शैवाल सेल व्यवधान और निष्कर्षण में सुधार करने के लिए अल्ट्रासोनिकेशन

शैवाल, मैक्रो- और माइक्रोएल्गे में कई मूल्यवान यौगिक होते हैं, जिनका उपयोग पोषण खाद्य पदार्थ, खाद्य योजक या ईंधन या ईंधन फीडस्टॉक के रूप में किया जाता है। शैवाल सेल से लक्ष्य पदार्थों को मुक्त करने के लिए एक शक्तिशाली और कुशल सेल व्यवधान तकनीक की आवश्यकता होती है। अल्ट्रासोनिक चिमटा अत्यधिक कुशल और विश्वसनीय हैं जब यह वनस्पति से bioactive यौगिकों के निष्कर्षण के लिए आता है, शैवाल और कवक. प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और औद्योगिक पैमाने पर उपलब्ध, Hielscher अल्ट्रासोनिक एक्सट्रैक्टर्स भोजन, फार्मा और जैव-ईंधन उत्पादन में सेल-व्युत्पन्न अर्क के उत्पादन में स्थापित किए जाते हैं।

पोषण और ईंधन के लिए एक मूल्यवान संसाधन के रूप में शैवाल

शैवाल कोशिकाएं बायोएक्टिव और ऊर्जा युक्त यौगिकों का एक बहुमुखी स्रोत हैं, जैसे प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और अन्य जैव-सक्रिय पदार्थों के साथ-साथ अल्केन्स। यह शैवाल को भोजन और पोषण संबंधी यौगिकों के साथ-साथ ईंधन के लिए एक स्रोत बनाता है।
माइक्रोएल्गे लिपिड का एक महत्वपूर्ण स्रोत हैं, जिनका उपयोग पोषण के लिए और जैव ईंधन (जैसे, बायोडीजल) के लिए फीडस्टॉक के रूप में किया जाता है। समुद्री फाइटोप्लांकटन डिक्रेटेरिया के उपभेदों, जैसे कि डिक्रेटेरिया रोटुंडा, को पेट्रोल उत्पादक शैवाल के रूप में जाना जाता है, जो सी से संतृप्त हाइड्रोकार्बन (एन-अल्केन्स) की एक श्रृंखला को संश्लेषित कर सकता है₁₀H₂₂ से सी₃₈H₇₈, जिन्हें पेट्रोल (C10–C15), डीजल तेल (C16–C20), और ईंधन तेल (C21–C38) के रूप में वर्गीकृत किया गया है।
उनके पोषण मूल्य के कारण, शैवाल का उपयोग "कार्यात्मक खाद्य पदार्थ" या "न्यूट्रास्यूटिकल्स" के रूप में किया जाता है। शैवाल से निकाले गए महत्वपूर्ण सूक्ष्म पोषक तत्वों में कैरोटीनॉयड एस्टैक्सैन्थिन, फ्यूकोक्सैंथिन और ज़ेक्सेंटिन, फ्यूकोइडन, लैमिनारी और अन्य ग्लूकन शामिल हैं, कई अन्य बायोएक्टिव पदार्थों के बीच पोषक तत्वों की खुराक और फार्मास्यूटिकल्स के रूप में उपयोग किया जाता है। कैरेजेनन, एल्गिनेट और अन्य हाइड्रोकार्बन का उपयोग खाद्य योजक के रूप में किया जाता है। शैवाल लिपिड का उपयोग शाकाहारी ओमेगा -3 स्रोत के रूप में किया जाता है और बायोडीजल के उत्पादन के लिए ईंधन या फीडस्टॉक के रूप में भी उपयोग किया जाता है।

शैवाल सेल व्यवधान और पावर अल्ट्रासाउंड द्वारा निष्कर्षण

अल्ट्रासोनिक चिमटा या बस अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग प्रयोगशाला में छोटे नमूनों से मूल्यवान यौगिकों को निकालने के साथ-साथ बड़े वाणिज्यिक पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है।
शैवाल कोशिका जटिल कोशिका भित्ति मैट्रिक्स द्वारा संरक्षित होती है, जो लिपिड, सेल्यूलोज, प्रोटीन, ग्लाइकोप्रोटीन और पॉलीसेकेराइड से बनी होती है। अधिकांश शैवाल सेल की दीवारों का आधार एक जेल जैसी प्रोटीन मैट्रिक्स के भीतर एक माइक्रोफाइब्रिलर नेटवर्क से बना है; हालांकि, कुछ सूक्ष्मजीव एक अकार्बनिक कठोर दीवार से लैस होते हैं जो ओपलीन सिलिका फ्रस्ट्यूल्स या कैल्शियम कार्बोनेट से बना होता है। अल्गल बायोमास से बायोएक्टिव यौगिक प्राप्त करने के लिए, एक कुशल सेल व्यवधान तकनीक आवश्यक है। तकनीकी निष्कर्षण कारकों (यानी, निष्कर्षण विधि और उपकरण) के अलावा, शैवाल सेल व्यवधान और निष्कर्षण की दक्षता भी विभिन्न शैवाल-निर्भर कारकों जैसे सेल की दीवार की संरचना, माइक्रोएल्गे कोशिकाओं में वांछित बायोमोलेक्यूल का स्थान, और कटाई के दौरान सूक्ष्मजीव के विकास चरण से भी प्रभावित होती है।

अल्ट्रासोनिक शैवाल सेल व्यवधान और निष्कर्षण कैसे काम करता है?

जब उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों को एक अल्ट्रासोनिक जांच (जिसे अल्ट्रासोनिक हॉर्न या सोनोट्रोड के रूप में भी जाना जाता है) के माध्यम से तरल या घोल में जोड़ा जाता है, तो ध्वनि तरंगें तरल के माध्यम से यात्रा करती हैं और इस तरह उच्च दबाव / कम दबाव चक्रों को बारी-बारी से बनाती हैं। इन उच्च दबाव/कम दबाव चक्रों के दौरान, मिनट वैक्यूम बुलबुले या गुहाएं होती हैं। कैविटेशन बुलबुले तब होते हैं जब स्थानीय दबाव कम दबाव चक्रों के दौरान संतृप्त वाष्प दबाव से काफी नीचे गिरता है, एक निश्चित तापमान पर तरल की तन्य शक्ति द्वारा दिया गया मूल्य। जो कई चक्रों में बढ़ता है। जब ये वैक्यूम बुलबुले एक आकार तक पहुंच जाते हैं, जहां वे अधिक ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकते हैं, तो बुलबुला उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक रूप से फट जाता है। गुहिकायन बुलबुले का विस्फोट एक हिंसक, ऊर्जा-घने प्रक्रिया है जो तरल पदार्थ में तीव्र सदमे तरंगों, अशांति और सूक्ष्म जेट उत्पन्न करता है। इसके अतिरिक्त, स्थानीयकृत बहुत उच्च दबाव और बहुत उच्च तापमान बनाए जाते हैं। ये चरम स्थितियां आसानी से सेल की दीवारों और झिल्ली को बाधित करने और एक प्रभावी, प्रभावोत्पादक और तेजी से तरीके से इंट्रासेल्युलर यौगिकों को जारी करने में सक्षम हैं। प्रोटीन, पॉलीसेकेराइड, लिपिड, विटामिन, खनिज, और एंटीऑक्सिडेंट जैसे इंट्रासेल्युलर यौगिक इस प्रकार बिजली अल्ट्रासोनिक्स का उपयोग करके प्रभावी ढंग से निकाले जा सकते हैं।

