La extracción por ultrasonidos y su principio de funcionamiento

La extracción ultrasónica es la técnica preferida para aislar compuestos bioactivos de productos botánicos. La sonicación consigue una extracción completa y, por lo tanto, se obtienen rendimientos de extracto superiores en un tiempo de extracción muy corto. Al ser un método de extracción tan eficaz, la extracción por ultrasonidos ahorra costes y tiempo, al tiempo que da lugar a extractos de alta calidad, que se utilizan para alimentos, suplementos y productos farmacéuticos.

Extracción ultrasónica

La extracción por ultrasonidos se utiliza en la industria alimentaria, de suplementos nutricionales y farmacéutica para liberar compuestos bioactivos como vitaminas, polifenoles, polisacáridos, cannabinoides y otros fitoquímicos de productos botánicos. La extracción asistida por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica o ultrasónica.

¿Cómo funciona la cavitación acústica?

La extracción por ultrasonidos se consigue cuando se introducen ondas ultrasónicas de alta potencia y baja frecuencia en un lodo compuesto por material botánico en un disolvente. Las ondas ultrasónicas de alta potencia se introducen en el lodo mediante un procesador de ultrasonidos tipo sonda. Las ondas ultrasónicas altamente energéticas viajan a través del líquido creando ciclos alternos de alta y baja presión, lo que da lugar al fenómeno de cavitación acústica. La cavitación acústica o ultrasónica provoca localmente temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento, diferenciales de presión y elevadas fuerzas de cizallamiento extremas en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan en la superficie de los sólidos (como partículas, células vegetales, tejidos, etc.), los microchorros y la colisión interparticlular generan efectos como el pelado de la superficie, la erosión, la rotura de las partículas, la sonoporación (la perforación de las paredes y membranas celulares) y la disrupción celular. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macroturbulencias y micromezclas. La irradiación ultrasónica representa una forma eficaz de potenciar los procesos de transferencia de masa, ya que la sonicación da lugar a la cavitación y sus mecanismos relacionados, como el micromovimiento por chorros de líquido, la compresión y descompresión en el material con la consiguiente disrupción de las paredes celulares, así como altas velocidades de calentamiento y enfriamiento.
Los ultrasonidos de tipo sonda pueden generar amplitudes muy elevadas, necesarias para generar una cavitación impactante. Hielscher Ultrasonic fabrica extractores ultrasónicos de alto rendimiento, que pueden crear fácilmente amplitudes de 200µm en funcionamiento continuo 24/7. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sonotrodos (sondas) específicos de gran amplitud.
Para intensificar la cavitación se utilizan reactores ultrasónicos presurizables y celdas de flujo. Al aumentar la presión, la cavitación y las fuerzas de cizallamiento cavitacional se vuelven más destructivas y mejoran así los efectos de extracción por ultrasonidos.

La extracción por ultrasonidos se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas

Efectos de la extracción por ultrasonidos

Disrupción celular ultrasónica y aumento de la transferencia de masa
Los ultrasonidos pueden ayudar en los procesos de extracción tanto por la disrupción celular como por la mejora de la transferencia de masa en la capa límite que rodea la matriz sólida.
La sonoporación, la perforación de las paredes y membranas celulares, aumenta la permeabilidad de las paredes y membranas celulares y suele ser un paso intermedio antes de que las células se desorganicen completamente por sonicación.
Los efectos mecánicos de la cavitación inducida por ultrasonidos, como los diferenciales de calor y presión, las ondas de choque, las fuerzas de cizallamiento, los chorros de líquido y la microcorriente, intensifican la penetración del disolvente en el interior celular y mejoran la transferencia de masa entre la célula y el disolvente, de modo que los materiales intercelulares se transfieren al disolvente.

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

equipo de extracción por ultrasonidos

Los procesadores por ultrasonidos de Hielscher son sistemas de extracción de alto rendimiento, de manejo sencillo y seguro. En función de su materia prima, capacidad de proceso y objetivo de producción, Hielscher le ofrece el ultrasonido más adecuado. Nuestra gama de productos abarca desde ultrasonidos manuales compactos y potentes, pasando por sistemas de sobremesa, hasta unidades de ultrasonidos totalmente industriales capaces de procesar varias toneladas por hora.
Los extractores ultrasónicos de Hielscher se pueden utilizar para la extracción en línea por lotes y continua y se pueden utilizar en combinación con cualquier disolvente.
Existen diversos accesorios, como sonotrodos (sondas) de distintos tamaños y formas, bocinas de refuerzo, celdas de flujo con distintos volúmenes y geometrías, sensores enchufables de temperatura y presión y muchos otros artilugios para montar la configuración ultrasónica ideal para su proceso de extracción.
Todos nuestros modelos digitales están equipados con un software inteligente que permite ajustar, supervisar y configurar los parámetros de extracción. Gracias al control preciso de la amplitud, el tiempo de sonicación y los ciclos de trabajo, se pueden obtener resultados óptimos del proceso, como un rendimiento superior y la máxima calidad del extracto. El registro automático de datos del proceso de sonicación son las bases para la estandarización del proceso y la reproducibilidad / repetibilidad, que son necesarias para las Buenas Prácticas de Fabricación (GMP).

Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite su funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo pesado y en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: