Εξαιρετικά αποδοτική εκχύλιση με νερό με χρήση υπερήχων ισχύος

Η εκχύλιση φυτικών ενώσεων με νερό (π.χ. εκχύλιση με κρύο ή ζεστό νερό, εκχύλιση με νερό υπό πίεση και εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό) μπορεί να βελτιωθεί αποτελεσματικά με κατεργασία με υπερήχους. Η υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση με νερό όχι μόνο παρέχει υψηλότερες αποδόσεις και μειώνει τον χρόνο επεξεργασίας, αλλά επιτυγχάνει επίσης χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, ηπιότερες συνθήκες εκχύλισης και εκχυλίσματα υψηλής ποιότητας σε σύγκριση με τις συμβατικές τεχνικές εκχύλισης. Η εκχύλιση με νερό με χρήση υπερήχων χρησιμοποιείται επιτυχώς για την εκχύλιση πολυάριθμων ενώσεων φυτικής προέλευσης, όπως αλκαλοειδή, φλαβονοειδή, γλυκοσίδες, φαινολικές ενώσεις και πολυσακχαρίτες.

Εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων με νερό με χρήση υπερήχων

Το νερό είναι ο πιο πολικός διαλύτης, γεγονός που το καθιστά εξαιρετικό διαλύτη για πολικές ενώσεις. Λόγω του μη τοξικού και φιλικού προς το περιβάλλον χαρακτήρα του, το νερό θα ήταν ο ιδανικός διαλύτης για οποιοδήποτε φυτικό εκχύλισμα. Ωστόσο, τα λιγότερο πολικά και τα μη πολικά συστατικά διαλύονται ελάχιστα ή καθόλου στο νερό. Επιπλέον, χωρίς καμία ενίσχυση της μεταφοράς μάζας, η διαδικασία εκχύλισης με νερό θα ήταν εξαιρετικά αργή και, συνεπώς, οικονομικά ασύμφορη. Οι υπέρηχοι υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας αποτελούν μια πολύ αποδοτική τεχνική εκχύλισης, η οποία προσφέρει έντονη ανάμειξη και μεταφορά μάζας. Επομένως, η εκχύλιση με υπερήχους είναι ευρέως γνωστό ότι προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μεθόδων εκχύλισης. Σε αυτά τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνονται οι υψηλότερες αποδόσεις, η ταχεία επεξεργασία, η γρήγορη εναλλαγή παρτίδων καθώς και η συνεχής εκχύλιση εντός γραμμής, η χρήση πράσινων διαλυτών, οι ήπιες συνθήκες εκχύλισης που διατηρούν τις ενώσεις του εκχυλίσματος, η ασφάλεια κατά τη λειτουργία και η εύκολη κλιμάκωση σε μεγάλες δυναμικότητες επεξεργασίας για εμπορική παραγωγή. (βλ. Zabot et al., 2021)

Βελτίωση της εκχύλισης με ζεστό νερό μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Οι παράμετροι που καθορίζουν την εκχύλιση φυτικών συστατικών κατά την εκχύλιση με νερό είναι η θερμοκρασία, ο χρόνος, η πίεση και το εμβαδόν της επιφάνειας του φυτικού υλικού. Ένα εκχύλισμα με ζεστό νερό μπορεί να παρασκευαστεί σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του νερού.
Η λύση: Η απόδοση και ο ρυθμός εκχύλισης μπορούν να αυξηθούν σημαντικά όταν εφαρμόζεται ανάδευση με υπερήχους. Το ζεστό νερό από μόνο του έχει μόνο περιορισμένη ικανότητα διάρρηξης των κυτταρικών δομών και οι υψηλές θερμοκρασίες συχνά προκαλούν βλάβη ή καταστρέφουν τις θερμοευαίσθητες ενώσεις, με αποτέλεσμα να υποβαθμίζεται η ποιότητα του εκχυλίσματος. Όταν η εκχύλιση με υπερήχους συνδυάζεται με την εκχύλιση με ζεστό νερό, η θερμοκρασία μπορεί να μειωθεί δραστικά (π.χ. από 100°C σε 50°C), γεγονός που αποτρέπει τη θερμική αποδόμηση των εκχυλιζόμενων φυτικών συστατικών, αυξάνει τη συνολική απόδοση και εξοικονομεί ενέργεια. Η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους αποτελεί την αρχή στην οποία βασίζεται το φαινόμενο της εκχύλισης με υπερήχους. Η υπερηχητική (ή ακουστική) σπηλαίωση συνίσταται σε αμιγώς μηχανικές δυνάμεις, οι οποίες διαρρηγνύουν τα κυτταρικά τοιχώματα, απελευθερώνουν τις ενώσεις-στόχους και βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ του εσωτερικού των κυττάρων και του νερού (διαλύτη). Έτσι, η εκχύλιση με νερό με χρήση υπερήχων παρέχει εξαιρετικά αποτελέσματα εκχύλισης.

Βελτίωση της εκχύλισης με κρύο νερό μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Η εκχύλιση με κρύο νερό (έγχυση με κρύο νερό) είναι σημαντικά λιγότερο αποδοτική, καθώς αποφεύγεται η χρήση ζεστού νερού. Το κρύο νερό ή το νερό σε θερμοκρασία δωματίου δεν εκχυλίζει πολύ καλά τις φυτικές ενώσεις, καθώς το κρύο νερό διεισδύει πολύ αργά στο φυτικό υλικό και η μεταφορά μάζας είναι σχεδόν αμελητέα. Το πλεονέκτημα της εκχύλισης με κρύο νερό έγκειται στην αποφυγή οποιασδήποτε αύξησης της θερμοκρασίας, αποτρέποντας έτσι τη θερμική αποδόμηση των θερμοευαίσθητων ενώσεων. Ωστόσο, η πολύ ανεπαρκής δυναμική της εκχύλισης καθιστά τη συμβατική εκχύλιση με κρύο νερό μη εφαρμόσιμη στην εμπορική παραγωγή. Γι’ αυτό η έγχυση με κρύο νερό χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στο πειραματικό στάδιο, λόγω της βραδύτητας και της χαμηλής αποδοτικότητάς της.
Η λύση: Με την ενσωμάτωση της κατεργασίας με υπερήχους στην εκχύλιση με κρύο νερό, η βραδύτητα και η αναποτελεσματικότητα της εμβάπτισης σε κρύο νερό μπορούν εύκολα να ξεπεραστούν. Η εκχύλιση με κρύο νερό που ενισχύεται με υπερήχους επιτρέπει τη διατήρηση χαμηλών θερμοκρασιών εκχύλισης, ενώ παράλληλα μεταδίδονται ισχυρές δυνάμεις διάτμησης στο μέσο στερεού–υγρού. Ως αποτέλεσμα του μηχανισμού εκχύλισης με υπερήχους, τα κυτταρικά τοιχώματα ανοίγουν και οι φυτικές ενώσεις απελευθερώνονται γρήγορα στο νερό. Η εκχύλιση και η έγχυση με κρύο νερό με τη βοήθεια υπερήχων μετατρέπουν την εμβάπτιση σε κρύο νερό σε μια εξαιρετικά αποτελεσματική διεργασία που προσφέρει υψηλές αποδόσεις και εκχυλίσματα υψηλής ποιότητας σε σύντομο χρόνο εκχύλισης.

Εκχύλιση με νερό υπό πίεση σε συνδυασμό με κατεργασία με υπερήχους

Η εκχύλιση με υπερήχους χαρακτηρίζεται από μικροανάμιξη, η οποία, μέσω των δονήσεων, προάγει τη μεγαλύτερη διάχυση του διαλύτη στο εσωτερικό του σωματιδίου και από το εσωτερικό του σωματιδίου προς την επιφάνεια, ενισχύοντας τη μεταφορά μάζας. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων του κυτταρικού υλικού, γεγονός που οδηγεί σε βελτιωμένα αποτελέσματα της εκχύλισης με υγρό υπό πίεση με τη βοήθεια υπερήχων. Τα μικρότερα σωματίδια, μεγέθους περίπου 0,68 mm, παρουσιάζουν υψηλότερες αποδόσεις από τα μεγαλύτερα σωματίδια (περίπου 1,05 mm), καθώς η μεγαλύτερη επιφάνεια επιτρέπει σημαντικά αυξημένη μεταφορά μάζας και, συνεπώς, βελτιωμένες αποδόσεις εκχύλισης. (βλ. Zabot et al., 2021)

Αποτελεσματική εκχύλιση με κρύο νερό υπό πίεση με υπερήχους ισχύος

Υπό υψηλή πίεση, διευκολύνεται η διείσδυση του κρύου νερού στους φυτικούς ιστούς και οι υδατοδιαλυτές φυτοχημικές ενώσεις διαλύονται χωρίς να προκαλείται θερμική αποσύνθεση. Η μέθοδος εκχύλισης με κρύο νερό υπό υψηλή πίεση μπορεί να συνδυαστεί με υπερήχους για βελτιωμένη απομόνωση πολικών και μη πολικών φυτικών συστατικών. Το νερό, ως μη τοξικός, φθηνός και φιλικός προς το περιβάλλον διαλύτης, αποτελεί ελκυστική εναλλακτική λύση έναντι ενός οργανικού διαλύτη, ιδιαίτερα για την παραγωγή τροφίμων, θεραπευτικών σκευασμάτων και συμπληρωμάτων διατροφής φυτικής προέλευσης.
Για εκχύλιση με κρύο νερό υπό πίεση ενισχυμένη με υπερήχους, μια ακίδα υπερήχων (ηχοτρόδιο) ενσωματώνεται στη δεξαμενή εκχύλισης ή στην κυψελίδα ροής. Η δεξαμενή ή η κυψελίδα ροής τίθενται συνήθως υπό πίεση μεταξύ 5 και 100 barg, ανάλογα με τις ενώσεις που επιδιώκεται να εκχυλιστούν. Η Hielscher Ultrasonics παρέχει ακόμη και εξατομικευμένους βιομηχανικούς αντιδραστήρες υπερήχων και κυψελίδες ροής που μπορούν να τεθούν υπό πίεση έως και 300barg, επιτρέποντας τη ρύθμιση της βέλτιστης πίεσης για τη διεργασία εκχύλισής σας.
 