सेल व्यवधान और निष्कर्षण के लिए अल्ट्रासोनिक Cavitation

तीव्र अल्ट्रासोनिक ऊर्जा के संपर्क में आने पर, किसी भी प्रकार की कोशिका (वनस्पति, स्तनधारी, अल्गल, कवक, जीवाणु आदि सहित) की दीवार या झिल्ली बाधित हो जाती है और ऊर्जा-घने अल्ट्रासोनिक गुहिकायन के यांत्रिक बलों द्वारा सेल को छोटे टुकड़ों में फाड़ दिया जाता है। जब कोशिका भित्ति टूट जाती है, तो प्रोटीन, लिपिड, न्यूक्लिक एसिड और क्लोरोफिल जैसे सेलुलर मेटाबोलाइट्स सेल वॉल मैट्रिक्स के साथ-साथ सेल इंटीरियर से भी निकलते हैं और आसपास के संस्कृति माध्यम या विलायक में स्थानांतरित हो जाते हैं।
ध्वनिक कैविटेशन का उपरोक्त वर्णित तंत्र कोशिकाओं के भीतर पूरे अल्गल कोशिकाओं या गैस और तरल रिक्तिकाएं को गंभीर रूप से बाधित करता है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन, कंपन, अशांति और माइक्रो-स्ट्रीमिंग सेल इंटीरियर और आसपास के विलायक के बीच बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देते हैं ताकि बायोमोलेक्यूल्स (यानी मेटाबोलाइट्स) कुशल और तेजी से जारी हों। चूंकि सोनिकेशन एक विशुद्ध रूप से यांत्रिक उपचार है जिसमें कठोर, विषाक्त और / या महंगे रसायनों की आवश्यकता नहीं होती है।
उच्च तीव्रता, कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड अत्यधिक ऊर्जा-घने की स्थिति बनाता है, जिसमें उच्च दबाव, तापमान और उच्च कतरनी बल होते हैं। ये भौतिक बल इंट्रासेल्युलर यौगिकों को माध्यम में छोड़ने के लिए सेल संरचनाओं के विघटन को बढ़ावा देते हैं। इसलिए, कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग बड़े पैमाने पर शैवाल से बायोएक्टिव पदार्थों और ईंधन के निष्कर्षण के लिए किया जाता है। जब विलायक निष्कर्षण, मनका-मिलिंग या उच्च दबाव समरूपता जैसे पारंपरिक निष्कर्षण विधियों की तुलना में, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण सोनोपोरेटेड और बाधित सेल से अधिकांश बायोएक्टिव यौगिकों (जैसे लिपिड, प्रोटीन, पॉलीसेकेराइड और सूक्ष्म पोषक तत्वों) को जारी करके उत्कृष्टता प्राप्त करता है। सही प्रक्रिया की स्थिति को लागू करना, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण बहुत कम प्रक्रिया अवधि के भीतर बेहतर निष्कर्षण पैदावार देता है। उदाहरण के लिए, उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक चिमटा शैवाल से उत्कृष्ट निष्कर्षण प्रदर्शन दिखाता है, जब एक उपयुक्त विलायक के साथ प्रयोग किया जाता है। एक अम्लीय या क्षारीय माध्यम में, शैवाल कोशिका की दीवार झरझरा और झुर्रीदार हो जाती है, जिससे कम समय (3 घंटे से कम) में कम तापमान (60 डिग्री सेल्सियस से नीचे) पर पैदावार बढ़ जाती है। हल्के तापमान पर छोटी निष्कर्षण अवधि फ्यूकोइडन गिरावट को रोकती है, ताकि एक अत्यधिक बायोएक्टिव पॉलीसेकेराइड प्राप्त हो।
अल्ट्रासोनिकेशन भी उच्च-आणविक भार फ्यूकोइडन को कम-आणविक भार फ्यूकोइडन में बदलने की एक विधि है, जो इसकी विघटित संरचना के कारण काफी अधिक बायोएक्टिव है। इसकी उच्च बायोएक्टिविटी और बायोएक्सेसिबिलिटी के साथ, कम-आणविक भार फ्यूकोइडन फार्मास्यूटिकल्स और ड्रग डिलीवरी सिस्टम के लिए एक दिलचस्प यौगिक है।

मामले का अध्ययन: शैवाल यौगिकों की अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण दक्षता और अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण मापदंडों के अनुकूलन का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है। नीचे, आप विभिन्न शैवाल प्रजातियों से अल्ट्रासोनिकेशन के माध्यम से निष्कर्षण परिणामों के लिए अनुकरणीय परिणाम पा सकते हैं।

मनो-थर्मो-सोनिकेशन का उपयोग करके स्पिरुलिना से प्रोटीन निष्कर्षण

प्रोफेसर चेमैट (एविग्नन विश्वविद्यालय) के शोध समूह ने शुष्क आर्थ्रोस्पिरा प्लैटेंसिस साइनोबैक्टीरिया (जिसे स्पिरुलिना भी कहा जाता है) से प्रोटीन (जैसे फाइकोसाइनिन) के निष्कर्षण पर मैनोथर्मोसोनिकेशन (एमटीएस) के प्रभावों की जांच की। मनो-थर्मो-सोनिकेशन (एमटीएस) अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण प्रक्रिया को तेज करने के लिए ऊंचा दबाव और तापमान के साथ संयुक्त अल्ट्रासोनिक्स का अनुप्रयोग है।
"प्रयोगात्मक परिणामों के अनुसार, एमटीएस ने बड़े पैमाने पर हस्तांतरण (उच्च प्रभावी प्रसार, डीई) को बढ़ावा दिया और अल्ट्रासाउंड के बिना पारंपरिक प्रक्रिया (8.63 ± 1.15 ग्राम / 100 ग्राम डीडब्ल्यू) की तुलना में 229% अधिक प्रोटीन (28.42 ± 1.15 ग्राम / 100 ग्राम डीडब्ल्यू) प्राप्त करने में सक्षम बनाया। निकालने में शुष्क स्पिरुलिना बायोमास के प्रति 100 ग्राम प्रोटीन के 28.42 ग्राम के साथ, निरंतर एमटीएस प्रक्रिया के साथ 6 प्रभावी मिनटों में 50% की प्रोटीन वसूली दर हासिल की गई थी। सूक्ष्म अवलोकनों से पता चला है कि ध्वनिक गुहिकायन ने विखंडन, सोनोपोरेशन, डिटेक्स्चरेशन जैसे विभिन्न तंत्रों द्वारा स्पिरुलिना फिलामेंट्स को प्रभावित किया। ये विभिन्न घटनाएं स्पिरुलिना बायोएक्टिव यौगिकों के निष्कर्षण, रिलीज और घुलनशीलता को आसान बनाती हैं। [वर्नेस एट अल., 2019]

"समय के साथ एमटीएस उपचार के अधीन पूरे स्पिउरुलिना फिलामेंट्स की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवियां". स्केल बार (चित्र ए) = सभी चित्रों के लिए 50 माइक्रोन।
चित्र और अध्ययन: ©वर्नेस एट अल

अल्ट्रासोनिक Fucoidan और ग्लूकन निष्कर्षण से Laminaria digitata

तिवारी के टीईएजीएससी अनुसंधान समूह ने मैक्रोलेगा लैमिनारिया डिजिटाटा से पॉलीसेकेराइड, यानी फ्यूकोइडन, लैमिनारिन और कुल ग्लूकन के निष्कर्षण की जांच की। अल्ट्रासोनिकेटर UIP500hdT. अध्ययन किए गए अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त निष्कर्षण (यूएई) मापदंडों ने फ्यूकोस, एफआरएपी और डीपीपीएच के स्तर पर महत्वपूर्ण प्रभाव दिखाया। 1060.75 मिलीग्राम / 100 ग्राम डीएस, 968.57 मिलीग्राम / 100 ग्राम डीएस, 8.70 माइक्रोन ट्रोलॉक्स / मिलीग्राम एफडीई और 11.02% के स्तर क्रमशः फ्यूकोस, कुल ग्लूकन, एफआरएपी और डीपीपीएच के लिए तापमान (76◦C), समय (10 मिनट) और अल्ट्रासोनिक आयाम (100%) की अनुकूलित स्थितियों में 0.1 एम एचसीएल का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे। वर्णित संयुक्त अरब अमीरात की शर्तों को तब पॉलीसेकेराइड समृद्ध अर्क प्राप्त करने के लिए अन्य आर्थिक रूप से प्रासंगिक भूरे मैक्रोलेगा (एल. हाइपरबोरिया और ए. नोडोसम) पर सफलतापूर्वक लागू किया गया था। यह अध्ययन विभिन्न मैक्रोलेगल प्रजातियों से बायोएक्टिव पॉलीसेकेराइड के निष्कर्षण को बढ़ाने के लिए यूएई की प्रयोज्यता को प्रदर्शित करता है।

से अल्ट्रासोनिक फाइटोकेमिकल निष्कर्षण F. vesiculosus और पी. कैनालिकुलाटा

गार्सिया-वाकुएरो की शोध टीम ने भूरे रंग के सूक्ष्मजीव प्रजातियों से निष्कर्षण दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण, अल्ट्रासाउंड-माइक्रोवेव निष्कर्षण, माइक्रोवेव निष्कर्षण, हाइड्रोथर्मल-सहायता प्राप्त निष्कर्षण और उच्च दबाव-सहायता प्राप्त निष्कर्षण सहित विभिन्न उपन्यास निष्कर्षण तकनीकों की तुलना की। अल्ट्रासोनिकेशन के लिए, उन्होंने Hielscher UIP500hdT अल्ट्रासोनिक चिमटा. निष्कर्षण पैदावार के एनील्सिस से पता चला कि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण ने दोनों से अधिकांश फाइटोकेमिकल्स की उच्चतम पैदावार हासिल की एफ। इसका मतलब है, यौगिकों की उच्चतम पैदावार से निकाला गया एफ. vesiculosus का उपयोग कर अल्ट्रासोनिक चिमटा UIP500hdT ±जी), कुल फ्लोरोटैनिन सामग्री (362.9 ± 3.7 मिलीग्राम फ्लोरोग्लुसिनोल समकक्ष / जी), कुल फ्लेवोनोइड सामग्री (286.3 ± 7.8 मिलीग्राम क्वेरसेटिन समकक्ष / जी) और कुल टैनिन सामग्री (189.1 ± 4.4 मिलीग्राम कैटेचिन समकक्ष / जी)।
अपने शोध अध्ययन में, टीम ने निष्कर्ष निकाला कि अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त निष्कर्षण का उपयोग "निष्कर्षण विलायक के रूप में 50% इथेनॉल समाधान के साथ संयुक्त रूप से टीपीसी, टीपीएचसी, टीएफसी और टीटीसी के निष्कर्षण को लक्षित करने वाली एक आशाजनक रणनीति हो सकती है, जबकि अवांछनीय कार्बोहाइड्रेट के सह-निष्कर्षण को कम करते हुए एफ वेसिकुलोसस और पी कैनालिकुलाटा, फार्मास्यूटिकल्स के रूप में इन यौगिकों का उपयोग करते समय आशाजनक अनुप्रयोगों के साथ, न्यूट्रास्यूटिकल्स और कॉस्मिस्यूटिकल्स। [गार्सिया-वाकुएरो एट अल., 2021]

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके Avignon विश्वविद्यालय में मनो-थर्मो-सोनिकेशन का पैमाना: प्रयोगशाला उपकरणों से UIP1000hdT (ए) पायलट स्केल उपकरण के लिए यूआईपी4000एचडीटी (बी, सी & चित्र डी पर अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल के एक transversal खंड schematized है एफसी100के.
चित्र और अध्ययन: ©वर्नेस एट अल

शैवाल व्यवधान के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक एक्सट्रैक्टर्स

Hielscher के अत्याधुनिक अल्ट्रासोनिक उपकरण आयाम, तापमान, दबाव और ऊर्जा इनपुट जैसे प्रक्रिया मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण के लिए अनुमति देता है।
अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के लिए, कच्चे माल के कण आकार, विलायक प्रकार, ठोस-से-विलायक अनुपात, और निष्कर्षण समय जैसे मापदंडों को सर्वोत्तम परिणामों के लिए विविध और अनुकूलित किया जा सकता है।
चूंकि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण एक गैर-थर्मल निष्कर्षण विधि है, इसलिए शैवाल जैसे कच्चे माल में मौजूद बायोएक्टिव अवयवों के थर्मल क्षरण से बचा जाता है।
कुल मिलाकर, उच्च उपज, कम निष्कर्षण समय, कम निष्कर्षण तापमान और विलायक की छोटी मात्रा जैसे फायदे सोनिकेशन को बेहतर निष्कर्षण विधि बनाते हैं।

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण: प्रयोगशाला और उद्योग में स्थापित

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण व्यापक रूप से वनस्पति, शैवाल, बैक्टीरिया और स्तनधारी कोशिकाओं से किसी भी प्रकार के बायोएक्टिव यौगिक के निष्कर्षण के लिए लागू किया जाता है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण को एक सरल, लागत प्रभावी और अत्यधिक कुशल के रूप में स्थापित किया गया है जो उच्च निष्कर्षण पैदावार और कम प्रसंस्करण अवधि द्वारा अन्य पारंपरिक निष्कर्षण तकनीकों को उत्कृष्ट बनाता है।
लैब, बेंच-टॉप और पूरी तरह से औद्योगिक अल्ट्रासोनिक सिस्टम आसानी से उपलब्ध होने के साथ, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण आजकल एक अच्छी तरह से स्थापित और विश्वसनीय तकनीक है। Hielscher अल्ट्रासोनिक चिमटा औद्योगिक प्रसंस्करण सुविधाओं है कि खाद्य का उत्पादन में दुनिया भर में स्थापित कर रहे हैं- और फार्मा ग्रेड bioactive यौगिकों.

Hielscher Ultrasonics के साथ प्रक्रिया मानकीकरण

शैवाल-व्युत्पन्न अर्क, जो भोजन, फार्मास्यूटिकल्स या सौंदर्य प्रसाधनों में उपयोग किए जाते हैं, को अच्छे विनिर्माण प्रथाओं (जीएमपी) के अनुसार और मानकीकृत प्रसंस्करण विनिर्देशों के तहत उत्पादित किया जाना चाहिए। Hielscher Ultrasonics के डिजिटल निष्कर्षण सिस्टम बुद्धिमान सॉफ्टवेयर के साथ आते हैं, जो सोनीशन प्रक्रिया को ठीक से सेट और नियंत्रित करना आसान बनाता है। स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग अंतर्निहित एसडी-कार्ड पर दिनांक और समय टिकट के साथ अल्ट्रासाउंड ऊर्जा (कुल और शुद्ध ऊर्जा), आयाम, तापमान, दबाव (जब अस्थायी और दबाव सेंसर घुड़सवार होते हैं) जैसे सभी अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया पैरामीटर लिखते हैं। यह आपको प्रत्येक अल्ट्रासोनिक रूप से संसाधित लॉट को संशोधित करने की अनुमति देता है। इसी समय, प्रजनन क्षमता और लगातार उच्च उत्पाद की गुणवत्ता सुनिश्चित की जाती है।

नीचे दी गई तालिका आपको हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: