Високоефективна екстракция на вода с помощта на мощност-ултразвук

Екстракцията на вода на ботанически съединения (например, екстракция на студена или гореща вода, екстракция на вода под налягане и субкритична екстракция на вода) може да бъде ефективно подобрена чрез ултразвук. Екстракцията на вода, подпомагана с ултразвук, не само дава по-високи добиви и намалява времето за обработка, но и води до по-нисък разход на енергия, по-меки условия на екстракция и висококачествени екстракти, когато се сравнява с конвенционалните техники за екстракция. Ултразвуковата екстракция на вода се използва успешно за извличане на множество растителни производни съединения, включително алкалоиди, флавоноиди, гликозиди, фенолни съединения и полизахариди.

Ултразвукова екстракция на вода на биоактивни съединения

Водата е най-полярният разтворител, което го прави чудесен разтворител за полярни съединения. Поради е нетоксична и екологична природа, водата би била идеалният разтворител за всеки ботанически екстракт. По-малко полярните и неполярните компоненти обаче са слабо или изобщо не се разтварят във вода. Освен това, без никаква промоция на масовия трансфер, процесът на екстракция във вода би бил невероятно бавен и по този начин неикономичен. Високоинтензивният, нискочестотен ултразвук е много ефективна техника за екстракция, която осигурява интензивно смесване и масов трансфер. Ето защо ултразвуковата екстракция е добре известна, за да осигури значителни предимства пред конвенционалните методи за екстракция. Тези предимства включват по-високи добиви, бърза обработка, бързи бързи партидни обороти, както и непрекъсната инлайн екстракция, използването на зелени разтворители, леки условия на екстракция, които запазват съединенията на екстракта, безопасността при експлоатация, както и лесна мащабируемост до големи пропускателни средства за търговско производство. (срв. Забот и др., 2021 г.)

Извличане на гореща вода Подобрено от ултразвук

Параметрите, които определят извличането на ботаници по време на екстракцията на вода са температура, време, налягане, и повърхностна площ на растителен материал. Екстракт от гореща вода може да се приготви по време на сравнително кратка продължителност поради високата температура на водата.
Решението: Добивът и скоростта на екстракция могат да бъдат значително подобрени, когато се прилага ултразвуково разбъркване. Горещата вода сама по себе си има само ограничена способност да разбива клетъчните структури и високите температури често увреждат или унищожават топлолабилните съединения, така че качеството на екстракта да страда. Когато ултразвуковата екстракция се комбинира с екстракция с гореща вода, температурата може да бъде драстично намалена (например от 100°C до 50°C), което предотвратява термично разграждане на извлечените ботанически съставки, увеличава общия добив и пести енергия. Ултразвуковата кавитация е принципът зад феномена на ултразвукова екстракция. Ултразвукова (или акустична) кавитация са чисто механични сили, които чупят клетъчните стени, освобождават целевите съединения и подобряват масовия трансфер между клетъчния интериор и водата (разтворителя). По този начин ултразвуковата екстракция на вода осигурява отлични резултати от екстракцията.

Екстракция на студена вода Подобрена от ultrasonication

Екстракцията на студена вода (инфузия със студена вода) е значително по-неефективна, тъй като се избягва използването на гореща вода. Студената или стайна температура вода не извлича ботанически съединения много добре, тъй като студената вода е напоена наистина бавно в растителния материал и масовия трансфер е почти незначителен. Предимството на екстракцията на студена вода се крие в избягването на всяко покачване на температурата, като по този начин се предотвратява топлинното разграждане на топлинно чувствителни съединения. Много лошата динамика на извличане обаче прави конвенционалната екстракция на студена вода неопровержима за търговско производство. Ето защо инфузията със студена вода се използва почти изключително в експериментален стадий поради е бавност и неефективност.
Решението: С въвеждането на ултразвук в екстракцията на студена вода, бавността и неефективността на накисването на студена вода могат лесно да бъдат преодолени. Ултразвуково засилената екстракция на студена вода позволява да се поддържат температурите на екстракция на студа, въпреки че свързването на интензивни сили на срязване в твърдо-течната среда. В резултат на механизма за ултразвукова екстракция се отварят клетъчни стени и ботаническите съединения бързо се освобождават във водата. Ултразвуковата екстракция и инфузия със студена вода превръща студеното накисване в силно ефикасен процес, даващ високи добиви, висококачествени екстракти в рамките на кратко време за екстракция.

Екстракция на вода под налягане, комбинирана с Ултразвукова

Ултразвуковата екстракция се характеризира с микро-смесване, което чрез вибрации, насърчава по-голяма дифузия на разтворителя в частиците и от вътрешността на частиците към повърхността, засилвайки масовия трансфер. Освен това ултразвукът намалява размера на частиците на клетъчния материал, което води до подобрени ефекти на ултразвуково подпомогнатото извличане на течност под налягане. По-малките частици от приблизително 0,68 mm показват по-високи добиви от по-големите частици (прибл. 1,05 mm), тъй като по-висока повърхност позволява значително увеличен трансфер на маса и по този начин подобрени добиви на екстракция. (срв. Забот и др., 2021 г.)

Ефикасна екстракция със студена вода под налягане с мощност-ултразвук

При високо налягане проникването на студена вода в растителните тъкани се улеснява и водоразтворимите фитохимикули се разтварят, без да се причинява термично разлагане. Методът за екстракция на студена вода под високо налягане може да бъде съчетан с ултразвук за подобрена изолация на полярни и неполярни ботанически съставки. Водата като нентоксичен, евтин, и екологичен разтворител е привлекателна алтернатива на органични разтворител, особено когато става въпрос за производството на растителна получени храна, терапевтични, и хранителни добавки.
За ултразвуково усилена екстракция със студена вода под налягане се интегрира ултразвукова сонда (сонотрод) в резервоара за екстракция или поточната клетка. Резервоар или поточна клетка обикновено се херметизират с налягания между 5 и 100 барг в зависимост от целевите екстракт съединения. Hielscher Ultrasonics доставя дори персонализирани индустриални ултразвукови реактори и поточна клетка, които могат да под налягане до 300barg позволяващи да зададете оптималното налягане на вашия процес на екстракция.

Свръхкритична екстракция на вода Подобрена от ултразвук

Ултразвуково засилено субкритично извличане на вода е друга синергична техника, където ултразвукът на мощност подобрява масовия трансфер между твърдо и течно. Субкритично-водна екстракция (SWE) – известен също като екстракция с гореща вода под налягане или суперзагрята екстракция на вода – е по-рядко използвана техника за извличане на ботанически съединения с по-ниска полярност. При субкритично-водната екстракция водата в нейното свръхкритично състояние се използва като разтворител.
Какво представлява субкритичната вода и защо субкритичната вода е добър разтворител за екстракция на по-малко полярни растителни съединения? "Водата притежава много термодинамични свойства, силно повлияни от температурата и налягането. В зависимост от условията може да се модифицира физическото му състояние (твърдо, течно, или газово), термично поведение, плътност или вискозитет. Чрез повишаване на температурата и налягането над точка, известна като критична точка (определена при 221 bar и 374 °C), водата може да стигне до свръхкритичното състояние. При субкритични условия, съответстващи на температури между 100°C и критична температура (374°C) и налягане между 1 бар и критично налягане (221 bar), за да се избегне изпаряване, полярността на водата намалява; тя прави водата по-добър разтворител за екстракция на различни органични биоактивни съединения." (Li и Chemat, 2019)
Когато ултразвукът се комбинира с субкритична екстракция на вода, ефективността на екстракцията може да бъде подобрена чрез увеличаване на добива на екстракт и намаляване на времето за екстракция. За оптимални резултати налягането в затворения партиден реактор под налягане или реактора на поточната клетка трябва да достигне поне два пъти по-високо от парното налягане на водата. (Можете да намерите таблица с парното налягане на водата в края на тази страница.)
Huang et al. (2010) изследва ефектите на екстракция на нискочестотен, ултразвук с висока мощност в комбинация с субкритична екстракция на вода. Следователно ултразвукова сонда е съчетана в каната на субкритично устройство за екстракция на вода за извличане на летливи масла от Lithospermum erythrorhizon. Резултатите показаха, че ефектът на усилване с помощта на ултразвук от 20 KHz е по-добър от този на 36 KHz и се увеличава с изходна мощност (от 0 до 250 W). Субкритичният добив на екстракция на вода се увеличава от 1,87% на 2,39% чрез ултразвукова трептене (250 W, 20 KHz) при температура от 160°C и налягане от 5 MPa по време на 25-минутна процедура на екстракция. Ultrasonication може да подобри не само добива на екстракция, но и скоростта на екстракция по този начин спестяване на време.
Ултразвуково подпомаганата субкритична екстракция на вода може да се изпълнява при по-ниски налягания (напр., 5barg) от конвенционалната субкритична екстракция на вода (напр., 10MPa), което спестява енергийни разходи и прави процедурата за екстракция по-безопасна.

Предимствата на ултразвуковата ботаническа екстракция

И двете, научните изследвания и промишленото изпълнение демонстрират, че екстракцията, подпомагана с ултразвук, е надеждна и лесна за експлоатация техника, която не изисква технически фон или интензивно обучение. Много висока ефективност на екстракцията, високи добиви, ниски оперативни 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.
Допълнителни ползи, които превръщат технологията за ултразвукова екстракция в предпочитания 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 лесно боравене с екстракт, бързо изпълнение, без остатъци, висок добив, екологично, засилено качество и предотвратяване на разграждането на екстракта."
(срв. Chemat и Khan, 2011)

Настройка на екстракцията за ботаническа изолация: ултразвуков тип сонда UP400St, Бючи вакуумен филтър и ротор-изпарител за екстракция на фитохимикъли.

Ултразвукови уреди с висока производителност за екстракция на вода

Hielscher Ultrasonics екстрактори са добре установени в областта на ботаническата екстракция, без значение какъв разтворител се използва. Производители на екстракти – и двете, по-малки, изключителни производители на екстракт от ниши, както и широкомащабни масови производители – намерите в hielscher' широко портфолио оборудване идеалното ултразвуково оборудване за извличане за техните производствени изисквания. Пакетните, както и настройките на непрекъснатия инлайн процес са лесно достъпни и могат да бъдат експедирани извън рафта. Подходящ за работа с всеки разтворител, ултразвуковата екстракция може гъвкаво да се прилага за всяка екстракция на растителен материал. Използването на вода като разтворители позволява да се произвеждат сертифицирани по биологичен начин екстракти без използването на високо скъп "органичен" етанол. (Разбира се, растителният материал трябва да бъде органично отглеждан ред за производство на био воден екстракт).

Висока ефективност извличане с Hielscher ултразвук

Hielscher Ултразвукови екстрактори ефективно нарушават растителни клетки, увеличаване на площта на повърхността на растителния материал за проникване на разтворител, и масов трансфер за освобождаването на фитохимикъли (вторични метаболити). Проектирани по отношение на удобното за ползване, екстракторите Hielscher бързо се инсталират и могат да бъдат безопасни и интуитивно управлявани.

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

Изтънчения хардуер и интелигентният софтуер на ultrasonicators Hielscher са предназначени да гарантират надеждни ултразвукови резултати от вашата ботаническа суровина с възпроизводими резултати и лесна за ползване, безопасна работа. Здравината, надеждността, 24/7 работа при пълно натоварване и проста работа от гледната точка на работника са по-нататъшни качествени фактори, които правят ultrasonicators Hielscher благоприятни.
Hielscher Ultrasonics екстрактори се използват в световен мащаб при висококачествена фитохимична екстракция. Доказано, че дава висококачествени ботанически съединения, Hielscher ултразвукови екстрактори не се използват само от по-малки занаятчии на специалност и бутикови екстракти, но най-вече в промишленото производство на широко търговски налични екстракти, хранителни добавки, и терапевтични. Поради здравия си хардуер и интелигентен софтуер, ултразвуковите процесори Hielscher могат лесно да се експлоатират и следят.

Автоматично протоколиране на данни

За да се изпълнят производствените стандарти на храните, хранителната добавка и терапевтичните продукти, производствените процеси трябва да бъдат подробно наблюдавани и записани. Hielscher Ultrasonics цифрови ултразвукови устройства разполагат с автоматично протоколиране на данни. Поради тази интелигентна функция всички важни параметри на процеса като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), температурата, налягането и времето автоматично се съхраняват върху вградена SD-карта веднага след като устройството е включено. Мониторингът на процесите и записването на данни са важни за непрекъснатата стандартизация на процесите и качеството на продукта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да ревизирате предишните sonication писти и да оцените резултата.
Друга лесна за употреба функция е дистанционното управление на браузъра на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционно управление на браузъра можете да започнете, спрете, регулирайте и наблюдавайте вашия ултразвуков процесор дистанционно от всяко място.
Искате да научите повече за предимствата на ултразвуковата екстракция на вода от растителни материали? Свържете се с нас сега, за да обсъдят вашия ботанически екстракт производствен процес! Нашият добре опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за ултразвуковата екстракция, нашите ултразвукови системи и ценообразуване!

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators:

Техническа информация за ултразвуковата екстракция на вода

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

Параметри на процеса, влияещи върху ултразвуковата екстракция

Ултразвуково подпомаганата екстракция е известна със своите уникални характеристики и предимства, които правят ултразвука превъзходната техника на екстракция, когато се сравнява с конвенционалните методи за екстракция на ботанически съединения. Основно предимство на екстракцията, подпомагана от ултразвук, се крие в точната адаптивност на ултразвуковите фактори за 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 степен на екстракция. Процесът на ултразвукова екстракция позволява да се адаптират тези оптимални условия на екстракция перфектно.

амплитуда ултразвукови

Амплитудата е вибрационното изместване на ултразвуковата сонда (сонотрод). Колкото по-висока е амплитудата, толкова по-интензивна е вибрацията и кавитацията в ултразвуковата течност. Hielscher Ultrasonics е spezialized в високопроизводителни сонда тип ultrasonicators, които могат да доставят точно регулируеми амплитуди. Персонализирани сонди, които могат да доставят до 200μm в непрекъсната 24/7 работа са лесно достъпни извън рафта. За още по-високи амплитуди, персонализирани ултразвукови сонотрови могат лесно да бъдат произведени, също.
Амплитудата е една – ако не едно-най- – важен параметър за ефективна екстракция на растенията. Високите амплитуди създават необходимите сили за разбиване на клетъчните стени и за освобождаване на вътреклетъчния материал. По този начин високопроизводителна ултразвукова става толкова ефикасна при ботаническата екстракция.

Време / Продължителност на ултразвуковото лечение

Екстракцията, подпомагана с ултразвук, обикновено е много по-кратка от традиционните методи, тъй като ултразвукът освобождава ботаническите съединения при значително по-високи проценти на екстракция. Ultrasonication позволява по-кратки процедури за екстракция, което запазва извлечените съединения срещу свръхобработката. По-кратката обработка поради ултразвук означава по-висока пропускателни способност и по-високо качество на екстракта.

Импулсна ултразвукова обработка

Ултразвуковата пулсация е режим на лечение, където ултразвуковото лечение се прекратява чрез дефинирани цикли на пауза (напр. 50% цикъл на митото: 30 сек. ON, 30 sec. OFF; 100% цикъл на митото: непрекъсната ултразвукова обработка без паузи) Цикълът на митото на ултразвука (известен също като импулсен режим или ултразвукови цикли на пулсация) се отнася до процента на времето, през което ултразвукът е съчетан в средата (продължителност на пулса) за един импулсен период. Например, 50% цикъл режим би бил 30 сек. ON, 30 сек. OFF. По време на цикъла на пауза на цикъл на мито, ултразвуковата течност идва за определено време (напр., 30 сек.) обратно в необезпокоявано състояние, което е добро за разсейване на топлината, за да се поддържа целева температура на обработка. Цикълът на митото на ултразвук е по-маловажен цикъл на митото за ефективност на екстракцията, но се използва за поддържане на определена температура на процеса.

Хидростатично налягане

Налягането е друг много важен параметър за ултразвукови процеси. Прилагането на хидростатично налягане върху ултразвуковата среда влияе на интензивността на кавитация. При условия на повишено налягане интензивността на ултразвуковата (акустична) кавитация се усилва. Hielscher Ultrasonics предлага различни видове ултразвукови партидни реактори и поточни клетки, които могат да бъдат херметизирани за засилени резултати от ултразвук.

Екстракция Температура

Подобно на всяко механично лечение, ултразвуковата обработка причинява покачване на температурата, което е в съответствие с 2-ри закон на термо-динамиката. Независимо от това, ултразвукът е техника за нетермично третиране, тъй като ултразвуково подпомаганите лечения се основават на чисто механични сили (наричани още сономеханични сили). Температурата на екстракция по време на ултразвукова екстракция може да бъде ефективно контролирана и поддържана в рамките на определен избран температурен диапазон. Всички цифрови ултразвукови процесори Hielscher са оборудвани с плъгин температурен сензор и интелигентен софтуер, където може да се зададе определен температурен диапазон за процеса. Винаги, когато този температурен диапазон е надвишен, ултразвуковият индикатор се паузира, докато температурата е в избрания диапазон отново и продължава след това автоматично процедурата за ултразвук. Тази интелигентна функция на ultrasonicators Hielscher позволява точно контролируем процес на ултразвук и идеални резултати.
Тъй като температурата на екстракция може да бъде различна всякакви ботанически съединения и растение, температурата е важен фактор, който не трябва да се пренебрегва по време на ултразвукова оптимизация на процеса. Например, 80°C е установено, че е идеален за постигане на максимален добив на флавоноиди от flavescens Sophora, въпреки че 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 на разтворимостта им в различни разтворители. Например сапонините и полизахаридите са по-полярни и показват следователно добра разтворимост във вода, тъй като водата е силно полярна. Фенолни съединения като антоцианини и хлорогенна киселина, от друга страна, са доста неполярни и се разтварят следователно по-добре по-малко полярен разтворител като етанол. По този начин изборът на разтворител трябва да се направи в съответствие с разтворимостта на целеви съединения, за да се получи висока ефективност на екстракция. Например, вода е добър разтворител за екстракция на полярни съединения като псилоцибин от гъби, както и олигозахариди, гликозиди, и флаваноиди; докато етанол-водна смес с и концентрация на етанол от 60% (v / v) е подходяща за ултразвуково подпомаганата екстракция на напр., апигенин, баикалин и лутеолин съединения.
Прочетете повече за разтворителите, полярността на разтворителите и най-подходящите разтворители за ултразвукова екстракция!

Вода като екстракционен разтворител

Водата е най-полярният разтворител и е подходяща за извличане на широка гама от полярни съединения. Основните му предимства включват способността за разтваряне на широк спектър от вещества. Освен това, тя е евтина, нентоксичен, безопасен, и невъзпалим. Недостатъците му включват силната селективност за полярни съединения поради високата си полярност. Поради високата си точка на кипене от 100°C концентрацията на екстракта (например чрез дестилация или ротор-изпарение) изисква голямо количество енергия. Освен това водата е склонна към бактериален и мухъл растеж.

Ултразвукова честота

Ултразвуковата честота около 20kHz е установена като най-мощна и ефективна за ботаническа екстракция. оказва въздействие върху ефективността на екстракцията, подпомагана с ултразвук, при извличането на лекарствени съединения от растенията. 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 силно по структура и твърдост на клетките си. В зависимост от състава на клетъчната стена, която може да съдържа целулоза, хемицелулози, лигнин, пектични полизахариди, протеини, фенолни и нецелулозни съединения, и вода, клетъчни стени могат да бъдат или здрави или меки. Различните видове растения и части съдържат различни видове и количества от тези компоненти на клетъчната стена. Ето защо всеки вид растение изисква специфични параметри за обработка за оптимални резултати от екстракцията.
Като интензивност може да бъде прецизно настроен, Hielscher ултразвукови екстрактори могат да бъдат надеждно счупи меки и твърди клетъчни стени. Меките клетъчни стени може да се нуждаят от по-малко интензивна ултразвукова обработка, въпреки че здравите клетъчни структури се възползват от по-интензивно лечение.
Суровината за ботаническа екстракция може да бъде прясно добита (мочна) или изсушена. Ултразвуковата екстракция е подходяща както за пресни / мокри, така и за сушени растения. Размерът на частиците на растителните твърди вещества е друг важен фактор: Висока повърхностна площ (т.е., малък размер на частиците) е от полза, тъй като осигурява голяма контактна област за ултразвуковите кавитационно срязване сили, което води до по-висока ефективност. Следователно растителният материал е мацеровъчен или смлян на малки парчета (прибл. 3-5мм).

Защо ултразвуковата екстракция е най-добрият метод?

ефективност

• по-високи добиви
• Бърз процес на екстракция – в рамките на минути
• Високо качество екстракти – мек, нетермичен добив
• Зелени разтворители (вода, етанол, глицерин, растителни масла, NADES и др.)

Простота

• Plug и Play – настройване и работа в рамките на минути
• Висока пропускателна способност – за производство на екстракт от голям мащаб
• Партида-мъдра или непрекъсната вградена операция
• Опростено инсталиране и стартиране
• Преносими/движими – преносими единици или построени на колела
• Линейна мащаб нагоре – Добавете друга ултразвукова система успоредно за увеличаване на капацитета
• Дистанционно наблюдение и контрол-чрез PC, смарт телефон или таблет
• Не се изисква контрол на процеса – настройване и изпълнение
• Високопроизводителните – проектирани за непрекъснато 24/7 производство
• Здравина и ниска поддръжка
• високо качество – проектирани и построени в Германия
• Бързо натоварване и разреждане между партидите
• Лесен за почистване

безопасност

• Прост и безопасен за бягане
• Екстракция с разтворител или разтворител на базата на разтворители (вода, етанол, растителни масла, глицерин и др.)
• Няма висок натиск и температури
• Сертифицирани системи за взривонепробиваем
• Лесен за управление (също и чрез дистанционно управление)

Литература / Препратки