Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Mayores rendimientos de pectina con la extracción ultrasónica

La extracción por ultrasonidos da como resultado un alto rendimiento de pectinas de calidad superior. Mediante la sonicación, se pueden producir pectinas valiosas de manera eficiente a partir de residuos de frutas (por ejemplo, subproductos del procesamiento de jugos) y otras materias primas biológicas. La extracción de pectinas por ultrasonido supera a otras técnicas de extracción al producir mayores rendimientos, dando una calidad superior de pectina y un procedimiento de extracción rápido.

Extracción de pectina intensificada por sonicación

La pectina se utiliza como agente gelificante, emulsionante y espesante en numerosos productos alimenticios, así como ingrediente de cosméticos y productos farmacéuticos. La extracción industrial convencional de pectina se realiza mediante la extracción de agua caliente, en la que la materia prima como las cáscaras de cítricos, el orujo de manzana y otros residuos de fruta se ponen en remojo en agua caliente a 60-100 °C a bajo pH (aprox. pH 1,5 - 3,5) durante un largo período de tiempo. Esto hace que la extracción convencional de agua caliente sea un proceso que consume tiempo y energía, que a menudo ni siquiera es lo suficientemente eficiente como para liberar altas cantidades de pectinas disponibles en la materia prima.
A fin de superar la ineficiencia del método de producción convencional, se aplica la extracción por ultrasonido como técnica de intensificación del proceso que reduce el tiempo de extracción y maximiza el rendimiento de la pectina de manera significativa en comparación con la extracción tradicional de agua caliente.

La ventaja de la extracción ultrasónica de pectina

La extracción ultrasónica se aplica en muchos campos de la producción de extractos, por ejemplo, extractos botánicos y herbales para alimentos, suplementos, productos farmacéuticos y cosméticos. Un ejemplo muy destacado de la extracción ultrasónica es la extracción de cannabidiol (CBD) y otros compuestos de la planta de cannabis.
La extracción ultrasónica es una técnica de extracción no térmica, que evita que los compuestos bioactivos se degraden térmicamente. Todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, la intensidad, el tiempo, la temperatura y la presión, pueden ser controlados con exactitud. Esto permite un control preciso del proceso y de la calidad y facilita la repetición y reproducción de los resultados de la extracción una vez obtenidos. Los productores de extractos valoran la ecografía por la fiabilidad de la repetibilidad del proceso, que ayuda a normalizar los procesos y los productos.

Parámetros del proceso de extracción de pectina por ultrasonido

  • La intensidad de la sonicación
  • temperatura
  • El valor del pH
  • hora
  • Tamaño de las partículas de la materia prima
The ultrasonicator UIP4000hdT is a powerful extractor for industrial pectin production.

El extractor de ultrasonidos UIP4000hdT es un potente extractor de 4kW para la producción industrial de pectina.

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La determinación de los parámetros relevantes del proceso permite optimizar el proceso de extracción por ultrasonidos para lograr la máxima eficiencia y una calidad de extracción superior.
Por ejemplo, el tamaño de las partículas de la materia prima (por ejemplo, las cáscaras de los cítricos) es un factor importante: Un tamaño de partícula más pequeño significa una mayor superficie para que las ondas ultrasónicas actúen. Un tamaño de partícula pequeño da como resultado un mayor rendimiento de pectina, un menor grado de metilación y una mayor proporción de regiones de rhamnogalacturonan (RG).
El valor del pH del disolvente de extracción (es decir, agua + ácido) es otro parámetro esencial. Cuando la pectina se extrae en condiciones ácidas, se descomponen muchas regiones ramificadas de rhamnogalacturonan del polímero, de modo que quedan principalmente regiones "rectas" de homogalacturonan (HG) con unas pocas moléculas de azúcar neutro adheridas sobre o en la cadena lineal principal.
La extracción de pectina por ultrasonido reduce el tiempo de extracción y disminuye la temperatura de proceso requerida, lo que reduce la posibilidad de una modificación no deseada de la pectina por los ácidos. Esto permite utilizar los ácidos en condiciones de confinamiento para modificar las pectinas con precisión según los requisitos del producto.

¿Qué hace que la extracción de pectina ultrasónica sea tan eficiente?

El impacto de la extracción ultrasónica afecta directamente a la hinchazón, perforación y rotura de las paredes celulares. La transferencia de masa inducida por ultrasonido causa la hidratación del material pectinoso en la lámina media, lo que lleva a la ruptura de los tejidos vegetales. La cavitación ultrasónica y las fuerzas de cizallamiento impactan directamente en las paredes celulares y las rompen. Estos mecanismos dan lugar a los resultados altamente eficientes de la extracción ultrasónica.

La pectina extraída por ultrasonido (también pectina extraída asistida por cavitación acústica, abreviado ACAE), que tenía un peso molecular más bajo y un grado de metoxilación, era más rica en la región de rhamnogalacturonan-I (RG-I) con cadenas laterales largas en comparación con la pectina extraída por calor convencional (CHE) del análisis químico y FT-IR. El consumo de energía para la extracción de pectina por ultrasonido fue significativamente menor que el método de calentamiento convencional, lo que indica su prometedora aplicación para la escala de producción industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang y sus colegas (2017) también sostienen que la extracción asistida por ultrasonido (EAU) ha demostrado ser un proceso más económico y respetuoso con el medio ambiente, con una mayor eficiencia y un menor costo en comparación con la extracción con calefacción convencional (CHE).

¿Cómo funciona la extracción ultrasónica de pectina?

La extracción ultrasónica se basa en los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos de alta intensidad. Para promover e intensificar la extracción de pectina por ultrasonido, se acoplan ondas de ultrasonido de alta potencia mediante una sonda ultrasónica (también llamada trompa ultrasónica o sonotrodo) en el medio líquido, es decir, el lodo que consiste en la materia prima que contiene pectina y el disolvente. Las ondas de ultrasonido viajan a través del líquido y crean ciclos alternos de baja y alta presión. Durante los ciclos de baja presión se crean diminutas burbujas de vacío (las llamadas burbujas de cavitación), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante esos ciclos de crecimiento de las burbujas, los gases disueltos en el líquido entran en la burbuja de vacío, de modo que la burbuja de vacío se transforma en burbujas de gas en crecimiento. A un cierto tamaño, cuando las burbujas no pueden absorber más energía, implosionan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas se caracteriza por intensas fuerzas cavitacionales, incluyendo una temperatura y una presión muy altas que alcanzan hasta 4000K y 1000atm, respectivamente; así como los correspondientes diferenciales de temperatura y presión altas. Estas turbulencias y fuerzas de corte generadas por ultrasonido rompen las células de la planta y liberan las pectinas intracelulares en el disolvente de base acuosa. Como la cavitación ultrasónica crea una transferencia de masa muy intensa, la sonicación da lugar a rendimientos excepcionalmente altos en un tiempo de procesamiento muy corto.

Los disruptores ultrasónicos se utilizan para extracciones de fuentes fitotecnológicas (por ejemplo, plantas, algas, hongos).

Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acción durante la extracción ultrasónica de células (aumento 2000x)[recurso: Vilkhu et al. 2011].

Acerca de las pectinas

La pectina es un heteropolisacárido ramificado que consiste en segmentos de galacturona de cadena larga y otros azúcares neutros como la ramnosa, la arabinosa, la galactosa y la xilosa. Para ser más específicos, la pectina es un bloque de copolímero compuesto por 1,4-α de ácido galacturónico ligado y 1,2 de ramnosa ligada con ramas laterales de β-D-galactosa, L-arabinosa y otras unidades de azúcar. Dado que en la pectina se encuentran varias mociones de azúcar y diferentes niveles de esterificación de metilo, la pectina no tiene un peso molecular definido como otros polisacáridos. La pectina, que se especifica para su uso en los alimentos, se define como un heteropolisacárido que contiene al menos un 65% de unidades de ácido galacturónico. Aplicando condiciones de extracción específicas, las pectinas pueden modificarse y funcionalizarse con éxito para cumplir requisitos específicos. La producción de pectinas funcionalizadas y modificadas es de interés para aplicaciones especiales, por ejemplo, la pectina de baja metoxilación (LMP) para productos farmacéuticos.

