Високоефективно извличане на вода с помощта на силов ултразвук

Извличането на вода от ботанически съединения (напр. извличане на студена или топла вода, извличане на вода под налягане и извличане на подкритична вода) може да бъде ефективно подобрено чрез ултразвук. Ултразвуковата екстракция на вода не само дава по-високи добиви и намалява времето за обработка, но също така води до по-ниска консумация на енергия, по-меки условия на екстракция и висококачествени екстракти в сравнение с конвенционалните техники за екстракция. Ултразвуковата екстракция на вода се използва успешно за извличане на множество съединения от растителен произход, включително алкалоиди, флавоноиди, гликозиди, фенолни съединения и полизахариди.

Ултразвукова водна екстракция на биоактивни съединения

Водата е най-полярният разтворител, което я прави чудесен разтворител за полярни съединения. Поради нетоксичната и екологична природа, водата би била идеалният разтворител за всеки ботанически екстракт. Въпреки това, по-малко полярните и неполярните компоненти се разтварят слабо или изобщо не се разтварят във вода. Освен това, без насърчаване на масовия трансфер, процесът на извличане във вода би бил невероятно бавен и следователно неикономичен. Високоинтензивният, нискочестотен ултразвук е много ефективна техника за екстракция, която осигурява интензивно смесване и пренос на маса. Следователно ултразвуковата екстракция е добре известна, че осигурява значителни предимства пред конвенционалните методи за екстракция. Тези предимства включват по-високи добиви, бърза обработка, бърз бърз оборот на партиди, както и непрекъсната вградена екстракция, използване на зелени разтворители, меки условия на екстракция, които запазват екстрактните съединения, безопасност при работа и лесна мащабируемост до големи производителност за търговско производство. (срв. Zabot et al., 2021)

Извличането на гореща вода, подобрено чрез ултразвук

Параметрите, които определят извличането на растителни продукти по време на извличане на вода, са температура, време, налягане и повърхност на растителния материал. Екстракт от гореща вода може да се приготви за сравнително кратък период от време поради високата температура на водата.
Решението: Добивът и скоростта на екстракция могат да бъдат значително подобрени при ултразвуково разбъркване. Горещата вода сама по себе си има само ограничена способност да разрушава клетъчните структури и високите температури често увреждат или унищожават топлинно-лабилните съединения, така че качеството на екстракта страда. Когато ултразвуковата екстракция се комбинира с екстракция с гореща вода, температурата може да бъде драстично намалена (напр. от 100°C до 50°C), което предотвратява термичното разграждане на извлечените растителни съставки, увеличава общия добив и спестява енергия. Ултразвуковата кавитация е принципът зад феномена ултразвукова екстракция. Ултразвуковата (или акустично) кавитация са чисто механични сили, които разрушават клетъчните стени, освобождават целевите съединения и подобряват преноса на маса между вътрешността на клетката и водата (разтворител). По този начин ултразвуковата екстракция на вода осигурява отлични резултати при екстракцията.

Извличането на студена вода, подобрено чрез ултразвук

Екстракцията със студена вода (инфузия със студена вода) е значително по-неефективна, тъй като се избягва използването на топла вода. Студената вода или водата със стайна температура не извлича много добре растителните съединения, тъй като студената вода се накисва много бавно в растителния материал и преносът на маса е почти незначителен. Предимството на извличането на студена вода се крие в избягването на всякакво повишаване на температурата, като по този начин се предотвратява термичното разграждане на чувствителните към топлина съединения. Въпреки това, много лошата динамика на извличане прави конвенционалното извличане на студена вода непрактично за търговско производство. Ето защо инфузията със студена вода се използва почти изключително в експериментален етап поради бавността и неефективността.
Решението: С въвеждането на ултразвук в екстракцията със студена вода бавността и неефективността на накисването със студена вода могат лесно да бъдат преодолени. Ултразвуково засилената екстракция със студена вода позволява да се поддържат температурите на студена екстракция, като същевременно се свързват интензивните сили на срязване в твърдо-течната среда. В резултат на ултразвуковия механизъм за екстракция клетъчните стени се отварят и растителните съединения бързо се освобождават във водата. Ултразвуковата екстракция и инфузия със студена вода превръща студеното накисване във високоефективен процес, осигуряващ високи добиви, висококачествени екстракти за кратко време на екстракция.

Извличане на вода под налягане, комбинирано с ултразвук

Ултразвуковата екстракция се характеризира с микросмесване, което чрез вибрации насърчава по-голяма дифузия на разтворителя в частицата и от вътрешността на частицата към повърхността, засилвайки преноса на маса. Освен това ултразвукът намалява размера на частиците на клетъчния материал, което води до подобрени ефекти от ултразвуково подпомогната екстракция на течност под налягане. По-малките частици от приблизително 0,68 mm показват по-висок добив от по-големите частици (приблизително 1,05 mm), тъй като по-голямата повърхност позволява значително увеличен пренос на маса и по този начин подобрен добив на екстракция. (срв. Zabot et al., 2021)

Ефективна екстракция на студена вода под налягане с мощен ултразвук

Под високо налягане проникването на студена вода в растителните тъкани се улеснява и водоразтворимите фитохимикали се разтварят, без да причиняват термично разлагане. Методът на екстракция със студена вода под високо налягане може да бъде съчетан с ултразвук за подобрена изолация на полярни и неполярни ботанически съставки. Водата като нетоксичен, евтин и екологичен разтворител е привлекателна алтернатива на органичния разтворител, особено когато става въпрос за производство на храни от растителен произход, терапевтични средства и хранителни добавки.
За ултразвуково засилено извличане на студена вода под налягане ултразвукова сонда (сонотрод) е интегрирана в резервоара за извличане или проточната клетка. Резервоарът или проточната клетка обикновено са под налягане с налягане между 5 и 100 barg в зависимост от целевите екстрактни съединения. Hielscher Ultrasonics доставя дори персонализирани индустриални ултразвукови реактори и проточна клетка, които могат да бъдат под налягане до 300 бара, което позволява да се зададе оптималното налягане на вашия процес на извличане.
 

Извличането на свръхкритична вода е подобрено чрез уникиране

Ултразвуковото извличане на подкритична вода е друга синергична техника, при която мощният ултразвук подобрява преноса на маса между твърдо и течно. Извличане на подкритични води (SWE) – известен също като извличане на гореща вода под налягане или екстракция на прегрята вода – е по-рядко използвана техника за извличане на ботанически съединения с по-ниска полярност. При извличането на подкритична вода водата в нейното свръхкритично състояние се използва като разтворител.
Какво е подкритична вода и защо подкритичната вода е добър разтворител за извличане на по-малко полярни растителни съединения? "Водата притежава много термодинамични свойства, силно повлияни от температурата и налягането. В зависимост от условията, неговото физическо състояние (твърдо, течно или газообразно), топлинно поведение, плътност или вискозитет могат да бъдат променени. Чрез повишаване на температурата и налягането над точка, известна като критична точка (определена при 221 бара и 374 °C), водата може да достигне свръхкритично състояние. При подкритични условия, съответстващи на температури между 100°C и критична температура (374°C) и налягане между 1 bar и критично налягане (221 bar), за да се избегне изпаряване, полярността на водата намалява; Това прави водата по-добър разтворител за извличане на различни органични биоактивни съединения." (Ли и Чемат, 2019)
Когато ултразвукът се комбинира с подкритична екстракция на вода, ефективността на извличането може да бъде подобрена чрез увеличаване на добива на екстракт и намаляване на времето за екстракция. За оптимални резултати налягането в затворения реактор под налягане или реактора с поточна клетка трябва да достигне поне два пъти по-високо от налягането на парите на водата. (Можете да намерите таблица на налягането на парите на водата в края на тази страница.)
Huang et al. (2010) изследват ефектите на извличане на нискочестотен ултразвук с висока мощност в комбинация със субкритична екстракция на вода. Следователно ултразвукова сонда се свързва в чайника на устройството за подкритична екстракция на вода, за да се извлече летливо масло от Lithospermum erythrorhizon. Резултатите показват, че ефектът на ултразвук от 20 KHz е по-добър от този на 36 KHz и се увеличава с изходната мощност (от 0 до 250 W). Добивът на подкритична вода се увеличава от 1,87% на 2,39% чрез ултразвуково трептене (250 W, 20 KHz) при температура 160°C и налягане 5 MPa по време на 25-минутна екстракционна процедура. Ултразвукът може да подобри не само добива на екстракция, но и скоростта на екстракция, като по този начин спестява време.
Ултразвуково подпомаганата подкритична вода извличане може да се извършва при по-ниско налягане (напр. 5barg) от конвенционалната субкритична екстракция на вода (напр. 10MPa), което спестява разходи за енергия и прави процедурата за извличане по-безопасна.