Εκχύλιση με υπερκρίσιμο νερό βελτιωμένη με κατεργασία με υπερήχους

Η εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό ενισχυμένη με υπερήχους αποτελεί μια ακόμη συνεργιστική τεχνική, στην οποία οι υπέρηχοι ισχύος βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ στερεού και υγρού. Η εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό (SWE) – γνωστή επίσης ως εκχύλιση με θερμό νερό υπό πίεση ή εκχύλιση με υπέρθερμο νερό – είναι μια λιγότερο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική για την εκχύλιση φυτικών ενώσεων χαμηλότερης πολικότητας. Στην εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό, χρησιμοποιείται ως διαλύτης νερό στην υπερκρίσιμη κατάστασή του.
Τι είναι το υποκρίσιμο νερό και γιατί αποτελεί καλό διαλύτη για την εκχύλιση λιγότερο πολικών φυτικών ενώσεων; «Το νερό διαθέτει πολλές θερμοδυναμικές ιδιότητες που επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία και την πίεση. Ανάλογα με τις συνθήκες, μπορούν να μεταβληθούν η φυσική του κατάσταση (στερεή, υγρή ή αέρια), η θερμική συμπεριφορά, η πυκνότητα ή το ιξώδες του. Με την αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης πέρα από ένα σημείο γνωστό ως κρίσιμο σημείο (που ορίζεται στα 221 bar και στους 374 °C), το νερό μπορεί να περιέλθει στην υπερκρίσιμη κατάσταση. Σε υποκρίσιμες συνθήκες, που αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες μεταξύ 100°C και της κρίσιμης θερμοκρασίας (374°C) και σε πίεση μεταξύ 1 bar και της κρίσιμης πίεσης (221 bar), ώστε να αποφεύγεται η εξάτμιση, η πολικότητα του νερού μειώνεται· αυτό καθιστά το νερό καλύτερο διαλύτη για την εκχύλιση διαφόρων οργανικών βιοδραστικών ενώσεων.» (Li and Chemat, 2019)
Όταν οι υπέρηχοι συνδυάζονται με την εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό, η αποδοτικότητα της εκχύλισης μπορεί να βελτιωθεί μέσω της αύξησης της απόδοσης σε εκχύλισμα και της μείωσης του χρόνου εκχύλισης. Για βέλτιστα αποτελέσματα, η πίεση στον κλειστό αντιδραστήρα παρτίδας υπό πίεση ή στον αντιδραστήρα κυψελίδας ροής θα πρέπει να φθάνει τουλάχιστον στο διπλάσιο της τάσης ατμών του νερού. (Μπορείτε να βρείτε έναν πίνακα με την τάση ατμών του νερού στο τέλος αυτής της σελίδας.)
Οι Huang et al. (2010) διερεύνησαν τις επιδράσεις των υπερήχων χαμηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος στην εκχύλιση σε συνδυασμό με εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό. Για τον σκοπό αυτό, ένας καθετήρας υπερήχων ενσωματώνεται στον λέβητα της συσκευής εκχύλισης με υποκρίσιμο νερό για την εκχύλιση πτητικού ελαίου από το Lithospermum erythrorhizon. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενισχυτική επίδραση με τη βοήθεια υπερήχων στα 20 KHz ήταν καλύτερη από εκείνη στα 36 KHz και αυξανόταν με την ισχύ εξόδου (από 0 έως 250 W). Η απόδοση της εκχύλισης με υποκρίσιμο νερό αυξήθηκε από 1,87% σε 2,39% μέσω υπερηχητικής ταλάντωσης (250 W, 20 KHz), σε θερμοκρασία 160°C και πίεση 5 MPa, κατά τη διάρκεια διαδικασίας εκχύλισης 25 λεπτών. Η κατεργασία με υπερήχους θα μπορούσε να βελτιώσει όχι μόνο την απόδοση της εκχύλισης, αλλά και τον ρυθμό εκχύλισης, εξοικονομώντας έτσι χρόνο.
Η εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό υποβοηθούμενη από υπερήχους μπορεί να πραγματοποιηθεί σε χαμηλότερες πιέσεις (π.χ., 5barg) από τη συμβατική εκχύλιση με υποκρίσιμο νερό (π.χ., 10MPa), γεγονός που μειώνει το ενεργειακό κόστος και καθιστά τη διαδικασία εκχύλισης ασφαλέστερη.

Τα πλεονεκτήματα της εκχύλισης φυτικών συστατικών με υπερήχους

Τόσο η επιστημονική έρευνα όσο και η βιομηχανική εφαρμογή καταδεικνύουν ότι η εκχύλιση υποβοηθούμενη από υπερήχους είναι μια αξιόπιστη και εύχρηστη τεχνική, η οποία δεν απαιτεί τεχνικό υπόβαθρο ή εντατική εκπαίδευση. Η πολύ υψηλή αποδοτικότητα εκχύλισης, οι υψηλές αποδόσεις, το χαμηλό λειτουργικό κόστος, καθώς και το χαμηλό κόστος επένδυσης (ιδίως σε σύγκριση με άλλες τεχνικές όπως οι εκχυλιστές CO₂ ) και το χαμηλό ενεργειακό κόστος αποτελούν τα κύρια πλεονεκτήματα των εκχυλιστών υπερήχων τύπου καθετήρα.
Πρόσθετα οφέλη, που καθιστούν την τεχνολογία εκχύλισης με υπερήχους την προτιμώμενη μέθοδο, είναι τα εκχυλίσματα υψηλής ποιότητας χάρη στις χαμηλές θερμοκρασίες εκχύλισης, τα αξιόπιστα αποτελέσματα (επαναληψιμότητα / αναπαραγωγιμότητα), η πλήρως γραμμική δυνατότητα κλιμάκωσης σε οποιοδήποτε επίπεδο παραγωγής, καθώς και οι χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης.
«Άλλα πλεονεκτήματα που συνδέονται με τη χρήση εκχύλισης με υπερήχους τύπου καθετήρα είναι ο εύκολος χειρισμός του εκχυλίσματος, η ταχεία εκτέλεση, η απουσία υπολειμμάτων, η υψηλή απόδοση, η φιλικότητα προς το περιβάλλον, η βελτιωμένη ποιότητα και η πρόληψη της υποβάθμισης του εκχυλίσματος.»
(βλ. Chemat and Khan, 2011)

Διάταξη εκχύλισης για την απομόνωση φυτικών ενώσεων: Συσκευή υπερήχων UP400St με καθετήρα, φίλτρο κενού Büchi και περιστροφικός εξατμιστήρας για την εκχύλιση φυτοχημικών ενώσεων.

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εκχύλιση με νερό

Οι εκχυλιστές της Hielscher Ultrasonics είναι ευρέως καθιερωμένοι στον τομέα της εκχύλισης φυτικών ενώσεων, ανεξάρτητα από τον διαλύτη που χρησιμοποιείται. Οι παραγωγοί εκχυλισμάτων – τόσο οι μικρότεροι κατασκευαστές αποκλειστικών εκχυλισμάτων για εξειδικευμένες αγορές όσο και οι παραγωγοί μαζικής παραγωγής μεγάλης κλίμακας – βρίσκουν στην ευρεία γκάμα εξοπλισμού της Hielscher τον ιδανικό εξοπλισμό εκχύλισης με υπερήχους για τις απαιτήσεις παραγωγής τους. Διατίθενται άμεσα διατάξεις επεξεργασίας τόσο κατά παρτίδες όσο και συνεχούς λειτουργίας εντός γραμμής, οι οποίες μπορούν να αποσταλούν από το απόθεμα. Κατάλληλη για χρήση με οποιονδήποτε διαλύτη, η εκχύλιση με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί με ευελιξία στην εκχύλιση οποιουδήποτε φυτικού υλικού. Η χρήση νερού ως διαλύτη επιτρέπει την παραγωγή εκχυλισμάτων με βιολογική πιστοποίηση χωρίς τη χρήση εξαιρετικά ακριβής «βιολογικής» αιθανόλης. (Φυσικά, το φυτικό υλικό πρέπει να προέρχεται από βιολογική καλλιέργεια για την παραγωγή βιολογικού υδατικού εκχυλίσματος).

Εκχύλιση υψηλής αποδοτικότητας με τη Hielscher Ultrasonics

Οι εκχυλιστές της Hielscher Ultrasonics διαρρηγνύουν αποτελεσματικά τα φυτικά κύτταρα, αυξάνουν την επιφάνεια του φυτικού υλικού για τη διείσδυση του διαλύτη και ενισχύουν τη μεταφορά μάζας για την απελευθέρωση φυτοχημικών ενώσεων (δευτερογενών μεταβολιτών). Σχεδιασμένοι με γνώμονα την ευχρηστία, οι εκχυλιστές της Hielscher εγκαθίστανται γρήγορα και μπορούν να λειτουργούν με ασφάλεια και διαισθητικό χειρισμό.

Πληρούν τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας – Σχεδιασμός και κατασκευή στη Γερμανία

Το προηγμένο υλικό και το έξυπνο λογισμικό των συσκευών υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί ώστε να εγγυώνται αξιόπιστα αποτελέσματα εκχύλισης με υπερήχους από τη φυτική πρώτη ύλη σας, με αναπαραγώγιμα αποτελέσματα και εύχρηστη, ασφαλή λειτουργία. Η ανθεκτικότητα, η αξιοπιστία, η λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο και ο απλός χειρισμός από την πλευρά του εργαζομένου αποτελούν επιπλέον παράγοντες ποιότητας που καθιστούν τις συσκευές υπερήχων της Hielscher προτιμητέες.
Οι εκχυλιστές της Hielscher Ultrasonics χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για εκχύλιση φυτοχημικών ενώσεων υψηλής ποιότητας. Με αποδεδειγμένη ικανότητα απόδοσης φυτικών ενώσεων υψηλής ποιότητας, οι εκχυλιστές υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται όχι μόνο από μικρότερους βιοτέχνες εξειδικευμένων εκχυλισμάτων και εκχυλισμάτων περιορισμένης παραγωγής, αλλά κυρίως στη βιομηχανική παραγωγή εκχυλισμάτων που διατίθενται ευρέως στο εμπόριο, συμπληρωμάτων διατροφής και θεραπευτικών προϊόντων. Χάρη στο ανθεκτικό υλικό και το έξυπνο λογισμικό τους, οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να λειτουργούν και να παρακολουθούνται εύκολα.

Αυτόματη καταγραφή δεδομένων

Για την τήρηση των προτύπων παραγωγής τροφίμων, συμπληρωμάτων διατροφής και θεραπευτικών προϊόντων, οι διαδικασίες παραγωγής πρέπει να παρακολουθούνται και να καταγράφονται λεπτομερώς. Οι ψηφιακές συσκευές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics διαθέτουν αυτόματη καταγραφή δεδομένων. Χάρη σε αυτή την έξυπνη λειτουργία, όλες οι σημαντικές παράμετροι της διεργασίας, όπως η ενέργεια υπερήχων (συνολική και καθαρή ενέργεια), η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος, αποθηκεύονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD μόλις ενεργοποιηθεί η συσκευή. Η παρακολούθηση της διεργασίας και η καταγραφή δεδομένων είναι σημαντικές για τη συνεχή τυποποίηση της διεργασίας και την ποιότητα του προϊόντος. Με πρόσβαση στα αυτόματα καταγεγραμμένα δεδομένα της διεργασίας, μπορείτε να επανεξετάσετε προηγούμενους κύκλους κατεργασίας με υπερήχους και να αξιολογήσετε το αποτέλεσμα.
Μια ακόμη εύχρηστη λειτουργία είναι ο τηλεχειρισμός των ψηφιακών συστημάτων υπερήχων μας μέσω προγράμματος περιήγησης. Μέσω αυτού του τηλεχειρισμού μπορείτε να εκκινείτε, να σταματάτε, να ρυθμίζετε και να παρακολουθείτε τον επεξεργαστή υπερήχων σας εξ αποστάσεως, από οπουδήποτε.
Θέλετε να μάθετε περισσότερα για τα πλεονεκτήματα της εκχύλισης φυτικών υλικών με νερό με τη χρήση υπερήχων; Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία παραγωγής των φυτικών εκχυλισμάτων σας! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να σας δώσει περισσότερες πληροφορίες για την εκχύλιση με υπερήχους, τα συστήματα υπερήχων μας και τις τιμές!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Τεχνικές πληροφορίες για την εκχύλιση με νερό με τη χρήση υπερήχων

Συμβατικές μέθοδοι εκχύλισης, όπως η εμβροχή, η έγχυση, η εκχύλιση με διαπέραση, η παρασκευή αφεψήματος, η εκχύλιση υπό αναρροή, η απόσταξη με υδρατμούς, η εξάχνωση και η έκθλιψη, χρησιμοποιούνται συνήθως για την εκχύλιση φαρμακευτικών ενώσεων από φυτά. Τα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων περιλαμβάνουν τη χρονοβόρα διαδικασία, τη χαμηλή καθαρότητα και τη χαμηλή αποδοτικότητα.

Παράμετροι διεργασίας που επηρεάζουν την εκχύλιση με υπερήχους

Η υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση είναι γνωστή για τα μοναδικά χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματά της, τα οποία καθιστούν την κατεργασία με υπερήχους ανώτερη τεχνική εκχύλισης σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους εκχύλισης φυτικών ενώσεων. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της υποβοηθούμενης από υπερήχους εκχύλισης έγκειται στη δυνατότητα ακριβούς προσαρμογής των παραγόντων κατεργασίας με υπερήχους (όπως το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος, η θερμοκρασία και η πίεση), η οποία επιτρέπει τη βέλτιστη ρύθμιση της διεργασίας υπερήχων για την ένωση-στόχο. Κάθε φυτικό υλικό έχει ιδανικές παραμέτρους εκχύλισης, υπό τις οποίες επιτυγχάνονται η καλύτερη απόδοση, η καλύτερη ποιότητα και ο καλύτερος ρυθμός εκχύλισης. Η διεργασία εκχύλισης με υπερήχους επιτρέπει την τέλεια προσαρμογή σε αυτές τις βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης.

Πλάτος ταλάντωσης υπερήχων

Το πλάτος ταλάντωσης είναι η μετατόπιση λόγω ταλάντωσης του καθετήρα υπερήχων (ηχοτροδίου). Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος ταλάντωσης, τόσο εντονότερες είναι η ταλάντωση και η σπηλαίωση στο υγρό που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους. Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται σε συσκευές υπερήχων υψηλής απόδοσης τύπου καθετήρα, οι οποίες μπορούν να παρέχουν πλάτη ταλάντωσης με δυνατότητα ακριβούς ρύθμισης. Ειδικά προσαρμοσμένοι καθετήρες, οι οποίοι μπορούν να παρέχουν πλάτος ταλάντωσης έως 200µm σε συνεχή λειτουργία 24/7, είναι άμεσα διαθέσιμοι από το απόθεμα. Για ακόμη μεγαλύτερα πλάτη ταλάντωσης, μπορούν επίσης να κατασκευαστούν εύκολα ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων.
Το πλάτος ταλάντωσης είναι μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους – αν όχι η σημαντικότερη – για την αποδοτική εκχύλιση φυτικού υλικού. Τα μεγάλα πλάτη ταλάντωσης δημιουργούν τις απαιτούμενες δυνάμεις για τη διάρρηξη των κυτταρικών τοιχωμάτων και την απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού υλικού. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους υψηλής απόδοσης γίνεται ιδιαίτερα αποτελεσματική στην εκχύλιση φυτικού υλικού.

Χρόνος / διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους

Η υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση είναι συνήθως πολύ συντομότερη από τις παραδοσιακές μεθόδους, καθώς η κατεργασία με υπερήχους απελευθερώνει τις φυτικές ενώσεις με σημαντικά υψηλότερους ρυθμούς εκχύλισης. Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει συντομότερες διαδικασίες εκχύλισης, προστατεύοντας τις εκχυλισμένες ενώσεις από την υπερβολική επεξεργασία. Η συντομότερη επεξεργασία χάρη στους υπερήχους συνεπάγεται μεγαλύτερη δυναμικότητα επεξεργασίας και υψηλότερη ποιότητα εκχυλίσματος.

Παλμική κατεργασία με υπερήχους

Η παλμική λειτουργία υπερήχων είναι ένας τρόπος κατεργασίας κατά τον οποίο η κατεργασία με υπερήχους διακόπτεται από καθορισμένους κύκλους παύσης (π.χ. κύκλος λειτουργίας 50%: 30 sec. ΕΝΕΡΓΟ, 30 sec. ΑΝΕΝΕΡΓΟ· κύκλος λειτουργίας 100%: συνεχής κατεργασία με υπερήχους χωρίς παύσεις) Ο κύκλος λειτουργίας των υπερήχων (γνωστός επίσης ως παλμική λειτουργία ή κύκλοι παλμών υπερήχων) αναφέρεται στο ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο η ενέργεια των υπερήχων μεταφέρεται στο μέσο (διάρκεια παλμού) μέσα σε μία περίοδο παλμού. Για παράδειγμα, μια λειτουργία με κύκλο 50% θα αντιστοιχούσε σε 30 sec. ΕΝΕΡΓΟ, 30 sec. ΑΝΕΝΕΡΓΟ. Κατά τη φάση παύσης ενός κύκλου λειτουργίας, το υγρό που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους επανέρχεται για καθορισμένο χρονικό διάστημα (π.χ. 30 sec.) σε αδιατάρακτη κατάσταση, γεγονός που ευνοεί την απαγωγή θερμότητας, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή θερμοκρασία επεξεργασίας. Ο κύκλος λειτουργίας της κατεργασίας με υπερήχους έχει μικρότερη σημασία για την αποδοτικότητα της εκχύλισης, αλλά χρησιμοποιείται για τη διατήρηση μιας συγκεκριμένης θερμοκρασίας διεργασίας.

Υδροστατική πίεση

Η πίεση είναι μια ακόμη πολύ σημαντική παράμετρος για τις διεργασίες υπερήχων. Η εφαρμογή υδροστατικής πίεσης στο μέσο που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους επηρεάζει την ένταση της σπηλαίωσης. Υπό συνθήκες αυξημένης πίεσης, η ένταση της υπερηχητικής (ακουστικής) σπηλαίωσης ενισχύεται. Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει διάφορους τύπους αντιδραστήρων υπερήχων για επεξεργασία κατά παρτίδες και κυψελίδων ροής, που μπορούν να τεθούν υπό πίεση για ενισχυμένα αποτελέσματα κατεργασίας με υπερήχους.

Θερμοκρασία εκχύλισης

Όπως κάθε μηχανική κατεργασία, η κατεργασία με υπερήχους προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας, σύμφωνα με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, η κατεργασία με υπερήχους είναι μια μη θερμική τεχνική κατεργασίας, καθώς οι υποβοηθούμενες από υπερήχους κατεργασίες βασίζονται σε αμιγώς μηχανικές δυνάμεις (που ονομάζονται επίσης ηχομηχανικές δυνάμεις). Η θερμοκρασία εκχύλισης κατά την εκχύλιση με υπερήχους μπορεί να ελέγχεται αποτελεσματικά και να διατηρείται εντός ενός συγκεκριμένου επιλεγμένου εύρους θερμοκρασίας. Όλοι οι ψηφιακοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher διαθέτουν έναν συνδεόμενο αισθητήρα θερμοκρασίας και έξυπνο λογισμικό, στο οποίο μπορεί να οριστεί ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας για τη διεργασία. Όποτε η θερμοκρασία υπερβαίνει αυτό το εύρος, η συσκευή υπερήχων διακόπτει προσωρινά τη λειτουργία της έως ότου η θερμοκρασία επανέλθει στο επιλεγμένο εύρος και στη συνέχεια συνεχίζει αυτόματα τη διαδικασία κατεργασίας με υπερήχους. Αυτή η έξυπνη λειτουργία των συσκευών υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της διαδικασίας κατεργασίας με υπερήχους και την επίτευξη ιδανικών αποτελεσμάτων.
Καθώς η θερμοκρασία εκχύλισης ενδέχεται να διαφέρει ανάλογα με τη φυτική ένωση και το φυτό, η θερμοκρασία αποτελεί σημαντικό παράγοντα που δεν πρέπει να παραβλέπεται κατά τη βελτιστοποίηση της διεργασίας με υπερήχους. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι οι 80°C ήταν ιδανικοί για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης εκχύλισης φλαβονοειδών από το Sophora flavescens, ενώ τα καλύτερα αποτελέσματα για την εκχύλιση αραβινοξυλάνης από πίτουρο σίτου επιτεύχθηκαν στους 50°C.

Χρησιμοποιήστε οποιονδήποτε διαλύτη για εκχύλιση με υπερήχους

Οι διαφορετικές φυτικές ενώσεις έχουν διαφορετικές πολικότητες, οι οποίες επηρεάζουν τη διαλυτότητά τους σε διάφορους διαλύτες. Για παράδειγμα, οι σαπωνίνες και οι πολυσακχαρίτες είναι πιο πολικοί και, επομένως, παρουσιάζουν καλή διαλυτότητα στο νερό, καθώς το νερό είναι ιδιαίτερα πολικό. Αντίθετα, οι φαινολικές ενώσεις, όπως οι ανθοκυανίνες και το χλωρογενικό οξύ, είναι αρκετά απολικές και, επομένως, διαλύονται καλύτερα σε έναν λιγότερο πολικό διαλύτη, όπως η αιθανόλη. Συνεπώς, η επιλογή του διαλύτη πρέπει να γίνεται σύμφωνα με τη διαλυτότητα των ενώσεων που αποτελούν στόχο της εκχύλισης, ώστε να επιτυγχάνεται υψηλή απόδοση εκχύλισης. Για παράδειγμα, το νερό είναι καλός διαλύτης για την εκχύλιση πολικών ενώσεων, όπως η ψιλοκυβίνη από μανιτάρια, καθώς και ολιγοσακχαριτών, γλυκοσιδών και φλαβονοειδών, ενώ ένα μείγμα αιθανόλης–νερού με συγκέντρωση αιθανόλης 60% (v/v) είναι κατάλληλο για την υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση ενώσεων όπως, για παράδειγμα, η απιγενίνη, η μπαϊκαλίνη και η λουτεολίνη.
Διαβάστε περισσότερα για τους διαλύτες, την πολικότητα των διαλυτών και τους καταλληλότερους διαλύτες για εκχύλιση με υπερήχους!

Το νερό ως διαλύτης εκχύλισης

Το νερό είναι ο πιο πολικός διαλύτης και είναι κατάλληλο για την εκχύλιση ενός ευρέος φάσματος πολικών ενώσεων. Στα κύρια πλεονεκτήματά του περιλαμβάνεται η ικανότητα διάλυσης ενός ευρέος φάσματος ουσιών. Επιπλέον, είναι φθηνό, μη τοξικό, ασφαλές και μη εύφλεκτο. Στα μειονεκτήματά του περιλαμβάνεται η έντονη εκλεκτικότητα για πολικές ενώσεις λόγω της υψηλής πολικότητάς του. Λόγω του υψηλού σημείου βρασμού του, στους 100°C, η συμπύκνωση του εκχυλίσματος (π.χ. με απόσταξη ή περιστροφική εξάτμιση) απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Επιπλέον, το νερό ευνοεί την ανάπτυξη βακτηρίων και μούχλας.

Συχνότητα υπερήχων

Η συχνότητα υπερήχων γύρω στα 20kHz έχει καθιερωθεί ως η πιο ισχυρή και αποδοτική για την εκχύλιση φυτικών ενώσεων. Επηρεάζει την αποδοτικότητα της υποβοηθούμενης από υπερήχους εκχύλισης φαρμακευτικών ενώσεων από φυτά. Γενικά, η χαμηλή συχνότητα υπερήχων (δηλαδή περίπου στα 20kHz) δημιουργεί εντονότερη σπηλαίωση (ηχομηχανικές επιδράσεις), με αποτέλεσμα μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα της διαδικασίας εκχύλισης.

Το φυτικό υλικό

Τα φυτικά υλικά μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς τη δομή και την ακαμψία των κυττάρων τους. Ανάλογα με τη σύσταση του κυτταρικού τοιχώματος, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει κυτταρίνη, ημικυτταρίνες, λιγνίνη, πηκτινικούς πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, φαινολικές και μη κυτταρινικές ενώσεις και νερό, τα κυτταρικά τοιχώματα μπορεί να είναι είτε ανθεκτικά είτε μαλακά. Διαφορετικά είδη και μέρη φυτών περιέχουν διαφορετικούς τύπους και ποσότητες αυτών των συστατικών του κυτταρικού τοιχώματος. Γι’ αυτό κάθε είδος φυτού απαιτεί συγκεκριμένες παραμέτρους επεξεργασίας για βέλτιστα αποτελέσματα εκχύλισης.
Καθώς η ένταση μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια, οι εκχυλιστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να διαρρηγνύουν αξιόπιστα μαλακά και σκληρά κυτταρικά τοιχώματα. Τα μαλακά κυτταρικά τοιχώματα μπορεί να χρειάζονται λιγότερο έντονη κατεργασία με υπερήχους, ενώ οι ανθεκτικές κυτταρικές δομές ωφελούνται από μια εντονότερη κατεργασία.
Η πρώτη ύλη για την εκχύλιση φυτικών συστατικών μπορεί να είναι πρόσφατα συγκομισμένη (υγρή) ή αποξηραμένη. Η εκχύλιση με υπερήχους είναι κατάλληλη τόσο για νωπά/υγρά όσο και για αποξηραμένα φυτά. Το μέγεθος των σωματιδίων των φυτικών στερεών είναι ένας ακόμη σημαντικός παράγοντας: Η μεγάλη επιφάνεια (δηλαδή το μικρό μέγεθος σωματιδίων) είναι ευνοϊκή, καθώς παρέχει μεγάλη επιφάνεια επαφής για τις δυνάμεις διάτμησης που προκαλεί η σπηλαίωση των υπερήχων, οδηγώντας σε υψηλότερη αποδοτικότητα. Επομένως, το φυτικό υλικό υποβάλλεται σε διαβροχή ή αλέθεται σε μικρά τεμάχια (περίπου 3–5mm).

Γιατί η εκχύλιση με υπερήχους είναι η καλύτερη μέθοδος;

Αποδοτικότητα

• Υψηλότερες αποδόσεις
• Ταχεία διαδικασία εκχύλισης – μέσα σε λίγα λεπτά
• Εκχυλίσματα υψηλής ποιότητας – ήπια, μη θερμική εκχύλιση
• Πράσινοι διαλύτες (νερό, αιθανόλη, γλυκερίνη, φυτικά έλαια, NADES κ.λπ.)

Απλότητα

• Άμεση σύνδεση και λειτουργία – Εγκατάσταση και λειτουργία μέσα σε λίγα λεπτά
• Υψηλή δυναμικότητα επεξεργασίας – Για παραγωγή εκχυλισμάτων μεγάλης κλίμακας
• Λειτουργία κατά παρτίδες ή συνεχής λειτουργία εντός γραμμής
• Απλή εγκατάσταση και εκκίνηση
• Φορητά / Μετακινούμενα – Φορητές μονάδες ή μονάδες με τροχούς
• Γραμμική αύξηση κλίμακας – προσθέστε ένα ακόμη σύστημα υπερήχων σε παράλληλη λειτουργία για να αυξήσετε τη δυναμικότητα
• Απομακρυσμένη παρακολούθηση και έλεγχος – μέσω υπολογιστή, έξυπνου κινητού τηλεφώνου ή τάμπλετ
• Δεν απαιτείται επίβλεψη της διεργασίας – Εγκατάσταση και λειτουργία
• Υψηλές επιδόσεις – σχεδιασμένα για συνεχή παραγωγή 24/7
• Στιβαρότητα και μικρές απαιτήσεις συντήρησης
• Υψηλή ποιότητα – σχεδιασμένα και κατασκευασμένα στη Γερμανία
• Γρήγορη φόρτωση και εκκένωση μεταξύ παρτίδων
• Εύκολος καθαρισμός

Ασφάλεια

• Απλή και ασφαλής λειτουργία
• Εκχύλιση χωρίς διαλύτες ή με χρήση διαλυτών (νερό, αιθανόλη, φυτικά έλαια, γλυκερίνη κ.λπ.)
• Χωρίς υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες
• Διατίθενται αντιεκρηκτικά συστήματα με πιστοποίηση ATEX
• Εύκολος έλεγχος (και μέσω τηλεχειρισμού)

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.