The ultrasonicator UIP2000hdT is a 2kW extractor for industrial pectin production.

Extractor ultrasónico de lotes UIP2000hdT con cuerno de cascada

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Pectinas extraídas de desechos de frutas

Ultrasonic extraction is highly efficient to produce high-quality pectins from citrus waste.Los residuos de frutas como las cáscaras, los residuos de pulpa de fruta (después del prensado del zumo de fruta) y otros subproductos de la fruta suelen ser fuentes ricas en pectina. Mientras que los productos de residuos de frutas se utilizan a menudo como alimento para animales, la extracción de pectina es un uso más valioso de los residuos de frutas.
La extracción ultrasónica de pectina ya se realiza con éxito con cáscaras de cítricos (como naranjas, mandarinas, pomelos), cáscaras de melón, orujo de manzana, orujo de remolacha azucarera, cáscaras de mango, residuos de tomate, así como cáscaras de pomelo, maracuyá, higos, entre otros.

Estudios de casos de extracción ultrasónica de pectina

Debido a los inconvenientes de la extracción de pectina convencional por calor, la investigación y la industria ya han investigado alternativas innovadoras como la extracción por ultrasonidos. De este modo, se dispone de abundante información sobre los parámetros de los procesos para diversas materias primas, así como de datos de optimización de los procesos.

Extracción ultrasónica de pectina del orujo de manzana

Dranca y Oroian (2019) investigaron el proceso de extracción asistida por ultrasonido de pectina del orujo de manzana aplicando diversas condiciones ultrasónicas y utilizando el diseño de la superficie de respuesta de Box-Behnken. Descubrieron que la amplitud de los ultrasonidos influye mucho en el rendimiento y el grado de esterificación de la pectina extraída, mientras que el pH de la extracción tenía un gran impacto en las tres respuestas, es decir, el rendimiento, el contenido de GalA y el grado de esterificación. Las condiciones óptimas para la extracción fueron una amplitud del 100%, un pH de 1,8, una relación sólido-líquido de 1:10 g/mL y una sonicación de 30 min. Bajo estas condiciones, el rendimiento de pectina fue de 9,183% y tuvo un contenido de 98,127 g/100 g GalA y un grado de esterificación de 83,202%. Para poner en relación los resultados de la pectina extraída por ultrasonido con la pectina comercial, la muestra de pectina obtenida por extracción ultrasónica en condiciones óptimas se comparó con las muestras de pectina de cítricos y manzanas comerciales por medio de FT-IR, DSC, análisis reológico y SEM. Las dos primeras técnicas pusieron de relieve algunas particularidades de la muestra de pectina extraída por extracción ultrasónica, como el rango de distribución más estrecho del peso molecular, la disposición molecular ordenada y el alto grado de esterificación que era similar al de las pectinas de manzana disponibles en el comercio. El análisis de las características morfológicas de la muestra obtenida por ultrasonido indica una pauta de determinación entre la distribución de los tamaños de los fragmentos de esta muestra y su contenido de GalA por un lado, y la capacidad de absorción de agua por el otro. La viscosidad de la solución de pectina extraída por ultrasonidos era mucho mayor que la de las soluciones hechas con pectina comercial, lo que tal vez se deba a la alta concentración de ácido galacturónico. Si se considera también el alto grado de esterificación, esto podría explicar por qué la viscosidad era mayor para la pectina extraída por ultrasonidos. Los investigadores concluyen que la pureza, la estructura y el comportamiento reológico de la pectina extraída por extracción ultrasónica del orujo de manzana Malus domestica 'Fălticeni' indica aplicaciones prometedoras de esta fibra soluble. (cf. Dranca & Oroian 2019)

El método de extracción de pectina por ultrasonido se destaca por

  • mayor rendimiento
  • un procesamiento más rápido
  • condiciones de procesamiento más suaves
  • Mejora de la eficiencia general
  • operación simple y segura
  • RoI rápido

Extractor ultrasónico de alto rendimiento para la producción de pectina

Ultrasonic extractor UIP4000hdT with flow-through setup for pectin extractionLa extracción por ultrasonido es una tecnología de procesamiento fiable, que facilita y acelera la producción de pectinas de alta calidad de diversas materias primas, como subproductos y cáscaras de cítricos, orujo de manzana y muchos otros. La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics abarca toda la gama, desde los ultrasonidos compactos de laboratorio hasta los sistemas de extracción industrial. De este modo, en Hielscher podemos ofrecerle el ultrasonido más adecuado para la capacidad de proceso prevista. Nuestro personal, con una larga experiencia, le asistirá desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.
La pequeña huella de nuestros extractores ultrasónicos, así como su versatilidad en las opciones de instalación, los hacen encajar incluso en instalaciones de procesamiento de pectina de espacio reducido. Los procesadores ultrasónicos están instalados en todo el mundo en instalaciones de producción de alimentos, farmacia y suplementos nutricionales.

Hielscher Ultrasonics – Equipo de extracción sofisticado

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre la gama completa de extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde la pequeña a la gran escala. Los accesorios adicionales permiten el fácil montaje de la configuración de dispositivo ultrasónico más adecuada para su proceso de extracción de pectina. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad, el volumen, la materia prima, el lote o el proceso en línea y el tiempo previstos.

Por lotes y en línea

Los ultrasonidos de Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y de flujo continuo. El procesamiento ultrasónico por lotes es ideal para la prueba de procesos, la optimización y el nivel de producción de pequeño a mediano tamaño. Para una producción de grandes volúmenes de pectina, el procesamiento en línea podría ser más ventajoso. Un proceso de mezcla en línea continuo requiere una configuración sofisticada – que consiste en una bomba, mangueras o tuberías y tanques -, pero es muy eficiente, rápido y requiere mucho menos trabajo. Hielscher Ultrasonics tiene la configuración de extracción más adecuada para su volumen de extracción y objetivos de proceso.

Extractores ultrasónicos para cada capacidad de producto

Célula de flujo UIP4000hdT para sonicación en línea a escala industrialLa gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde los ultrasonidos compactos de laboratorio, pasando por los sistemas de mesa y los sistemas piloto, hasta los procesadores ultrasónicos totalmente industriales con capacidad para procesar cargas de camiones por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el extractor ultrasónico más adecuado para su materia prima que contiene pectina, la capacidad de proceso y los objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de mesa son ideales para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. La ampliación lineal basada en parámetros de proceso establecidos hace que sea muy fácil aumentar la capacidad de procesamiento de lotes más pequeños a una producción totalmente comercial. El aumento de escala puede hacerse instalando una unidad extractora de ultrasonidos más potente o agrupando varios ultrasonidos en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece el extractor de ultrasonidos más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los ultrasonidos de Hielscher son controlables con precisión y, por lo tanto, caballos de trabajo fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros de proceso cruciales que influyen en la eficiencia y eficacia de la extracción ultrasónica de pectina de la fruta y de los bioresiduos.
Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Todos los ultrasonidos de Hielscher’ Los procesadores permiten el ajuste preciso de la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores industriales de ultrasonidos de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy altas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas continuamente en operación 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le dan la posibilidad de tratar su materia prima con las condiciones ultrasónicas más eficaces. ¡Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de extracción!
La robustez del equipo de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana, en entornos exigentes. Esto hace que el equipo de ultrasonidos de Hielscher sea una herramienta de trabajo fiable que cumple con sus requisitos de extracción.

Pruebas fáciles y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden ser completamente lineales. Esto significa que cada resultado que se ha logrado usando un laboratorio o un ultrasonido de mesa, puede ser escalado a exactamente la misma salida usando exactamente los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonificación sea ideal para la realización de pruebas de viabilidad sin riesgos, la optimización de los procesos y la posterior aplicación en la fabricación comercial. Contáctenos para saber cómo la sonicación puede aumentar su producción de extracto de pectina.

La más alta calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa familiar y familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los ultrasonicadores están diseñados, fabricados y probados a fondo en nuestra sede en Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y fiabilidad del equipo ultrasónico de Hielscher lo convierten en un caballo de trabajo en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias