Ultrasonido para mejorar la disrupción y extracción de células de algas

Las algas, macro y microalgas, contienen muchos compuestos valiosos, que se utilizan como alimentos nutritivos, aditivos alimentarios o como materia prima para combustibles o carburantes. Para liberar las sustancias objetivo de las células de las algas se requiere una técnica de disrupción celular potente y eficaz. Los extractores ultrasónicos son muy eficaces y fiables cuando se trata de la extracción de compuestos bioactivos de productos botánicos, algas y hongos. Los extractores ultrasónicos de Hielscher, disponibles a escala de laboratorio, de sobremesa e industrial, están establecidos en la producción de extractos derivados de células en la producción de alimentos, productos farmacéuticos y biocombustibles.

Las algas como recurso valioso para la nutrición y el combustible

Las células de las algas son una fuente versátil de compuestos bioactivos y ricos en energía, como proteínas, carbohidratos, lípidos y otras sustancias bioactivas, así como alcanos. Esto convierte a las algas en una fuente de alimentos y compuestos nutricionales, así como de combustibles.
Las microalgas son una valiosa fuente de lípidos, que se utilizan para la nutrición y como materia prima para los biocombustibles (por ejemplo, el biodiésel). Las cepas del fitoplancton marino Dicrateria, como Dicrateria rotunda, son conocidas como algas productoras de petróleo, que pueden sintetizar una serie de hidrocarburos saturados (n-alcanos) a partir de C10H22 a C38H78que se clasifican en gasolina (C10-C15), gasóleo (C16-C20) y fuel (C21-C38).
Por su valor nutricional, las algas se utilizan como "alimentos funcionales" o "nutracéuticos". Entre los micronutrientes importantes extraídos de las algas se encuentran los carotenoides astaxantina, fucoxantina y zeaxantina, el fucoidán, el laminari y otros glucanos, entre otras numerosas sustancias bioactivas, que se utilizan como suplementos nutricionales y productos farmacéuticos. La carragenina, el alginato y otros hidrocoloides se utilizan como aditivos alimentarios. Los lípidos de las algas se utilizan como fuente vegana de omega-3 y también como combustible o como materia prima para la producción de biodiésel.

Ultrasonic extractor with stainless steel reactor for the sommerical extraction of lipids, proteins and bioactive compounds from algal specien such as microalgae, macroalgae, phytoplankton and seaweed.

Extractor ultrasónico UIP2000hdT con reactor de acero inoxidable para la extracción comercial de lípidos, proteínas y antioxidantes de las algas.

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Disrupción y extracción de células de algas mediante ultrasonidos de potencia

Los extractores por ultrasonidos o simplemente los ultrasonidos se utilizan para extraer compuestos valiosos de pequeñas muestras en el laboratorio, así como para la producción a gran escala comercial.
Las células de las algas están protegidas por complejas matrices de pared celular, compuestas por lípidos, celulosa, proteínas, glicoproteínas y polisacáridos. La base de la mayoría de las paredes celulares de las algas está constituida por una red microfibrilar dentro de una matriz proteica de tipo gel; sin embargo, algunas microalgas están dotadas de una pared rígida inorgánica compuesta por frústulas de sílice opalina o carbonato cálcico. Para obtener compuestos bioactivos a partir de la biomasa de las algas, es necesaria una técnica eficaz de disrupción celular. Además de los factores tecnológicos de extracción (es decir, el método y el equipo de extracción), la eficacia de la disrupción celular y la extracción de las algas también está fuertemente influenciada por varios factores dependientes de las algas, como la composición de la pared celular, la localización de la biomolécula deseada en las células de las microalgas y la fase de crecimiento de las microalgas durante la recolección.

¿Cómo funciona la disrupción y extracción de células de algas por ultrasonidos?

A variety of microscopic unicellular and colonial freshwater algae, which can be disrupted by ultrasonication in order to extract valuable bioactive compounds such as proteins, lipids, polysaccharides and antioxidants. Hielscher Ultrasonics manufactures high-performance ultrasonic extractors for commercial algae extraction.Cuando las ondas de ultrasonido de alta intensidad se acoplan a través de una sonda de ultrasonidos (también conocida como cuerno de ultrasonidos o sonotrodo) en un líquido o lodo, las ondas sonoras viajan a través del líquido y crean así ciclos alternativos de alta y baja presión. Durante estos ciclos de alta/baja presión, se producen diminutas burbujas de vacío o cavidades. Las burbujas de cavitación se producen cuando la presión local cae durante los ciclos de baja presión lo suficientemente por debajo de la presión de vapor saturada, un valor dado por la resistencia a la tracción del líquido a una determinada temperatura. Las cuales crecen a lo largo de varios ciclos. Cuando estas burbujas de vacío alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía, la burbuja implosiona violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas de cavitación es un proceso violento y de gran densidad energética que genera intensas ondas de choque, turbulencias y microchorros en el fluido. Además, se crean presiones muy altas localizadas y temperaturas muy elevadas. Estas condiciones extremas son fácilmente capaces de alterar las paredes y las membranas celulares y de liberar compuestos intracelulares de forma efectiva, eficaz y rápida. Los compuestos intracelulares, como las proteínas, los polisacáridos, los lípidos, las vitaminas, los minerales y los antioxidantes, pueden ser extraídos eficazmente mediante el uso de ultrasonidos.

Ultrasonic extractor UP400ST for small to mide-size algae disruption and extraction

El ultrasonido UP400St es ideal para la alteración y extracción de compuestos bioactivos de las algas en lotes más pequeños (aprox. 8-10L)

Cavitación ultrasónica para la disrupción y extracción de células

UP400St with stirrer for cell disintegration, disruption and extractionCuando se expone a una energía ultrasónica intensa, la pared o la membrana de cualquier tipo de célula (incluidas las botánicas, las de mamíferos, las de algas, las de hongos, las de bacterias, etc.) se rompe y la célula se desgarra en fragmentos más pequeños por las fuerzas mecánicas de la cavitación ultrasónica de alta energía. Cuando se rompe la pared celular, los metabolitos celulares como las proteínas, los lípidos, los ácidos nucleicos y la clorofila se liberan de la matriz de la pared celular, así como del interior de la célula, y se transfieren al medio de cultivo o al disolvente circundante.
El mecanismo de cavitación ultrasónica/acústica descrito anteriormente perturba gravemente las células enteras de las algas o las vacuolas de gas y líquido dentro de las células. La cavitación ultrasónica, la vibración, las turbulencias y el microflujo promueven la transferencia de masa entre el interior de la célula y el disolvente circundante, de modo que las biomoléculas (es decir, los metabolitos) se liberan eficaz y rápidamente. La sonicación es un tratamiento puramente mecánico que no requiere productos químicos agresivos, tóxicos o caros.
Los ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia crean condiciones extremas de densidad energética, con altas presiones, temperaturas y altas fuerzas de cizallamiento. Estas fuerzas físicas promueven la disrupción de las estructuras celulares para liberar compuestos intracelulares en el medio. Por ello, los ultrasonidos de baja frecuencia se utilizan en gran medida para la extracción de sustancias bioactivas y combustibles de las algas. En comparación con los métodos de extracción convencionales, como la extracción con disolventes, la molienda con perlas o la homogeneización a alta presión, la extracción por ultrasonidos destaca por la liberación de la mayor parte de los compuestos bioactivos (como lípidos, proteínas, polisacáridos y micronutrientes) de la célula sonoporada y alterada. Si se aplican las condiciones de proceso adecuadas, la extracción por ultrasonidos ofrece rendimientos de extracción superiores con una duración de proceso muy corta. Por ejemplo, los extractores ultrasónicos de alto rendimiento muestran un excelente rendimiento de extracción de algas, cuando se utilizan con un disolvente adecuado. En un medio ácido o alcalino, la pared celular de las algas se vuelve porosa y se arruga, lo que permite aumentar los rendimientos a baja temperatura (por debajo de 60°C) en un tiempo de sonicación corto (menos de 3 horas). La corta duración de la extracción a temperaturas suaves impide la degradación del fucoidán, de modo que se obtiene un polisacárido altamente bioactivo.
La ultrasonicación es también un método para transformar el fucoidán de alto peso molecular en fucoidán de bajo peso molecular, que es significativamente más bioactivo debido a su estructura desramificada. Gracias a su elevada bioactividad y bioaccesibilidad, el fucoidán de bajo peso molecular es un compuesto interesante para los productos farmacéuticos y los sistemas de administración de fármacos.

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Estudios de caso: Extracción por ultrasonidos de compuestos de algas

La eficacia de la extracción por ultrasonidos y la optimización de los parámetros de extracción por ultrasonidos se han estudiado ampliamente. A continuación, puede encontrar resultados ejemplares de los resultados de extracción mediante ultrasonidos de varias especies de algas.

Extracción de proteínas de la espirulina mediante Mano-Thermo-Sonicación

El grupo de investigación del profesor Chemat (Universidad de Aviñón) investigó los efectos de la manotermosonificación (MTS) en la extracción de proteínas (como la ficocianina) de la cianobacteria seca Arthrospira platensis (también conocida como espirulina). La Mano-Termo-Sonicación (MTS) es la aplicación de ultrasonidos combinados con presiones y temperaturas elevadas para intensificar el proceso de extracción por ultrasonidos.
"Según los resultados experimentales, el MTS promovió la transferencia de masa (alta difusividad efectiva, De) y permitió obtener un 229% más de proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) que el proceso convencional sin ultrasonidos (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Con 28,42 g de proteínas por 100 g de biomasa seca de espirulina en el extracto, se logró una tasa de recuperación de proteínas del 50% en 6 minutos efectivos con un proceso continuo de MTS. Las observaciones microscópicas mostraron que la cavitación acústica impactó en los filamentos de espirulina mediante diferentes mecanismos como la fragmentación, la sonoporación y la detextura. Estos diversos fenómenos facilitan la extracción, la liberación y la solubilización de los compuestos bioactivos de la espirulina." [Vernès et al., 2019]

Ultrasonic extraction of spirulina protein from Arthrospira platensis cyanobacteria.

Imágenes de microscopía óptica de filamentos enteros de espiurulina sometidos a tratamiento con MTS a lo largo del tiempo. Barra de escala (imagen A) = 50 μm para todas las imágenes.
imagen y estudio: ©Vernès et al. 2019

Extracción ultrasónica de fucoides y glucanos de Laminaria digitata

El grupo de investigación TEAGASC del Dr. Tiwari investigó la extracción de polisacáridos, es decir, fucoidan, laminarina y glucanos totales, de la macroalga Laminaria digitata utilizando el ultrasonido UIP500hdT. Los parámetros de extracción asistida por ultrasonidos (EAU) estudiados mostraron una influencia significativa en los niveles de fucosa, FRAP y DPPH. Se obtuvieron niveles de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde y 11,02% para la fucosa, los glucanos totales, el FRAP y el DPPH, respectivamente, en condiciones optimizadas de temperatura (76◦C), tiempo (10 min) y amplitud ultrasónica (100%) utilizando HCl 0,1 M como disolvente. Las condiciones de EAU descritas se aplicaron con éxito a otras macroalgas marrones de importancia económica (L. hyperborea y A. nodosum) para obtener extractos ricos en polisacáridos. Este estudio demuestra la aplicabilidad de la EAU para mejorar la extracción de polisacáridos bioactivos de varias especies de macroalgas.

Extracción fitoquímica por ultrasonidos de F. vesiculosus y P. canaliculata

El equipo de investigación de García-Vaquero comparó varias técnicas de extracción novedosas, entre ellas la extracción por ultrasonidos de alto rendimiento, la extracción por ultrasonidos y microondas, la extracción asistida por microondas, la extracción asistida por hidrotermia y la extracción asistida por alta presión, para evaluar la eficacia de la extracción de las especies de microalgas pardas Fucus vesiculosus y Pelvetia canaliculata. Para la ultrasonificación, utilizaron el Extractor ultrasónico Hielscher UIP500hdT. El análisis de los rendimientos de extracción reveló que la extracción ultrasónica logró los mayores rendimientos de la mayoría de los fitoquímicos de F. vesiculosus. Esto significa que los rendimientos más altos de los compuestos extraídos de F. vesiculosus utilizando el extractor ultrasónico UIP500hdT fueron: el contenido fenólico total (445,0 ± 4,6 mg de equivalentes de ácido gálico/g), el contenido total de clorotaninos (362,9 ± 3,7 mg de equivalentes de cloroglucinol/g), el contenido total de flavonoides (286,3 ± 7,8 mg de equivalentes de quercetina/g) y el contenido total de taninos (189,1 ± 4,4 mg de equivalentes de catequina/g).
En su estudio de investigación, el equipo concluyó que el uso de la extracción asistida por ultrasonidos "combinada con una solución etanólica al 50% como disolvente de extracción podría ser una estrategia prometedora dirigida a la extracción de TPC, TPhC, TFC y TTC, al tiempo que reduce la coextracción de carbohidratos indeseables tanto de F. vesiculosus como de P. canaliculata, con aplicaciones prometedoras cuando se utilizan estos compuestos como productos farmacéuticos, nutracéuticos y cosmecéuticos." [García-Vaquero et al., 2021]

Spirulina Protein Extraction using Hielscher ultrasonic extractors can be linearly sclaed from small to large production.

Ampliación de la mano-termosonificación en la Universidad de Aviñón mediante ultrasonidos Hielscher: de los equipos de laboratorio UIP1000hdT (A) a los equipos a escala piloto UIP4000hdT (B, C & D). En la imagen D se esquematiza una sección transversal de la célula de flujo ultrasónico FC100K.
imagen y estudio: ©Vernès et al. 2019

Ultrasonic algae disruption and extraction in continuous in-line mode for the release lipids, proteins, polysaccharides and other bioactive substances.

Configuración del extractor ultrasónico en línea con celdas de flujo: 2x UIP1000hdT ultrasonidos con reactores de célula de flujo para la extracción continua de algas

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Ultrasonic extractor for algae disruption in an open vessel

UIP1000hdT (1kW, 20kHz) Extractor ultrasónico con agitador para la disrupción y extracción de algas como Chlorella, spirulina, Nannochloropsis , broen algae así como otras micro y macroalgas.

Las ventajas de la extracción de algas por ultrasonidos

  • Alta eficiencia de extracción
  • Rendimientos de extracción superiores
  • proceso rápido
  • Temperaturas bajas
  • Adecuado para extraer compuestos termolábiles
  • Compatible con cualquier disolvente
  • Bajo consumo de energía
  • Técnica de extracción ecológica
  • operación fácil y segura
  • Bajos costos de inversión y operación
  • Funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana, bajo carga pesada

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento para la eliminación de algas

El avanzado equipo ultrasónico de Hielscher permite un control total sobre los parámetros del proceso, como la amplitud, la temperatura, la presión y la entrada de energía.
Para la extracción por ultrasonidos, pueden variarse y optimizarse parámetros como el tamaño de las partículas de la materia prima, el tipo de disolvente, la relación sólido-disolvente y el tiempo de extracción para obtener los mejores resultados.
Como la extracción por ultrasonidos es un método de extracción no térmico, se evita la degradación térmica de los ingredientes bioactivos presentes en la materia prima, como las algas.
En general, las ventajas como el alto rendimiento, el corto tiempo de extracción, la baja temperatura de extracción y las pequeñas cantidades de disolvente hacen que la sonicación sea el método de extracción superior.

Extracción por ultrasonidos: Establecida en el laboratorio y en la industria

La extracción por ultrasonidos se aplica ampliamente para la extracción de cualquier tipo de compuesto bioactivo de productos botánicos, algas, bacterias y células de mamíferos. La extracción por ultrasonidos se ha establecido como una técnica sencilla, rentable y muy eficiente que supera a otras técnicas de extracción tradicionales por su mayor rendimiento de extracción y menor duración del proceso.
Con sistemas de ultrasonidos de laboratorio, de sobremesa y totalmente industriales disponibles, la extracción por ultrasonidos es hoy en día una tecnología bien establecida y de confianza. Los extractores ultrasónicos de Hielscher están instalados en todo el mundo en instalaciones de procesamiento industrial que producen compuestos bioactivos de calidad alimentaria y farmacéutica.

Estandarización de procesos con Hielscher Ultrasonics

Los extractos derivados de algas, que se utilizan en alimentación, farmacia o cosmética, deben producirse de acuerdo con las Buenas Prácticas de Fabricación (GMP) y bajo especificaciones de procesamiento estandarizadas. Los sistemas de extracción digital de Hielscher Ultrasonics cuentan con un software inteligente que facilita la configuración y el control preciso del proceso de sonicación. El registro automático de datos escribe todos los parámetros del proceso de ultrasonidos, como la energía de ultrasonidos (energía total y neta), la amplitud, la temperatura, la presión (cuando se montan sensores de temperatura y presión) con sello de fecha y hora en la tarjeta SD incorporada. Esto le permite revisar cada lote procesado por ultrasonidos. Al mismo tiempo, se garantiza la reproducibilidad y la alta calidad continua del producto.

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
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
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



Información interesante

Algas: Macroalgas, microalgas, fitoplancton, cianobacterias, algas

El término algas es informal y se utiliza para designar un grupo amplio y diverso de organismos eucariotas fotosintéticos. Las algas se consideran principalmente protistas, pero a veces también se clasifican como un tipo de planta (botánica) o coromistas. Según su estructura celular, pueden diferenciarse en macroalgas y microalgas, también conocidas como fitoplancton. Las macroalgas son organismos multicelulares, a menudo conocidos como algas. La clase de las macroalgas contiene varias especies de algas marinas macroscópicas y multicelulares. El término fitoplancton se utiliza principalmente para las algas unicelulares marinas microscópicas (microalgas), pero también puede incluir las cianobacterias. El fitoplancton es una amplia clase de organismos diversos que incluyen bacterias fotosintetizadoras, así como microalgas y cocolitóforos acorazados.
Como las algas pueden ser unicelulares o pluricelulares con estructuras filamentosas (en forma de hilo) o vegetales, a menudo son difíciles de clasificar.

Las especies de macroalgas más cultivadas son Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii, Gracilaria spp., Saccharina japonica, Undaria pinnatifida, Pyropia spp. y Sargassum fusiforme. La Eucheuma y la K. alvarezii se cultivan para obtener carragenina, un agente gelificante hidrocoloidal; la Gracilaria se cultiva para la producción de agar; mientras que las demás especies se recolectan para su alimentación y nutrición.
Otro tipo de alga es el kelp. Las algas kelp son grandes algas marinas de color marrón que componen el orden Laminariales. Las algas son ricas en alginato, un hidrato de carbono que se utiliza para espesar productos como el helado, la gelatina, el aderezo para ensaladas y la pasta de dientes, así como un ingrediente en algunos alimentos para perros y en productos manufacturados. El alginato en polvo también se utiliza con frecuencia en odontología general y ortodoncia. Los polisacáridos de algas, como el fucoidán, se utilizan en el cuidado de la piel como ingredientes gelificantes.
El fucoidán es un heteropolisacárido sulfatado soluble en agua, presente en múltiples especies de algas pardas. El fucoidán producido comercialmente se extrae principalmente de las especies de algas Fucus vesiculosus, Cladosiphon okamuranus, Laminaria japonica y Undaria pinnatifida.

Géneros y especies de algas destacadas

  • Chlorella es un género de unas trece especies de algas verdes unicelulares (microalgas) pertenecientes a la división Chlorophyta. Las células de Chlorella tienen forma esférica, miden entre 2 y 10 μm de diámetro y no tienen flagelos. Sus cloroplastos contienen los pigmentos fotosintéticos verdes clorofila-a y -b. Una de las especies de Chlorella más utilizadas es la Chlorella vulgaris, que se usa popularmente como suplemento dietético o como aditivo alimentario rico en proteínas.
  • Espirulina (cianobacteria Arthrospira platensis) es un alga azul-verde filamentosa y multicelular.
  • Nannochloropsis oculata es una especie del género Nannochloropsis. Es una pequeña alga verde unicelular, que se encuentra tanto en aguas marinas como dulces. El alga Nannochloropsis se caracteriza por tener células esféricas o ligeramente ovoides con un diámetro de 2-5 μm.
  • Dicrateria es un género de haptofitas que comprende las tres especies Dicrateria gilva, Dicrateria inornata, Dicrateria rotunda y Dicrateria vlkianum. Dicrateria rotunda (D. rotunda) puede sintetizar hidrocarburos equivalentes al petróleo (hidrocarburos saturados con un número de carbono que va de 10 a 38).

High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.