ITRM20090096A1 - Procedimento e impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro. - Google Patents

Description

Procedimento e impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro

La presente invenzione riguarda un procedimento e un impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro.

Più dettagliatamente l’invenzione riguarda un procedimento e un impianto del tipo detto, in cui il licopene viene estratto dalle bucce di pomodoro per mezzo di estrazione con solvente assistita da ultrasuoni.

Com’è ben noto, il licopene è un carotenoide a catena aperta-insatura di colore rosso (è il pigmento responsabile della colorazione dei pomodori maturi) presente nel pomodoro e in alcuni altri vegetali rossi (in particolare anguria e pompelmo rosa). Dal pomodoro (classificazione botanica Solanum lycopersicon), il licopene prende anche il nome. Il licopene è uno dei più potenti antiossidanti presenti in natura, ed è nota la sua azione di protezione contro le malattie degenerative. Infatti, questo composto è in grado di contrastare efficacemente l’azione dei radicali liberi ed il conseguente danno cellulare. Inoltre, il licopene sembra avere un ruolo importante nella prevenzione delle malattie cardiovascolari e di alcuni tipi di tumore epiteliale quali, in particolare, il cancro alla prostata.

Il contenuto di licopene nei pomodori è influenzato dal livello di maturazione degli stessi; è stato calcolato infatti che in pomodori rossi e maturi sono presenti 50mg/kg di licopene, mentre la concentrazione scende a 5mg/kg nelle varietà gialle. Inoltre, in alcune varietà oggetto di miglioramento genetico si raggiungono concentrazioni fino a 200mg/kg. La concentrazione del licopene varia nel frutto e le concentrazioni maggiori si riscontrano nella buccia.

Date le sue proprietà farmacologiche, si capisce perché il licopene sia diventato una sostanza sempre più richiesta dal mercato e perché, dal momento che a tutt’oggi non esiste un processo economicamente conveniente per la sua sintesi chimica, la ricerca si sia sempre più concentrata sull’individuazione di un procedimento conveniente per la sua produzione tramite estrazione dalle matrici vegetali naturali che ne contengono quantità apprezzabili (ed in particolare dal pomodoro e dai residui di lavorazione del pomodoro, ovvero dalle bucce di pomodoro).

Attualmente, i procedimenti di tipo noto per l’estrazione del licopene dal pomodoro e/o dai residui di lavorazione del pomodoro prevedono tutti l’utilizzo di solventi chimici. La tecnica comporta il contatto fra il materiale vegetale solido con un liquido alla temperatura di ebollizione. La scelta del solvente è stabilita in base alle proprietà chimico-fisiche della sostanza che si vuole estrarre. In particolare, la stabilità al calore e la polarità della sostanza hanno un’importanza determinante.

La prima conseguenza negativa dell’impiego di solventi chimici è l’aggravio di costi dovuto al costo del solvente. La seconda conseguenza negativa è che i solventi utilizzati a volte possono essere tossici e in ogni caso dopo trattamento devono essere separati dal prodotto finito, ma non sempre possono essere recuperati del tutto. Un’ulteriore conseguenza è che il materiale vegetale diventa un rifiuto speciale con ulteriori aggravi di costi al processo complessivo di produzione del licopene. In ogni caso, poi, proprio per il necessario impiego di solventi nella fase estrattiva, i processi estrattivi attuali non possono essere impiegati su grande scala.

Una tecnologia più recente di estrazione con solvente prevede l’utilizzo contemporaneo di onde elettromagnetiche (ultrasuoni o microonde) per facilitare la resa di estrazione e ridurre il volume di solvente utilizzato e il tempo di contatto.

In particolare, l’estrazione assistita da sonicazione (ultrasuoni) prevede l’utilizzo di onde sonore con frequenze superiori ai 20 kHz, che riescono ad aumentare la resa di estrazione in quanto causano alternativamente espansioni e compressioni della matrice, con formazione di microbolle. In questo modo, gli ultrasuoni causano una maggior penetrazione del solvente nelle cellule della matrice, migliorando il trasferimento di massa.

Il parametro più importante da mantenere sotto controllo secondo questo tipo di procedimento è la frequenza delle onde. Modeste variazioni di frequenza possono avere un notevole effetto sulla resa di estrazione.

Infine, secondo un procedimento di produzione di licopene dagli scarti della lavorazione del pomodoro recentemente proposto, viene prevista una fase di estrazione solido-liquido alternativa, basata sulla tecnica denominata Estrattore Naviglio. Questa tecnica basa la sua efficienza estrattiva sulla differenza di pressione tra il liquido estrattivo all’interno e all’esterno della matrice solida. La camera di estrazione viene riempita con la matrice solida da estrarre e il circuito viene completamente riempito con il solvente. Inizia una fase statica che consiste nell’innalzamento della pressione del liquido fino a valori compresi tra 8 e 9 bar. Il sistema viene lasciato sotto pressione per il tempo necessario affinché il liquido possa penetrare efficacemente all’interno della matrice solida. Trascorso tale tempo, la pressione nel liquido viene rimossa rapidamente; in questo modo il liquido decade immediatamente alla pressione atmosferica, ma per un istante il liquido all’interno della matrice solida si trova ancora al valore di 8-9 bar. In tal modo, si viene a creare una differenza di pressione tra l’interno e l’esterno della matrice del solido, che costringe il liquido a fuoriuscire rapidamente dall’interno del solido. Lo spostamento rapido del liquido dall’interno verso l’esterno contribuisce alla fuoriuscita delle sostanze non chimicamente legate alla matrice solida. Inizia a questo punto una fase dinamica che consiste in un rimescolamento del liquido in tutto il sistema estrattivo. Un ciclo estrattivo è costituito da una fase statica seguita da una fase dinamica; per arrivare all’esaurimento della matrice solida sono necessari più cicli estrattivi. In tale tecnica estrattiva l’effetto principale dell’estrazione è dovuto alla generazione di un gradiente di pressione che induce lo spostamento rapido del liquido dall’interno verso l’esterno della matrice solida dando luogo ad un risucchio delle sostanze contenute nella matrice solida.

Il maggior vantaggio di questa tecnica consiste nella possibilità di utilizzare addirittura l’acqua come liquido estraente per il recupero del licopene. Poiché il licopene non si scioglie nell’acqua, esso viene recuperato in quanto si trova in una forma paracristallina e perciò viene rimosso meccanicamente dall’azione della pressione e della depressione generata all’interno dell’Estrattore Naviglio.

Una volta recuperato in fase eterogenea, il licopene viene purificato su una colonna di estrazione in fase solida o colonna SPE (acronimo della terminologia inglese Solid Phase Extraction) impiegando quantità minime di solventi organici.

Questa tecnologia, se da un lato si presenta particolarmente conveniente per la dichiarata possibilità di utilizzare acqua come solvente, presenta però delle notevoli limitazioni per quanto concerne i tempi di estrazione e per l’impossibilità di essere applicato a impianti industriali di grandi dimensioni.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un procedimento e un impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro mediante estrazione con solvente assistita da ultrasuoni.

Il procedimento secondo la presente invenzione è particolarmente vantaggioso perché, in virtù dell’ottimizzazione di tutti i parametri di processo, consente di utilizzare l’acqua come solvente, risolvendo tutti i problemi collegati con l’uso dei solventi chimici e la necessità di purificare il prodotto finale per eliminare le tracce di solvente ancora presenti.

Il procedimento e l’impianto della presente invenzione consentono quindi di coniugare i vantaggi dei sistemi di estrazione con solvente e ultrasuoni con i vantaggi della tecnica Naviglio, ma con tempi di estrazione notevolmente ridotti e quantità di materiale trattato notevolmente maggiori.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di proporre un procedimento e un impianto che permettano di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione è che detto procedimento e detto impianto possano essere realizzati con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell’invenzione è quello di proporre un procedimento e un impianto che siano sostanzialmente semplici, sicuri ed affidabili.

Forma pertanto un primo oggetto specifico della presente invenzione un procedimento per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro, che comprende le seguenti fasi:

- estrazione del licopene dalla materia prima utilizzando acqua come solvente e con l’ausilio di ultrasuoni, ottenendo un liquido di estrazione costituito da biomassa solida esausta e estratto liquido costituito da acqua contenente licopene e pectine;

- separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione;

- separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido;

- separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima è realizzata aggiungendo una quantità di acqua tale che la percentuale in peso è compresa nell’intervallo 85-95% di acqua e 5-15% di materia prima (più preferibilmente 90% di acqua e 10% di materia prima), mediante vibrazioni ultrasoniche con frequenza compresa tra 24000 e 40000 Hz (più preferibilmente tra 24000 e 26000 Hz) ed ha una durata che varia tra 40 e 80 minuti (più preferibilmente tra 45 e 60 minuti).

Inoltre, secondo la presente invenzione, detta fase di separazione di licopene e pectine dall’acqua avviene preferibilmente mediante supercentrifugazione dell’estratto liquido.

Opzionalmente, secondo l’invenzione, dopo detta fase di separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida è prevista ulteriormente una fase di purificazione del licopene, comprendente le seguenti fasi:

- solubilizzazione del licopene con alcole puro al 96%;

- concentrazione della soluzione;

- essiccazione della soluzione per atomizzazione per ottenere una polvere di licopene.

Inoltre, è altresì possibile prevedere, dopo detta fase di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione e prima di detta fase di separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido, una fase di concentrazione dell’estratto liquido.

Forma inoltre un secondo oggetto specifico della presente invenzione un impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro caratterizzato dal fatto che comprende una sezione di estrazione con solvente del licopene dalla materia prima con l’ausilio di ultrasuoni, ottenendo un liquido di estrazione costituito da biomassa solida esausta e estratto liquido costituito da acqua contenente licopene e pectine; una sezione di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione; una sezione di separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido; e una sezione di separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detta sezione di estrazione con solvente comprende una pluralità di disgregatori e di vasche ad ultrasuoni; detta sezione di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido è costituita da una centrifuga orizzontale a coclea; detta sezione di separazione di licopene e pectine dall’acqua è costituita da una supercentrifuga verticale a piatti e detta sezione di separazione del licopene dalle pectine è costituita da una pluralità di colonne di estrazione di tipo SPE (Solid phase extraction).

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alla figura allegata, in cui è mostrato un impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro secondo la presente invenzione.

Facendo riferimento alla figura, l’impianto ad ultrasuoni ottimale per la produzione industriale di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro è costituito da una sezione di estrazione, complessivamente indicata con il riferimento numerico 10, che comprende due disgregatori 11, ciascuno da 2000L, e quattro vasche ad ultrasuoni 12, ciascuna da 1000L.

La materia prima (scarti di lavorazione del pomodoro) viene miscelata con acqua, che viene utilizzata come solvente, in una percentuale in peso di 90% acqua 10% materia prima.

Le vibrazioni ultrasoniche necessarie a spaccare le molecole vegetali ed estrarre il licopene con l’ausilio del solvente acqua hanno una frequenza di circa 24000/26000Hz.

La durata del processo di estrazione di tutto il licopene dalle molecole disgregate è di 45/60minuti.

In un giorno intero (24 ore) di lavorazione da 10000kg di materia prima si ottengono 90000L circa di liquido di estrazione, costituito da miliardi di bollicine microscopiche contenenti il licopene, biomassa esausta, pectine.

Il liquido di processo viene quindi convogliato per mezzo di pompe (non mostrate) in un serbatoio 13 da 10000L provvisto di un miscelatore per tenere in sospensione le bollicine da cavitazione e che fa da polmone all’impianto, ovvero assicura una certa continuità di produzione a prescindere da variazioni non eccessive dell’alimentazione. Dal serbatoio 13 il liquido di processo viene inviato ad una centrifuga orizzontale 14 a coclea avente una portata di 9m<3>/h.

La centrifuga orizzontale 14 ha la funzione di separare la biomassa vegetale esausta dall’acqua contenente il licopene sfruttando l’elevata differenza di densità che esiste tra la biomassa solida e l’acqua contenente il licopene. In particolare, la centrifuga orizzontale permette di ottenere tale separazione in maniera continua, essendo provvista di un elemento cavo rotante denominato tamburo o bolo, dotato di una sezione cilindrica e di una sezione adiacente troncoconica, al cui interno ruota a velocità diversa una coclea, la cui forma riproduce quella del tamburo, in cui la biomassa vegetale e l’acqua contenente il licopene vengono immesse nel tamburo e vengono indotte in rotazione insieme ad esso. Per effetto della forza centrifuga e della differenza di densità che esiste tra la biomassa vegetale esausta (fase solida) e l’acqua contenente il licopene (fase liquida), i solidi si depositano sulla parete della sezione cilindrica del tamburo e vengono trasportati dalla coclea, attraverso la sezione troncoconica nella quale vengono ulteriormente liberati dai liquidi residui, fino ai fori di uscita disposti all’estremità rastremata del tamburo.

L’acqua che contiene il licopene, avendo un peso specifico minore, forma uno strato che si posiziona sopra ai solidi nella sezione cilindrica del tamburo. L’acqua non viene trasportata dalla coclea, e viene captata all’esterno attraverso dei fori collocati all’estremità del tamburo, dal lato della sua sezione cilindrica.

La biomassa vegetale esausta in uscita dalla centrifuga orizzontale 14 viene convogliata in un convogliatore a coclea 15 e viene recuperata per essere utilizzata per produrre energia (elettrica, vapore) o anche come fertilizzante.

