Ultrazvučno omsko zagrijavanje za intenzivniju ekstrakciju iz biljnog materijala

Ultrazvučno omsko zagrijavanje kombinira kavitaciju izazvanu ultrazvukom s brzim, ravnomjernim omskim zagrijavanjem kako bi se intenzivirala ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala. U usporedbi s konvencionalnim metodama i metodama koje primjenjuju samo jedan način obrade, omogućuje veći prinos fitokemikalija u znatno kraćem vremenu, uz smanjenje potrošnje energije do 74%. Ta sinergija ubrzava prijenos tvari, svodi upotrebu otapala na najmanju mjeru i omogućuje čišći i održiviji postupak ekstrakcije.

Ekstrakcija ultrazvučnim omskim zagrijavanjem – blaga, a ipak vrlo učinkovita

Ekstrakcija ultrazvučnim omskim zagrijavanjem kombinira ravnomjerno volumetrijsko zagrijavanje s mehaničkom homogenizacijom ultrazvukom kako bi se postiglo učinkovito oslobađanje fitokemikalija u razmjerno blagim uvjetima. Za razliku od konvencionalnog omskog zagrijavanja, koje može stvarati lokalizirane toplinske kanale i toplinsko naprezanje, dodatak ultrazvuka stvara kavitaciju, mikrostrujanje i pucanje staničnih stijenki, čime se ujednačuje vodljivost i ravnomjernije raspodjeljuje toplina. Ta sinergija omogućuje brzu ekstrakciju pri nižim efektivnim toplinskim opterećenjima, uz očuvanje fitokemikalija osjetljivih na toplinu i smanjenje ukupne potrebe za energijom. Stoga se ultrazvučno omsko zagrijavanje pokazuje kao blag, ali snažan pristup proizvodnji visokokvalitetnih biljnih ekstrakata na čišći i održiviji način.

Ovaj videozapis prikazuje pozitivan utjecaj izravne ultrazvučne obrade elektrode na električnu struju. Upotrebljava se ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) s nadogradnjom za elektrokemiju i titanijskom elektrodom/sonotrodom. Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize.

Blagi uvjeti ekstrakcije pri ultrazvučnom omskom zagrijavanju

U praktičnim primjenama temperature za ekstrakciju iz hrane i biljnog materijala obično su u rasponu od 40–70°C. Međutim, za materijale koji nisu osjetljivi na toplinu mogu se postići temperature iznad 100°C.

Blago zagrijavanje (40–70 °C): često se upotrebljava za osjetljive biljne matrice ili termolabilne spojeve, pri čemu je cilj ubrzati ekstrakciju bez razgradnje osjetljivih fitokemikalija.
Umjereno do jako zagrijavanje (70–100 °C): uobičajeno je u postupcima kojima je cilj brže pucanje staničnih stijenki i poboljšan prijenos tvari, pri čemu temperatura u vodenim sustavima i dalje ostaje ispod vrelišta.

Problem: toplinski kanali pri omskom zagrijavanju

Omsko zagrijavanje temelji se na pretvorbi električne energije u toplinu dok struja prolazi kroz biljnu matricu. Međutim, biološka su tkiva po svojoj prirodi heterogena: stanične stijenke, zračni džepovi i gradijenti vlažnosti stvaraju razlike u lokalnoj vodljivosti. Budući da struja prvenstveno prolazi kroz područja veće vodljivosti, nastaju „toplinski kanali”. Ti lokalizirani putovi prolaska struje dovode do:

Neravnomjernog zagrijavanja, s pregrijanim prugama uz nedovoljno obrađena područja.
Vrućih točaka, koje nose rizik od toplinske razgradnje osjetljivih fitokemikalija.
Smanjene učinkovitosti jer je ekstrakcija ograničena područjima koja ostaju nedovoljno zagrijana.

Taj je problem dobro poznat u literaturi o omskom zagrijavanju, u kojoj razlike u električnoj vodljivosti često ograničavaju mogućnost povećanja mjerila procesa i reproducibilnost.

Rješenje: omsko zagrijavanje potpomognuto ultrazvukom

Kada se ultrazvuk poveže s omskim zagrijavanjem, nekoliko ultrazvučnih učinaka ublažava stvaranje toplinskih kanala:

Kavitacija i mikrostrujanje: Ultrazvučna kavitacija stvara smične sile i mikromlazove koji neprekidno razaraju stanične strukture i miješaju fluide. Time se homogenizira medij i ujednačuju gradijenti vodljivosti koji bi inače uzrokovali nastanak toplinskih kanala.
Poboljšana elektroporacija: Ultrazvuk oslabljuje stanične stijenke i membrane te povećava propusnost. Time se smanjuju lokalne razlike u električnoj otpornosti, čime se osigurava ravnomjernija raspodjela električne struje.
Poboljšan prijenos topline: Akustičko strujanje potiče miješanje na mikrorazini, raspršuje lokalizirane vruće točke i ravnomjernije raspodjeljuje toplinsku energiju.
Sinergijsko razaranje stanica: Kombinacija mehaničkog razaranja (djelovanjem ultrazvuka) i električnog zagrijavanja (omskom obradom) osigurava da stanice brže oslobađaju svoj sadržaj, prije nego što dugotrajno zagrijavanje može uzrokovati razgradnju.

Prednosti omskog zagrijavanja potpomognutog ultrazvukom

Umjesto nepravilnog zagrijavanja duž kanala, ultrazvučno potpomognuto omsko zagrijavanje stvara stabilan, ujednačen temperaturni profil u cijeloj biljnoj matrici. To omogućuje:

Veće prinose neoštećenih fitokemikalija, npr. eteričnih ulja.
Kraće vrijeme ekstrakcije jer se prepreke prijenosu mase ravnomjernije uklanjaju.
Manji ukupni unos energije jer se toplina učinkovitije iskorištava.

Ukratko, ultrazvuk suzbija temeljnu slabost omskog zagrijavanja – njegovu podložnost neravnomjernoj raspodjeli topline – pretvarajući ga u metodu ekstrakcije koja omogućuje znatno bolju kontrolu, predvidljivost i povećanje mjerila.

Omsko zagrijavanje poboljšano ultrazvukom – što pokazuju istraživanja

Kumar i sur. (2023) usporedili su konvencionalnu hidrodestilaciju u Clevengerovu aparatu (CHD), hidrodestilaciju uz omsko zagrijavanje (OHD), ultrazvučno potpomognutu hidrodestilaciju (UAHD) i ultrazvučno potpomognutu hidrodestilaciju uz omsko zagrijavanje (UAOHD) s obzirom na njihovu učinkovitost pri ekstrakciji eteričnih ulja. Pokazalo se da ultrazvučna hidrodestilacija uz omsko zagrijavanje (UAOHD) znatno poboljšava učinkovitost ekstrakcije iz biljnog materijala spajanjem razornih učinaka ultrazvuka s brzim, ujednačenim volumnim zagrijavanjem koje nastaje pri omskoj obradi. U usporednim ispitivanjima s listovima indijskog bosiljka, limunske trave i korijandra, ultrazvučna destilacija uz omsko zagrijavanje dosljedno je davala veće prinose eteričnih ulja od konvencionalne hidrodestilacije, samog omskog zagrijavanja ili ultrazvučno potpomognute konvencionalne destilacije. Vrijeme ekstrakcije skraćeno je do 86%, a potrošnja energije smanjena je za približno 74%, unatoč većoj trenutačnoj potrošnji snage. Ta poboljšanja proizlaze iz sinergijskih mehanizama: kavitacija i mikroturbulencija izazvane ultrazvukom razaraju žlijezde s eteričnim uljima, dok omsko zagrijavanje ubrzava razaranje stanica elektroporacijom i ujednačenim unutarnjim zagrijavanjem. Zajedno omogućuju brži prijenos mase, čišću obradu bez otapala i znatno manji okolišni otisak, čime ultrazvučna hidrodestilacija uz omsko zagrijavanje postaje održiva alternativa za proizvodnju eteričnih ulja koja omogućuje povećanje mjerila.

Ovaj video prikazuje pozitivan utjecaj izravne ultrazvučne obrade elektrode na električnu struju u elektrolizatoru s ćelijom tipa H. Upotrebljava se ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) s nadogradnjom za elektrokemiju i titanijevom elektrodom/sonotrodom. Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize. Ultrazvučna obrada može znatno povećati brzinu proizvodnje plinovitog vodika u elektrolitičkoj ćeliji.

Ultrazvučne elektrode za poboljšano omsko zagrijavanje

Ultrazvučne elektrode Hielscher pružaju izrazitu prednost pri omskom zagrijavanju jer u jednom sustavu objedinjuju dva komplementarna mehanizma: dovođenje električne struje i ultrazvučno miješanje. Dok elektroda dovodi izmjeničnu struju potrebnu za volumno Jouleovo zagrijavanje, njezino istodobno osciliranje pri 20 kHz stvara kavitaciju, mikrostrujanje i smične sile koje razaraju stanične stijenke biljaka i homogeniziraju medij. To dvojako djelovanje svodi stvaranje toplinskih kanala na najmanju mjeru, osigurava ujednačeniju električnu vodljivost i time omogućuje ravnomjerno zagrijavanje cijelog uzorka. Istodobno, učinak ultrazvučne ekstrakcije ubrzava prijenos mase i potiče oslobađanje unutarstaničnih spojeva, dodatno povećavajući prinos i kvalitetu. U komercijalnoj primjeni sustav elektroda Hielscher UIP2000hdT (2000 W po elektrodi) pruža robusnost potrebnu za kontinuiranu industrijsku proizvodnju, dok manji sustavi poput UP100H (100 W) i VialTweeter služe kao prilagodljivi alati za istraživanja u laboratorijskom mjerilu i optimizaciju procesa.
Pročitajte više o primjenama ultrazvučnih elektroda Hielscher za intenziviranje omskog zagrijavanja u prehrambenoj industriji!

