Estrattore rapido solido-liquido dinamico operante ad alte pressioni e basse temperature per l'ottenimento in tempi ridotti di soluzioni contenenti sostanze inizialmente presenti in matrici solide insolubili nel liquido estraente: il Naviglio Estrattore^®.

Descrizione della scoperta e dell'invenzione.

Il Naviglio Estrattore ® rappresenta una innovazione tecnologica nel settore dell'estrazione solido-liquido. Questa invenzione è il frutto dell'applicazione della scoperta di un nuovo principio di estrazione solido-liquido che prende il nome di Principio di Naviglio. Il Naviglio Estrattore ® si basa su un effetto di risucchio generato da una compressione del solvente estraente sul solido a circa 6-8 bar di pressione, per un tempo determinato, ed una seguente immediata decompressione a circa 0-1 bar di pressione (Principio di Naviglio). La rapida fuoriuscita del liquido estraente dall'interno della matrice solida verso l'esterno, per l'effetto del gradiente di pressione, trasporta meccanicamente verso l'esterno le sostanze estraibili contenute nella matrice solida. Un ciclo estrattivo comprende una fase di statica ed una di dinamica. Durante la fase di statica, il sistema viene lasciato sotto pressione per un tempo scelto in dipendenza della consistenza della matrice solida da estrarre: in questa fase il liquido penetra all'interno del solido e permea tutti gli spazi vuoti attraversando anche le pareti cellulari dei vegetali in una maniera più efficace rispetto alla macerazione. Terminata la fase di statica inizia immediatamente la fase di dinamica che assolve a due obiettivi; il primo è quello della generazione del gradiente di pressione negativo tra l'interno e l'esterno della matrice solida, che rappresenta l'effetto trainante dell'estrazione (Principio di Naviglio), mentre il secondo è quello di rimescolare il liquido in tutto il sistema per evitare la formazione di zone di sovrassaturazione dei composti estratti in prossimità della superficie del solido.

Il Naviglio Estrattore^® è costituito da due camere di estrazione cilindriche in cui scorrono due pistoni spinti da un sistema pneumatico ad aria compressa. Alla base delle camere di estrazione sono posti due setti porosi che lasciano passare il liquido e le sostanze in esso disciolte, mentre bloccano le particelle grossolane di materiale solido. Le due camere di estrazione sono messe in comunicazione tramite un condotto su cui viene intercettata una elettrovalvola per lo svuotamento del solvente che resta chiusa per tutto il tempo totale dell'estrazione. Il materiale solido da estrarre viene posto nelle camere di estrazione che in seguito vengono riempite completamente con il solvente estraente (Organico o inorganico o loro miscele). Quando i pistoni spingono contemporaneamente si ha l'aumento di pressione del sistema e di conseguenza la fase di statica; quando i pistoni vengono rimossi dalla posizione di equilibrio inizia la fase di dinamica, che continua con l'alternarsi delle spinte dei due pistoni; tale azione completa la fase di dinamica.

Questa nuova tecnologia estrattiva sostituisce ottimamente tutte le tecniche estrattive solido-liquido attualmente esistenti ed apporta delle considerevoli novità e vantaggi nell'ottenimento di estratti di qualità. Innanzitutto non è necessario riscaldare il sistema estrattivo in quanto l'azione esercitata è di tipo meccanico; le tecniche estrattive attuali (percolazione, Soxhlet, distillazione in corrente di vapore, ultrasuoni) tendono ad aumentare la temperatura per aumentare l'efficienza estrattiva, poiché esse si basano sulla diffusione e sull'osmosi, principi dipendenti entrambi dalla temperatura; nel caso di composti termolabili l'aumento di temperatura contribuisce alla loro degradazione. Nel Naviglio Estrattore^®, essendo l'azione estrattiva di tipo meccanico, bastano pochi cicli estrattivi, circa venti, che si concludono in circa due ore, per portare a completo esaurimento qualsiasi matrice solida che contiene del materiale estraibile. Perciò, nei confronti della macerazione, che è un metodo ufficiale di estrazione in molti processi, l'estrazione è rapida ed esauriente allo stesso tempo. Inoltre, è possibile effettuare una estrazione acquosa grazie ai ridotti tempi di estrazione, cosa impossibile da realizzare per macerazione.