L’estratto, contenente il licopene chiarificato dalla centrifuga orizzontale 14, viene inviato ad una supercentrifuga 16 verticale a piatti che separa tutta l’acqua dal licopene.

Il licopene depositato sui piatti della supercentrifuga viene scaricato in una vaschetta da un sistema autopulente automatico della supercentrifuga stessa.

Il licopene, così raccolto, può essere purificato dalle pectine attraverso colonne di estrazione 17 di tipo SPE (Solid phase extraction).

Il prodotto 18 così ottenuto può essere solubilizzato con alcole puro al 96% e, opportunamente concentrato, inviato ad un atomizzatore a spruzzo (non mostrato) per essere trasformato in polvere di licopene puro al 98% o qualsivoglia altra percentuale con aggiunta di additivi inerti.

Opzionalmente, prima di essere inviato alla supercentrifuga 16, l’estratto, contenente il licopene chiarificato dalla centrifuga orizzontale 14 può essere inviato, dopo passaggio in un serbatoio 19 da 10000L, ad un sistema di concentratori 20 a bassa temperatura. L’invio dell’estratto proveniente dalla centrifuga orizzontale direttamente alla supercentrifuga 16 oppure al sistema di concentratori 20 è regolato per mezzo di valvole di intercettazione 21.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro, che comprende le seguenti fasi: - estrazione del licopene dalla materia prima utilizzando acqua come solvente e con l’ausilio di ultrasuoni, ottenendo un liquido di estrazione costituito da biomassa solida esausta e estratto liquido costituito da acqua contenente licopene e pectine; - separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione; - separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido; - separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida.
2. 2) Procedimento per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima è realizzata aggiungendo una quantità di acqua tale che la percentuale in peso di acqua è compresa nell’intervallo 85-95% e quella di materia prima è compresa nell’intervallo 5-15%.
3. 3) Procedimento per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima è realizzata aggiungendo una quantità di acqua tale che la percentuale in peso di acqua è 90% e quella di materia prima è 10%.
4. 4) Procedimento per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima è realizzata con l’ausilio di vibrazioni ultrasoniche con frequenza compresa tra 24000 e 40000 Hz.
5. 5) Procedimento per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima è realizzata con l’ausilio di vibrazioni ultrasoniche con frequenza compresa tra 24000 e 26000 Hz.
6. 6) Procedimento per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la durata di detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima varia tra 40 e 80 minuti.
7. 7) Procedimento per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la durata di detta fase di estrazione del licopene dalla materia prima varia tra 45 e 60 minuti.
8. 8) Procedimento per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di separazione di licopene e pectine dall’acqua avviene mediante supercentrifugazione dell’estratto liquido.
9. 9) Procedimento per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dopo detta fase di separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida è prevista ulteriormente una fase di purificazione del licopene, comprendente le seguenti fasi: - solubilizzazione del licopene con alcole puro al 96%; - concentrazione della soluzione; - essiccazione per atomizzazione della soluzione per ottenere una polvere di licopene.
10. 10) Procedimento per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dopo detta fase di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione e prima di detta fase di separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido è prevista una fase di concentrazione dell’estratto liquido.
11. 11) Impianto per la produzione di licopene dagli scarti di lavorazione del pomodoro caratterizzato dal fatto che comprende una sezione (10) di estrazione con solvente del licopene dalla materia prima con l’ausilio di ultrasuoni, ottenendo un liquido di estrazione costituito da biomassa solida esausta e estratto liquido costituito da acqua contenente licopene e pectine; una sezione (14) di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido mediante centrifugazione del liquido di estrazione; una sezione (16) di separazione di licopene e pectine dall’acqua mediante centrifugazione dell’estratto liquido; e una sezione (17) di separazione del licopene dalle pectine mediante estrazione in fase solida.
12. 12) Impianto per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detta sezione di estrazione con solvente comprende una pluralità di disgregatori (11) e di vasche ad ultrasuoni (12).
13. 13) Impianto per la produzione di licopene secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato dal fatto che detta sezione (14) di separazione della biomassa solida dall’estratto liquido è costituita da una centrifuga orizzontale (14) a coclea.
14. 14) Impianto per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, caratterizzato dal fatto che detta sezione (16) di separazione di licopene e pectine dall’acqua è costituita da una supercentrifuga (16) verticale a piatti.
15. 15) Impianto per la produzione di licopene secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-14, caratterizzato dal fatto che detta sezione (17) di separazione del licopene dalle pectine è costituita da una pluralità di colonne di estrazione (17) di tipo SPE (Solid phase extraction).