استخراج با آب با کارایی بسیار بالا با استفاده از فراصوت پرتوان

استخراج ترکیبات گیاهی با آب (برای مثال، استخراج با آب سرد یا گرم، استخراج با آب تحت فشار و استخراج با آب زیر‌بحرانی) را می‌توان با فراصوت‌دهی به‌طور مؤثری بهبود بخشید. استخراج با آب به کمک فراصوت، در مقایسه با روش‌های متداول استخراج، نه‌تنها بازده بالاتری دارد و زمان پردازش را کاهش می‌دهد، بلکه به مصرف انرژی کمتر، شرایط استخراج ملایم‌تر و عصاره‌های باکیفیت نیز منجر می‌شود. استخراج فراصوتی با آب با موفقیت برای استخراج ترکیبات متعدد با منشأ گیاهی، از جمله آلکالوئیدها، فلاونوئیدها، گلیکوزیدها، ترکیبات فنولی و پلی‌ساکاریدها به کار می‌رود.

استخراج فراصوتی ترکیبات زیست‌فعال با آب

آب قطبی‌ترین حلال است و به همین دلیل حلالی عالی برای ترکیبات قطبی محسوب می‌شود. به‌دلیل ماهیت غیرسمی و سازگار با محیط‌زیست، آب می‌تواند حلالی ایدئال برای هر عصارهٔ گیاهی باشد. بااین‌حال، اجزای کم‌قطب و غیرقطبی به‌سختی در آب حل می‌شوند یا اصلاً حل نمی‌شوند. افزون‌براین، بدون تقویت انتقال جرم، فرایند استخراج در آب بسیار کند و در نتیجه غیراقتصادی خواهد بود. فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین، روشی بسیار کارآمد برای استخراج است که اختلاط و انتقال جرم شدیدی ایجاد می‌کند. ازاین‌رو، استخراج فراصوتی به داشتن مزایای چشمگیر نسبت به روش‌های متداول استخراج شناخته شده است. این مزایا شامل بازده بالاتر، پردازش سریع، چرخه‌های سریع پردازش ناپیوسته و نیز استخراج پیوستهٔ درون‌خطی، استفاده از حلال‌های سبز، شرایط استخراج ملایم که ترکیبات عصاره را حفظ می‌کند، ایمنی در بهره‌برداری و افزایش مقیاس آسان تا ظرفیت‌های پردازش بالا برای تولید تجاری است. (رجوع کنید به Zabot et al., 2021)

بهبود استخراج با آب گرم با فراصوت‌دهی

پارامترهای تعیین‌کنندهٔ استخراج ترکیبات گیاهی در استخراج با آب عبارت‌اند از دما، زمان، فشار و مساحت سطح مادهٔ گیاهی. به‌دلیل دمای بالای آب، می‌توان عصارهٔ آب گرم را در زمانی نسبتاً کوتاه تهیه کرد.
راه‌حل: با استفاده از هم‌زدن فراصوتی می‌توان بازده و سرعت استخراج را به‌طور چشمگیری افزایش داد. آب گرم به‌تنهایی توانایی محدودی برای شکستن ساختارهای سلولی دارد و دماهای بالا اغلب به ترکیبات حساس به گرما آسیب می‌رسانند یا آن‌ها را تخریب می‌کنند؛ در نتیجه کیفیت عصاره افت می‌کند. هنگامی که استخراج فراصوتی با استخراج با آب گرم ترکیب می‌شود، می‌توان دما را به‌شدت کاهش داد (برای مثال، از 100°C به 50°C)؛ این کار از تخریب حرارتی اجزای گیاهی استخراج‌شده جلوگیری می‌کند، بازده کل را افزایش می‌دهد و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی مبنای پدیدهٔ استخراج فراصوتی است. کاویتاسیون فراصوتی (یا آکوستیکی) نیروهایی کاملاً مکانیکی است که دیواره‌های سلولی را می‌شکنند، ترکیبات هدف را آزاد می‌کنند و انتقال جرم بین درون سلول و آب (حلال) را بهبود می‌بخشند. بنابراین، استخراج فراصوتی با آب نتایج بسیار مطلوبی به دست می‌دهد.

بهبود استخراج با آب سرد با فراصوت‌دهی

استخراج با آب سرد (خیساندن در آب سرد) به‌مراتب ناکارآمدتر است، زیرا در آن از آب گرم استفاده نمی‌شود. آب سرد یا آب در دمای اتاق، ترکیبات گیاهی را چندان خوب استخراج نمی‌کند، زیرا آب سرد بسیار آهسته به مادهٔ گیاهی نفوذ می‌کند و انتقال جرم تقریباً ناچیز است. مزیت استخراج با آب سرد، جلوگیری از هرگونه افزایش دما و در نتیجه پیشگیری از تخریب حرارتی ترکیبات حساس به گرماست. بااین‌حال، پویایی بسیار ضعیف استخراج، روش متداول استخراج با آب سرد را برای تولید تجاری غیرعملی می‌کند. به همین دلیل، خیساندن در آب سرد، به‌علت کندی و ناکارآمدی، تقریباً فقط در مرحلهٔ آزمایشی به کار می‌رود.
راه‌حل: با افزودن فراصوت‌دهی به استخراج با آب سرد، می‌توان به‌آسانی بر کندی و ناکارآمدی خیساندن در آب سرد غلبه کرد. استخراج با آب سرد که با فراصوت تشدید شده است، امکان حفظ دماهای پایین استخراج را فراهم می‌کند و هم‌زمان نیروهای برشی شدیدی را به محیط جامد–مایع منتقل می‌کند. در نتیجهٔ سازوکار استخراج فراصوتی، دیواره‌های سلولی باز می‌شوند و ترکیبات گیاهی به‌سرعت در آب آزاد می‌شوند. استخراج و خیساندن فراصوتی با آب سرد، خیساندن سرد را به فرایندی بسیار مؤثر تبدیل می‌کند که در زمان استخراج کوتاه، بازده بالا و عصاره‌های باکیفیت به دست می‌دهد.

ترکیب استخراج با آب تحت فشار با فراصوت‌دهی

ویژگی استخراج فراصوتی، اختلاط در مقیاس میکرو است که از طریق ارتعاشات، نفوذ بیشتر حلال به درون ذره و از درون ذره به سطح آن را تقویت می‌کند و انتقال جرم را تشدید می‌کند. افزون‌براین، فراصوت‌دهی اندازهٔ ذرات مادهٔ سلولی را کاهش می‌دهد و به بهبود اثرات استخراج با مایع تحت فشار به کمک فراصوت منجر می‌شود. ذرات کوچک‌تر با اندازهٔ حدود 0٫68 mm نسبت به ذرات بزرگ‌تر (حدود 1٫05 mm) بازده بالاتری دارند، زیرا مساحت سطح بیشتر، افزایش چشمگیر انتقال جرم و در نتیجه بهبود بازده استخراج را ممکن می‌کند. (رجوع کنید به Zabot et al., 2021)

استخراج مؤثر با آب سرد تحت فشار با فراصوت پرتوان

در فشار بالا، نفوذ آب سرد به بافت‌های گیاهی تسهیل می‌شود و مواد فیتوشیمیایی محلول در آب بدون ایجاد تجزیهٔ حرارتی حل می‌شوند. روش استخراج با آب سرد تحت فشار بالا را می‌توان با فراصوت ترکیب کرد تا جداسازی اجزای قطبی و غیرقطبی گیاهی بهبود یابد. آب به‌عنوان حلالی غیرسمی، ارزان و سازگار با محیط‌زیست، جایگزینی جذاب برای حلال آلی است، به‌ویژه در تولید مواد غذایی، محصولات درمانی و مکمل‌های غذایی با منشأ گیاهی.
برای استخراج با آب سرد تحت فشار که با فراصوت تشدید شده است، یک پروب فراصوتی (سونوتْرود) در مخزن استخراج یا سلول جریان تعبیه می‌شود. مخزن یا سلول جریان معمولاً بسته به ترکیبات هدف عصاره، تحت فشارهایی بین 5 و 100 barg قرار می‌گیرد. Hielscher Ultrasonics حتی راکتورهای صنعتی فراصوتی و سلول‌های جریان سفارشی عرضه می‌کند که می‌توان آن‌ها را تا 300barg تحت فشار قرار داد؛ بنابراین می‌توانید فشار بهینهٔ فرایند استخراج خود را تنظیم کنید.
 

