L’extraction par ultrasons et son principe de fonctionnement

L’extraction par ultrasons est la technique privilégiée pour isoler les composés bioactifs des matières végétales. La sonication permet une extraction complète et, par conséquent, des rendements d’extraction supérieurs en un temps très court. Grâce à son efficacité, l’extraction par ultrasons permet de réduire les coûts et de gagner du temps, tout en produisant des extraits de haute qualité utilisés dans les aliments, les compléments alimentaires et les produits pharmaceutiques.

Extraction par ultrasons

L’extraction par ultrasons est utilisée dans les industries alimentaire, des compléments alimentaires et pharmaceutique pour libérer des composés bioactifs tels que les vitamines, les polyphénols, les polysaccharides, les cannabinoïdes et d’autres substances phytochimiques à partir de matières végétales. L’extraction assistée par ultrasons repose sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique ou ultrasonore.

Comment fonctionne la cavitation acoustique ?

L’extraction par ultrasons est réalisée lorsque des ondes ultrasonores de forte puissance et de basse fréquence sont couplées à une suspension constituée de matières végétales dans un solvant. Les ondes ultrasonores de forte puissance sont couplées à la suspension au moyen d’un processeur à ultrasons à sonde. Les ondes ultrasonores hautement énergétiques se propagent dans le liquide et créent une alternance de cycles de haute pression / basse pression, ce qui entraîne le phénomène de cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonore engendre localement des températures, des pressions et des vitesses de chauffage/refroidissement extrêmes, ainsi que des différences de pression et des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface de solides (tels que des particules, des cellules végétales, des tissus, etc.), les microjets et les collisions entre particules produisent des effets tels que le décapage de surface, l’érosion, la fragmentation des particules, la sonoporation (la perforation des parois et des membranes cellulaires) et la rupture cellulaire. De plus, l’implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macroturbulences et un micromélange. L’irradiation ultrasonore constitue un moyen efficace d’améliorer les processus de transfert de masse, car la sonication engendre la cavitation et les mécanismes associés, tels que les micromouvements provoqués par les jets de liquide, la compression et la décompression dans la matière suivies de la rupture des parois cellulaires, ainsi que des vitesses élevées de chauffage et de refroidissement.
Les appareils à ultrasons à sonde peuvent générer des amplitudes très élevées, nécessaires pour produire une cavitation intense. Hielscher Ultrasonic fabrique des extracteurs à ultrasons haute performance qui peuvent facilement générer des amplitudes de 200µm en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, Hielscher propose des sonotrodes (sondes) spécifiques à haute amplitude.
Des réacteurs à ultrasons et des cellules à circulation pouvant être mis sous pression sont utilisés pour intensifier la cavitation. Lorsque la pression augmente, la cavitation et les forces de cisaillement qu’elle engendre deviennent plus destructrices, améliorant ainsi les effets de l’extraction par ultrasons.

L’extraction par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques

Effets de l’extraction par ultrasons

Rupture cellulaire par ultrasons et augmentation du transfert de masse
Les ultrasons peuvent faciliter les processus d’extraction à la fois par la rupture cellulaire et par l’amélioration du transfert de masse dans la couche limite entourant la matrice solide.
La sonoporation, c’est-à-dire la perforation des parois et des membranes cellulaires, augmente leur perméabilité et constitue souvent une étape intermédiaire avant la rupture complète des cellules par sonication.
Les effets mécaniques de la cavitation induite par les ultrasons, tels que les différences de température et de pression, les ondes de choc, les forces de cisaillement, les jets de liquide et les microcourants, intensifient la pénétration du solvant à l’intérieur de la cellule et améliorent le transfert de masse entre la cellule et le solvant, de sorte que les matières intercellulaires sont transférées dans le solvant.

Extraction par ultrasons à partir de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d’action lors de l’extraction cellulaire par ultrasons (grossissement 2000x) [source : Vilkhu et al. 2011]

Équipements d’extraction par ultrasons

Les processeurs Hielscher Ultrasonics sont des systèmes d’extraction haute performance, simples et sûrs à utiliser. En fonction de votre matière première, des capacités de traitement et de vos objectifs de production, Hielscher vous propose l’appareil à ultrasons le plus adapté. Notre gamme de produits s’étend des appareils à ultrasons portatifs compacts et puissants aux systèmes de paillasse, jusqu’aux unités à ultrasons entièrement industrielles capables de traiter plusieurs tonnes par heure.
Les extracteurs Hielscher Ultrasonics peuvent être utilisés pour l’extraction en mode discontinu et en continu en ligne, et peuvent être associés à tout solvant.
Divers accessoires sont disponibles pour constituer la configuration à ultrasons idéale pour votre procédé d’extraction : sonotrodes (sondes) de différentes tailles et formes, amplificateurs mécaniques d’amplitude, cellules à circulation de différents volumes et géométries, capteurs de température et de pression enfichables, ainsi que de nombreux autres accessoires.
Tous nos modèles numériques sont équipés d’un logiciel intelligent qui vous permet de régler, de surveiller et de définir les paramètres d’extraction. Grâce au contrôle précis de l’amplitude, de la durée de sonication et des cycles de fonctionnement, il est possible d’obtenir des résultats optimaux, tels qu’un rendement supérieur et une qualité d’extrait maximale. L’enregistrement automatique des données du processus de sonication constitue la base de la standardisation du procédé et de sa reproductibilité / répétabilité, requises par les bonnes pratiques de fabrication (GMP).

Les processeurs à ultrasons industriels Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :