Informacje o dokumencie
Opracowanie powstało w ramach projektu „Rozwinięcie technologii pre- ekstrakcji i wdrożenie do produkcji innowacyjnego na skalę światową urządzenia MultiExtractor” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Polska Wschodnia 2014-2020, Osi priorytetowej I: Przedsiębiorcza Polska Wschodnia, Działania 1.1 Platformy startowe dla nowych pomysłów, Poddziałania 1.1.2 Rozwój startupów w Polsce Wschodniej, projekt pilotażowy.
Na podstawie Umowy nr UDA- POPW.01.01.02-26-0014/17-00 o dofinansowanie projektu nr POPW.01.01.02-26-0014/17 pomiędzy Polską Agencją Rozwoju Przedsiębiorczości a Start-up’em MultiExtractors Spółka z Ograniczoną Odpowiedzialnością z siedzibą w Kielcach KRS 0000 639202 realizowanym w okresie 1 października 2017 a 31 grudnia 2018 na kwotę dofinansowania 200 892,16 PLN.
Raport e-book ma charakter branżowy i zawiera podsumowanie prac zrealizowanych w ramach projektu, których efektem są zgłoszenia patentowe 2 wynalazków oraz wdrożenie do produkcji urządzenia MultiExtractors.
Adresatem opracowania są osoby i podmioty zajmujące się rozwijaniem oraz wykorzystaniem technologii ekstrakcji metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla w celu produkcji ekstraktów roślinnych wykorzystywanych m.in. w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym itp.
Zespół projektowy:
mgr inż. Tomasz Knefel Zofia Vahlberg
Dr Monika Knefel Mgr Sabina Andresjas
The first word
The document was created as a part of the project "Development of pre- extraction technologies and implementation into the production of an innovative on a global scale MultiExtractor device" co-financed by the European Union under the Operational Program Eastern Poland 2014-2020, Priority axis I: Entrepreneur Eastern Poland, Measure 1.1 Starting platforms for new ideas, Sub- measure 1.1.2 Development of the startups in Eastern Poland, pilot project.
Under the Agreement No. UDA- POPW.01.01.02-26-0014 / 17-00 for co- financing of the project no. POPW.01.01.02-26-0014 / 17 between the Polish Agency for Enterprise Development and the Start-up of MultiExtractors Limited Liability Company with registered office in Kielce KRS 0000 639202 implemented in the period from 1 October 2017 to 31 December 2018 for the amount of co- financing 200 892,16 PLN.
The e-book report is of an industry nature and contains a summary of the work carried out as a part of the project, resulting in patent applications of 2 inventions and implementation of the MultiExtractor device for production.
The study is addressed to individuals and entities involved in the development and use of the supercritical carbon dioxide extraction technology for the production of plant extracts used e.g. in the pharmaceutical, cosmetics, food industry, etc.
Project team:
M.Eng. Tomasz Knefel Zofia Vahlberg
PhD. Monika Knefel MSc. Sabina Andrejas
Spis treści
Informacje o dokumencie ... 3
Spis treści ... 5
O autorach ... 7
Wprowadzenie ... 11
1. Ekstrakty roślinne i ich wykorzystanie ...15
1.1. Czym jest ekstrakt roślinny? ...15
1.2. Do czego wykorzystuje się ekstrakty? ...15
1.3. Jak powstało rozwiązanie? ... 19
2. Ekstrakcja metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla ... 21
2.1. Czym jest ekstrakcja? ... 21
2.2. Metoda ekstrakcji w nadkrytycznym dwutlenku węgla ... 21
3. Technologia pre-ekstrakcji... 23
4. Urządzenie MultiExtractors ... 25
5. Wyniki badań porównawczych ... 29
6. Propozycja współpracy ... 31
Podsumowanie ... 31
Table of Conteennts
The first word ………2
Table of Conteennts ……….………6
About the team ……….……… 8
Introduction ………12
1. Plant extracts and their use ………..……..16
1.1. What is a plant extract? ………..………16
1.2. The use of extracts? ... ..…..….16
1.3. How was the solution created? ... 20
2. Supercritical carbon dioxide extraction method ………...22
2.1. What the extraction is? ... 22
2.2. Extraction in supercritical carbon dioxide ……….……….22
3. Pre-extraction technology ………. ... 24
4. MultiExtractor device ………. ... 26
5. Comparative test results ……….. ... 30
6. Collaboration offer ………. ... 32
Conclusion ………. ... 32
O autorach
mgr inż. TOMASZ KNEFEL pomysłodawca rozwiązania, zafascynowany rozwiązaniami Nikola Tesli. Uzyskał stopień magistra, inżyniera w specjalności Elektronika Przemysłowa i Energoelektronika na kierunku Elektrotechnika na wydziale Elektrotechniki Automatyki i Informatyki na Politechnice Świętokrzyskiej. Posiada Świadectwo Kwalifikacyjne Stowarzyszenia Elektryków Polskich na stanowisku Eksploatacja do 30 kV oraz Dozór do 30 kV, TRIZ (Teoria Rozwiązywania Innowacyjnych Zadań) I stopnia oraz II w trakcie certyfikacji.
Od 2010 roku prowadzi działalność gospodarczą: GORKY Elektronika Przemysłowa Tomasz Knefel. Posiada bogate doświadczenie w projektowaniu, budowie prototypów i programowaniu sterowników PLC oraz paneli operatorskich HMI, tworzeniu autorskich projektów technologicznych oraz wdrażaniu ich na rynku, autor szeregu rozwiązań i zgłoszeń patentowych (wynalazków oraz wzorów użytkowych i przemysłowych).
ZOFIA VAHLBERG Ekspert w zakresie ekstrakcji i chemii organicznej, przedsiębiorca, kreatorka innowacyjnych rozwiązań, naukowiec.
Laureatka nagrody Kobieta Przedsiębiorcza 2017. Autorka licznych innowacyjnych rozwiązań z zakresu chemii i przemysłu, patentów i wdrożeń.
About the team
M.Eng. TOMASZ KNEFEL originator, fascinated by Nikola Tesla's solutions. He obtained a master of engineering degree in the specialty of Industrial Electronics and Electrical Engineering majoring in Electrical Engineering at the Faculty of Electrical Engineering of Automatics and Computer Science at the Kielce University of Technology. Has a Qualification Certificate of the Association of Polish Electrical Engineers for the Operations up to 30 kV and Maintenance up to 30 kV, TRIZ (Theory of Solution for Innovative Tasks) of the I degree and II during the certification. Since 2010 he has been running a business GORKY Elektronika Przemysłowa Tomasz Knefel. He has an extensive experience in designing and building prototypes and programming of PLC controllers and HMI operator panels, creation of proprietary technological projects and their implementation on the market. He is the author of a number of solutions and patent applications (inventions and utility and industrial designs).
ZOFIA VAHLBERG an expert in the field of extraction and organic chemistry, entrepreneur, creator of innovative solutions, scientist. Laureate of the Entrepreneurial Woman 2017. The author of numerous patents, implementations and innovative solutions in the field of chemistry and industry.
Dr MONIKA KNEFEL pasjonatka turystyki zdrowotnej, a zwłaszcza SPA&Wellness, autorka licznych terapii i zabiegów, w tym z wykorzystaniem ekstraktów roślinnych.
Stopień doktora nauk ekonomicznych o specjalności ekonomika turystyki zdobyła na Uniwersytecie Ekonomicznym w Poznaniu, a rozprawa doktorska „Inteligentna specjalizacja w turystyce jako narzędzie rozwoju regionalnego”
zdobyła nagrodę wyróżnienia Ministra Przedsiębiorczości i Technologii.
Autorka ponad 10 zgłoszeń patentowych, Prezes Zarządu Izby Gospodarczej KRĄG TURYSTYKI ZDROWOTNEJ, klastra branżowego, właścicielka firmy Europejski Instytut Badań Inteligentnych Specjalizacji.
mgr SABINA ADNREJAS ekspert w zakresie finansów i prawa podatkowego, posiada Certyfikat Księgowy Ministra Finansów. Dysponuje blisko 20 letnim doświadczeniem jako przedsiębiorca, prowadząc biuro rachunkowe i specjalistyczne szkolenia branżowe.
MultiExtractors Spółka z Ograniczoną Odpowiedzialnością – Start-up powstały w ramach inkubacji innowacyjnych pomysłów biznesowych w ramach Platform Startowych realizowanych przez Kielecki Part Technologiczny.
Działalność obejmuje budowę urządzeń wykorzystujących opracowaną technologie pozwalającą na znaczącą poprawę wydajności właściwego procesu ekstrakcji.
PhD MONIKA KNEFEL has a special interest in health tourism, especially SPA & Wellness; the author of numerous therapies and treatments, including the use of plant extracts.
The PhD degree in economic sciences, specializing in tourism economics, was awarded at the University of Economics in Poznan, and the doctoral thesis
"Intelligent specialization in tourism as a regional development tool" won the award of distinction of the Minister of Entrepreneurship and Technology.
Author of over 10 patent applications, President of the Board of the Chamber of Commerce of the CIRCUIT OF HEALTH TOURISM, a branch cluster, the owner of the European Institute of Intelligent Specializations.
MSc. SABINA ADNREJAS expert in finance and tax law, holds the Accounting Certificate of the Minister of Finance. She has nearly 20 years of experience as an entrepreneur, runner of an accounting office and specialized industry trainings.
MultiExtractors Limited Liability Company – A start-up, created within the incubation of innovative business ideas as a part of the Start Platforms conducted by the Kielce Technology Park.
The activity includes the construction of devices, which are using the developed technologies allowing significant improvement in the efficiency of the proper extraction process.
Technologia pre-ekstrakcji jest wstępnym procesem obróbki materiału roślinnego, przed właściwym procesem ekstrakcji i opiera się na wykorzystaniu zjawiska pękania błon komórkowych roślin pod wpływem pola elektrycznego, przez co właściwa ekstrakcja przebiega szybciej, jest mniej energochłonna i bardziej wydajna. Ponadto zastosowanie urządzenia zwiększa wydajność procesu, jak wykazały badania laboratoryjne o min.65%.
Wprowadzenie
Celem projektu było rozwinięcie technologii pre-ekstrakcji, czyli wstępnej obróbki suszu roślinnego przed właściwym procesem ekstrakcji i wdrożenie do produkcji urządzenia opartego na tej technologii.
Urządzenie MultiExtractor pozwala na znaczącą poprawę wydajności procesu ekstrakcji. Badania laboratoryjne przeprowadzone metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla pozwoliły na potwierdzenie poprawy wydajności procesu ekstrakcji o min.65% a niektórych związków nawet o 90% (badania porównawcze).
