso a gran escala enfrenta ciertos desafíos, principalmente en términos de costos de inversión y falta de estudios económicos que analicen la viabilidad de su aplicación a escala industrial.
Superar estas barreras, junto con una mayor conciencia del impacto ambiental que presentan las técnicas convencionales, permitirán una transformación de los procesos industriales, ofreciendo una solución más segura, eficaz y sostenible.