Prof. Dr. Ufuk  Yücel

Prof. Dr. Ufuk Yücel

Yeşil Teknolojiler

Ekstraksiyon Yöntemlerinde Yeşil Eğilim: Süperkritik Akışkan Teknolojisi (Ekstraksiyon Mekanizması v

Süperkritik ekstraksiyon işleminin bir diğer önemli yönü çözgen/çözünen etkileşimleridir. Normal olarak, katı ve çözünen arasındaki etkileşimler ekstraksiyon kolaylığını belirlemektedir, örneğin adsorpsiyon izoterminin kuvveti adsorbat ile...


Yrd. Doç.Dr. Ruhan AŞKIN UZEL1* 
Doç. Dr. Ünal Rıza YAMAN2, Prof. Dr.Ufuk YÜCEL2
1Yaşar Üniversitesi Meslek Yüksekokulu, Gıda Teknolojisi Programı, 35900 İzmir – Türkiye
ruhan.uzel@yasar.edu.tr
2Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Gıda Teknolojisi Programı, 35900 İzmir – Türkiye

4. Süperkritik Akışkan Ekstraksiyon Mekanizması 
Sıvı-katı ekstraksiyon teknikleri yaygın bir katı matristen analitlerin izolasyonu için geniş ölçüde kullanılmaktadır. Böyle bir teknik olan katı ekstraksiyonu istenilen analitin katı örnekten alınması yoluyla tekrarlanan çözgen distilasyonunu içermektedir. Bu teknik genellikle topraklardan polimer ve ikinci organik katkı maddeleri ayıklamak için kullanılır. Soksalet ekstraksiyonu sadece bertaraf edilmesi gereken organik çözgen kullanımını gerektirmez, aynı zamanda oldukça yavaş olan bir tekniktir. Katı örneklerden analitlerin izole edilmesinde nispeten yeni bir ekstraksiyon tekniği süperkritik ekstraksiyon (SFE)’dir.  
Bazı çalışmalarda SFE’nin daha kısa örnek hazırlama zamanı sunması ve geleneksel ekstraksiyon yöntemlerinden daha iyi olması nedeni ile büyük dikkat ve ilgi çektiği görülmüştür [13, 14].
Katı matrislerden çözünür türlerin (çözünenler) ekstrakte edilmesi dört farklı mekanizma ile gerçekleşir:   
1. Eğer çözünen madde ve katı faz arasında herhangi bir etkileşim yok ise, süreç katı matrisi çözmeyen uygun bir solvent içinde çözünenin basit bir çözümlenmesi işlemidir.
2. Eğer çözünen madde ve katı faz arasında herhangi bir etkileşim var ise, ekstraksiyon işlemi, dengeyi tanımlayan solventin varlığında katı üzerindeki çözünen maddenin adsorbsiyon ve desorpsiyon izotermi olarak tanımlanır. Aktif karbon rejenerasyonu gibi katı ekstraksiyon işlemlerinden çoğu bu kategoride yer almaktadır. 
3. Üçüncü mekanizma ise katı fazın ilk iki mekanizma yolu ile sıkışıp kalan çözünen maddenin ekstraksiyonu eşliğinde, solvent ile şişirilmesidir ki pigmentlerin veya atık solventlerin polimerik matrislerden ekstraksiyonu bu işleme örnek olarak verilebilir. 
4. Dördüncü mekanizma ise çözünemeyen maddenin çözücü ile reaksiyona girmesi ve bu nedenle reaksiyon ürünlerinin selülozdan lignin ekstaksiyon örneğinde olduğu gibi çözülebilir nitelik kazanmasıdır. Ekstraksiyonu her zaman ekstrakte edilen maddenin çözgenden ayrıldığı başka bir ayırma işlemi izler.
Süperkritik ekstraksiyon işleminin bir diğer önemli yönü çözgen/çözünen etkileşimleridir. Normal olarak, katı ve çözünen arasındaki etkileşimler ekstraksiyon kolaylığını belirlemektedir, örneğin adsorpsiyon izoterminin kuvveti adsorbat ile adsorbent arasındaki etkileşim ile belirlenir. Bununla birlikte, süperkritik akışkanlar kullanıldığı zaman, çözgen ve çözünen madde arasındaki etkileşimler süperkritik akışkanların büyük negatif kısmi molar hacimleri ve kısmi molar entalpisi ile büyük adsorbsiyon karakteristiklerini etkilemektedir. Ekstraksiyonu yöneten termodinamik parametrelerinin sıcaklık, basınç, adsorpsiyon denge sabiti ve süper kritik akışkan içinde organik çözünürlüğünün olduğu saptanmıştır [1 - 3]. 
Sistemi yöneten parametrelerin esaslı olarak anlaşılması SFE prosesinin modellenmesinde, dizaynında, geliştirilmesinde ve gelecekteki tasarımında büyük önem arz etmektedir. 
5. Önemli Deneysel Konular
Ekstraksiyon  işleminin gerçekleştirmesi zor ve karmaşık değildir. Bu teknik sıcaklık, basınç ve süper kritik akışkan akış hızı gibi önemli işlem parametreleri ile basittir. Şekil 3 SFE için temel bir akış diyagramını göstermektedir. Esas olarak, istenilen basınç değeri elde etmek için, pompa kullanılır ve ekstraksiyon sıvısı ekstraksiyon hücresine beslenir ve elektrikli fırına yerleştirilir. Sıcaklık SCF'nin kritik sıcaklığının üstünde bir değerde tutulur. Bu durumda süperkritikçözgen arzu edilen ürünün ayrılabilmesi amacı ile materyal ile temas haline getirilir. SFE sırasında, süperkritik çözgen ekstrakte edilmiş madde ile doyurulmuş olarak atmosferik koşullara genleştirilir ve çözülmüş madde süperkritik çözgenin bir sonraki işlemlerde kullanılması için sistemde döngüye girmesi ile birlikte ayırma hücresinde toplanır [15, 16].
Tipik bir SFE sistemi için bir şematik diyagram, sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4' te verilmiştir. Sistem temel olarak bir sıvı CO2 silindiri, basıncı ayarlanan bir değerde tutmak için çoğunlukla şırınga tipte tercih edilir bir pompa kısımlarından oluşmaktadır [17]. Basınç, kritik basıncın üzerinde tutulmakta ve ekstraksiyon hücresi sıcaklığı süperkritik koşullarda kontrol edilmektedir. 

Şekil 3. SFE akış diyagramı
Ekstraksiyon  işlemi, ekstraksiyon  hücresinde gerçekleştirilir. Ekstraksiyondan sonra, SCF daha düşük bir basınçta sistemde dolaştırılır ve alıcıya doğru gider. Alıcıdan ayrılan, damlacıklar ve çözünmüş maddeleri içeren karbon dioksit, sıvılaştırma ünitesine geri dönmeden önce buğu çözücü ve karbon temizleyiciden geçirilir [14]. Bir sonraki adım olarak, SFE ile akışından istenen bileşenin ayrılması farklı şekillerde elde edilebilir. Bir yolu basıncın azaltılması, sıcaklığın artırılması veya ekstraktın Ar, N2 gibi atmosferik gazlar ile karıştırılması sonucu düşürülen solvent yoğunluğu etkisi ile çözünen maddeyi çözeltiden çökelti yoluyla elde etmektir. Bazı durumlarda ürün uygun bir çözücü ile yıkanarak sistemden alınır. Uygun örnek miktarlarında hazırlanan materyallerin belirli bir eksraksiyon süresi için ekstraksiyon basıncı ve sıcaklığının belli değerlerde sabit olarak korunduğu ekstraksiyon işlemini SCF’nin efektif olarak gerçekleştirmesi amacıyla bazı parametrelerin önemi mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır.


Şekil 4. SFE şeması
6. Süperkritik Akışkanların Ticari İşlemleri ve Uygulamaları 
Bazı gıda maddeleri ısıya, ışığa ya da oksijene karşı hassasiyet gösterebilir. Bu durumda kullanılacak olan süperkritik akışkan doğal materyallerin hassasiyetini gözetecek şekilde seçilmeli ya da deney koşulları hafifleştirilmelidir. Süperkritik akışkanlar ile ilgili yapılan çalışmalar son 10-20 yıla sığabilecek kadar yeni olmakla birlikte teorisinin köklü bir bilimsel geçmişi bulunmaktadır. Yapılan çalışmalar ve denemeler sektörün birçok koluna hitap etmekle beraber ağırlıklı olarak gıda, tarım ve ilaç sektörüne dayanmaktadır. 
6.1.İlaç Sanayi Uygulamaları
Süper kritik akışkan teknolojisi (SFT) gıda sanayi, kimyasal işleme, polimerler, tekstil, orman sanayi ürün ve farmasötik dışında, hassas parçaların temizliği gibi yıllardır birçok alanda kullanılmaktadır [18, 19]. 
Süperkritik akışkanların farmasötik ve toksikolojik uygulamaları özellikle aşağıdaki nedenlerden dolayı zorlayıcıdır:
Geri kazanım ve yeniden üretilebilirlik için uygulanan standartların çevresel uygulamalar için olanlardan daha katı olması, 
Analitlerin genellikle eser miktarlarda ve oldukça polar olması,
Matrislerin çok fazla oranda kompleks olması ve sık sık yardımcı ekstraktiflere sahip olmaları.
Geleneksel farmasötik işlemler, solüsyonlardan ilaçların rekristalizasyonu, reaksiyon ortamında ilaçların sentezlenmesi veya katı matrislerden ekstraksiyon ajanlarının ilaçların seçici  olarak eldesinde kullanılması gibi organik çözgenlerin geniş bir kullanımını içerir. Bu bağlamda araştırmaların önemli bir bölümü geleneksel çözücülerin SCCO2 ile ikame edildiği süreçlerin odaklanılarak araştırılması olmuştur. Ekstrakte edilmiş materyalde artık çözücünün bulunmasının ilaç sanayinde kritik bir öneminin varlığında, süperkritik karbon dioksit çeşitli uygulamalar bulmuştur. Bu teknik ilaç sanayinde, aromatik yağların ve kafein gibi doğal ürünlerin ekstraksiyonunda kullanılmaktadır. Ayrıca, soya fasulyesinden E vitamini ekstraksiyonu ve E vitamini için saflaştırma yöntemleri üzerinde çalışılmaktadır. Uygulamaların yeni alanları partiküllerde boyut küçültme, yeni ilaç geliştirme sistemleri dizaynı gibi konuları içermektedir [18]. 
6.2.Çevre Uygulamaları
Sıkı çevre düzenlemeleri nedeniyle, süper kritik sıvılar örneğin heksan gibi, geleneksel tehlikeli maddeler için yedek olarak kullanılır. Günümüzde, en çok aktiviteye sahip olan uygulama alanı, süperkritik akışkanların yardımı ile çevresel tedavi ve katılardan ya da endüstriyel atıklardan toksik kontaminantların alınması olmuştur. Ayrıca, aktif karbon SFE rejenerasyonu için alternatif bir yöntem olarak önerilmektedir.
6.3. Gıda Uygulamaları
Gıda sektöründe her zaman yüksek saflıkta, çeşitli endüstriyel uygulamalar ile mükemmel kalitede sağlıklı ürünlerin doğal bileşikler elde etmek için en iyi ayırma teknolojisi yöntemleri araştırılmaktadır. Dolayısıyla çevreye duyarlı, az maliyetli teknolojilerin araştırılması gerekmektedir. Ticari uygulamaların özeti ve güncel gelişmelerin örnekleri SFE’nin endüstri uygulamalarının mümkün olabileceğine dair farklı olasılıkları göstermektedir. SCF teknolojisinde ilk ticari uygulama kahvenin dekafeinizasyonudur. Düşük miktarlarda uyarıcı, yüksek dozlarda ise uyuşturucu özelliği gösteren kafein mide, kalp rahatsızlığı olan tüketiciler tarafından tercih edilmemektedir. Bu nedenle kahveden kafeinin uzaklaştırılması yaygın olan bir uygulamadır. Kahveden kafeinin süperkritik CO2 uzaklaştırılması 1978 yılından beri yapılmaktadır [1]. Bu gün dünyada bu temele dayalı iki firma tarafından alınan patent bulunmaktadır. Bu yöntemle taneciklerdeki kafein yüzde 3’ten yüzde 0,02’ye kadar düşürülebilir. Kahveden kafeinin uzaklaştırılmasında kahve taneleri ıslatılarak CO2’nin kafein seçiciliği artırılır. Bu yöntemde kahve çekirdeğinde kafein miktarı yüzde 0,02’ye kadar düşürülse de çoğu zaman bu kadar düşük kafein miktarı istenilmez. Organoleptik özellikler açısından, kafeinli kahve ile bu yöntemle elde olunan kafeinsiz kahve arasında önemli farklar bulunmamaktadır. 
Bu uygulamadan farklı olarak süperkritik karbondioksit bitkisel yağ üretiminde de yağ ekstraksiyonu amacıyla kullanılabilmektedir. Bu uygulamada çoğu zaman etanol, n-heksan veya aseton gibi “kosolvent” veya “modifier” kullanılmaktadır. Pahalı bir yöntem olmakla birlikte basınç kademeli olarak düşürülerek fraksiyonlama işleminin yapılmasına olarak sağlamaktadır.
Farklı bir uygulama olarak, bira endüstrisinde kullanılan şerbetçi otunda tat verici bileşenlerin bulunduğu reçineler vardır. Bu reçineler diklorometanla ekstrakte edildiğinde ppm düzeyinde çözücü kaldığı için SC-CO2 yöntemiyle aromada kayıp olmaksızın ekstraksiyon gerçekleştirilebilmektedir. Sadece Avustralya’da yılda 20 bin ton şerbetçi otu bu yöntemle işlenmektedir.
Süperkritik karbondioksitin kullanıldığı diğer bir uygulama, mikroorganizmaların inaktivasyonudur. Gıdalarda bulunan mikroorganizmaların inaktivasyonunda kullanılan buhar sterilizasyonu, UHT, toksik kimyasallar ve ışın gibi geleneksel yöntemlerin birtakım dezavantajları bulunmaktadır. Bu yöntemler ısıya duyarlı maddeler olan tıbbi malzemeler, ilaçlar ve gıdalarda kullanıldıklarında aroma kaybına, denatürasyona ve o maddeye ait kalite özelliklerinin değişmesine neden olurlar. Bu nedenlerden dolayı SC-CO2, mikroorganizmaların inaktivasyonu açısından son yıllarda önemli bir seçenek ve ekonomik bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır. Tablo 4, SFE tekniğinde bilinen ve yeni uygulanan işlemleri özetlemektedir.
Tablo 4. SFE teknolojisinde kullanılan bazı uygulamalar
Et ve turşudan paprika renk (oleorezin) ekstraksiyonu
Kahve ve çay dekafeinasyonu
Bitkisel yağlar ve katı yağların ekstraksiyonu
Bitkisel ilaçların ekstraksiyonu
Tatlar, kokular, aromalar ve parfümlerin eldesi
Bitkilerden gıda boyaları eldesi
Bitkisel maddelerden antioksidanlar eldesi
Tütün denikotinizasyonu
Meyve suları stabilizasyonu
Acı tat için şerbetçiotu ekstraksiyonu
Hazır tüketim gıdalarının yağının alınması
Esansiyel yağ ekstraksiyonu
Et ve eczacılık ürünlerinden kekik yağı ekstraksiyonu

Sonuç
Süperkritik akışkan ekstraksiyon teknolojisinde kullanılan çözgen diğer sistemlere göre daha azdır. Bu avantajın yanında analiz süresi de uzun değildir. Bu sayede sistem daha ekonomik hale gelebilmektedir. Son yıllarda ulusal ve uluslararası kuruluşların çevre düzenlemelerinde getirmiş oldukları kısıtlama ve düzenlemeler teknolojiye yeşil olma yönünde yön vermiştir. Bu sayede çıkan yeşil teknolojiler gıda sektöründe olduğu gibi bir çok farklı alanda da uygulama yeri bulabilmektedir. Yeşil teknoloji ile elde edilen ürünler aslında doğaya verilmesi olası zararları en aza indirgemektedir.  Bu anlamda süperkritik akışkan teknolojisi gerek ekonomik olması, gerekse çevre dostu olması gibi önemli nedenlerden dolayı  geleceğin yeşil akışkanı olarak nitelendirilmektedir. Deneysel araştırmalarda kullanılan malzemelerin doğal olmasının yanında oluşturulan ürünler ve elde edilen ekstraktlar da doğa dostudur ve tekrar işlenebilir. 
Yeşil teknoloji felsefesinin ivmelenerek artış gösterdiği günümüzde yeni ekstraksiyon metodları ve yeşil çözgenlerin kullanımı  oldukça umut verici görünmektedir.
Kaynakça
1. Rozzi, N.L. and Singh, R.K., Supercritical fluids and the food industry, 2002. Compr.Rev Food Sci. Food Safety, 1, 33.
2. Tanaka Y. et al., 2003. Extraction of lipids from salmon toe with supercritical carbon dioxide, J. Oleo Sci., 52, 295.
3. Gopalan, B., Motonobu, G., Akio, K., and Tsutomu, H., 2000. Supercritical carbon dioxide extraction of turmeric (Curcuma longa), J. Agric. Food Chem., 48(6), 2189.
4. Fukuzato, R., 2003. Proceedings of the 6th International Symposium on Supercritical Fluids, Versailles (France), April 28–30.
5. Tanaka, Y., Takeshi, O, 2004. Extraction of Phospholipids from salmon roe with supercritical carbon dioxide and an entrainer. Journal of Oleo Science, 53 (9): 417–424. 
6. King, Jerry W., 2002. Supercritical Fluid Technology for Lipid Extraction, Fractionation and Reactions, Lipid Biotechnology. New York: Marcel Dekker Inc. pp. 663–687. 
7. Stewart, Gina, 2003. Dry Cleaning with Liquid Carbon Dioxide, Green chemistry using liquid and supercritical carbon dioxide (United States: Oxford University Press): 215–227
8. Mendiola, J.A., Herrero, M., Cifuentes, A., Ibañez, E., 2007. Use of compressed fluids for sample preparation: Food applications, Journal of Chromatography A, 1152 (1-2), pp. 234–246. 
9. S. Yeo and E. Kiran, 2005. Formation of polymer particles with supercritical fluids: A review, J. Supercrit. Fluids, 34 (2005), 287.
10. Takuya Suetsugu, Masahiro Tanaka, Hideo Iwai, Teruaki Matsubaru, Yukihiro Kawamoto, Chiho Saito, Yoshito Sasaki, Munehiro Hoshino, Armando T Quitain, Mitsuru Sasaki, Junshi Sakamoto, Motonobu Goto, 2013. Supercritical CO2 extraction of essential oil from Kabosu (Citrus sphaerocarpa Tanaka) peel, Flavour 2013, 2:18, 
11. Andrea Capuzzo, Massimo E. Maffei, Andrea Occhipinti, 2013. Supercritical Fluid Extraction of Plant Flavors and Fragrances, Molecules, 18, 7194-7238.
12. Armando T. Quitain, Takahisa Kai, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, 2013. Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Fucoxanthin from Undaria pinnatifida, J. Agric. Food Chem., 61 (24), pp 5792–5797. 
13. Sara Rebolleda, Sagrario Beltrán, María Teresa Sanz, María Luisa González-SanJosé, 2014. Supercritical fluid extraction of wheat bran oil: Study of extraction yield and oil quality, European  Journal of Lipid Science and Technology, Volume 116, Issue 3, pages 319–327.
14. Hosni K, Zahed N, Chrif R, Abid I, Medfei W, Kallel M, Brahim N-B, Sebei H, 2010. Composition of peel essential oils from four selected Tunisian citrus species: evidence for the genotypic influence, Food Chem, 123:1098-1104. 
15. G. Perretti, A. Troilo, E. Bravi, O. Marconi, F. Galgano, P. Fantozzi, 2013. Production of a lycopene-enriched fraction from tomato pomace using supercritical carbon dioxide, The Journal of Supercritical Fluids, Volume 82, pp. 177-182. 
16. Jiang M-H, Yang L, Zhu L, Piao J-H, Jiang JG, 2011. Comparative GC/MS analysis of essential oils extracted by 3 methods from the bud of Citrus aurantium L. var. amara Engl., J Food Sci, 76, 1219-1225. 
17. Marcelo M.R. de Melo, Hugo M.A. Barbosa, Cláudia P. Passos, Carlos M. Silva, 2014. Supercritical fluid extraction of spent coffee grounds: Measurement of extraction curves, oil characterization and economic analysis. The Journal of Supercritical Fluids, Volume 86, pp. 150-159. 
18. Espina L, Somolinos M, Lorán S, Conchello P, García D, Pagán R, 2011. Chemical composition of commercial citrus fruit essential oils and evaluation of their antimicrobial activity acting alone in combined processes, Food Control, 22, pp. 896-902. 
19. Atti-Santtos AC, Rossato M, Serafini LA, Cassel E, Moyna P, 2005. Extraction of essential oils from lime (Citrus ltifolia Tanaka) by hydrodistillation and supercritical carbon dioxide, Braz Arch Biol Technol, 48, pp. 155-160.
*Makalenin birinci bölümü Temmuz sayımızda yayınlanmıştır.