Technologia pre-ekstrakcji opiera się na zjawisku zaobserwowanym przez pomy- słodawcę i polega na poddaniu surowca (suszu roślinnego) oddziaływaniu pola powodującego pękanie błon komórkowych roślin, w których zawarte są cenne związki
bioaktywne. Ponadto MultiExtractor pracuje przy niskim wkładzie energetycznym (zaledwie kilka watów) i krótkim czasie obróbki (poniżej 1 min).
The pre-extraction technology is a preliminary part of processing a plant material, before the actual extraction and is based on the use of the phenomenon of cell membrane fracture under the influence of the electric field, making the proper extraction proceed faster - is less energy-consuming and more efficient. In addition, the use of the device increases the efficiency of the process, as showed by laboratory tests, by at least 65%.
Introduction
The aim of the project was to develop the pre-extraction technology, i.e.
pre-treatment of dried plant material before the actual extraction process and to conduct the production of a device based on this technology.
MultiExtractor allows a significant improvement in the efficiency of the extraction process. Laboratory tests carried out using the supercritical carbon dioxide method confirmed the improvement in the efficiency of the extraction process by at least 65% and some compounds by up to 90%
(comparative tests).
The pre-extraction technology is based on the phenomenon observed by the originator and consists in subjecting the raw material (dried plant) to the interaction of the field causing cracking of plant cell membranes where the valuable bioactive compounds are
contained. In addition, MultiExtractor works with low energy input (just a few watts) and a short processing time (less than 1 min).
Otrzymane w wyniku ekstrakcji związki bioaktywne to cenne substancje o właściwościach odżywczych i leczniczych. Substancje te wykorzystane są zarówno przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym jak i spożywczym.
Najważniejszym rezultatem projektu jest wdrożenie do produkcji w pełni funkcjonalnego urządzenia, pozwalającego użytkownikom na znaczące obniżenie kosztów ekstrakcji poprzez poprawę wydajności procesu.
Zarówno technologia pre-ekstrakcji jak i urządzenie podlegają ochronie prawa patentowego jako wynalazki zarejestrowane w UPRP, a rozwiązanie charakteryzuje się innowacyjnością w skali świata, co zostało potwierdzone badaniem stanu techniki.
Najważniejszym rezultatem projektu jest znacząca poprawa wydajności i efektywności procesów ekstrakcji oraz obniżenie kosztów, zwłaszcza nakładów energetycznych. Pośrednim rezultatem projektu jest wpływ na wzrost użycia związków bioaktywnych w lekach, kosmetykach, suplementach i produktach spożywczych, które obecnie są zastępowane syntetycznymi związkami o zróżnicowanym działaniu. Związki bioaktywne mają cenne właściwości odżywcze i regeneracyjne oraz lecznicze, co ma ogromny wpływ na zdrowie ludzi.
Bioactive compounds, which are obtained as a result of the extraction, are the valuable substances with both nutritional and therapeutic properties. These substances are used in the pharmaceutical, cosmetics and food industries.
The most important result of the project is the implementation of a fully functional device for the production, allowing users to significantly reduce the cost of extraction by improving the efficiency of the process.
Both the pre-extraction technology and the device are protected by patent law as inventions registered in the UPRP, and the solution is innovative in the world scale, which was confirmed by the study of the state of art.
The most important result of the project is a significant improvement of efficiency and effectiveness of extraction processes and reduction of costs, especially energy expenditure. The indirect result of the project is the increase in use of bioactive compounds in medicines, cosmetics, supplements and food products, which are now replaced by synthetic compounds with different effects.
Bioactive compounds have valuable nutritional, regenerative and healing properties, which has a huge impact on human health.
1. Ekstrakty roślinne i ich wykorzystanie
1.1. Czym jest ekstrakt roślinny?
Ekstrakt roślinny to wyciąg najbardziej wartościowych substancji zawartych w roślinie, tzw. związków bioaktywnych o cennych właściwościach leczniczych, odżywczych i aromatycznych. Powstaje w efekcie procesu ekstrakcji polegającym na wyodrębnieniu danego składnika bądź mieszaniny związków. Wyodrębnia się m.in. ekstrakty roślinne, ziołowe, owocowe, warzywne. Zastosowanie wyciągów jest bardzo szerokie. Proces ekstrakcji wykorzystuje wiele gałęzi przemysłu:
medyczny, farmaceutyczny, kosmetyczny, spożywczy, itp.
Słowo „ekstrakt” pochodzi od łacińskiego rzeczownika “extractum”
oznaczającego “to, co zostało wyciągnięte”, czyli “wyciąg”. Ekstrakt to mieszanina związków chemicznych, który został wyodrębniony jako efekt procesu ekstrakcji.
1.2. Do czego wykorzystuje się ekstrakty?
Ogólnoświatowe trendy zdrowego życia i „powrotu do natury” powodują wzrost zapotrzebowania na produkty naturalne, zwłaszcza w przemyśle:
farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym.
Tendencja ta spowodowała gwałtowny rozwój niekonwencjonalnych metod rozdziału, ukierunkowanych na pozyskiwanie substancji o śladowej zawartości w surowcu, czyli ekstraktów.