Zašto Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsuvremenija tehnologija
pouzdanost i robusnost
prilagodljiva, precizna kontrola procesa
šaržna i protočna obrada
za bilo koji volumen
inteligentan softver
pametne značajke (npr. mogućnost programiranja, zapisivanje podataka, daljinsko upravljanje)
jednostavno i sigurno rukovanje
minimalno održavanje
CIP (čišćenje na mjestu)

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših sonikatora za omsko zagrijavanje / ultrazvučnih elektroda:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete rada i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Povezane teme

Literatura / reference

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.

Često postavljana pitanja

Jesu li omsko zagrijavanje i Jouleovo zagrijavanje isto?

Ne sasvim. Jouleovo zagrijavanje temeljna je fizikalna pojava: kada električna struja prolazi kroz vodič, električna energija pretvara se u toplinu zbog otpora materijala. Omsko zagrijavanje, pak, tehnološka je primjena te pojave. Pri omskom zagrijavanju izmjenična struja namjerno se propušta kroz prehrambeni, biljni ili biološki materijal, koji djeluje kao otporni medij, tako da se toplina ravnomjerno stvara unutar uzorka.
Ukratko, svako omsko zagrijavanje temelji se na Jouleovu zagrijavanju, ali nije svako Jouleovo zagrijavanje omsko zagrijavanje. Jouleovo zagrijavanje je načelo; omsko zagrijavanje je proces koji se na njemu temelji.

Od kojih se dijelova sastoji sustav za omsko zagrijavanje?

Sustav za omsko zagrijavanje obično se sastoji od izvora napajanja koji isporučuje izmjeničnu struju, komore za obradu u kojoj se nalazi uzorak te elektroda postavljenih na suprotnim krajevima komore kako bi se omogućio prolazak struje kroz materijal. Sustav nadopunjuju senzori za praćenje napona, struje i temperature te upravljačke jedinice za reguliranje dovoda električne energije i osiguravanje ravnomjernog zagrijavanja.

Što je Jouleovo zagrijavanje?

Jouleovo zagrijavanje, koje se naziva i otporno zagrijavanje, jest stvaranje toplinske energije kada električna struja prolazi kroz vodljivi materijal, pri čemu se toplina stvara razmjerno otporu materijala i kvadratu jakosti struje.

Koja je razlika između omskog zagrijavanja i Jouleova zagrijavanja?

Omsko zagrijavanje specifična je primjena Jouleova zagrijavanja pri kojoj se izmjenična struja propušta izravno kroz prehrambeni ili biološki matriks, što uzrokuje ravnomjerno volumetrijsko zagrijavanje iskorištavanjem električne vodljivosti materijala; nasuprot tome, „Jouleovo zagrijavanje” opća je fizikalna pojava, dok se „omsko zagrijavanje” odnosi na projektiranu procesnu tehnologiju.

Gdje se primjenjuje omsko zagrijavanje?

Omsko zagrijavanje primjenjuje se u preradi hrane, ekstrakciji iz biljnog materijala, pasterizaciji, sterilizaciji i inaktivaciji enzima, kao i u znanosti o materijalima za procese koji zahtijevaju brzo i ravnomjerno zagrijavanje bez vanjskih prepreka prijenosu topline.

Što je omska plazma?

Omska plazma opisuje stanje plazme u kojem električna struja koja kroz nju prolazi disipira energiju zbog električnog otpora, što dovodi do zagrijavanja čestica plazme Jouleovim učinkom; to je načelo važno u istraživanjima zadržavanja plazme i fuzije.

Koje su prednosti omskog zagrijavanja u prehrambenoj industriji?

U prehrambenoj industriji omsko zagrijavanje nudi znatne prednosti, uključujući brzo i ravnomjerno zagrijavanje, smanjene toplinske gradijente, kraće vrijeme obrade, bolje očuvanje hranjivih tvari i senzorskih svojstava te povećanu energetsku učinkovitost, što ga čini obećavajućom toplinskom tehnologijom u skladu s konceptom „čiste deklaracije”.