استخلاص بالماء عالي الكفاءة باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

يمكن تحسين استخلاص المركبات النباتية بالماء (مثل الاستخلاص بالماء البارد أو الساخن، والاستخلاص بالماء المضغوط، والاستخلاص بالماء دون الحرج) بكفاءة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ولا يقتصر الاستخلاص بالماء بمساعدة الموجات فوق الصوتية على زيادة المردود وتقليل زمن المعالجة، بل يؤدي أيضًا إلى خفض استهلاك الطاقة، وتوفير ظروف استخلاص ألطف، والحصول على مستخلصات عالية الجودة مقارنةً بتقنيات الاستخلاص التقليدية. ويُستخدم الاستخلاص بالماء بالموجات فوق الصوتية بنجاح لاستخلاص العديد من المركبات المشتقة من النباتات، بما فيها القلويدات والفلافونويدات والغليكوسيدات والمركبات الفينولية وعديدات السكاريد.

استخلاص المركبات النشطة حيويًا بالماء بالموجات فوق الصوتية

الماء هو المذيب الأكثر قطبية، مما يجعله مذيبًا ممتازًا للمركبات القطبية. وبفضل طبيعته غير السامة والصديقة للبيئة، يُعد الماء المذيب المثالي لأي مستخلص نباتي. ومع ذلك، فإن المكونات الأقل قطبية وغير القطبية تذوب في الماء بصعوبة أو لا تذوب فيه إطلاقًا. إضافةً إلى ذلك، ومن دون تعزيز انتقال الكتلة، ستكون عملية الاستخلاص بالماء بطيئة للغاية، ومن ثم غير اقتصادية. وتُعد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد تقنية استخلاص عالية الكفاءة توفر خلطًا مكثفًا وانتقالًا مكثفًا للكتلة. ولذلك، يُعرف الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بتوفير مزايا كبيرة مقارنةً بطرق الاستخلاص التقليدية. وتشمل هذه المزايا زيادة المردود، وسرعة المعالجة، وسرعة إنجاز الدفعات المتعاقبة، فضلًا عن الاستخلاص المستمر ضمن خط الإنتاج، واستخدام المذيبات الخضراء، وظروف الاستخلاص اللطيفة التي تحافظ على مركبات المستخلص، وسلامة التشغيل، وسهولة التوسع إلى معدلات معالجة كبيرة للإنتاج التجاري. (راجع Zabot et al., 2021)

تحسين الاستخلاص بالماء الساخن باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

المعلمات التي تحدد استخلاص المواد النباتية أثناء الاستخلاص بالماء هي درجة الحرارة والزمن والضغط ومساحة سطح المادة النباتية. ويمكن تحضير مستخلص بالماء الساخن خلال مدة قصيرة نسبيًا بفضل ارتفاع درجة حرارة الماء.
الحل: يمكن تعزيز المردود ومعدل الاستخلاص بدرجة كبيرة عند تطبيق التحريك بالموجات فوق الصوتية. فالماء الساخن وحده لا يمتلك إلا قدرة محدودة على تفكيك البنى الخلوية، وغالبًا ما تُلحق درجات الحرارة المرتفعة الضرر بالمركبات غير المستقرة حراريًا أو تدمرها، مما يؤثر سلبًا في جودة المستخلص. وعند الجمع بين الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية والاستخلاص بالماء الساخن، يمكن خفض درجة الحرارة بدرجة كبيرة (مثلًا من 100°C إلى 50°C)، مما يمنع التحلل الحراري للمكونات النباتية المستخلصة، ويزيد المردود الكلي، ويوفر الطاقة. والتجويف فوق الصوتي هو المبدأ الكامن وراء ظاهرة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية. ويتمثل التجويف فوق الصوتي (أو الصوتي) في قوى ميكانيكية بحتة تكسر جدران الخلايا، وتحرر المركبات المستهدفة، وتحسن انتقال الكتلة بين داخل الخلية والماء (المذيب). وبذلك، يوفر الاستخلاص بالماء بالموجات فوق الصوتية نتائج استخلاص ممتازة.

تحسين الاستخلاص بالماء البارد باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

الاستخلاص بالماء البارد (النقع بالماء البارد) أقل كفاءة بدرجة كبيرة، نظرًا لتجنب استخدام الماء الساخن. فالماء البارد أو الماء بدرجة حرارة الغرفة لا يستخلص المركبات النباتية جيدًا، لأن الماء البارد يتغلغل في المادة النباتية ببطء شديد، ويكون انتقال الكتلة شبه معدوم. وتكمن ميزة الاستخلاص بالماء البارد في تجنب أي ارتفاع في درجة الحرارة، مما يمنع التحلل الحراري للمركبات الحساسة للحرارة. ومع ذلك، فإن ديناميكيات الاستخلاص الضعيفة للغاية تجعل الاستخلاص التقليدي بالماء البارد غير عملي للإنتاج التجاري. ولذلك، يُستخدم النقع بالماء البارد بصورة شبه حصرية في المرحلة التجريبية بسبب بطئه وضعف كفاءته.
الحل: بإدخال المعالجة بالموجات فوق الصوتية في الاستخلاص بالماء البارد، يمكن التغلب بسهولة على بطء النقع بالماء البارد وضعف كفاءته. ويتيح الاستخلاص بالماء البارد المعزز بالموجات فوق الصوتية الحفاظ على درجات حرارة استخلاص باردة، مع إدخال قوى قص شديدة في الوسط الصلب–السائل. ونتيجةً لآلية الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية، تُفتح جدران الخلايا وتتحرر المركبات النباتية بسرعة في الماء. ويحوّل الاستخلاص والنقع بالماء البارد بالموجات فوق الصوتية النقع البارد إلى عملية عالية الفعالية توفر مردودًا مرتفعًا ومستخلصات عالية الجودة خلال زمن استخلاص قصير.

الاستخلاص بالماء المضغوط مقترنًا بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

يتميز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بالخلط الدقيق، الذي يعزز، بفعل الاهتزازات، انتشار المذيب إلى داخل الجسيم ومن داخل الجسيم إلى سطحه، مما يكثف انتقال الكتلة. إضافةً إلى ذلك، تقلل المعالجة بالموجات فوق الصوتية حجم جسيمات المادة الخلوية، مما يؤدي إلى تحسين تأثيرات الاستخلاص بالسائل المضغوط بمساعدة الموجات فوق الصوتية. وتُظهر الجسيمات الأصغر، التي يبلغ حجمها نحو 0.68 mm، مردودًا أعلى من الجسيمات الأكبر (نحو 1.05 mm)، لأن زيادة مساحة السطح تتيح زيادة انتقال الكتلة بدرجة كبيرة، ومن ثم تحسين مردود الاستخلاص. (راجع Zabot et al., 2021)

استخلاص فعّال بالماء البارد المضغوط باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

تحت ضغط مرتفع، يُسهَّل تغلغل الماء البارد في الأنسجة النباتية، وتُذاب المركبات الكيميائية النباتية القابلة للذوبان في الماء من دون التسبب في تفكك حراري. ويمكن إقران طريقة الاستخلاص بالماء البارد عالي الضغط بالموجات فوق الصوتية لتحسين عزل المكونات النباتية القطبية وغير القطبية. ويُعد الماء، بوصفه مذيبًا غير سام ورخيصًا وصديقًا للبيئة، بديلًا جذابًا للمذيب العضوي، ولا سيما عند إنتاج الأغذية والمستحضرات العلاجية والمكملات الغذائية المشتقة من النباتات.
للاستخلاص بالماء البارد المضغوط المعزز بالموجات فوق الصوتية، يُدمج مسبار فوق صوتي (سونوترود) في خزان الاستخلاص أو خلية التدفق. ويُضغط الخزان أو خلية التدفق عادةً بضغوط تتراوح بين 5 و100 barg، بحسب مركبات المستخلص المستهدفة. وتوفر Hielscher Ultrasonics أيضًا مفاعلات صناعية فوق صوتية وخلايا تدفق مخصصة يمكن ضغطها حتى 300barg، مما يتيح ضبط الضغط الأمثل لعملية الاستخلاص الخاصة بك.

تحسين الاستخلاص بالماء فوق الحرج باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

الاستخلاص بالماء دون الحرج المعزز بالموجات فوق الصوتية هو تقنية تآزرية أخرى، تحسن فيها الموجات فوق الصوتية عالية القدرة انتقال الكتلة بين المادة الصلبة والسائل. والاستخلاص بالماء دون الحرج (SWE) – المعروف أيضًا بالاستخلاص بالماء الساخن المضغوط أو الاستخلاص بالماء فائق التسخين – تقنية أقل شيوعًا لاستخلاص المركبات النباتية ذات القطبية المنخفضة. وفي الاستخلاص بالماء دون الحرج، يُستخدم الماء في حالته فوق الحرجة كمذيب.
ما الماء دون الحرج، ولماذا يُعد مذيبًا جيدًا لاستخلاص المركبات النباتية الأقل قطبية؟ «يمتلك الماء العديد من الخصائص الديناميكية الحرارية التي تتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة والضغط. وبحسب الظروف، يمكن تعديل حالته الفيزيائية (صلبة أو سائلة أو غازية)، أو سلوكه الحراري، أو كثافته، أو لزوجته. وبزيادة درجة الحرارة والضغط فوق نقطة تُعرف بالنقطة الحرجة (المحددة عند 221 bar و374 °C)، يمكن أن يصل الماء إلى الحالة فوق الحرجة. وفي الظروف دون الحرجة، التي تقابل درجات حرارة بين 100°C ودرجة الحرارة الحرجة (374°C)، وضغطًا بين 1 bar والضغط الحرج (221 bar) لتجنب التبخر، تنخفض قطبية الماء؛ مما يجعله مذيبًا أفضل لاستخلاص مختلف المركبات العضوية النشطة حيويًا». (Li and Chemat, 2019)
عند الجمع بين الموجات فوق الصوتية والاستخلاص بالماء دون الحرج، يمكن تحسين كفاءة الاستخلاص بزيادة مردود المستخلص وتقليل زمن الاستخلاص. وللحصول على نتائج مثلى، ينبغي أن يبلغ الضغط في مفاعل الدفعات المغلق والمضغوط أو مفاعل خلية التدفق ضعف ضغط بخار الماء على الأقل. (يمكنك العثور على جدول ضغط بخار الماء في نهاية هذه الصفحة.)
درس Huang et al. (2010) تأثيرات الاستخلاص باستخدام الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية القدرة مع الاستخلاص بالماء دون الحرج. ولهذا الغرض، يُقرن مسبار فوق صوتي بوعاء جهاز الاستخلاص بالماء دون الحرج لاستخلاص الزيت الطيار من Lithospermum erythrorhizon. وأظهرت النتائج أن تأثير التعزيز بمساعدة الموجات فوق الصوتية عند 20 KHz كان أفضل منه عند 36 KHz، وازداد مع قدرة الخرج (من 0 إلى 250 W). وازداد مردود الاستخلاص بالماء دون الحرج من 1.87% إلى 2.39% بفعل الاهتزاز فوق الصوتي (250 W، 20 KHz) عند درجة حرارة 160°C وضغط 5 MPa خلال إجراء استخلاص مدته 25 دقيقة. ولم تقتصر قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحسين مردود الاستخلاص، بل شملت أيضًا تحسين معدل الاستخلاص، مما يوفر الوقت.
يمكن إجراء الاستخلاص بالماء دون الحرج بمساعدة الموجات فوق الصوتية عند ضغوط أقل (مثل 5barg) من ضغوط الاستخلاص التقليدي بالماء دون الحرج (مثل 10MPa)، مما يوفر تكاليف الطاقة ويجعل إجراء الاستخلاص أكثر أمانًا.

مزايا الاستخلاص النباتي بالموجات فوق الصوتية

تُظهر الأبحاث العلمية والتطبيقات الصناعية أن الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية تقنية موثوقة وسهلة التشغيل، ولا تتطلب خلفية تقنية أو تدريبًا مكثفًا. وتتمثل المزايا الرئيسية لأجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار في كفاءة الاستخلاص العالية جدًا، والمردود المرتفع، وانخفاض تكاليف التشغيل، فضلًا عن انخفاض تكاليف الاستثمار (ولا سيما بالمقارنة مع تقنيات أخرى مثل أجهزة الاستخلاص باستخدام CO₂ ) وانخفاض تكاليف الطاقة.
ومن المزايا الأخرى التي تجعل تقنية الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية الطريقة المفضلة، الحصول على مستخلصات عالية الجودة بفضل انخفاض درجات حرارة الاستخلاص، ونتائج موثوقة (قابلية التكرار / قابلية إعادة الإنتاج)، وإمكانية التوسع الخطي الكامل إلى أي مستوى إنتاج، فضلًا عن قلة متطلبات الصيانة.
«تشمل المزايا الأخرى المرتبطة باستخدام الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار سهولة التعامل مع المستخلص، وسرعة التنفيذ، وعدم وجود بقايا، والمردود المرتفع، ومراعاة البيئة، وتحسين الجودة، ومنع تحلل المستخلص».
(راجع Chemat and Khan, 2011)

تجهيز استخلاص لعزل المكونات النباتية: جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400St، ومرشح تفريغ ومبخر دوار من Büchi لاستخلاص المركبات الكيميائية النباتية.

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء للاستخلاص بالماء

أجهزة الاستخلاص من Hielscher Ultrasonics راسخة في مجال الاستخلاص النباتي، بغض النظر عن المذيب المستخدم. ويجد منتجو المستخلصات – سواء صغار مصنعي المستخلصات الحصرية للأسواق المتخصصة أو المنتجون الكميون على نطاق واسع – ضمن مجموعة معدات Hielscher الواسعة معدات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية المثالية لمتطلبات إنتاجهم. وتتوفر بسهولة تجهيزات عمليات الدفعات والعمليات المستمرة ضمن خط الإنتاج، ويمكن شحنها مباشرةً من المخزون. وبفضل ملاءمة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية للعمل مع أي مذيب، يمكن تطبيقه بمرونة لاستخلاص أي مادة نباتية. ويتيح استخدام الماء كمذيب إنتاج مستخلصات معتمدة عضويًا من دون استخدام الإيثانول «العضوي» مرتفع التكلفة للغاية. (وبالطبع، يجب أن تكون المادة النباتية مزروعة عضويًا لإنتاج مستخلص مائي عضوي).

استخلاص عالي الكفاءة باستخدام Hielscher Ultrasonics

تُفكك أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من Hielscher الخلايا النباتية بكفاءة، وتزيد مساحة سطح المادة النباتية لتغلغل المذيب، وتعزز انتقال الكتلة لتحرير المركبات الكيميائية النباتية (المستقلبات الثانوية). وقد صُممت أجهزة الاستخلاص من Hielscher لتكون سهلة الاستخدام، ويمكن تركيبها بسرعة وتشغيلها بأمان وبصورة بديهية.

استيفاء أعلى معايير الجودة – مصممة ومصنعة في ألمانيا

صُممت المكونات المادية المتطورة والبرمجيات الذكية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لضمان نتائج استخلاص موثوقة بالموجات فوق الصوتية من المواد الخام النباتية لديك، مع نتائج قابلة لإعادة الإنتاج وتشغيل سهل وآمن. وتُعد المتانة والموثوقية والتشغيل 24/7 تحت الحمل الكامل وبساطة التشغيل من منظور العامل عوامل جودة إضافية تجعل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher خيارًا مفضلًا.
تُستخدم أجهزة الاستخلاص من Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم لاستخلاص المركبات الكيميائية النباتية بجودة عالية. وقد ثبت أنها تعطي مركبات نباتية عالية الجودة، لذا لا تُستخدم أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لدى صغار منتجي المستخلصات المتخصصة والحصرية فحسب، بل تُستخدم في الغالب في الإنتاج الصناعي للمستخلصات والمكملات الغذائية والمستحضرات العلاجية المتوفرة تجاريًا على نطاق واسع. وبفضل مكوناتها المادية المتينة وبرمجياتها الذكية، يمكن تشغيل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher ومراقبتها بسهولة.

التسجيل التلقائي للبيانات

لاستيفاء معايير إنتاج الأغذية والمكملات الغذائية والمنتجات العلاجية، يجب مراقبة عمليات الإنتاج وتسجيلها بالتفصيل. وتتميز أجهزة الموجات فوق الصوتية الرقمية من Hielscher Ultrasonics بالتسجيل التلقائي للبيانات. وبفضل هذه الميزة الذكية، تُخزن تلقائيًا جميع معلمات العملية المهمة، مثل الطاقة فوق الصوتية (الطاقة الكلية والصافية)، ودرجة الحرارة، والضغط، والزمن، على بطاقة SD مدمجة فور تشغيل الجهاز. وتُعد مراقبة العملية وتسجيل البيانات أمرين مهمين للتوحيد المستمر لمعايير العملية وجودة المنتج. وبالوصول إلى بيانات العملية المسجلة تلقائيًا، يمكنك مراجعة عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية السابقة وتقييم نتائجها.
ومن الميزات الأخرى سهلة الاستخدام التحكم عن بُعد عبر المتصفح في أنظمتنا الرقمية للموجات فوق الصوتية. فمن خلال التحكم عن بُعد عبر المتصفح، يمكنك بدء تشغيل جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية وإيقافه وضبطه ومراقبته عن بُعد من أي مكان.
هل ترغب في معرفة المزيد عن مزايا الاستخلاص بالماء بالموجات فوق الصوتية من المواد النباتية؟ اتصل بنا الآن لمناقشة عملية تصنيع المستخلصات النباتية لديك! يسر موظفينا ذوو الخبرة الواسعة تزويدك بمزيد من المعلومات عن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية وأنظمتنا للموجات فوق الصوتية والأسعار!

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

معلومات تقنية عن الاستخلاص بالماء بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم طرق الاستخلاص التقليدية، مثل التنقيع والنقع والترشيح النافذ والغلي والاستخلاص بالارتجاع والتقطير بالبخار والتسامي والعصر، بصورة شائعة لاستخلاص المركبات الطبية من النباتات. وتشمل عيوب هذه الطرق استغراق العملية وقتًا طويلًا، وضعف النقاوة، وانخفاض الكفاءة.

معلمات العملية المؤثرة في الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية

يُعرف الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية بخصائصه ومزاياه الفريدة، التي تجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية استخلاص متفوقة مقارنةً بالطرق التقليدية لاستخلاص المركبات النباتية. وتكمن إحدى المزايا الرئيسية للاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية في إمكانية التكييف الدقيق لعوامل المعالجة بالموجات فوق الصوتية (مثل السعة والزمن ودرجة الحرارة والضغط)، مما يتيح ضبط العملية فوق الصوتية على النحو الأمثل للمركب المستهدف. ولكل مادة نباتية معلمات استخلاص مثالية تحقق أفضل مردود وجودة ومعدل استخلاص. وتتيح عملية الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تكييف ظروف الاستخلاص المثلى هذه بصورة تامة.

سعة الاهتزاز فوق الصوتي

السعة هي الإزاحة الاهتزازية للمسبار فوق الصوتي (السونوترود). وكلما زادت السعة، ازدادت شدة الاهتزاز والتجويف في السائل المعالج بالموجات فوق الصوتية. وتتخصص Hielscher Ultrasonics في أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من نوع المسبار، التي يمكنها توفير سعات قابلة للضبط بدقة. وتتوفر مباشرةً من المخزون مسابير مخصصة يمكنها توفير سعات تصل إلى 200µm في تشغيل مستمر 24/7. وللحصول على سعات أعلى، يمكن أيضًا تصنيع سونوترودات فوق صوتية مخصصة بسهولة.
تُعد السعة إحدى أهم المعلمات – إن لم تكن أهمها على الإطلاق – للاستخلاص النباتي الفعّال. فالسعات العالية تولد القوى المطلوبة لتفكيك جدران الخلايا وتحرير المواد داخل الخلايا. وبذلك، تصبح المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء فعّالة للغاية في الاستخلاص النباتي.

زمن / مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يستغرق الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية عادةً وقتًا أقصر بكثير من الطرق التقليدية، لأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحرر المركبات النباتية بمعدلات استخلاص أعلى بدرجة كبيرة. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية إجراءات استخلاص أقصر، مما يحمي المركبات المستخلصة من الإفراط في المعالجة. ويعني تقصير المعالجة بفعل الموجات فوق الصوتية ارتفاع معدل المعالجة وتحسن جودة المستخلص.

المعالجة النبضية بالموجات فوق الصوتية

النبض فوق الصوتي هو نمط معالجة تُقطع فيه المعالجة بالموجات فوق الصوتية بفترات توقف محددة (مثل دورة تشغيل 50%: تشغيل لمدة 30 ثانية، وتوقف لمدة 30 ثانية؛ ودورة تشغيل 100%: معالجة مستمرة بالموجات فوق الصوتية من دون توقف). وتشير دورة تشغيل الموجات فوق الصوتية (المعروفة أيضًا بالنمط النبضي أو دورات النبض فوق الصوتي) إلى النسبة المئوية للزمن الذي تُقرن فيه الموجات فوق الصوتية بالوسط (مدة النبضة) خلال فترة نبضة واحدة. فمثلًا، يكون نمط الدورة 50% تشغيلًا لمدة 30 ثانية وتوقفًا لمدة 30 ثانية. وخلال فترة التوقف في دورة التشغيل، يعود السائل المعالج بالموجات فوق الصوتية إلى حالة غير مضطربة لمدة محددة (مثل 30 ثانية)، مما يساعد على تبديد الحرارة للحفاظ على درجة حرارة المعالجة المستهدفة. وتُعد دورة تشغيل المعالجة بالموجات فوق الصوتية أقل أهمية لكفاءة الاستخلاص، لكنها تُستخدم للحفاظ على درجة حرارة معينة للعملية.

الضغط الهيدروستاتيكي

الضغط معلمة أخرى مهمة جدًا لعمليات الموجات فوق الصوتية. ويؤثر تطبيق الضغط الهيدروستاتيكي على الوسط المعالج بالموجات فوق الصوتية في شدة التجويف. ففي ظروف الضغط المرتفع، تزداد شدة التجويف فوق الصوتي (الصوتي). وتوفر Hielscher Ultrasonics أنواعًا مختلفة من مفاعلات الدفعات فوق الصوتية وخلايا التدفق التي يمكن ضغطها لتعزيز نتائج المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

درجة حرارة الاستخلاص

مثل أي معالجة ميكانيكية، تتسبب المعالجة بالموجات فوق الصوتية في ارتفاع درجة الحرارة، بما يتفق مع القانون 2 للديناميكا الحرارية. ومع ذلك، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة غير حرارية، لأن المعالجات بمساعدة الموجات فوق الصوتية تستند إلى قوى ميكانيكية بحتة (تُسمى أيضًا القوى الميكانيكية الصوتية). ويمكن التحكم بكفاءة في درجة حرارة الاستخلاص أثناء الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية والحفاظ عليها ضمن نطاق محدد مختار. وتُجهز جميع أجهزة المعالجة الرقمية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بحساس درجة حرارة قابل للتوصيل وبرمجيات ذكية يمكن من خلالها تحديد نطاق معين لدرجة حرارة العملية. وكلما جرى تجاوز هذا النطاق، يتوقف جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية مؤقتًا حتى تعود درجة الحرارة إلى النطاق المختار، ثم يستأنف تلقائيًا إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتتيح هذه الميزة الذكية في أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher عملية معالجة قابلة للتحكم بدقة ونتائج مثالية.
نظرًا إلى أن درجة حرارة الاستخلاص قد تختلف باختلاف المركبات النباتية والنباتات، فإن درجة الحرارة عامل مهم ينبغي عدم إغفاله أثناء تحسين العملية فوق الصوتية. فمثلًا، وُجد أن 80°C مثالية لتحقيق أقصى مردود من الفلافونويدات من Sophora flavescens، بينما جرى الحصول على أفضل النتائج عند 50°C لاستخلاص الأرابينوكسيلان من نخالة القمح.

استخدم أي مذيب للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية

تختلف قطبية المركبات النباتية، مما يؤثر في قابليتها للذوبان في المذيبات المختلفة. فمثلًا، تكون الصابونينات وعديدات السكاريد أكثر قطبية، ولذلك تُظهر قابلية جيدة للذوبان في الماء، لأن الماء عالي القطبية. أما المركبات الفينولية، مثل الأنثوسيانينات وحمض الكلوروجينيك، فهي غير قطبية إلى حد كبير، ولذلك تذوب بصورة أفضل في مذيب أقل قطبية مثل الإيثانول. ومن ثم، ينبغي اختيار المذيب وفقًا لقابلية المركبات المستهدفة للذوبان للحصول على كفاءة استخلاص عالية. فمثلًا، يُعد الماء مذيبًا جيدًا لاستخلاص المركبات القطبية، مثل السيلوسيبين من الفطر، وكذلك قليلات السكاريد والغليكوسيدات والفلافونويدات؛ بينما يُعد مزيج الإيثانول والماء بتركيز إيثانول 60% (v/v) مناسبًا للاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية لمركبات مثل الأبيجينين والبايكالين واللوتيولين.
اقرأ المزيد عن المذيبات وقطبيتها والمذيبات الأنسب للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية!

الماء كمذيب للاستخلاص

الماء هو المذيب الأكثر قطبية، وهو مناسب لاستخلاص نطاق واسع من المركبات القطبية. وتشمل مزاياه الرئيسية القدرة على إذابة نطاق واسع من المواد. إضافةً إلى ذلك، فهو رخيص وغير سام وآمن وغير قابل للاشتعال. وتشمل عيوبه الانتقائية الشديدة للمركبات القطبية بسبب قطبيته العالية. وبسبب درجة غليانه المرتفعة البالغة 100°C، يتطلب تركيز المستخلص (مثلًا بالتقطير أو التبخير الدوار) كمية كبيرة من الطاقة. إضافةً إلى ذلك، فإن الماء عرضة لنمو البكتيريا والعفن.

تردد الموجات فوق الصوتية

ثبت أن تردد الموجات فوق الصوتية الذي يقارب 20kHz هو الأقوى والأكثر كفاءة للاستخلاص النباتي. ويؤثر هذا التردد في كفاءة الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية عند استخلاص المركبات الطبية من النباتات. وبوجه عام، يولد التردد فوق الصوتي المنخفض (أي نحو 20kHz) تجويفًا أشد (تأثيرات ميكانيكية صوتية)، مما يؤدي إلى فعالية أعلى لإجراء الاستخلاص.

المادة النباتية

يمكن أن تختلف المواد النباتية بدرجة كبيرة في بنية خلاياها وصلابتها. وبحسب تركيب جدار الخلية، الذي قد يحتوي على السليلوز والهيميسليلوزات واللجنين وعديدات السكاريد البكتينية والبروتينات والمركبات الفينولية وغير السليلوزية والماء، قد تكون جدران الخلايا متينة أو لينة. وتحتوي أنواع النباتات وأجزاؤها المختلفة على أنواع وكميات مختلفة من مكونات جدار الخلية هذه. ولذلك، يتطلب كل نوع من النباتات معلمات معالجة محددة للحصول على نتائج استخلاص مثلى.
وبما أن الشدة قابلة للضبط بدقة، تستطيع أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من Hielscher كسر جدران الخلايا اللينة والصلبة بصورة موثوقة. وقد تتطلب جدران الخلايا اللينة معالجة أقل شدة بالموجات فوق الصوتية، بينما تستفيد البنى الخلوية المتينة من معالجة أشد.
يمكن أن تكون المادة الخام للاستخلاص النباتي محصودة حديثًا (رطبة) أو مجففة. والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية مناسب للنباتات الطازجة/الرطبة والمجففة على حد سواء. ويُعد حجم جسيمات المواد النباتية الصلبة عاملًا مهمًا آخر: فزيادة مساحة السطح (أي صغر حجم الجسيمات) مفيدة لأنها توفر مساحة تماس كبيرة لقوى القص الناتجة عن التجويف فوق الصوتي، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى. ولذلك، تُنقع المادة النباتية أو تُطحن لتصبح قطعًا صغيرة (نحو 3–5mm).

لماذا يُعد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية أفضل طريقة؟

الكفاءة

• مردود أعلى
• عملية استخلاص سريعة – خلال دقائق
• مستخلصات عالية الجودة – استخلاص لطيف وغير حراري
• مذيبات خضراء (الماء، والإيثانول، والغليسرين، والزيوت النباتية، وNADES، وغيرها)

البساطة

• التوصيل والتشغيل – التجهيز والتشغيل خلال دقائق
• معدل معالجة مرتفع – لإنتاج المستخلصات على نطاق واسع
• تشغيل بنمط الدفعات أو تشغيل مستمر ضمن خط الإنتاج
• تركيب وبدء تشغيل بسيطان
• قابل للحمل / النقل – وحدات محمولة أو مثبتة على عجلات
• توسع خطي – أضف نظامًا آخر للموجات فوق الصوتية بالتوازي لزيادة القدرة
• المراقبة والتحكم عن بُعد – عبر حاسوب شخصي أو هاتف ذكي أو جهاز لوحي
• لا تتطلب العملية إشرافًا – جهّز وشغّل
• أداء عالٍ – مصمم للإنتاج المستمر 24/7
• المتانة وقلة متطلبات الصيانة
• جودة عالية – مصمم ومصنع في ألمانيا
• تحميل وتفريغ سريعان بين الدفعات
• سهل التنظيف

السلامة

• تشغيل بسيط وآمن
• استخلاص من دون مذيبات أو باستخدام مذيبات (الماء، والإيثانول، والزيوت النباتية، والغليسرين، وغيرها)
• من دون ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة
• تتوفر أنظمة مقاومة للانفجار معتمدة وفق ATEX
• سهل التحكم (أيضًا عبر التحكم عن بُعد)

المؤلفات / المراجع

• Ping-ping Huang, Ri-fu Yang, Tai-qiu Qiu, Wei Zhang & Chun-mei Li (2010): Ultrasound-Enhanced Subcritical Water Extraction of Volatile Oil from Lithospermum erythrorhizon. Separation Science and Technology, 45:10, 1433-1439.
• Zabot, G. L., Viganó, J., & Silva, E. K. (2021): Low-Frequency Ultrasound Coupled with High-Pressure Technologies: Impact of Hybridized Techniques on the Recovery of Phytochemical Compounds. Molecules, 26(17), 2021. 5117.
• Li, Ying; Chemat, Farid (2019): Plant Based “Green Chemistry 2.0”: Moving from Evolutionary to Revolutionary. Springer Science 2019.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk (2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.