Typowe olejki eteryczne stanowią mieszaniny złożone niejednokrotnie z kilkuset związków chemicznych. Podstawowym sposobem wydzielania tych substancji z surowców roślinnych jest ekstrakcja (ługowanie) w różnych wariantach.1
1 K. Keller Th. Friedmann, A. Boxman, 2001, The bioseparation needs for tomorrow, Trends in Biotechnology, 19, nr 11, s. 438-441, https://doi.org/10.1016/S0167-7799(01)01803-0
1. Plant extracts and their use
1.1. What is a plant extract?
Plant extract is the essence of the most valuable substances contained in the plant, so-called bioactive compounds with many valuable healing, nutritional and aromatic properties. It is produced as a result of the extraction process by the isolation of a given compound or mixture of compounds. Isolates can be produced eg. with herbal, vegetable and fruit sources and be used in a very wide scale. The extraction process can be useful for many industries: medical, pharmaceutical, cosmetics, food, etc.
1.2. The use of extracts?
Global trends of healthy lifestyle and "return to nature" caused an increase in the demand for natural products, especially in the following industries:
pharmaceutical, cosmetics and food. This trend results in the rapid development of unconventional methods of separation, aimed at acquiring substances with a trace content in the raw material, i.e. extracts. Well known essential oils are often the compound mixtures of several hundred chemical compounds. The basic method of extracting these substances from raw plant materials is the extraction (leaching) in various variants. 1
___________________________________
1 K. Keller Th. Friedmann, A. Boxman, 2001, The bioseparation needs for tomorrow, Trends in Biotechnology, 19, nr 11, p. 438-441, https://doi.org/10.1016/S0167-7799(01)01803-0
Tradycyjne metody medycyny ludowej wykorzystują ekstrakcje wodną (odwar, napar, macerat) oraz alkoholową (nalewki). Obecnie jednak coraz częściej stosuje się niekonwencjonalne metody ekstrakcji, takie jak ekstrakcja:
nadkrytyczna, z zastosowaniem pola ultradźwiękowego2, z wykorzystaniem mikrofal3.
Polska ma wieloletnie tradycje produkcji zielarskiej, w skali przemysłowej stosuje się głównie ekstrakcję rozpuszczalnikową i destylację z parą wodną.
Destylacja parą wodną charakteryzuje się niską efektywnością, natomiast ekstrakcja rozpuszczalnikowa ma wyższe uzyski, ale ekstrakty pozyskane tą metodą mają w swoim składzie resztki toksycznych rozpuszczalników. Ponadto na skutek wysokich temperatur powstają niepożądane związki, dlatego na popularności zyskują ekstrakcja z wykorzystaniem ultradźwięków, mikrofal, w obniżonych temperaturach4. Metody te pozwalają przede wszystkim na znaczne skrócenie czasu procesu oraz poprawę jakości ekstraktu, który nie zawiera wielu nieprzydatnych lub szkodliwych składników.
Należy dodać, że wysokie koszty naturalnych ekstraktów spowodowały powszechne stosowanie syntetycznych alternatyw. Ekstrakty pochodzenia syntetycznego, mimo że o identycznym składzie chemicznym, mają inne właściwości. Badania wykazują, że ekstrakty wytworzone w procesie chemicznym (syntetyczne) mają inne właściwości i budowę niż naturalne. Molekuły syntetycznych związków są słabo przyswajalne, gdyż łączą się w grupy, przez co nie są w stanie wniknąć w komórkę i na nią wpłynąć, w efekcie kuracja jest mało skuteczna. Natomiast ekstrakty pochodzenia naturalnego działają odżywczo i regenerująco, dzięki większej przyswajalności, która wynika z łatwego przenikania przez błony komórki pojedynczych molekuł naturalnych związków. Istnieje wiele raportów potwierdzających lecznicze, bakteriobójcze i regeneracyjne oddziaływanie ekstraktów roślinnych.
2 R. Vadivambal D.S. Jayas, 2007, Changes in quality of microwave-treated agricultural products - a review, Biosystems Engineering, 98, s. 1-16, https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2007.06.006
3 X. Pan G. Niu, H. Liu, 2002, Comparison of microwave-assisted extraction and conventional extraction techniques for the extraction of tanshinones from Salvia miltiorrhiza bungee, Biochemical Engineering Journal, 12, s. 71-77, https://doi.org/10.1016/S1369-703X(02)00039-6
4 S. Chemat, H. Ait-Amar, A. Lagha, D.C. Esveld, 2005, Microwave-assisted extraction kinetics of terpenes from caraway seeds, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 44, s. 1320-1326, https://doi.org/10.1016/j.cep.2005.03.011
Traditional methods of folk medicine use the water extraction (decoction, infusion, macerate) and alcohol (tinctures). Nowadays more often unconventional extraction methods start to be used, such as following: supercritical, with ultrasonic field2, with microwaves3.
Poland has a long tradition of herbal production. On an industrial scale, mainly solvent extraction and steam distillation are used. Steam distillation is characterized by low efficiency, while solvent extraction has higher yields, but the extracts obtained by this method contain the remains of toxic solvents. In addition, due to high temperatures4, unwanted compounds are formed, which is why the popularity gain the following: extraction using ultrasounds, microwaves and reduced temperatures.
These methods allow to significantly improve the time and quality of the extract, which is devoid of many useless or harmful ingredients.
In addition, high costs of natural extracts have caused the widespread use of synthetic alternatives. Synthetic extracts, although of identical chemical composition, have different properties. Studies have shown that the extracts produced in a chemical (synthetic) process have different properties and structure than natural ones. Molecules of synthetic compounds are poorly digestible, because they combine into groups, so they are not able to penetrate and affect the cell and the treatment is not very effective. Natural extracts nourish and regenerate cells, thanks to the higher bioavailability and easier penetration of natural compounds’ molecules through the cell membranes. There are many reports confirming the healing, bactericidal and regenerative effects of plant extracts.
____________________
2 R. Vadivambal D.S. Jayas, 2007, Changes in quality of microwave-treated agricultural products - a review, Biosystems Engineering, 98, p. 1-16, https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2007.06.006
3 X. Pan G. Niu, H. Liu, 2002, Comparison of microwave-assisted extraction and conventional extraction techniques for the extraction of tanshinones from Salvia miltiorrhiza bungee, Biochemical Engineering Journal, 12, p. 71-77, https://doi.org/10.1016/S1369-703X(02)00039-6
4 S. Chemat, H. Ait-Amar, A. Lagha, D.C. Esveld, 2005, Microwave-assisted extraction kinetics of terpenes from caraway seeds, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 44, p. 1320-1326, https://doi.org/10.1016/j.cep.2005.03.011
Naturalne związki swobodnie wnikają, odżywiają i regenerują komórki, dlatego naturalne kosmetyki są bardziej skuteczne i korzystne dla organizmu ludzkiego.
Podobnie w przypadku suplementów diety czy witamin pochodzenia syntetycznego, które często się nie wchłaniają, a nawet mogą wykazywać działanie toksyczne, gdyż mogą się kumulować w organizmie.
Dlatego dalszy rozwój badań nad optymalizacją i rozwojem technik ekstrakcji jest bardzo potrzebnym kierunkiem kontynuacji badań. Ponadto wykorzystanie związków bioaktywnych w metodach leczenia, kuracjach i żywności ma także duże szanse rozwoju. Istnieje szereg branż, które nie „odkryły” potencjału tkwiącego w ekstraktach, przykładowo związki eteryczne lawendy doskonale pokrywają uciążliwe zapachy np. wody siarczkowej stosowanej w lecznictwie uzdrowiskowym. Zastosowanie ekstraktów pochodzenia naturalnego w branży SPA&Wellness posiada bardzo duży potencjał.
1.3. Jak powstało rozwiązanie?
Inspiracją do zgłębienia problematyki procesu ekstrakcji były badania autorów rozwiązania nad innym wynalazkiem, związanym z wykorzystaniem olejków eterycznych w zabiegach uzdrowiskowych. Badania dotyczyły zniwelowania zapachu siarkowodoru podczas kąpieli siarczkowej5 przez wykorzystanie ekstraktów roślinnych.
Wysoka cena wysokojakościowych ekstraktów roślinnych pozyskanych metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla sprawiła, że pomysłodawca zaczął zgłębiać zagadnienia procesu produkcyjnego. Okazało się, że wysoka cena wynikała z niskiej wydajności procesu (ok 1%). Pomysłodawca po przeanalizowaniu procesu ekstrakcji metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla postanowił sprawdzić czy zaobserwowane wcześniej zjawisko podczas szeregu eksperymentów i lat doświadczenia w badaniu zjawisk związanych z falami elektromagnetycznymi, łuku plazmy, wyładowań elektrycznych stanowi znaczące ulepszenie tego procesu. Przeprowadzone badania potwierdziły wstępne hipotezy skuteczności destrukcyjnego oddziaływania pola eklektycznego na komórki roślinne i możliwość ich zastosowania w usprawnieniu procesu ekstrakcji.
5 Wynalazek P.418153 - Sposób ograniczania uwalniania się siarkowodoru z kąpieli siarczkowej
Natural compounds freely penetrate, nourish and regenerate cells, which is why natural cosmetics are more effective and beneficial to the human body.
Similarly, the nutritional supplements and vitamins of the synthetic origin are often not absorbed in the right way, and may even exhibit toxic effects, as they can accumulate in the body.
Therefore, the further development of research on the optimization and development of extraction techniques is a much-needed direction for continuation of the research. Furthermore, the use of bioactive compounds in the treatment methods and food also has a good chance of development. There are a number of industries that have not "discovered" the potential of extracts e.g. lavender ether compounds perfectly cover odors such as sulphide water used in health resort treatment. The use of natural extracts in the SPA & Wellness industry has a very large potential.
1.3. How was the solution created?
The inspiration for exploring the problem of the extraction process was the research of the authors over another invention, related to the use of essential oils in spa treatments. The research concerned reduction of the smell of hydrogen sulphide during sulphide bathing5, through the use of plant extracts.
The high price of high-quality plant extracts obtained by the supercritical carbon dioxide method has led the originator to explore the issues of the production process. It turned out that the high price was due to the low efficiency of process (about 1%). After analyzing the extraction process using supercritical carbon dioxide method, the originator decided to check whether the previously observed phenomenon is a significant improvement of this process. Experiments were taken in many series and took years of experience in studying phenomena related to electromagnetic waves, plasma arc, electric discharges. The conducted research confirmed the initial hypotheses of the destructive effect of electric field on plant cells and the possibilities of their application in improving the extraction process.
5 Invention P.418153 - A method for limiting the release of hydrogen sulphide from a sulfide bath
2. Ekstrakcja metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla
2.1. Czym jest ekstrakcja?
Ekstrakcja to proces wyodrębnienia z mieszaniny ciał stałych lub cieczy jakiegoś składnika przy pomocy rozpuszczalnika dobranego tak, aby rozpuszczał przede wszystkim żądany związek. Efektywność procesu ekstrakcji zależy najbardziej od temperatury oraz intensywności mieszania surowca i ekstrahenta (najczęściej rozpuszczalnika).
2.2. Metoda ekstrakcji w nadkrytycznym dwutlenku węgla
Ekstrakcja metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla pozwala na otrzymanie wysokojakościowego ekstraktu, jest jednak kosztochłonnym procesem.
Ekstrakcję nadkrytycznym CO2 wykorzystuje się do pozyskiwania substancji czynnych z materiału biologicznego, zarówno niepolarnych, jak również polarnych (dzięki zastosowaniu współrozpuszczalnika organicznego), olejków eterycznych, olejów z nasion, nienasyconych kwasów tłuszczowych, barwni-ków, nutraceutyków, wzmacniaczy smaku i zapachu, substancji dla przemysłu farmaceuty-cznego, spożywczego lub kosmetycznego. Te właściwości w połącze- niu z możliwością modyfikacji polarności dwutlenku węgla poprzez dodatek organicznych współrozpuszczalników oraz zależność parametrów fizykochemicznych od temperatury i ciśnienia powodują, że nadkrytyczny dwutlenek węgla wykorzystywany jest z powodzeniem jako ekstrahent, a technika ta znajduje coraz większe uznanie w nowoczesnym przemyśle i świecie nauki.
2. Supercritical carbon dioxide extraction method
2.1 What the extraction is?
Extraction is the process of separating a component from a mixture of solids or liquids with a solvent chosen to dissolve the desired compound first of all. The efficiency of the extraction process depends the most on the temperature and on the intensity of mixing the raw material and the extractant (usually the solvent).
2.2 Extraction in supercritical carbon dioxide
Extraction with supercritical carbon dioxide allows to obtain a high-quality extract, but it is a high cost process.
Extraction with a supercritical CO2 is used to extract the active substances from biological material, both non-polar and polar (thanks to the use of organic co- solvent), essential oils, seed oils, unsaturated fatty acids, dyes, nutraceuticals, flavor enhancers, substances for the pharmaceutical, food or cosmetics industry.
These properties, combined with the ability to modify the polarity of carbon dioxide through the addition of organic co-solvents and the dependence of physicochemical parameters on temperature and pressure, make supercritical carbon dioxide be successfully used as an extractant, and this technique is increasingly recognized in modern industry and the world of science.
3. Technologia pre-ekstrakcji
Technologia pre-ekstrakcji opiera się na zaobserwowanym przez pomysłodawcę zjawisku oddziaływania pola elektrycznego na komórki organiczne, powodując pękanie błony niskim nakładem energetycznym i w krótkim czasie, co skutkuje zachowaniem szerszego spektrum związków bioaktywnych oraz pozyskaniem większej ilości ekstraktu. Otwarcie błon komórkowych sprawia, że sama ekstraktacja jest bardziej wydajna i mniej energochłonna, gdyż nie wymaga znaczącego nakładu energii.
De facto technologia ta stanowi nową generację obróbki materiałów przed właściwą ekstrakcją, gdyż polega na oddziaływaniu pola elektrycznego, w odróżnieniu od popularnie stosowanych metod mechanicznego rozdrabniania lub chemicznych jak rozpuszczalniki, macerowanie, czy fizycznie temperaturą.
Technologia pre-ekstrakcji pozwala tak przygotować materiał, aby nie było konieczności znaczącego podnoszenia temperatury celem wykonania ekstrakcji.
Ponadto wstępna obróbka (otwarcie komórek) powoduje zmniejszenie energochłonności procesu ekstrakcji.
Podsumowując, istota rozwiązania, na którym bazuje technologia pre- ekstrakcji polega na zastosowaniu alternatywnej metody otwarcia komórki roślinnej w celu wydobycia zawartych w niej cennych związków bioaktywnych takich jak m.in. flawonoidy, sterole, polifenole, prebiotyki, glikozydy, taniny, terpenoidy, enzymy i koenzymy, alkaloidy,
kumaryny, peptydy i in.
Technologia pre-ekstrakcji została zarejestrowana w Urzędzie Patentowym RP jako wynalazek nr P.425899 pod nazwą
„Sposób ekstrakcji materiału
organicznego w warunkach
nadkrytycznych”.
3. Pre-extraction technology
The pre-extraction technology is based on the effect of the electric field on the organic cells observed by the originator, causing the membranes to crack with a low energy expenditure and in a short time, which results in preserving a broader spectrum of bioactive compounds and obtaining a larger amount of extract. The opening of cell membranes makes the extraction itself more efficient and less energy intensive, as it does not require a significant amount of energy.
In fact, this technology is a new generation of material processing before the actual extraction, because it relies on the electric field's effect, in contrast to popular mechanical (shredding), chemical (solvents, maceration) or physical (temperature) methods.
The pre-extraction technology allows to prepare the material with no need to significantly raise the temperature for extraction. In addition, pre-treatment (opening of cells) reduces the energy consumption of the extraction process.
In conclusion, the essence of the solution on which the pre-extraction technology is based is the use of an alternative method of opening the plant cell in order to extract the valuable bioactive compounds contained therein, such as flavonoids, sterols, polyphenols, prebiotics, glycosides, tannins, terpenoids, enzymes and coenzymes, alkaloids,
coumarins, peptides and others.
The pre-extraction technology has been registered in the Polish Patent Office as the invention No. P.425899 under the name "Method of organic material extraction in the supercritical conditions".
4. Urządzenie MultiExtractors
MultiExtractor to autorskie urządzenie opracowane z wykorzystaniem procesu pre- ekstrakcji, czyli wstępnej obróbki materiału roślinnego przed właściwym procesem ekstrakcji, zwłaszcza metodą nadkrytycznego dwutlenku węgla.