Предимствата на ултразвуковата ботаническа екстракция

Както научните изследвания, така и промишлените приложения показват, че ултразвуковата екстракция е надеждна и лесна за работа техника, която не изисква техническо образование или интензивно обучение. Много висока ефективност на извличане, високи добиви, ниски експлоатационни разходи, както и ниски инвестиционни разходи (особено в сравнение с други техники като CO₂ екстрактори) и ниските разходи за енергия са основните предимства на ултразвуковите екстрактори тип сонда.
Други предимства, които превръщат технологията за ултразвукова екстракция в предпочитан метод, са висококачествени екстракти поради ниски температури на екстракция, надеждни резултати (повторяемост / възпроизводимост), напълно линейна мащабируемост до всяко производствено ниво, както и ниска поддръжка.
"Други предимства, свързани с използването на ултразвукова екстракция тип сонда, са лесна работа с екстракта, бързо изпълнение, без остатъци, висок добив, екологичност, подобрено качество и предотвратяване на разграждането на екстракта."
(срв. Chemat and Khan, 2011)

Настройка за екстракция за ботаническа изолация: Ултразвуков ултразвуков UP400ST тип сонда, вакуумен филтър Büchi и ротор-изпарител за извличане на фитохимикали.

Високоефективни ултразвукови апарати за извличане на вода

Екстракторите Hielscher Ultrasonics са добре утвърдени в областта на растителната екстракция, без значение какъв разтворител се използва. Производители на екстракти – както по-малки, ексклузивни производители на екстракти, така и големи масови производители – намерете в широкото портфолио от оборудване на Hielscher идеалното оборудване за ултразвукова екстракция за техните производствени изисквания. Партидните настройки, както и непрекъснатите вградени процеси са лесно достъпни и могат да бъдат изпратени от рафта. Подходяща за работа с всеки разтворител, ултразвуковата екстракция може да се прилага гъвкаво за извличане на всякакъв растителен материал. Използването на вода като разтворители позволява да се произвеждат органично сертифицирани екстракти без използването на изключително скъп "органичен" етанол. (Разбира се, растителният материал трябва да бъде органично отгледан, за да се получи органичен воден екстракт).

Високоефективна екстракция с ултразвук на Hielscher

Ултразвуковите екстрактори на Hielscher ефективно разрушават растителните клетки, увеличават повърхността на растителния материал за проникване на разтворител и масов трансфер за освобождаване на фитохимикали (вторични метаболити). Проектирани по отношение на удобството за използване, екстракторите Hielscher се инсталират бързо и могат да бъдат безопасни и интуитивно управлявани.

Изпълнение на най-високи стандарти за качество – Предназначени & Произведено в Германия

Усъвършенстваният хардуер и интелигентен софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждни резултати от ултразвуковата екстракция от вашата растителна суровина с възпроизводими резултати и лесна и безопасна работа. Здравина, надеждност, работа 24/7 при пълно натоварване и лесна работа от гледна точка на работника са допълнителни фактори за качество, които правят ултразвуковите апарати Hielscher благоприятни.
Екстракторите Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят за висококачествена фитохимична екстракция. Доказано произвеждат висококачествени растителни съединения, ултразвуковите екстрактори на Hielscher се използват не само от по-малки занаятчии на специални и бутикови екстракти, но най-вече в промишленото производство на широко достъпни в търговската мрежа екстракти, хранителни добавки и терапевтични средства. Благодарение на здравия си хардуер и интелигентен софтуер, ултразвуковите процесори на Hielscher могат лесно да се управляват и наблюдават.

Автоматично протоколиране на данни

За да се изпълнят стандартите за производство на храни, хранителни добавки и терапевтични продукти, производствените процеси трябва да бъдат подробно наблюдавани и записани. Цифровите ултразвукови устройства на Hielscher Ultrasonics разполагат с автоматично протоколиране на данни. Благодарение на тази интелигентна функция, всички важни параметри на процеса като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), температура, налягане и време се съхраняват автоматично на вградена SD-карта веднага след включване на устройството. Мониторингът на процеса и записването на данни са важни за непрекъснатата стандартизация на процеса и качеството на продукта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да преразгледате предишни пускания на ултразвук и да оцените резултата.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление на браузъра на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционно управление на браузъра можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате вашия ултразвуков процесор дистанционно отвсякъде.
Искате ли да научите повече за предимствата на ултразвуковото извличане на вода от растителни материали? Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес на производство на ботанически екстракт! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за ултразвуковата екстракция, нашите ултразвукови системи и цени!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Техническа информация за ултразвуковото извличане на вода

Конвенционалните методи за екстракция като мацерация, инфузия, перколация, отвара, рефлуксна екстракция, парна дестилация, сублимация и пресоване обикновено се използват при извличането на лекарствени съединения от растения. Недостатъците на тези методи включват отнемащ време процес, лоша чистота и ниска ефективност.

Параметри на процеса, влияещи върху ултразвуковата екстракция

Ултразвуковата екстракция е известна със своите уникални характеристики и предимства, които правят ултразвука по-добрата техника за екстракция в сравнение с конвенционалните методи за извличане на растителни съединения. Основно предимство на ултразвуковата екстракция се крие в прецизната адаптивност на ултразвуковите фактори на обработка (като амплитуда, време, температура, налягане), което позволява да се настрои ултразвуковият процес оптимално към целевото съединение. Всеки растителен материал има идеални параметри на екстракция, при които се постига най-добър добив, качество и скорост на екстракция. Процесът на ултразвукова екстракция позволява перфектно да се адаптират тези оптимални условия на екстракция.

Ултразвукова амплитуда

Амплитудата е вибрационното изместване на ултразвуковата сонда (сонотрод). Колкото по-висока е амплитудата, толкова по-интензивни са вибрациите и кавитацията в ултразвуковата течност. Hielscher Ultrasonics е специализиран във високоефективни ултразвукови апарати тип сонда, които могат да доставят прецизно регулируеми амплитуди. Персонализираните сонди, които могат да доставят до 200 μm при непрекъсната работа 24/7, са лесно достъпни от рафта. За още по-високи амплитуди могат лесно да се произвеждат и персонализирани ултразвукови сонотроди.
Амплитудата е една – ако не най-единственият – важен параметър за ефективно извличане на растения. Високите амплитуди създават необходимите сили за разбиване на клетъчните стени и освобождаване на вътреклетъчния материал. По този начин високоефективният ултразвук става толкова ефикасен при ботаническа екстракция.

Време / продължителност на ултразвуковото лечение

Ултразвуковата екстракция обикновено е много по-кратка от традиционните методи, тъй като ултразвукът освобождава ботаническите съединения със значително по-високи скорости на екстракция. Ултразвукът позволява по-кратки процедури за екстракция, което запазва извлечените съединения от прекомерна обработка. По-кратката обработка поради ултразвука означава по-висока производителност и по-високо качество на екстракта.

Импулсно ултразвуково лечение

Ултразвуковата пулсация е режим на лечение, при който ултразвуковото лечение се прекратява чрез определени цикли на пауза (напр. 50% работен цикъл: 30 сек. ВКЛ., 30 сек. ИЗКЛ.; 100% работен цикъл: непрекъснато ултразвуково озвучаване без паузи) Работният цикъл на ултразвука (известен също като импулсен режим или ултразвукови пулсационни цикли) се отнася до процента от времето, през което ултразвукът е свързан със средата (продължителност на импулса) за един импулсен период. Например, 50% режим на цикъл ще бъде 30 секунди ВКЛЮЧЕНО, 30 секунди ИЗКЛЮЧЕНО. По време на цикъла на пауза на работния цикъл ултразвуковата течност се връща за определено време (напр. 30 секунди) обратно в необезпокоявано състояние, което е добре за разсейване на топлината, за да се поддържа целевата температура на обработка. Работният цикъл на ултразвука е по-малко важен работен цикъл за ефективността на извличането, но се използва за поддържане на определена температура на процеса.

Хидростатично налягане

Налягането е друг много важен параметър за ултразвуковите процеси. Прилагането на хидростатично налягане върху ултразвуковата среда влияе върху интензивността на кавитацията. При условия на повишено налягане интензивността на ултразвуковата (акустично) кавитация се увеличава. Hielscher Ultrasonics предлага различни видове ултразвукови реактори и поточни клетки, които могат да бъдат под налягане за засилени резултати от ултразвука.

Температура на екстракция

Както всяка механична обработка, ултразвукът причинява повишаване на температурата, което е в съответствие с 2-рия закон на термодинамиката. Независимо от това, ултразвукът е нетермична техника на обработка, тъй като лечението с помощта на ултразвук се основава на чисто механични сили (наричани още сономеханични сили). Температурата на екстракция по време на ултразвукова екстракция може ефективно да се контролира и поддържа в определен избран температурен диапазон. Всички цифрови ултразвукови процесори на Hielscher са оборудвани с щепселен температурен сензор и интелигентен софтуер, където може да се зададе определен температурен диапазон за процеса. Всеки път, когато този температурен диапазон бъде надвишен, ултразвукораздвижителят прави пауза, докато температурата отново е в избрания диапазон и след това автоматично продължава процедурата за ултразвук. Тази интелигентна функция на ултразвуковите апарати Hielscher позволява прецизно контролируем процес на ултразвук и идеални резултати.
Тъй като температурата на екстракция може да бъде различна при всяко растително съединение и растение, температурата е важен фактор, който не трябва да се пренебрегва при ултразвуковата оптимизация на процеса. Например, установено е, че 80°C е идеално за постигане на максимален добив на флавоноиди от Sophora flavescens, докато най-добри резултати са получени при 50°C за извличане на арабиноксилан от пшенични трици.

Използвайте всеки разтворител за ултразвукова екстракция

Различните ботанически съединения имат различни полярности, които влияят върху тяхната разтворимост в различни разтворители. Например, сапонините и полизахаридите са по-полярни и следователно показват добра разтворимост във вода, тъй като водата е силно полярна. Фенолните съединения като антоцианини и хлорогенова киселина, от друга страна, са доста неполярни и следователно се разтварят по-добре по-малко полярен разтворител като етанол. По този начин изборът на разтворител трябва да се направи в съответствие с разтворимостта на целевите съединения, за да се получи висока ефективност на екстракция. Например, водата е добър разтворител за извличане на полярни съединения като псилоцибин от гъби, както и олигозахариди, гликозиди и флаваноиди; докато смес от етанол и вода с концентрация на етанол 60% (V/V) е подходяща за ултразвуково подпомагана екстракция например на съединения на апигенин, байкалин и лутеолин.
Прочетете повече за разтворителите, полярността на разтворителя и най-подходящите разтворители за ултразвукова екстракция!

Водата като екстракционен разтворител

Водата е най-полярният разтворител и е подходяща за извличане на широк спектър от полярни съединения. Основните му предимства включват способността за разтваряне на широк спектър от вещества. Освен това е евтин, нетоксичен, безопасен и незапалим. Недостатъците му включват силната селективност за полярни съединения поради високата му полярност. Поради високата си точка на кипене от 100°C, концентрацията на екстракта (напр. чрез дестилация или роторно изпаряване) изисква голямо количество енергия. Освен това водата е склонна към растеж на бактерии и плесени.

Ултразвукова честота

Ултразвуковата честота около 20kHz е установена като най-мощна и ефективна за ботаническа екстракция. влияе върху ефективността на ултразвуковата екстракция при извличането на лекарствени съединения от растения. Като цяло ниската ултразвукова честота (т.е. при приблизително 20kHz) генерира по-интензивна кавитация (сономеханични ефекти), което води до по-висока ефикасност на процедурата за екстракция.

Растителният материал

Растителните материали могат да варират значително по структура и твърдост на клетките си. В зависимост от състава на клетъчната стена, която може да съдържа целулоза, хемицелулози, лигнин, пектинови полизахариди, протеини, фенолни и нецелулозни съединения и вода, клетъчните стени могат да бъдат здрави или меки. Различните видове растения и части съдържат различни видове и количества от тези компоненти на клетъчната стена. Ето защо всеки тип инсталация изисква специфични параметри на обработка за оптимални резултати от екстракцията.
Тъй като интензивността може да бъде прецизно настроена, ултразвуковите екстрактори на Hielscher могат надеждно да разрушават меки и твърди клетъчни стени. Меките клетъчни стени може да се нуждаят от по-малко интензивна ултразвукова обработка, докато здравите клетъчни структури се възползват от по-интензивно лечение.
Суровината за ботаническа екстракция може да бъде прясно събрана (мокра) или изсушена. Ултразвуковата екстракция е подходяща както за пресни/мокри, така и за сушени растения. Размерът на частиците на твърдите частици в растението е друг важен фактор: Голямата повърхност (т.е. малкият размер на частиците) е от полза, тъй като осигурява голяма контактна площ за ултразвуковите кавитационни сили на срязване, което води до по-висока ефективност. Поради това растителният материал се мацерира или смила на малки парченца (приблизително 3-5 мм).

Защо ултразвуковата екстракция е най-добрият метод?

Ефективност

• по-високи добиви
• Бърз процес на екстракция – в рамките на минути
• Висококачествени екстракти – Мека, нетермична екстракция
• Зелени разтворители (вода, етанол, глицерин, растителни масла, NADES и др.)

Простота

• Plug-and-play – Настройте и работете за минути
• Висока производителност – За широкомащабно производство на екстракти
• Партидна или непрекъсната поточна работа
• Лесен монтаж и стартиране
• Преносими / подвижни – преносими единици или изградени на колела
• Линейно мащабиране – добавете още една ултразвукова система паралелно, за да увеличите капацитета
• Дистанционно наблюдение и управление – чрез компютър, смартфон или таблет
• Не се изисква контрол на процеса – Настройка и работа
• Висока производителност – проектиран за непрекъснато 24/7 производство
• Здравина и ниска поддръжка
• високо качество – проектирани и произведени в Германия
• Бързо товарене и разтоварване между партидите
• Лесен за почистване

Безопасност

• Лесен и безопасен за работа
• Екстракция без разтворител или на основата на разтворители (вода, етанол, растителни масла, глицерин и др.)
• Без високи налягания и температури
• Предлагат се сертифицирани от ATEX взривозащитени системи
• Лесен за управление (също и чрез дистанционно управление)

Литература / Препратки