بهبود استخراج با آب فوق‌بحرانی با فراصوت‌دهی

استخراج با آب زیر‌بحرانی تقویت‌شده با فراصوت، روش هم‌افزای دیگری است که در آن فراصوت پرتوان، انتقال جرم بین جامد و مایع را بهبود می‌بخشد. استخراج با آب زیر‌بحرانی (SWE) – که استخراج با آب گرم تحت فشار یا استخراج با آب فوق‌گرم نیز نامیده می‌شود – روشی با کاربرد کمتر برای استخراج ترکیبات گیاهی با قطبیت پایین‌تر است. در استخراج با آب زیر‌بحرانی، از آب در حالت فوق‌بحرانی به‌عنوان حلال استفاده می‌شود.
آب زیر‌بحرانی چیست و چرا حلال مناسبی برای استخراج ترکیبات گیاهی کم‌قطب است؟ «آب دارای خواص ترمودینامیکی متعددی است که به‌شدت تحت تأثیر دما و فشار قرار دارند. بسته به شرایط، حالت فیزیکی آن (جامد، مایع یا گاز)، رفتار حرارتی، چگالی یا گران‌روی آن قابل تغییر است. با افزایش دما و فشار به بالاتر از نقطه‌ای موسوم به نقطهٔ بحرانی (تعریف‌شده در 221 bar و 374 °C)، آب می‌تواند به حالت فوق‌بحرانی برسد. در شرایط زیر‌بحرانی، یعنی دماهای بین 100°C و دمای بحرانی (374°C) و فشار بین 1 bar و فشار بحرانی (221 bar) برای جلوگیری از تبخیر، قطبیت آب کاهش می‌یابد؛ این امر آب را به حلال بهتری برای استخراج انواع ترکیبات آلی زیست‌فعال تبدیل می‌کند.» (Li and Chemat, 2019)
وقتی فراصوت با استخراج با آب زیر‌بحرانی ترکیب می‌شود، می‌توان با افزایش بازده عصاره و کاهش زمان استخراج، کارایی استخراج را بهبود بخشید. برای دستیابی به نتایج بهینه، فشار در راکتور بستهٔ ناپیوستهٔ تحت فشار یا راکتور سلول جریان باید دست‌کم به دو برابر فشار بخار آب برسد. (جدول فشار بخار آب را می‌توانید در انتهای این صفحه بیابید.)
Huang et al. (2010) اثرات استخراج با فراصوت کم‌فرکانس و پرتوان را در ترکیب با استخراج با آب زیر‌بحرانی بررسی کردند. برای این منظور، یک پروب فراصوتی در دیگ دستگاه استخراج با آب زیر‌بحرانی نصب می‌شود تا روغن فرّار از Lithospermum erythrorhizon استخراج شود. نتایج نشان داد که اثر تقویت‌کنندگی فراصوت در 20 KHz بهتر از 36 KHz بود و با افزایش توان خروجی (از 0 تا 250 W) افزایش یافت. بازده استخراج با آب زیر‌بحرانی به‌واسطهٔ نوسان فراصوتی (250 W, 20 KHz) در دمای 160°C و فشار 5 MPa طی یک فرایند استخراج 25 دقیقه‌ای، از 1٫87% به 2٫39% افزایش یافت. فراصوت‌دهی توانست نه‌تنها بازده استخراج، بلکه سرعت استخراج را نیز بهبود دهد و در نتیجه در زمان صرفه‌جویی کند.
استخراج با آب زیر‌بحرانی به کمک فراصوت را می‌توان در فشارهای پایین‌تری (برای مثال، 5barg) نسبت به استخراج متداول با آب زیر‌بحرانی (برای مثال، 10MPa) انجام داد؛ این امر هزینه‌های انرژی را کاهش می‌دهد و فرایند استخراج را ایمن‌تر می‌کند.

مزایای استخراج فراصوتی ترکیبات گیاهی

هم پژوهش‌های علمی و هم کاربردهای صنعتی نشان می‌دهند که استخراج به کمک فراصوت، روشی قابل‌اعتماد و آسان برای بهره‌برداری است که به پیش‌زمینهٔ فنی یا آموزش فشرده نیاز ندارد. کارایی بسیار بالای استخراج، بازده بالا، هزینه‌های پایین بهره‌برداری و نیز هزینه‌های پایین سرمایه‌گذاری (به‌ویژه در مقایسه با روش‌های دیگر مانند دستگاه‌های استخراج با CO₂ ) و هزینه‌های پایین انرژی، مزایای اصلی دستگاه‌های استخراج فراصوتی پروبی هستند.
مزایای دیگری که فناوری استخراج فراصوتی را به روش ترجیحی تبدیل می‌کنند عبارت‌اند از عصاره‌های باکیفیت به‌دلیل دماهای پایین استخراج، نتایج قابل‌اعتماد (تکرارپذیری / بازتولیدپذیری)، افزایش مقیاس کاملاً خطی تا هر سطح تولید و نیز نیاز اندک به نگهداری.
«مزایای دیگر استفاده از استخراج فراصوتی پروبی عبارت‌اند از سهولت کار با عصاره، اجرای سریع، نداشتن باقی‌مانده، بازده بالا، سازگاری با محیط‌زیست، بهبود کیفیت و جلوگیری از تخریب عصاره.»
(رجوع کنید به Chemat and Khan, 2011)

چیدمان استخراج برای جداسازی ترکیبات گیاهی: سونیکاتور پروبی UP400St، فیلتر خلأ Büchi و تبخیرکنندهٔ دوار برای استخراج مواد فیتوشیمیایی.

سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای استخراج با آب

دستگاه‌های استخراج Hielscher Ultrasonics، صرف‌نظر از نوع حلال مورد استفاده، جایگاه تثبیت‌شده‌ای در استخراج ترکیبات گیاهی دارند. تولیدکنندگان عصاره – چه تولیدکنندگان کوچک‌تر عصاره‌های اختصاصی برای بازارهای تخصصی و چه تولیدکنندگان انبوه در مقیاس بزرگ – تجهیزات استخراج فراصوتی ایدئال برای نیازهای تولید خود را در مجموعهٔ گستردهٔ تجهیزات Hielscher می‌یابند. چیدمان‌های فرایندی ناپیوسته و پیوستهٔ درون‌خطی به‌راحتی در دسترس‌اند و از موجودی آماده قابل ارسال هستند. استخراج فراصوتی به‌دلیل سازگاری با هر حلال، می‌تواند با انعطاف‌پذیری برای استخراج هر نوع مادهٔ گیاهی به کار رود. استفاده از آب به‌عنوان حلال، تولید عصاره‌های دارای گواهی ارگانیک را بدون استفاده از اتانول «ارگانیک» بسیار گران‌قیمت ممکن می‌کند. (البته برای تولید عصارهٔ آبی ارگانیک، مادهٔ گیاهی باید به‌صورت ارگانیک کشت شده باشد).

استخراج با کارایی بالا با Hielscher Ultrasonics

دستگاه‌های استخراج فراصوتی Hielscher، سلول‌های گیاهی را به‌طور مؤثر تخریب می‌کنند، مساحت سطح مادهٔ گیاهی را برای نفوذ حلال افزایش می‌دهند و انتقال جرم را برای آزادسازی مواد فیتوشیمیایی (متابولیت‌های ثانویه) تقویت می‌کنند. دستگاه‌های استخراج Hielscher با توجه به سهولت استفاده طراحی شده‌اند، به‌سرعت نصب می‌شوند و می‌توان به‌صورت ایمن و به‌شکلی که کار با آن‌ها به‌آسانی قابل‌درک باشد، از آن‌ها استفاده کرد.

برآورده‌کردن بالاترین استانداردهای کیفیت – طراحی و ساخت در آلمان

سخت‌افزار پیشرفته و نرم‌افزار هوشمند سونیکاتورهای Hielscher برای تضمین نتایج قابل‌اعتماد استخراج فراصوتی از مواد اولیهٔ گیاهی شما، با نتایج بازتولیدپذیر و بهره‌برداری آسان و ایمن، طراحی شده‌اند. استحکام، قابلیت اطمینان، کارکرد 24/7 تحت بار کامل و کاربری ساده از دید اپراتور، عوامل کیفی دیگری هستند که سونیکاتورهای Hielscher را به گزینه‌ای مطلوب تبدیل می‌کنند.
دستگاه‌های استخراج Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان برای استخراج مواد فیتوشیمیایی باکیفیت به کار می‌روند. دستگاه‌های استخراج فراصوتی Hielscher که توانایی آن‌ها در تولید ترکیبات گیاهی باکیفیت اثبات شده است، نه‌تنها توسط تولیدکنندگان کوچک‌تر عصاره‌های تخصصی و خاص، بلکه عمدتاً در تولید صنعتی عصاره‌های رایج تجاری، مکمل‌های غذایی و محصولات درمانی استفاده می‌شوند. به‌دلیل سخت‌افزار مستحکم و نرم‌افزار هوشمند، پردازشگرهای فراصوتی Hielscher را می‌توان به‌آسانی راهبری و پایش کرد.

ثبت خودکار داده‌ها

برای برآورده‌کردن استانداردهای تولید مواد غذایی، مکمل‌های غذایی و محصولات درمانی، فرایندهای تولید باید با جزئیات پایش و ثبت شوند. دستگاه‌های فراصوتی دیجیتال Hielscher Ultrasonics به قابلیت ثبت خودکار داده‌ها مجهز هستند. به‌واسطهٔ این قابلیت هوشمند، تمامی پارامترهای مهم فرایند، مانند انرژی فراصوتی (انرژی کل و خالص)، دما، فشار و زمان، به‌محض روشن‌شدن دستگاه به‌طور خودکار روی کارت SD داخلی ذخیره می‌شوند. پایش فرایند و ثبت داده‌ها برای استانداردسازی مستمر فرایند و کیفیت محصول اهمیت دارند. با دسترسی به داده‌های فرایندی که به‌طور خودکار ثبت شده‌اند، می‌توانید دوره‌های قبلی فراصوت‌دهی را بازبینی و نتایج را ارزیابی کنید.
یکی دیگر از قابلیت‌های کاربرپسند سامانه‌های فراصوتی دیجیتال ما، کنترل از راه دور از طریق مرورگر است. با کنترل مرورگری از راه دور، می‌توانید پردازشگر فراصوتی خود را از هر مکانی راه‌اندازی، متوقف، تنظیم و پایش کنید.
می‌خواهید دربارهٔ مزایای استخراج فراصوتی مواد گیاهی با آب بیشتر بدانید؟ همین حالا با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ فرایند تولید عصارهٔ گیاهی شما گفت‌وگو کنیم! کارکنان باتجربهٔ ما با کمال میل اطلاعات بیشتری دربارهٔ استخراج فراصوتی، سامانه‌های فراصوتی ما و قیمت‌ها در اختیارتان می‌گذارند!

جدول زیر، ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما را نشان می‌دهد:

اطلاعات فنی دربارهٔ استخراج فراصوتی با آب

روش‌های متداول استخراج مانند خیساندن، دم‌کردن، پرکولاسیون، جوشاندن، استخراج رفلاکس، تقطیر با بخار، تصعید و فشردن، معمولاً برای استخراج ترکیبات دارویی از گیاهان به کار می‌روند. معایب این روش‌ها شامل زمان‌بر بودن فرایند، خلوص پایین و کارایی کم است.

پارامترهای فرایندی مؤثر بر استخراج فراصوتی

استخراج به کمک فراصوت به ویژگی‌ها و مزایای منحصربه‌فردش شناخته می‌شود که فراصوت‌دهی را در مقایسه با روش‌های متداول استخراج ترکیبات گیاهی، به روشی برتر تبدیل می‌کنند. یکی از مزایای اصلی استخراج به کمک فراصوت، امکان تنظیم دقیق عوامل پردازش فراصوتی (مانند دامنه، زمان، دما و فشار) است که تنظیم بهینهٔ فرایند فراصوتی را متناسب با ترکیب هدف ممکن می‌کند. هر مادهٔ گیاهی پارامترهای استخراج ایدئالی دارد که تحت آن‌ها بهترین بازده، کیفیت و سرعت استخراج حاصل می‌شود. فرایند استخراج فراصوتی امکان انطباق کامل با این شرایط بهینهٔ استخراج را فراهم می‌کند.

دامنهٔ فراصوتی

دامنه، جابه‌جایی ارتعاشی پروب فراصوتی (سونوتْرود) است. هرچه دامنه بیشتر باشد، ارتعاش و کاویتاسیون در مایع تحت فراصوت‌دهی شدیدتر خواهد بود. Hielscher Ultrasonics در زمینهٔ سونیکاتورهای پروبی با عملکرد بالا تخصص دارد که می‌توانند دامنه‌هایی با قابلیت تنظیم دقیق ارائه کنند. پروب‌های سفارشی که می‌توانند در کارکرد پیوستهٔ 24/7 دامنه‌هایی تا 200µm ایجاد کنند، از موجودی آماده به‌راحتی در دسترس‌اند. برای دامنه‌های حتی بالاتر نیز می‌توان سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی را به‌آسانی ساخت.
دامنه یکی از مهم‌ترین پارامترها – اگر نگوییم مهم‌ترین پارامتر – برای استخراج کارآمد از گیاهان است. دامنه‌های بالا نیروهای لازم برای شکستن دیواره‌های سلولی و آزادسازی مواد درون‌سلولی را ایجاد می‌کنند. به این ترتیب، فراصوت‌دهی با عملکرد بالا در استخراج ترکیبات گیاهی بسیار مؤثر می‌شود.

زمان / مدت تیمار فراصوتی

استخراج به کمک فراصوت معمولاً بسیار کوتاه‌تر از روش‌های سنتی است، زیرا فراصوت‌دهی ترکیبات گیاهی را با سرعت استخراج به‌مراتب بالاتری آزاد می‌کند. فراصوت‌دهی فرایندهای استخراج کوتاه‌تر را ممکن می‌کند و ترکیبات استخراج‌شده را در برابر پردازش بیش‌ازحد حفظ می‌کند. پردازش کوتاه‌تر به‌واسطهٔ فراصوت به معنای ظرفیت پردازش بالاتر و کیفیت بهتر عصاره است.

تیمار فراصوتی پالسی

فراصوت‌دهی پالسی، حالتی از تیمار است که در آن تیمار فراصوتی با چرخه‌های مکث مشخص قطع می‌شود (برای مثال، چرخهٔ کاری 50%: به‌مدت 30 sec. روشن، 30 sec. خاموش؛ چرخهٔ کاری 100%: فراصوت‌دهی پیوسته بدون مکث). چرخهٔ کاری فراصوت (که حالت پالسی یا چرخه‌های پالس فراصوتی نیز نامیده می‌شود) به درصد زمانی اشاره دارد که طی یک دورهٔ پالس، فراصوت به محیط منتقل می‌شود (مدت پالس). برای نمونه، حالت چرخهٔ 50% برابر با 30 sec. روشن و 30 sec. خاموش است. در بخش مکث چرخهٔ کاری، مایع تحت فراصوت‌دهی برای مدتی مشخص (برای مثال، 30 sec.) به حالت بدون اغتشاش بازمی‌گردد؛ این امر برای دفع گرما به‌منظور حفظ دمای هدف پردازش مفید است. چرخهٔ کاری فراصوت‌دهی برای کارایی استخراج اهمیت کمتری دارد، اما برای حفظ دمای مشخص فرایند به کار می‌رود.

فشار هیدرواستاتیک

فشار یکی دیگر از پارامترهای بسیار مهم در فرایندهای فراصوتی است. اعمال فشار هیدرواستاتیک به محیط تحت فراصوت‌دهی بر شدت کاویتاسیون اثر می‌گذارد. در شرایط فشار بالاتر، شدت کاویتاسیون فراصوتی (آکوستیکی) افزایش می‌یابد. Hielscher Ultrasonics انواع مختلف راکتورهای فراصوتی ناپیوسته و سلول‌های جریان را عرضه می‌کند که می‌توان آن‌ها را برای تشدید نتایج فراصوت‌دهی تحت فشار قرار داد.

دمای استخراج

مانند هر تیمار مکانیکی، فراصوت‌دهی موجب افزایش دما می‌شود که با قانون 2 ترمودینامیک مطابقت دارد. بااین‌حال، فراصوت‌دهی یک روش تیمار غیرحرارتی است، زیرا تیمارهای به کمک فراصوت بر نیروهای کاملاً مکانیکی (که نیروهای سونومکانیکی نیز نامیده می‌شوند) استوارند. دمای استخراج در طول استخراج فراصوتی را می‌توان به‌طور مؤثر کنترل کرد و در یک محدودهٔ دمایی مشخص و انتخاب‌شده نگه داشت. تمام پردازشگرهای فراصوتی دیجیتال Hielscher به حسگر دمای قابل‌اتصال و نرم‌افزار هوشمند مجهزند که در آن می‌توان محدودهٔ دمایی مشخصی برای فرایند تنظیم کرد. هرگاه دما از این محدوده فراتر رود، سونیکاتور مکث می‌کند تا دما دوباره به محدودهٔ انتخاب‌شده بازگردد و سپس فرایند فراصوت‌دهی را به‌طور خودکار ادامه می‌دهد. این قابلیت هوشمند سونیکاتورهای Hielscher، فرایند فراصوت‌دهی با کنترل دقیق و نتایج ایدئال را ممکن می‌کند.
ازآنجاکه دمای استخراج ممکن است برای هر ترکیب گیاهی و هر گیاه متفاوت باشد، دما عاملی مهم است که نباید در بهینه‌سازی فرایند فراصوتی نادیده گرفته شود. برای مثال، مشخص شده است که 80°C برای دستیابی به بیشترین بازده فلاونوئیدها از Sophora flavescens ایدئال است، درحالی‌که برای استخراج آرابینوکسیلان از سبوس گندم، بهترین نتایج در 50°C به دست آمده است.

استفاده از هر نوع حلال برای استخراج فراصوتی

ترکیبات مختلف گیاهی قطبیت‌های متفاوتی دارند که بر حلالیت آن‌ها در حلال‌های گوناگون اثر می‌گذارد. برای مثال، ساپونین‌ها و پلی‌ساکاریدها قطبی‌تر هستند و ازاین‌رو حلالیت خوبی در آب دارند، زیرا آب بسیار قطبی است. در مقابل، ترکیبات فنولی مانند آنتوسیانین‌ها و اسید کلروژنیک کاملاً غیرقطبی هستند و بنابراین در حلالی کم‌قطب‌تر مانند اتانول بهتر حل می‌شوند. در نتیجه، برای دستیابی به کارایی بالای استخراج، انتخاب حلال باید بر اساس حلالیت ترکیبات هدف انجام شود. برای مثال، آب حلال مناسبی برای استخراج ترکیبات قطبی مانند سیلوسایبین از قارچ‌ها و نیز الیگوساکاریدها، گلیکوزیدها و فلاونوئیدهاست؛ درحالی‌که مخلوط اتانول–آب با غلظت اتانول 60% (v/v) برای استخراج به کمک فراصوتِ ترکیباتی مانند آپیژنین، بایکالین و لوتئولین مناسب است.
دربارهٔ حلال‌ها، قطبیت حلال و مناسب‌ترین حلال‌ها برای استخراج فراصوتی بیشتر بخوانید!

آب به‌عنوان حلال استخراج

آب قطبی‌ترین حلال است و برای استخراج طیف گسترده‌ای از ترکیبات قطبی مناسب است. از مزایای اصلی آن، توانایی حل‌کردن طیف گسترده‌ای از مواد است. افزون‌براین، ارزان، غیرسمی، ایمن و غیرقابل‌اشتعال است. از معایب آن، گزینش‌پذیری شدید برای ترکیبات قطبی به‌دلیل قطبیت بالاست. به‌دلیل نقطهٔ جوش بالای آن، یعنی 100°C، تغلیظ عصاره (برای مثال، از طریق تقطیر یا تبخیر دوار) به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد. همچنین، آب مستعد رشد باکتری و کپک است.

فرکانس فراصوتی

فرکانس فراصوتی حدود 20kHz به‌عنوان پرقدرت‌ترین و کارآمدترین فرکانس برای استخراج ترکیبات گیاهی شناخته شده است. این فرکانس بر کارایی استخراج به کمک فراصوت در استخراج ترکیبات دارویی از گیاهان اثر می‌گذارد. به‌طور کلی، فرکانس پایین فراصوتی (یعنی حدود 20kHz) کاویتاسیون شدیدتری (اثرات سونومکانیکی) ایجاد می‌کند که به اثربخشی بیشتر فرایند استخراج منجر می‌شود.

مادهٔ گیاهی

مواد گیاهی از نظر ساختار و سختی سلول‌هایشان می‌توانند تفاوت زیادی داشته باشند. بسته به ترکیب دیوارهٔ سلولی، که ممکن است شامل سلولز، همی‌سلولزها، لیگنین، پلی‌ساکاریدهای پکتینی، پروتئین‌ها، ترکیبات فنولی و غیرسلولزی و آب باشد، دیواره‌های سلولی می‌توانند محکم یا نرم باشند. انواع و بخش‌های مختلف گیاهان، انواع و مقادیر متفاوتی از این اجزای دیوارهٔ سلولی را دارند. به همین دلیل، هر نوع گیاه برای دستیابی به نتایج بهینهٔ استخراج به پارامترهای پردازش مشخصی نیاز دارد.
ازآنجاکه شدت را می‌توان دقیقاً تنظیم کرد، دستگاه‌های استخراج فراصوتی Hielscher می‌توانند دیواره‌های سلولی نرم و سخت را به‌طور قابل‌اعتماد بشکنند. دیواره‌های سلولی نرم ممکن است به فراصوت‌دهی با شدت کمتر نیاز داشته باشند، درحالی‌که ساختارهای سلولی محکم از تیمار شدیدتر بهره می‌برند.
مادهٔ اولیه برای استخراج ترکیبات گیاهی می‌تواند تازه‌برداشت‌شده (مرطوب) یا خشک‌شده باشد. استخراج فراصوتی هم برای گیاهان تازه/مرطوب و هم برای گیاهان خشک‌شده مناسب است. اندازهٔ ذرات جامدات گیاهی عامل مهم دیگری است: مساحت سطح بالا (یعنی اندازهٔ ذرات کوچک) سودمند است، زیرا سطح تماس بزرگی برای نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون فراصوتی فراهم می‌کند و به کارایی بالاتر منجر می‌شود. بنابراین، مادهٔ گیاهی با ماسراسیون یا آسیاب‌کردن به قطعات کوچک (حدود 3–5mm) تبدیل می‌شود.

چرا استخراج فراصوتی بهترین روش است؟

کارایی

• بازده بالاتر
• فرایند استخراج سریع – در عرض چند دقیقه
• عصاره‌های باکیفیت – استخراج ملایم و غیرحرارتی
• حلال‌های سبز (آب، اتانول، گلیسیرین، روغن‌های گیاهی، NADES و غیره)

سادگی

• اتصال و استفادهٔ فوری – راه‌اندازی و بهره‌برداری در عرض چند دقیقه
• ظرفیت پردازش بالا – برای تولید عصاره در مقیاس بزرگ
• کارکرد ناپیوسته یا پیوستهٔ درون‌خطی
• نصب و راه‌اندازی ساده
• قابل‌حمل / قابل‌جابه‌جایی – واحدهای قابل‌حمل یا نصب‌شده روی چرخ
• افزایش مقیاس خطی – برای افزایش ظرفیت، سامانهٔ فراصوتی دیگری به‌صورت موازی اضافه کنید
• پایش و کنترل از راه دور – از طریق رایانه، تلفن هوشمند یا تبلت
• بدون نیاز به نظارت بر فرایند – راه‌اندازی و اجرا
• عملکرد بالا – طراحی‌شده برای تولید پیوستهٔ 24/7
• استحکام و نیاز اندک به نگهداری
• کیفیت بالا – طراحی و ساخت در آلمان
• بارگیری و تخلیهٔ سریع بین بچ‌ها
• تمیزکاری آسان

ایمنی

• بهره‌برداری ساده و ایمن
• استخراج بدون حلال یا بر پایهٔ حلال (آب، اتانول، روغن‌های گیاهی، گلیسیرین و غیره)
• بدون فشارها و دماهای بالا
• سامانه‌های ضدانفجار دارای گواهی ATEX موجود است
• کنترل آسان (همچنین از طریق کنترل از راه دور)

منابع / مراجع

• 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.