Urządzenie przy niewielkim wkładzie energetycznym (kilka watów) i krótkim czasie (poniżej minuty) powoduje pękanie błon komórkowych roślin, w których zawarte są cenne związki bioaktywne, będące celem finalnym ekstrakcji.
Urządzenie służy do wstępnej obróbki materiału roślinnego, przed właściwym procesem ekstrakcji. Należy zauważyć, że związki bioaktywne są wrażliwe na wysokie temperatury, a więc przeprowadzenie procesu w wysokiej temperaturze powoduje ich rozkład.
Zostały przeprowadzone badania porównawcze, w których próba badana była poddana pre-ekstrakcji urządzeniem MultiExtractor przed właściwą ekstrakcją, a próba kontrolna została bezpośrednio poddana ekstrakcji. Badania potwierdziły skuteczność metody pre-ekstrakcji, zwiększając wydajność o 65%.
Należy dodać, że związków bioaktywnych jest bardzo dużo i prowadzone są badania nad ich właściwościami, odkrywane są nowe, a urządzenie to może być wykorzystywane do badań. Ponadto jednym z najbardziej energochłonnych etapów procesu ekstrakcji jest wydobycie zawartości komórki poprzez otwarcie lub rozpuszczenie błony komórki (w zależności od metody ekstrakcji), proces ten jest także długotrwały.
Natomiast MultiExtractor oferuje niewielkim wkładem energetycznym i w krótkim czasie całkowicie odmienną metodę, a nawet nową generację rozwiązania tego zagadnienia. Próbka poddawana jest oddziaływaniu pola elektrycznego, zamiast temperatury lub ciśnienia, które są destrukcyjne dla wrażliwych związków roślinnych. Urządzenie nie wymaga żadnych dodatkowych substancji, wystarczy jedynie kilka watów do zasilenia urządzenia.
4. MultiExtractor device
MultiExtractor is an invented device developed using the pre-extraction process, i.e. pre-treatment of the plant material before the actual extraction process, especially by the supercritical carbon dioxide method.
The device with a small energy input (a few watts) and a short time (less than a minute) causes the cell membrane membranes to break and release the valuable bioactive compounds, which are the final goal of extraction. The device is used for pre-treatment of plant material before the actual extraction process. It should be noted that the bioactive compounds are sensitive to high temperatures, so that the high temperature process results in their decomposition.
Comparative tests were conducted in which the test sample was pre-extracted with the MultiExtractor device before the actual extraction and the control sample was directly subjected to extraction. The tests confirmed the effectiveness of the pre-extraction method, increasing the efficiency by 65%.
It should be added that there are a lot of bioactive compounds, there have been conducted many researches on their properties and new ones are being discovered. MultiExtractor device can be used for the research. In addition, one of the most energy-intensive stages of the extraction process is the extraction of cell contents by opening or dissolving the cell membrane (depending on the extraction method), this process is also long-lasting.
In contrast, MultiExtractor offers a small energy contribution, in a short time a completely different method and even a new generation of solutions to this issue. The sample is subjected to a influence of electric field, instead of temperature or pressure, which are destructive to sensitive plant compounds. The device does not require any additional substances, only a few watts to supply the device.
Główny problem jaki rozwiązuje urządzenie dotyczy pozyskania wysokojakościowego surowca w postaci ekstraktu roślinnego głównie w formie olejku zawierającego szereg cennych związków aktywnych bardzo wrażliwych na temperaturę. Samo przeprowadzenie procesu ekstrakcji jest kosztowne z uwagi na niską wydajność procesu. Proces ekstrakcji można przeprowadzić także w niskiej temperaturze (ok 20 °C), jednak przy wysokim ciśnieniu i przy odpowiedniej konfiguracji pozostałych parametrów. Jest to bardzo drogie z uwagi na większą energochłonność i czas procesu.
Problem ten przejawia się głównie w kosztach procesu ekstrakcji jak i samego ekstraktu. Zastosowane urządzenie nie tylko pomoże obniżyć koszty ekstrakcji dzięki wzrostowi wydajności samego procesu, ale przede wszystkim pozwoli na uzyskanie lepszej jakości ekstraktu tj. większej ilości cennych związków, które przy standardowym procesie ulegają zniszczeniu lub nie są separowane z przyczyn technicznych.
Skuteczność urządzenia w zakresie rozwiązania wyżej przedstawionych problemów potwierdzają badania laboratoryjne, które potwierdziły wzrost wydajności zawartości uzyskanych ekstraktów na poziomie przekraczającym 65%.
Zastosowanie MultiExtractora pozwala na rozwiązanie problemu stosunkowo niskiej wydajności obecnego procesu oraz wąskiego spektrum związków wrażliwych na temperaturę, przy niskim wkładzie energetycznym i w bardzo krótkim czasie. MultiExtractor jest urządzeniem o zastosowaniu przemysłowym i kierowany jest do sektorów produkcyjnych takich jak produkcja kosmetyków, leków i suplementów, leków wziewnych, żywności, napojów, odżywek do roślin, środków konserwujących itp. A także branży usługowych np. turystki zdrowotnej czy produkcji ekstraktów. Multiextractor to urządzenie pracujące niezależnie (o uniwersalnym charakterze) gdyż może być wykorzystywane do ekstraktorów różnych producentów.
Urządzenie MultiExtractor zostało zarejestrowane w Urzędzie Patentowym RP jako wynalazek nr P.425900 pod nazwą „Urządzenie do wytwarzania wysokonapięciowego, jednorodnego pola elektrycznego”.
The main problem that the device solves concerns the acquisition of high quality raw material in the form of a plant extract mainly in the form of an oil containing a number of valuable active compounds very sensitive to temperature.
The extraction process itself is expensive due to the low process efficiency. The extraction process can also be carried out at low temperature (around 20°C), but at high pressure and with the appropriate configuration of the other parameters. This is very expensive due to the greater energy consumption and process time.
This problem manifests itself mainly in the costs both of the extraction process and the extract itself. The applied device will not only reduce the cost of extraction by increasing productivity of the process, but above all allows to obtain a better quality of the extract, ie. more valuable compounds, which on conventional process are destroyed or are not isolated for technical reasons.
The effectiveness of the device in the field of solving the above-mentioned problems is confirmed by laboratory tests, which confirmed an increase in the efficiency of the content of extracts obtained at a level exceeding 65%.
MultiExtractor allows to solve the problem of relatively low efficiency of the current process and a narrow spectrum of temperature sensitive compounds, with a low energy input and in a very short time. MultiExtractor is a device with an industrial application and is directed to production sectors such as cosmetics, medicines and supplements, inhalants, food, beverages, plant nutrients, preservatives, etc. And also, service industry such as health tourism or production of extracts. MultiExtractor is a device working independently (of universal character) because it can be used with extractors from various manufacturers.
The MultiExtractor device was registered in the Polish Patent Office as invention No. P.425900 under the name "A device for the production of high-voltage, homogeneous electric field".
5. Wyniki badań porównawczych
Badaniu poddano 2 próbki suszu herbacianego: próbka A jako próbka kontrolna (bez pre-ekstrakcji) oraz próbka B poddana oddziaływaniu pola emitowanego z prototypu. Proces ekstrakcji został przeprowadzony dla każdej próbki osobno przy zachowaniu tych samych warunków (tj. temperatura do 38°C, to samo ciśnienie oraz czas).
Następnie dokonano analizy składu chemicznego w zakresie zawartości związków jak: polifenole (flawonoidy), lipidy (terpeny), peptydy oraz profil kwasów tłuszczowych (estry metylowe).
Ekstrakt uzyskany z próbki B zawierał o 65%, nawet do 90% więcej związków aktywnych zawartych w ekstrakcie. Wzrost jakości ekstraktu został potwierdzony w badaniach laboratoryjnych, metodą porównawczą.
Otrzymane wyniki badań porównawczych potwierdzały skuteczność badanego zjawiska.
5. Comparative test results
Two samples of dried tea were tested: sample A as a control sample (without pre-extraction) and sample B subjected to the impact of the field emitted from the prototype. The extraction process was carried out for each sample separately under the same conditions (i.e. temperature up to 38 ° C, same pressure and time).
Next, the chemical composition was analyzed in terms of the content of compounds such as: polyphenols (flavonoids), lipids (terpenes), peptides and the profile of fatty acids (methyl esters).
The extract obtained from sample B contained 65%, even up to 90% more bioactive compounds. The increase in the quality of the extract has been confirmed in the laboratory tests using the comparative method.
The obtained results of comparative tests confirmed the effectiveness of the studied phenomenon.
6. Propozycja współpracy
Właściciel praw własności rozwiązania jest zainteresowany nawiązaniem współpracy w zakresie dalszego rozwoju zarówno technologii jak i funkcjonalności urządzania, a także realizacją dostaw urządzenia o parametrach i skali dostosowanej do indywidualnych potrzeb zamawiającego.
Osoby i podmioty zainteresowane współpracą zapraszamy do kontaktu:
- Prezes Zarządu mgr inż. Tomasz Knefel - e-mail: kontakt@multiextractors.eu - tel. kom. +48 607 566 875
Podsumowanie
Podsumowując wyniki badań należy stwierdzić, że technologia pre-ekstrakcji i urządzenie oparte na tej technologii pozwala na:
zwiększenie wydajności procesu ekstrakcji o minimum 65%, co zostało potwierdzone badaniami zewnętrznymi;
wzrost efektywności mający charakter ilościowy jak i jakościowy tj. większa zawartość związków aktywnych;
spadek ceny jednostkowej produktu i większa ilość zawartych związków, co przekłada się na jakość ekstraktu.
Reasumując urządzenie charakteryzuje się dużym potencjałem rozwoju technologii ekstrakcji związków bioaktywnych zawartych w roślinach.
Zespół projektowy
6. Collaboration offer
The owner of the solution rights is interested in establishing cooperation in further development of both technology and functionality of the device, as well as the device's delivery service with parameters and scale adapted to the individual needs of the customer.
Individuals and entities interested in cooperation, please contact:
- CEO mgr inż. Tomasz Knefel
- e-mail: kontakt@multiextractors.eu - mobile +48 607 566 875
Conclusion
Summarizing the results of the research, it should be stated that pre-extraction technology and a device based on this technology allows to:
increase the efficiency of the extraction process by a minimum of 65%, which has been confirmed by external research;
increase the effectiveness that is both quantitative and qualitative, i.e.
higher content of active compounds;
decrease in the unit price of the product and increase a number of compounds, which increases the quality of the extract.
In summary, the device has a high potential for the development of extraction technology of bioactive compounds contained in plants.
The project team
