Ultraheli-oomiline kuumutamine intensiivistatud taimsete ainete ekstraheerimiseks

Ultraheli-oomiline kuumutamine ühendab ultraheli esilekutsutud kavitatsiooni kiire ja ühtlase oomilise kuumutamisega, et intensiivistada bioaktiivsete ühendite ekstraheerimist taimsest toorainest. Võrreldes tavapäraste ja ühe toimemehhanismiga meetoditega annab see oluliselt lühema ajaga rohkem fütokemikaale, vähendades samal ajal energiakulu kuni 74% võrra. See sünergia kiirendab massiülekannet, vähendab lahusti kasutamist ja pakub puhtamat ning säästvamat ekstraheerimisviisi.

Ultraheli-oomiline kuumekstraktsioon – õrn, kuid väga tõhus

Ultraheli-oomiline kuumekstraktsioon ühendab ühtlase mahulise kuumutamise ultraheli tekitatud mehaanilise homogeniseerimisega, et saavutada fütokemikaalide tõhus vabanemine võrdlemisi õrnades tingimustes. Erinevalt tavapärasest oomilisest kuumutamisest, mis võib tekitada lokaalseid kuumuskanaleid ja termilist pinget, tekitab ultraheli lisamine kavitatsiooni, mikrovoolu ja rakuseina rebenemise, mis homogeniseerivad juhtivust ja jaotavad soojust ühtlasemalt. See sünergia võimaldab kiiret ekstraheerimist madalamate efektiivsete soojuskoormuste juures, säilitades kuumustundlikud fütokemikaalid ning vähendades samal ajal üldist energiavajadust. Seetõttu kujuneb ultraheli-oomiline kuumutamine õrnaks, kuid võimsaks lähenemisviisiks kvaliteetsete taimeekstraktide tootmisel puhtamal ja säästvamal viisil.

See video näitab elektroodi otsese ultrahelitöötluse positiivset mõju elektrivoolule. Kasutatakse Hielscheri ultrahelihomogenisaatorit UP100H (100 vatti, 30kHz), millel on elektrokeemiliste rakenduste lisavarustus ja titaanist elektrood/sonotrood. Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekivad gaasiline vesinik ja hapnik. Ultrahelitöötlus vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal ja parandab elektrolüüsi ajal massiülekannet.

Õrnad ekstraheerimistingimused ultraheli-oomilise kuumutamise korral

Praktilistes rakendustes jäävad temperatuurid toidu ja taimsete ainete ekstraheerimisel tavaliselt vahemikku 40–70°C. Materjalide puhul, mis ei ole kuumustundlikud, on aga võimalik saavutada ka üle 100°C temperatuure.

Õrn kuumutamine (40–70 °C): kasutatakse sageli õrnade taimsete maatriksite või termolabiilsete ühendite puhul, kus eesmärk on ekstraheerimist kiirendada, kahjustamata tundlikke fütokemikaale.
Mõõdukas kuni tugev kuumutamine (70–100 °C): levinud protsessides, mille eesmärk on kiirem rakuseina rebenemine ja tõhustatud massiülekanne, jäädes samas vesisüsteemide puhul siiski keemistemperatuurist allapoole.

Probleem: kuumuskanalid oomilisel kuumutamisel

Oomiline kuumutamine põhineb elektrienergia muundamisel soojuseks, kui vool läbib taimset maatriksit. Bioloogilised koed on aga olemuselt heterogeensed: rakuseinad, õhutaskud ja niiskusgradiendid tekitavad kõik erinevusi lokaalses juhtivuses. Kuna vool läbib eelistatult kõrgema juhtivusega tsoone, tekivad „kuumuskanalid“. Need lokaliseeritud voolutrajektoorid põhjustavad:

ebaühtlast kuumenemist, kus ülekuumenenud triibud asuvad alatöödeldud piirkondade kõrval.
kuumi kohti, mis ohustavad tundlike fütokemikaalide termilist lagunemist.
vähenenud tõhusust, kuna ekstraheerimist piiravad piirkonnad, mis jäävad ebapiisavalt kuumutatuks.

See probleem on oomilise kuumutamise kirjanduses hästi teada, kus elektrijuhtivuse kõikumised piiravad sageli skaleeritavust ja reprodutseeritavust.

Lahendus: ultraheliga toetatud oomiline kuumutamine

Kui ultraheli on oomilise kuumutamisega ühendatud, vähendavad kuumuskanalite teket mitmed ultraheli toimed:

Kavitatsioon ja mikrovool: Ultraheli kavitatsioon tekitab nihkejõude ja mikrojuge, mis häirivad pidevalt rakustruktuure ja segavad vedelikke. See homogeniseerib keskkonda ning silub juhtivusgradiendid, mis muidu põhjustaksid kuumuskanalite teket.
Parem elektroporatsioon: Ultraheli nõrgestab rakuseinu ja membraane, suurendades läbilaskvust. See vähendab lokaalseid eritakistuse erinevusi, tagades elektrivoolu ühtlasema jaotumise.
Tõhustatud soojusülekanne: Akustiline voolamine soodustab mikromastaabis segunemist, hajutades lokaalseid kuumi kohti ja jaotades soojusenergiat ühtlasemalt.
Sünergistlik rakkude lõhkumine: Kombineeritud mehaaniline rebestamine (ultraheli toimel) ja elektriline kuumutamine (oomilise töötluse toimel) tagavad, et rakud vabastavad oma sisu kiiremini, enne kui pikaajaline kuumutamine võib põhjustada lagunemist.

Ultraheliga toetatud oomilise kuumutamise eelised

Ebaühtlase, kanaliseerunud kuumutamise asemel tekitab ultraheli abil toetatud oomiline kuumutamine taimses maatriksis stabiilse ja ühtlase temperatuuriprofiili. See tähendab:

Puutumatute fütokemikaalide, nt eeterlike õlide, suuremat saagist.
Lühemat ekstraheerimisaega, sest massiülekande tõkked lagundatakse ühtlasemalt.
Väiksemat üldist energiakulu, sest soojust kasutatakse tõhusamalt.

Lühidalt: ultraheli tasakaalustab oomilise kuumutamise põhilist nõrkust – selle vastuvõtlikkust ebaühtlasele soojusjaotusele – ning muudab selle palju paremini kontrollitavaks, ennustatavaks ja skaleeritavaks ekstraheerimismeetodiks.

Ultraheliga täiustatud oomiline kuumutamine – mida uuringud näitavad

Kumar jt (2023) võrdlesid tavapärast Clevengeri hüdrodestillatsiooni (CHD), oomilise kuumutamisega hüdrodestillatsiooni (OHD), ultraheli abil toetatud hüdrodestillatsiooni (UAHD) ja ultraheli abil toetatud oomilise kuumutamisega hüdrodestillatsiooni (UAOHD) nende tõhususe poolest eeterlike õlide ekstraheerimisel. Ultraheli abil toetatud oomilise kuumutamisega hüdrodestillatsioon (UAOHD) on näidanud taimse ekstraheerimise tõhususe märkimisväärset paranemist, ühendades ultraheli lõhkuva toime oomilise töötluse kiire ja ühtlase mahulise kuumutamisega. Võrdlevates katsetes India basiilikuga, sidrunheinaga ja koriandrilehtedega andis ultraheli abil toetatud oomilise kuumutamisega destillatsioon järjepidevalt suurema eeterliku õli saagise kui tavapärane hüdrodestillatsioon, ainult oomiline kuumutamine või ultraheli abil toetatud tavapärane destillatsioon. Ekstraheerimisaega lühendati kuni 86% ning energiatarbimine vähenes ligikaudu 74%, kuigi hetkeline võimsustarve oli suurem. Need eelised tulenevad sünergistlikest mehhanismidest: ultraheli esilekutsutud kavitatsioon ja mikroturbulents lõhuvad eeterliku õli näärmeid, samal ajal kui oomiline kuumutamine kiirendab rakkude lõhkumist elektroporatsiooni ja ühtlase sisemise kuumenemise kaudu. Koos võimaldavad need kiiremat massiülekannet, puhtamat töötlust ilma lahustiteta ja märkimisväärselt väiksemat keskkonnajalajälge, positsioneerides ultraheli abil toetatud oomilise kuumutamisega hüdrodestillatsiooni jätkusuutliku ja skaleeritava alternatiivina eeterliku õli tootmisele.

See video näitab elektroodi vahetu ultrahelitöötluse positiivset mõju elektrivoolule H-tüüpi elektrolüüseris. Kasutatakse Hielscher ultrahelihomogenisaatorit UP100H (100 vatti, 30kHz), millel on elektrokeemia lisavarustus ja titaanist elektrood/sonotrood. Lahjendatud väävelhappe elektrolüüsil tekivad gaasiline vesinik ja hapnik. Ultrahelitöötlus vähendab difusioonikihi paksust elektroodi pinnal ja parandab massiülekannet elektrolüüsi ajal. Ultrahelitöötlus võib elektrolüüsirakus vesiniku tootmiskiirust märkimisväärselt suurendada.

Ultraheli elektroodid täiustatud oomiliseks kuumutamiseks

Hielscheri ultraheli elektroodid pakuvad oomilisel kuumutamisel selget eelist, sest need ühendavad ühes seadistuses kaks teineteist täiendavat mehhanismi: elektrivoolu juhtimise ja ultraheli segamise. Kui elektrood rakendab mahuliseks Joule’i kuumutamiseks vajalikku vahelduvvoolu, tekitab selle samaaegne võnkumine sagedusel 20 kHz kavitatsiooni, mikrovoolu ja nihkejõude, mis lõhuvad taimerakkude seinu ja homogeniseerivad keskkonda. See kahetoimeline mõju vähendab soojuskanalite teket, tagab ühtlasema elektrijuhtivuse ja annab seeläbi ühtlase kuumenemise kogu proovis. Samal ajal kiirendab ultraheliekstraktsiooni toime massiülekannet ja soodustab rakusiseste ühendite vabanemist, parandades veelgi saagist ja kvaliteeti. Kommertskasutuses tagab Hielscher UIP2000hdT elektroodisüsteem (2000 W elektroodi kohta) pideva tööstusliku tootmise jaoks vajaliku töökindluse, samas kui väiksemad seadistused, nagu UP100H (100 W) ja VialTweeter, on paindlikud töövahendid laboriskaala uuringuteks ja protsessi optimeerimiseks.
Loe lähemalt Hielscheri ultraheli elektroodide kasutamisest toiduainetööstuses intensiivistatud oomiliseks kuumutamiseks!

Miks Hielscher Ultrasonics?

kõrge tõhusus
tipptasemel tehnoloogia
töökindlus ja vastupidavus
reguleeritav, täpne protsessijuhtimine
partii- ja inline-töötlus
mis tahes mahule
intelligentne tarkvara
nutikad funktsioonid (nt programmeeritavus, andmete logimine, kaugjuhtimine)
lihtne ja ohutu kasutada
väike hooldusvajadus
CIP (kohapealne puhastus)

Allolev tabel annab ülevaate meie oomilise kuumutamise sonikaatorite / ultraheli elektroodide ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,5 kuni 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 kuni 500mL	10 kuni 200mL/min	UP100H
0,1 kuni 20L	0,2 kuni 4L/min	UIP2000hdT

Disain, tootmine ja nõustamine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheliseadmeid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri ultraheliseadmed tulevad hõlpsasti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheliseadmetele, mis on varustatud tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkusega. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Seotud teemad

Kirjandus / viited

Kumar, R., Chopra, S., Choudhary, A.K. et al. (2023): Cleaner production of essential oils from Indian basil, lemongrass and coriander leaves using ultrasonic and ohmic heating pre-treatment systems. Scientific Reports 13, 4434 (2023).
Kutlu, N., Isci, A., Sakiyan, O., & Yilmaz, A. E. (2021): Effect of ohmic heating on ultrasound extraction of phenolic compounds from cornelian cherry (Cornus mas). Journal of Food Processing and Preservation, 45, e15818.

Korduma kippuvad küsimused

Kas oomiline kuumutamine ja Joule’i kuumutamine on sama asi?

Mitte päris. Joule’i kuumutamine on põhiline füüsikaline nähtus: kui elektrivool läbib juhti, hajub elektrienergia materjali takistuse tõttu soojusena. Oomiline kuumutamine on seevastu selle nähtuse tehnoloogiline rakendus. Oomilise kuumutamise korral juhitakse vahelduvvool sihipäraselt läbi toidu, taime või bioloogilise materjali, mis toimib takistusliku keskkonnana, nii et soojus tekib proovi sees ühtlaselt.
Lühidalt: kogu oomiline kuumutamine põhineb Joule’i kuumutamisel, kuid mitte kogu Joule’i kuumutamine ei ole oomiline kuumutamine. Joule’i kuumutamine on põhimõte; oomiline kuumutamine on sellele rajatud protsess.

Millest koosneb oomilise kuumutamise seade?

Oomilise kuumutamise seade koosneb tavaliselt vahelduvvoolu andvast toiteallikast, proovi sisaldavast töötluskambrist ning kambri vastasotstes paiknevatest elektroodidest, mis võimaldavad voolul materjalist läbi minna. Süsteemi täiendavad andurid pinge, voolu ja temperatuuri jälgimiseks ning juhtseadmed elektrilise sisendi reguleerimiseks ja ühtlase kuumutamise tagamiseks.

Mis on Joule’i kuumutamine?

Joule’i kuumutamine, mida nimetatakse ka takistuskuumutamiseks, on soojusenergia teke, kui elektrivool läbib juhtivat materjali, kusjuures tekkiv soojus on võrdeline materjali takistuse ja voolu ruuduga.

Mis vahe on oomilisel kuumutamisel ja Joule’i kuumutamisel?

Oomiline kuumutamine on Joule’i kuumutamise konkreetne rakendus, mille korral vahelduvvool juhitakse otse läbi toidu või bioloogilise maatriksi, põhjustades ühtlase mahulise kuumenemise materjali elektrijuhtivust ära kasutades; seevastu „Joule’i kuumutamine“ on üldine füüsikaline nähtus, samas kui „oomiline kuumutamine“ viitab insenertehniliselt rakendatud protsessitehnoloogiale.

Kus oomilist kuumutamist kasutatakse?

Oomilist kuumutamist kasutatakse toiduainete töötlemisel, taimsel ekstraheerimisel, pastöriseerimisel, steriliseerimisel ja ensüümide inaktiveerimisel, samuti materjaliteaduses protsessides, mis nõuavad kiiret ja ühtlast kuumutamist ilma väliste soojusülekande tõketeta.

Mis on oomiline plasma?

Oomiline plasma tähistab plasmaolekut, milles sellest läbi voolav elektrivool hajutab energiat takistuslikult, mis viib plasmaosakeste kuumenemiseni Joule’i efekti tõttu; see põhimõte on oluline plasma kinnihoidmisel ja termotuumasünteesi uuringutes.

Millised on oomilise kuumutamise eelised toiduainetööstuses?

Toiduainetööstuses pakub oomiline kuumutamine olulisi eeliseid, sealhulgas kiire ja ühtlane kuumutamine, väiksemad temperatuurigradiendid, lühemad töötlusajad, toitainete ning organoleptiliste omaduste parem säilimine ja suurem energiatõhusus, mistõttu see on paljutõotav „puhta koostisega“ (clean label) termiline tehnoloogia.