Il Naviglio Estrattore^® è una tecnica poco costosa e richiede un dispendio energetico minimo, se paragonata all'estrazione con fluidi supercritici (Anidride carbonica supercritica) o all'estrattore ASE^® (Accelerated Solvent Extraction) brevetto della Dionex americana.

Riassumendo, i principali vantaggi del Naviglio Estrattore^® sono: esaurimento in tempi brevi delle matrici solide, contenenti sostanze estraibili, a temperature operative basse (Ambiente o sub-ambiente) e, in aggiunta, riproducibilità dell'estrazione; di conseguenza gli estratti risultano standardizzati per il contenuto di principi attivi. Queste caratteristiche garantiscono la produzione di estratti di qualità. Nessuna tecnica di estrazione solido-liquido attualmente esistente fornisce contemporaneamente tutti i vantaggi sopra esposti.

L'impiego più importante del Naviglio Estrattore è nel settore delle piante officinali; la Farmacopea Ufficiale impone una estrazione di ventuno giorni in macerazione per l'ottenimento dell'estratto; industrialmente l'estrazione viene condotta utilizzando dei percolatori che consentono di ottenere una grande quantità di estratto in tempi brevi, impiegando un blando riscaldamento del sistema e sacrificando la completezza della estrazione. Prove analitiche di confronto hanno evidenziato che gli estratti ottenuti con il Naviglio Estrattore contengono una quantità di principi attivi più alta in confronto con quelli ottenuti con le tecniche ufficiali ed industriali. In questo settore l'importanza di ottenere estratti con principi attivi non degradati sta nel fatto che aumenta l'attività farmacologia degli estratti stessi. Presso la Facoltà di Farmacia dell'Università degli Studi di Napoli sono in corso studi su piante officinali che già hanno dato degli indizi di proprietà farmacologiche con altre tecniche estrattive e, che con il Naviglio Estrattore^®, stanno dando dei risultati migliori per quanto riguarda la loro attività farmacologica. Anche nel settore erboristico e cosmetico i risultati ottenuti sono notevoli. Sono state condotte più di duecento prove di confronto con estratti sia di laboratorio che industriali ottenuti nelle maniere più disparate; l'estratto ottenuto con il Naviglio Estrattore^® ha evidenziato in ogni caso delle proprietà superiori anche in questi altri settori. Infine, è stato possibile dimostrare che gli estratti della stessa pianta, anche se proveniente da diverse zone ed ottenuta in diverse epoche, sono uguali nel contenuto di principi attivi nei limiti degli errori sperimentali.

Anche nell'industria delle bevande trova utile impiego il Naviglio Estrattore^® rispetto alla macerazione per tutta una seria di bevande alcoliche derivanti da estratti in alcol etilico di bucce di agrumi (Limone, mandarino, arancio etc.) oppure da erbe come nel caso degli amari.

Nell'industria dei profumi è ancora possibile ottenere degli estratti di piante odorose e aromatiche in alternativa alla macerazione.

Il Naviglio Estrattore^® è dimensionabile a diverse grandezze, da quelle industriali (100-1000 L) fino a quelle di laboratorio o casalinghe per soddisfare delle esigenze più limitate di produzione. Ad esempio, il modello per uso laboratorio che lavora dai 50 ai 500 mL è un' ottima alternativa al metodo di estrazione ufficiale del Soxhlet; esso consente di ridurre i tempi nella preparazione del campione, aumenta la resa dell'estrazione e, nel caso di composti termolabili evita la loro degradazione. Il modello per uso domestico consente di lavorare in casa erbe e simili al fine di ottenere dei preparati pronti all'uso, come anche infusi "a freddo" che attualmente si ottengono per forte riscaldamento del sistema (acqua bollente).

Il Naviglio Estrattore^®dà all'umanità intera la possibilità di fare meglio ed in tempi brevi ciò che in più di seimila anni di civiltà non si è ancora riuscito a fare: ottenere degli estratti di qualità senza alterarne la componente termolabile. Questa scoperta è stata intuita dal sottoscritto negli anni 1993-94, ne è stata depositata la domanda di brevetto nel 1998 ed è stato rilasciato il brevetto nel 2000. Essa risulta unica perché cambia completamente la filosofia dell'estrazione solido-liquido: non è necessario riscaldare il sistema o protrarre a lungo l'estrazione in quanto il principio su cui si basa è un effetto di risucchio (Naviglio's Principle). L'idea è già stata tradotta in prodotti che sono costruiti da una ditta italiana e già è possibile acquistare l'estrattore. Diverse ditte produttrici nei settori riportati sopra già si sono attrezzate, mentre per ricerche scientifiche si può fare riferimento all'Università degli Studi di Napoli.

Rapid and dynamic solid-liquid extractor working at high pressures and low temperatures for obtaining in short times solutions containing substances that initially were in solid matrixes insoluble in extracting liquid: Extractor Naviglio^®.

Description of discovery and invention

Extractor Naviglio^® represents a technological innovation in the field of solid-liquid extraction. This invention is the result of the application of the discovery of a new principle regarding solid-liquid extraction, that is called: "Naviglio's Principle". Extractor Naviglio^® is based on a suction effect, generated by a compression of extracting solvent on solids at a pressure of about 6-8 bar for a determinate time, and followed by an immediate decompression at a pressure of about 0.1-1 bar (Naviglio's Principle). Rapid release of extracting liquid from the inside of a solid matrix, because of pressure gradient, transports mechanically the extractable compounds contained in the solid matrix towards the outside.

An extractive cycle includes a static phase and a dynamic phase. During the static phase, the system is set under pressure for a time which is determined by the consistence of the solid matrix which has to be extracted: in this phase the liquid penetrates into the solid and it permeates all the empty spaces passing through cellular membranes of vegetables in a manner more efficacious than maceration. When the static phase is finished, immediately the dynamic phase starts, it performs two objectives: the first is the generation of negative pressure gradient between the inside and the outside of the solid matrix, that represents the dragging effect of the extraction (Naviglio's Principle), while the second objective is to stir the liquid in all the system again to avoid the formation of super saturation zone of extracted substances in the proximity of the solid surface.

Extractor Naviglio^® is composed of two cylindrical extractive chambers in which two pistons are moved by a pneumatic system working with compressed air. To the base of the extracting chambers two porous septa also are placed; they let the liquid and dissolved substances pass through, while they block rough particles of solid material. The two extractive chambers communicate through a tube on which an electro-valve is intercepted; this valve serves to the removal of the solvent and it is closed for the all extraction time. The solid material to be extracted is placed in the extractive chambers that will be completely filled with the extracting solvent (Organic or inorganic or their mix). When the pistons simultaneously push, an increment in pressure of the system is obtained: this is the static phase; when the pistons are removed from the equilibrium position, the dynamic phase starts; it continues with the alternation of two pushed pistons which complete the dynamic phase.

This new extractive technology substitutes all existing extractive solid-liquid techniques very well and it brings to substantial innovation and advantages in obtaining extracts of quality.

Above all, it is not necessary to heat the extractive system because the action performed is a mechanical one; actual extractive techniques such as Soxhlet, percolation, vapour stream distillation, ultra-sound extraction aim to increase temperature to increase extractive efficiency, because they are based on diffusion and osmosis, principles which both depend on temperature; in the case of extraction of thermo labile substances, high temperatures contribute to their degradation. Few extractive cycles are needed, for Extractor Naviglio^®, to completely extract every solid matrix containing extractable material, about twenty in approximately two hours. Therefore, in respect of maceration, that is an official extractive method in many processes , the extraction is rapid and exhaustive at the same time. Moreover, it is possible to perform an aqueous extraction because of the short times of extraction, while it is impossible through maceration.

Extractor Naviglio^® is a very cheap technique and requires a minimum consumption of energy, if compared to extraction by means of supercritical fluids (Supercritical carbon dioxide) or to the Extractor ASE (Accelerated Solvent Extraction) patented by American Dionex. Finally, the principal advantages of Extractor Naviglio^® , are: it consumes in a short times the solid matrix containing extractable substances at low operating temperatures (Ambient or sub-ambient); reproducibility of extraction, that determines standardized extracts in active principles. These features guarantee the production of high quality extracts. No existing technique of extraction actually provides simultaneously all the advantages above explained.

The most important employment of Extractor Naviglio^® is in the field of officinal plants; Official Pharmacopoeia imposes an extraction for twenty one days in maceration to obtain the extract from officinal plants; industrially the extraction is performed by means of percolators that allows to obtain a great quantity of extract in a short times, utilizing a low heating system; in this way the complete extraction is not obtained.

Analytical experiments of comparison showed that extracts obtained utilizing Extractor Naviglio^® contains a quantity of active principles higher than those obtained utilizing official and industrial extraction techniques.

In this field the importance of obtaining extracts containing non degraded active principles lies in the fact that the pharmacological activity of the same extracts increases.

At the Faculty of Pharmacy of University of Studies of Naples "Federico II" researches regarding officinal plants that already gave indications about pharmacological properties utilizing other extractive techniques are in process and, utilizing Extractor Naviglio^®, we are obtaining better results respecting their pharmacological activity. In herbalist and cosmetic sectors obtained results have also been remarkable. More than two hundred experiments of comparisons between extracts obtained in laboratory and in industry with different extractive techniques and those obtained treating the same plants with Extractor Naviglio^® have been performed. Extracts obtain in the last way showed in every case superior properties also in this fields. Finally, it was possible to demonstrate that extracts deriving from the same species of plant; coming from different zones or produced at different time are equal in content of active principles in limits of experimental errors.

In the beverage industry Extractor Naviglio^® finds useful application in respect of the maceration for a whole series of alcoholic beverages deriving from extracts in ethyl alcohol of citrus fruit peels (Lemon, orange, mandarin) or deriving from herbs for bitter production.

In perfume industry it is possible to use Extractor Naviglio^® to obtain extracts from aromatic and perfumed herbs as an alternative to the maceration performed for long times. Extractor Naviglio ® can be produced in different dimensions from industrial dimensions (100-100 L) or laboratory ones, or domestic ones to satisfy limited needs of extract production. For example, the model for laboratory use that works with 50-500 Ml of liquid is the best alternative for the official method of Soxhlet. The model for domestic use makes it possible to treat at home herbs and similar to obtain extracts ready-to use, like "cold" infusions that are actually obtained from a high heating system (boiling water).

Extractor Naviglio^® gives a man kind the possibility to do better and in a short times that in more than six thousand years of civilization was not possible to do: obtain extracts in short times from officinal plants without degrading the active principles and at the same time consuming vegetables.

I perceived this discovery in 1993-1994; in 1998 the request of patent was registered and finally in 2000 the patent was granted.

This invention is unique because it completely changes the philosophy of solid-liquid extraction: it is not longer necessary to heat the system or to protract for a longer time the extraction because the principle on which it based is on as suction effect (Naviglio's Principle).

The idea has already been changed in products that are produced by an italian company. Therefore Extractor Naviglio^® is already on the market and different companies working in the sectors reported above are equipped with Extractor Naviglio^® instead for scientific application you can refer to the University of Study of Naples.