L'ultrasonication pour améliorer la désintégration et l'extraction des cellules d'algues

Les algues, macroalgues et microalgues, contiennent de nombreux composés précieux, qui sont utilisés comme aliments nutritionnels, additifs alimentaires ou comme carburant ou matière première pour carburant. Afin de libérer les substances cibles de la cellule d'algue, une technique de rupture cellulaire puissante et efficace est nécessaire. Les extracteurs à ultrasons sont très efficaces et fiables lorsqu'il s'agit d'extraire des composés bioactifs de plantes, d'algues et de champignons. Disponibles à l'échelle du laboratoire, de la paillasse et de l'industrie, les extracteurs à ultrasons Hielscher sont utilisés pour la production d'extraits dérivés de cellules dans les secteurs de l'alimentation, de la pharmacie et des biocarburants.

Les algues, une ressource précieuse pour la nutrition et les carburants

Les cellules d'algues sont une source polyvalente de composés bioactifs et riches en énergie, tels que des protéines, des glucides, des lipides et d'autres substances bioactives, ainsi que des alcanes. Les algues sont donc une source d'aliments et de composés nutritionnels, ainsi que de carburants.
Les microalgues sont une source précieuse de lipides, qui sont utilisés pour la nutrition et comme matière première pour les biocarburants (par exemple, le biodiesel). Les souches du phytoplancton marin Dicrateria, comme Dicrateria rotunda, sont connues comme des algues productrices de pétrole, qui peuvent synthétiser une série d'hydrocarbures saturés (n-alcanes) à partir de CdixH22 à C38H78qui sont classés en essence (C10-C15), huiles diesel (C16-C20) et huiles combustibles (C21-C38).
En raison de leur valeur nutritionnelle, les algues sont utilisées comme "aliments fonctionnels" ou "nutraceutiques". Parmi les micronutriments importants extraits des algues figurent les caroténoïdes astaxanthine, fucoxanthine et zéaxantine, le fucoïdane, le laminaire et d'autres glucanes, parmi de nombreuses autres substances bioactives utilisées comme compléments alimentaires et produits pharmaceutiques. Le carraghénane, l'alginate et d'autres hydrocolloïdes sont utilisés comme additifs alimentaires. Les lipides d'algues sont utilisés comme source d'oméga-3 végétaliens et également utilisés comme carburant ou comme matière première pour la production de biodiesel.

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.

Extracteur à ultrasons UIP2000hdT avec réacteur en acier inoxydable pour l'extraction commerciale de lipides, protéines et antioxydants à partir d'algues.

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Perturbation et extraction des cellules d'algues par ultrasons puissants

Les extracteurs à ultrasons, ou plus simplement les ultrasoniseurs, sont utilisés pour extraire des composés précieux de petits échantillons en laboratoire, ainsi que pour la production à grande échelle commerciale.
Les cellules d'algues sont protégées par des matrices de parois cellulaires complexes, composées de lipides, de cellulose, de protéines, de glycoprotéines et de polysaccharides. La base de la plupart des parois cellulaires des algues est constituée d'un réseau microfibrillaire au sein d'une matrice protéique de type gel ; cependant, certaines microalgues sont dotées d'une paroi rigide inorganique composée de frustules de silice opaline ou de carbonate de calcium. Afin d'obtenir des composés bioactifs à partir de la biomasse algale, une technique efficace de désintégration cellulaire est nécessaire. Outre les facteurs technologiques d'extraction (c'est-à-dire la méthode et l'équipement d'extraction), l'efficacité de la désintégration et de l'extraction des cellules d'algues est également fortement influencée par divers facteurs liés aux algues, tels que la composition de la paroi cellulaire, la localisation de la biomolécule souhaitée dans les cellules de microalgues et le stade de croissance des microalgues lors de la récolte.

Comment fonctionne la désintégration et l'extraction des cellules d'algues par ultrasons ?

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.Lorsque des ondes ultrasonores de haute intensité sont couplées par une sonde ultrasonique (également connue sous le nom de cornet à ultrasons ou de sonotrode) dans un liquide ou une boue, les ondes sonores se propagent dans le liquide et créent ainsi des cycles alternés de haute et de basse pression. Pendant ces cycles haute pression / basse pression, de minuscules bulles de vide ou cavités apparaissent. Les bulles de cavitation apparaissent lorsque la pression locale chute pendant les cycles de basse pression suffisamment en dessous de la pression de vapeur saturée, une valeur donnée par la résistance à la traction du liquide à une certaine température. Celles-ci grossissent sur plusieurs cycles. Lorsque ces bulles de cavitation atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, la bulle implose violemment pendant un cycle de haute pression. L'implosion des bulles de cavitation est un processus violent, à forte densité énergétique, qui génère d'intenses ondes de choc, des turbulences et des micro-jets dans le fluide. De plus, de très hautes pressions et de très hautes températures sont créées localement. Ces conditions extrêmes sont facilement capables de perturber les parois et les membranes cellulaires et de libérer des composés intracellulaires de manière efficace, effective et rapide. Les composés intracellulaires tels que les protéines, les polysaccharides, les lipides, les vitamines, les minéraux et les antioxydants peuvent ainsi être extraits efficacement en utilisant les ultrasons de puissance.

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

L'ultrasoniseur UP400St est idéal pour perturber et extraire les composés bioactifs des algues en petits lots (environ 8-10L)

Cavitation ultrasonique pour la perturbation et l'extraction des cellules

UP400St with stirrer for cell disintegration, disruption and extractionLorsqu'elle est exposée à une énergie ultrasonore intense, la paroi ou la membrane de n'importe quel type de cellule (y compris les plantes, les mammifères, les algues, les champignons, les bactéries, etc.) est rompue et la cellule est déchirée en petits fragments par les forces mécaniques de la cavitation ultrasonore à forte densité d'énergie. Lorsque la paroi cellulaire est brisée, les métabolites cellulaires tels que les protéines, les lipides, les acides nucléiques et la chlorophylle sont libérés de la matrice de la paroi cellulaire ainsi que de l'intérieur de la cellule et sont transférés dans le milieu de culture ou le solvant environnant.
Le mécanisme de cavitation ultrasonique/acoustique décrit ci-dessus perturbe gravement les cellules entières des algues ou les vacuoles de gaz et de liquide à l'intérieur des cellules. La cavitation ultrasonique, les vibrations, les turbulences et les micro-courants favorisent le transfert de masse entre l'intérieur de la cellule et le solvant environnant, de sorte que les biomolécules (c'est-à-dire les métabolites) sont libérées efficacement et rapidement. La sonication étant un traitement purement mécanique, elle ne nécessite pas de produits chimiques agressifs, toxiques et/ou coûteux.
Les ultrasons de haute intensité et de basse fréquence créent des conditions extrêmes de densité énergétique, avec des pressions, des températures et des forces de cisaillement élevées. Ces forces physiques favorisent la perturbation des structures cellulaires afin de libérer les composés intracellulaires dans le milieu. Par conséquent, les ultrasons à basse fréquence sont largement utilisés pour l'extraction de substances bioactives et de carburants à partir d'algues. Par rapport aux méthodes d'extraction conventionnelles telles que l'extraction par solvant, le broyage des billes ou l'homogénéisation à haute pression, l'extraction par ultrasons excelle en libérant la plupart des composés bioactifs (tels que les lipides, les protéines, les polysaccharides et les micronutriments) de la cellule sonoporée et perturbée. En appliquant les bonnes conditions de traitement, l'extraction par ultrasons donne des rendements d'extraction supérieurs dans une durée de traitement très courte. Par exemple, les extracteurs à ultrasons haute performance présentent d'excellentes performances d'extraction des algues, lorsqu'ils sont utilisés avec un solvant approprié. Dans un milieu acide ou alcalin, la paroi cellulaire de l'algue devient poreuse et se plisse, ce qui permet d'augmenter les rendements à basse température (moins de 60°C) et pendant une courte durée de sonication (moins de 3 heures). La courte durée d'extraction à température douce empêche la dégradation du fucoïdane, de sorte que l'on obtient un polysaccharide hautement bioactif.
L'ultrasonication est également une méthode permettant de transformer le fucoïdan de haut poids moléculaire en fucoïdan de bas poids moléculaire, qui est nettement plus bioactif en raison de sa structure débranchée. Grâce à sa bioactivité et sa bioaccessibilité élevées, le fucoïdan de faible poids moléculaire est un composé intéressant pour les produits pharmaceutiques et les systèmes d'administration de médicaments.

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Études de cas : Extraction par ultrasons de composés d'algues

L'efficacité de l'extraction par ultrasons et l'optimisation des paramètres d'extraction par ultrasons ont été largement étudiées. Vous trouverez ci-dessous des exemples de résultats d'extraction par ultrasons de diverses espèces d'algues.

Extraction des protéines de la spiruline par mano-thermo-sonication

Le groupe de recherche du Prof. Chemat (Université d'Avignon) a étudié les effets de la mano-thermosonication (MTS) sur l'extraction de protéines (telles que la phycocyanine) à partir de cyanobactéries Arthrospira platensis sèches (également connues sous le nom de spiruline). La mano-thermo-sonication (MTS) est l'application d'ultrasons combinés à des pressions et des températures élevées afin d'intensifier le processus d'extraction par ultrasons.
"Selon les résultats expérimentaux, le MTS a favorisé le transfert de masse (diffusivité effective élevée, De) et a permis d'obtenir 229% de protéines en plus (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) que le procédé conventionnel sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Avec 28,42 g de protéines pour 100 g de biomasse sèche de spiruline dans l'extrait, un taux de récupération des protéines de 50% a été atteint en 6 minutes effectives avec un procédé MTS continu. Les observations microscopiques ont montré que la cavitation acoustique a impacté les filaments de spiruline par différents mécanismes tels que la fragmentation, la sonoporation, la detexturation. Ces différents phénomènes facilitent l'extraction, la libération et la solubilisation des composés bioactifs de la spiruline. " [Vernès et al., 2019]

Ultrasonic extraction of spirulina protein from Arthrospira platensis cyanobacteria.

Images de microscopie optique de filaments entiers de spiuruline soumis à un traitement au MTS au fil du temps. Barre d'échelle (image A) = 50 μm pour toutes les images.
photo et étude : ©Vernès et al. 2019

Extraction ultrasonique de fucoïdan et de glucan à partir de Laminaria digitata

Le groupe de recherche TEAGASC du Dr Tiwari a étudié l'extraction de polysaccharides, c'est-à-dire de fucoïdane, de laminarine et de glucanes totaux, à partir de la macroalgue Laminaria digitata en utilisant la méthode de l'extraction de l'eau. ultrasonateur UIP500hdT. Les paramètres d'extraction assistée par ultrasons (EAU) étudiés ont montré une influence significative sur les niveaux de fucose, FRAP et DPPH. Des niveaux de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde et 11,02% ont été obtenus pour le fucose, les glucanes totaux, le FRAP et le DPPH respectivement dans des conditions optimisées de température (76◦C), de temps (10 min) et d'amplitude ultrasonique (100%) en utilisant 0,1 M HCl comme solvant. Les conditions UAE décrites ont ensuite été appliquées avec succès à d'autres macroalgues brunes économiquement pertinentes (L. hyperborea et A. nodosum) pour obtenir des extraits riches en polysaccharides. Cette étude démontre l'applicabilité de l'UAE pour améliorer l'extraction des polysaccharides bioactifs de diverses espèces de macroalgues.

Extraction phytochimique par ultrasons à partir de F. vesiculosus et P. canaliculata

L'équipe de recherche de García-Vaquero a comparé plusieurs nouvelles techniques d'extraction, notamment l'extraction par ultrasons à haute performance, l'extraction par ultrasons et micro-ondes, l'extraction par micro-ondes, l'extraction assistée par hydrothermie et l'extraction assistée par haute pression, afin d'évaluer l'efficacité de l'extraction des espèces de microalgues brunes Fucus vesiculosus et Pelvetia canaliculata. Pour l'ultrasonication, ils ont utilisé le Extracteur à ultrasons Hielscher UIP500hdT. L'analyse des rendements d'extraction a révélé que l'extraction par ultrasons a permis d'obtenir les rendements les plus élevés de la plupart des composés phytochimiques des deux F. vesiculosus. Cela signifie que les rendements les plus élevés des composés extraits de F. vesiculosus en utilisant l'extraction par ultrasons ont été obtenus. extracteur à ultrasons UIP500hdT étaient : le contenu phénolique total (445,0 ± 4,6 mg d'équivalents d'acide gallique/g), le contenu total de phlorotannin (362,9 ± 3,7 mg d'équivalents de phloroglucinol/g), le contenu total de flavonoïdes (286,3 ± 7,8 mg d'équivalents de quercétine/g) et le contenu total de tanin (189,1 ± 4,4 mg d'équivalents de catéchine/g).
Dans leur étude, l'équipe a conclu que l'utilisation de l'extraction assistée par ultrasons "combinée à une solution éthanolique à 50 % comme solvant d'extraction pourrait être une stratégie prometteuse pour l'extraction du TPC, du TPhC, du TFC et du TTC, tout en réduisant la co-extraction des glucides indésirables de F. vesiculosus et de P. canaliculata, avec des applications prometteuses pour l'utilisation de ces composés comme produits pharmaceutiques, nutraceutiques et cosméceutiques". [García-Vaquero et al., 2021].

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

Mise à l'échelle de la mano-thermo-sonification à l'Université d'Avignon à l'aide d'ultrasons Hielscher : de l'équipement de laboratoire UIP1000hdT (A) à l'équipement à l'échelle pilote UIP4000hdT (B, C & D). Sur la photo D est schématisée une section transversale de la cellule d'écoulement à ultrasons FC100K.
photo et étude : ©Vernès et al. 2019

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

Configuration d'un extracteur ultrasonique en ligne avec cellules d'écoulement : 2x UIP1000hdT ultrasons avec réacteurs à flux pour l'extraction continue d'algues

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Ultrasonic extractor for algae disruption in an open vessel

UIP1000hdT (1kW, 20kHz) extracteur à ultrasons avec agitateur pour la désintégration et l'extraction d'algues telles que Chlorella, spirulina, Nannochloropsis, algues broen ainsi que d'autres micro- et macro-algues.

Les avantages de l'extraction des algues par ultrasons

  • Haute efficacité d'extraction
  • Rendements d'extraction supérieurs
  • processus rapide
  • Basses températures
  • Convient pour extraire les composés thermolabiles
  • Compatible avec tous les solvants
  • Faible consommation d'énergie
  • Technique d'extraction verte
  • Facile à utiliser et sûr
  • Faibles coûts d'investissement et d'exploitation
  • Fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sous charge lourde

Extracteurs ultrasoniques haute performance pour la perturbation des algues

L'équipement à ultrasons ultramoderne de Hielscher permet un contrôle total sur les paramètres du processus tels que l'amplitude, la température, la pression et l'apport d'énergie.
Pour l'extraction par ultrasons, des paramètres tels que la taille des particules de la matière première, le type de solvant, le rapport solide/solvant et le temps d'extraction peuvent être modifiés et optimisés pour obtenir les meilleurs résultats.
L'extraction par ultrasons étant une méthode d'extraction non thermique, la dégradation thermique des ingrédients bioactifs présents dans la matière première telle que les algues est évitée.
Globalement, les avantages tels que le rendement élevé, le temps d'extraction court, la faible température d'extraction et les faibles quantités de solvant font de la sonication la méthode d'extraction supérieure.

Extraction par ultrasons : Établie en laboratoire et dans l'industrie

L'extraction par ultrasons est largement appliquée pour l'extraction de tout type de composé bioactif à partir de plantes, d'algues, de bactéries et de cellules de mammifères. L'extraction par ultrasons s'est avérée être une méthode simple, rentable et très efficace qui surpasse les autres techniques d'extraction traditionnelles par des rendements d'extraction plus élevés et une durée de traitement plus courte.
Avec des systèmes à ultrasons de laboratoire, de paillasse et entièrement industriels facilement disponibles, l'extraction par ultrasons est aujourd'hui une technologie bien établie et fiable. Les extracteurs par ultrasons Hielscher sont installés dans le monde entier dans des installations de traitement industriel qui produisent des composés bioactifs de qualité alimentaire et pharmaceutique.

Normalisation des processus avec les ultrasons Hielscher

Les extraits dérivés d'algues, qui sont utilisés dans les produits alimentaires, pharmaceutiques ou cosmétiques, doivent être produits conformément aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) et selon des spécifications de traitement normalisées. Les systèmes d'extraction numériques de Hielscher Ultrasonics sont dotés d'un logiciel intelligent, qui facilite le réglage et le contrôle précis du processus de sonication. L'enregistrement automatique des données écrit tous les paramètres du processus ultrasonique tels que l'énergie ultrasonique (énergie totale et nette), l'amplitude, la température, la pression (lorsque les capteurs de température et de pression sont montés) avec la date et l'heure sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser chaque lot traité par ultrasons. En même temps, la reproductibilité et la qualité élevée du produit sont assurées.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.

Littérature / Références



Qu'il faut savoir

Algues : Macroalgues, Microalgues, Phytoplancton, Cyanobactéries, Algues.

Le terme "algues" est un terme informel, utilisé pour un groupe vaste et diversifié d'organismes eucaryotes photosynthétiques. Les algues sont le plus souvent considérées comme des protistes, mais elles sont parfois aussi classées comme un type de plante (botanique) ou de choromiste. En fonction de leur structure cellulaire, elles peuvent être différenciées en macroalgues et microalgues, également appelées phytoplancton. Les macroalgues sont des organismes multicellulaires, souvent connus sous le nom d'algues. La classe des macroalgues contient diverses espèces d'algues marines macroscopiques et multicellulaires. Le terme phytoplancton est principalement utilisé pour les algues marines unicellulaires microscopiques (microalgues), mais il peut également inclure les cyanobactéries. Le phytoplancton est une vaste classe d'organismes variés comprenant des bactéries photosynthétiques ainsi que des microalgues et des coccolithophores cuirassés.
Comme les algues peuvent être unicellulaires ou pluricellulaires avec des structures filamenteuses (ressemblant à des cordes) ou végétales, elles sont souvent difficiles à classer.

Les espèces de macroalgues (algues) les plus cultivées sont Eucheuma spp, Kappaphycus alvarezii, Gracilaria spp, Saccharina japonica, Undaria pinnatifida, Pyropia spp et Sargassum fusiforme. Eucheuma et K. alvarezii sont cultivés pour le carraghénane, un agent gélifiant hydrocolloïdal ; Gracilaria est cultivé pour la production d'agar ; tandis que les autres espèces sont butinées pour l'alimentation et la nutrition.
Un autre type d'algues est le varech. Les laminaires sont de grandes algues brunes qui appartiennent à l'ordre des laminariales. Le varech est riche en alginate, un hydrate de carbone, qui est utilisé pour épaissir des produits tels que la crème glacée, la gelée, la vinaigrette et le dentifrice, ainsi que comme ingrédient dans certains aliments pour chiens et dans des produits manufacturés. La poudre d'alginate est également utilisée fréquemment en dentisterie générale et en orthodontie. Les polysaccharides de varech tels que le fucoïdan sont utilisés dans les soins de la peau comme ingrédients gélifiants.
Le fucoidan est un hétéropolysaccharide sulfaté hydrosoluble, présent dans de nombreuses espèces d'algues brunes. Le fucoidan produit commercialement est principalement extrait des espèces d'algues Fucus vesiculosus, Cladosiphon okamuranus, Laminaria japonica et Undaria pinnatifida.

Générations et espèces d'algues les plus importantes

  • Chlorella est un genre d'environ treize espèces d'algues vertes unicellulaires (microalgues) appartenant à la division Chlorophyta. Les cellules de Chlorella ont une forme sphérique, ont un diamètre d'environ 2 à 10 μm et ne possèdent pas de flagelles. Leurs chloroplastes contiennent les pigments photosynthétiques verts chlorophylle-a et -b. L'une des espèces de Chlorella les plus utilisées est la Chlorella vulgaris, qui est populairement utilisée comme complément alimentaire ou comme additif alimentaire riche en protéines.
  • Spiruline (cyanobactérie Arthrospira platensis) est une algue bleue-verte filamenteuse et multicellulaire.
  • Nannochloropsis oculata est une espèce du genre Nannochloropsis. C'est une petite algue verte unicellulaire, que l'on trouve aussi bien en milieu marin qu'en eau douce. L'algue Nannochloropsis est caractérisée par des cellules sphériques ou légèrement ovoïdes d'un diamètre de 2-5 μm.
  • Dicrateria est un genre d'haptophytes, comprenant les trois espèces Dicrateria gilva, Dicrateria inornata, Dicrateria rotunda, et Dicrateria vlkianum. Le Dicrateria rotunda (D. rotunda) peut synthétiser des hydrocarbures équivalents au pétrole (hydrocarbures saturés avec un nombre de carbone allant de 10 à 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 fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.