Estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi
I solventi eutettici profondi (DES) e i solventi eutettici profondi naturali (NADES) sono mezzi di estrazione potenti, modulabili ed ecocompatibili per ingredienti botanici, alimentari, nutraceutici, cosmetici e farmaceutici. I sonicatori a sonda Hielscher intensificano l'estrazione DES accelerando il trasferimento di massa, rompendo le strutture cellulari vegetali e migliorando la penetrazione del solvente, anche quando si lavora con sistemi di solventi viscosi come i NADES a base di glicerolo.
Che si tratti di testare formulazioni a base di solventi in laboratorio, di ottimizzare i parametri di estrazione per un determinato fitochimico o di passare alla produzione in linea continua su larga scala, gli estrattori a ultrasuoni Hielscher garantiscono un controllo riproducibile dell'ampiezza, un funzionamento affidabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7, e una capacità di lavorazione scalabile da pochi millilitri a portate industriali.
Perché i produttori di estratti scelgono Hielscher per l'estrazione DES
- Maggiore efficienza di estrazione di polifenoli, flavonoidi, cannabinoidi, terpeni, antociani e altri composti bioattivi
- Estrazione più rapida rispetto alla macerazione convenzionale e all'estrazione con solvente in serbatoio agitato
- Compatibile con DES, NADES, glicerina, acqua, etanolo e sistemi a solvente misto
- Trattamento efficace di solventi ad alta viscosità mediante sonicazione con sonda ad alta ampiezza
- Configurazioni a lotti, a ricircolo e a flusso continuo
- Controllo preciso dell'ampiezza, dell'apporto energetico, della temperatura e della durata del processo
- Facile scalabilità dalla fase di verifica della fattibilità alla produzione pilota e alla produzione industriale su larga scala
L'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi (naturali) è un metodo altamente efficiente per ottenere estratti botanici di qualità superiore. L'immagine mostra il processore a ultrasuoni UP400St (400W) con un lotto da 8L per l'estrazione botanica.
Perché la sonicazione migliora l'estrazione di DES e NADES
L'estrazione con sonda a ultrasuoni utilizzando solventi eutettici profondi e naturali può offrire diversi vantaggi per l'estrazione di composti bioattivi. Uno dei principali vantaggi è l'aumento dell'efficienza di estrazione dei composti fenolici e di altre sostanze fitochimiche da fonti naturali. I solventi eutettici profondi sono noti per l'elevata efficienza di estrazione, che può essere addirittura migliorata dall'estrazione assistita da ultrasuoni. Grazie alla loro atossicità, sono un'ottima opzione di solventi per i prodotti farmaceutici e alimentari. Ciò rende l'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi un metodo verde e sostenibile per il recupero di composti bioattivi. È stato scientificamente dimostrato che l'uso sinergico di ultrasuoni e solventi eutettici profondi consente di ottenere rese più elevate di vari composti bioattivi. Nel complesso, l'estrazione con sonda a ultrasuoni utilizzando solventi eutettici profondi e solventi eutettici profondi naturali fornisce un approccio più efficiente ed ecologico all'estrazione di composti bioattivi.
La glicerina vegetale è un solvente di estrazione ideale grazie alle sue proprietà non tossiche e non irritanti e alla sua capacità di preservare la stabilità e la potenza dei composti bioattivi sensibili. Sia la glicerina pura che le miscele glicerina-acqua sono solventi utili per la produzione di estratti per integratori e nutraceutici, estratti aromatici, additivi alimentari e cosmetici.
La glicerina vegetale è un solvente di estrazione ideale grazie alle sue proprietà non tossiche e non irritanti e alla sua capacità di preservare la stabilità e la potenza dei composti bioattivi sensibili. Sia la glicerina pura che le miscele glicerina-acqua sono solventi utili per la produzione di estratti per integratori e nutraceutici, estratti aromatici, additivi alimentari e cosmetici.
Estrazione ultrasonica di antociani con DES
Gli antociani sono preziosi pigmenti naturali e antiossidanti presenti nelle carote nere, nei frutti di bosco, nell'uva, nel mais viola e in altri materiali vegetali. I solventi eutettici profondi sono particolarmente adatti all'estrazione degli antociani poiché la loro rete di legami idrogeno può essere regolata per soddisfare i requisiti di polarità e stabilità di questi composti coloranti. Se combinata con l'ultrasonicazione a sonda, l'estrazione DES diventa significativamente più efficiente: la cavitazione ultrasonica rompe le strutture cellulari vegetali, migliora la penetrazione del solvente e accelera il rilascio degli antociani nel mezzo di estrazione. Uno studio sugli antociani della carota nera che utilizza il sonicatore UP400St dimostra che i DES a base di cloruro di colina, specialmente se combinati con l'estrazione assistita da ultrasuoni, possono fornire un'alternativa sostenibile ed efficace all'estrazione convenzionale con etanolo o metanolo acidificato. (cfr. Türker et al., 2021)
Estrazione ultrasonica dei polifenoli con DES
I polifenoli, tra cui i flavonoidi, gli acidi fenolici e i composti antiossidanti correlati, sono molecole target importanti nell'estrazione in ambito botanico, alimentare, nutraceutico e cosmetico. I solventi eutettici profondi a base di glicerolo sono particolarmente interessanti per il recupero dei polifenoli perché la loro polarità e la capacità di formare legami idrogeno favoriscono la solubilizzazione dei composti fenolici. Gli ultrasuoni a sonda intensificano ulteriormente il processo aumentando il trasferimento di massa, riducendo il tempo di estrazione e migliorando il contatto tra il DES e la matrice vegetale.
Uno studio di ricerca ha utilizzato un DES a base di glicerolo e acetato di ammonio con estrazione assistita da ultrasuoni, ottimizzando parametri quali la temperatura, la concentrazione del DES e l'ampiezza degli ultrasuoni. I risultati hanno dimostrato che l'estrazione ultrasonica con DES ha consentito un recupero efficiente dei fenoli totali, dei flavonoidi e dell'attività antiossidante dai frutti di chinaberry, dimostrando il potenziale dell'estrazione ultrasonica con DES come metodo di estrazione ecologico per la lavorazione industriale dei prodotti botanici. (cfr. Jamshed et al., 2022)
- altamente efficiente
- Processo rapido
- Non tossico
- Esattamente sintonizzabile con la specifica botanica
- Condizioni di lavorazione delicate
- Modalità batch e flusso
- Facile e sicuro
- Rispettoso dell'ambiente / biodegradabile
- Riciclabile
- Non infiammabile
- Poco costoso
- Facilmente accessibile
Cosa sono i solventi eutettici profondi (DES)?
I solventi eutettici profondi (DES) sono miscele composte da almeno un accettore di legami idrogeno (HBA) e un donatore di legami idrogeno (HBD), tra cui acidi carbossilici e altri composti rinnovabili. Secondo Cai et al. (2019), “La forte interazione di legame idrogeno tra HBA e HBD è il fattore più importante per la formazione dei DES.” [Cai et al. 2019]
Per i donatori di legami a idrogeno vengono spesso utilizzati composti come zuccheri, amminoacidi, acidi carbossilici (ad esempio, acido benzoico, acido citrico, acido succinico) o ammine (ad esempio, urea, benzamide). Il potenziale di interazione chimica dei donatori di legami a idrogeno è il fattore principale che contribuisce alla formazione e all'efficienza dei solventi eutettici profondi. Insieme ai donatori di legami idrogeno possono essere utilizzati anche sali alogenati come il cloruro di colina o il cloruro di zinco. Altri solventi eutettici profondi a base di cloruro di colina si formano con acido malonico, fenolo o glicerina. A causa delle forti interazioni di legame a idrogeno, il punto di fusione dei solventi eutettici profondi è notevolmente ridotto rispetto ai singoli componenti. A differenza dei solventi convenzionali (ad esempio, etanolo, metanolo, esano, butano, ecc.), i solventi eutettici profondi non sono volatili, ovvero hanno una pressione di vapore molto bassa e sono quindi difficilmente infiammabili. La tossicità dei solventi eutettici profondi è bassa, la loro biodegradabilità è elevata e i precursori necessari sono poco costosi, facilmente e abbondantemente disponibili e rinnovabili.
I solventi eutettici profondi naturali (NADES) sono ancora più ecologici in quanto tutti i precursori provengono da fonti naturali. I solventi eutettici profondi offrono inoltre una solvibilità regolabile in base alla chimica del soluto e alle specie utilizzate per creare i solventi eutettici profondi. Alcuni solventi eutettici profondi naturali presentano un'elevata viscosità e quindi non sono molto adatti per l'estrazione in batch. Tuttavia, i solventi eutettici profondi naturali con viscosità più elevata possono essere applicati con successo come solventi nell'estrazione a flusso continuo a ultrasuoni.
La tabella seguente mostra alcune composizioni esemplari di solventi eutettici naturali profondi (NADES) per l'estrazione di sostanze fitochimiche:
| Composizione NADES | Rapporto molare |
|---|---|
| Cloruro di colina: acido lattico | 1:2 |
| Cloruro di colina:Acido citrico:Acqua | 1:1:2 |
| Cloruro di colina:Acido malico:Acqua | 1:1:2 |
| Cloruro di colina: acido tartarico | 1:2 |
| Cloruro di colina:Glicerolo | 1:2 |
| Cloruro di colina:1,2-propandiolo | 1:3 |
| Cloruro di colina:Sorbitolo | 1:1 |
| Cloruro di colina:Glucosio:Acqua | 2:1:1 |
| Cloruro di colina:Fruttosio:Acqua | 2:1:1 |
| Cloruro di colina:Urea | 1:2 |
Sonicatore industriale UIP4000hdT con celle di flusso per l'estrazione continua in linea
Come funziona l'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi?
L'estrazione a ultrasuoni si basa sugli effetti sonomeccanici degli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza. Per promuovere e intensificare l'estrazione di composti botanici (cioè sostanze bioattive) tramite ultrasuoni, le onde ultrasonore ad alta potenza vengono accoppiate tramite una sonda ultrasonica (chiamata anche tromba ultrasonica o sonotrodo) nel mezzo liquido, cioè lo slurry costituito dalla materia prima botanica e dal solvente eutettico profondo (naturale). Le onde ultrasoniche attraversano il liquido e creano cicli alternati di bassa pressione/alta pressione. Durante i cicli di bassa pressione, si creano minuscole bolle di vuoto (le cosiddette bolle di cavitazione), che si sviluppano per diversi cicli di pressione. Durante questi cicli di crescita delle bolle, i gas disciolti nel liquido entrano nella bolla di vuoto, che si trasforma in bolle di gas in crescita. Dopo la crescita per diversi cicli, le bolle di vuoto raggiungono una certa dimensione che non consente loro di assorbire altra energia, per cui implodono violentemente durante un ciclo ad alta pressione. L'implosione delle bolle è caratterizzata da intense forze cavitazionali, tra cui temperature e pressioni molto elevate che raggiungono rispettivamente i 4000K e i 1000atm, oltre a corrispondenti differenziali di temperatura e pressione. Queste turbolenze e forze di taglio generate dagli ultrasuoni rompono le cellule vegetali e rilasciano i composti bioattivi intracellulari nel solvente eutettico profondo (naturale). L'estrazione a ultrasuoni apre la struttura cellulare delle piante e intensifica il trasferimento di massa tra il materiale vegetale e il solvente. La sonicazione promuove quindi l'efficacia dei solventi eutettici profondi naturali. L'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi (naturali) consente di ottenere rese eccezionalmente elevate in tempi di lavorazione molto brevi.
Le onde ultrasonore di potenza rompono la struttura cellulare delle piante, rilasciano i composti bioattivi e favoriscono il trasferimento di massa tra il materiale vegetale e il solvente (ad esempio, solventi eutettici profondi).
La combinazione dell'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi (naturali) offre l'opportunità di combinare il potere di intensificazione del processo degli ultrasuoni con i notevoli effetti di solubilizzazione e l'eccezionale capacità di progettazione dei solventi eutettici profondi. Grazie all'efficienza superiore dell'estrazione a ultrasuoni, Gli ultrasuonatori vengono utilizzati con successo anche per l'estrazione dell'acqua.
Contattateci ora per saperne di più sulla potente applicazione di estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi!
Estrattore ad ultrasuoni UIP2000hdT (2kW) per la produzione di estratti botanici
Estrattori a ultrasuoni per l'estrazione DES in laboratorio, su scala pilota e industriale
L'estrazione a ultrasuoni è una tecnologia di lavorazione affidabile, che facilita e accelera la produzione di estratti di alta qualità da varie sostanze botaniche e da qualsiasi solvente. L'estrazione a ultrasuoni è altamente compatibile con i solventi eutettici profondi (naturali), che sono favorevoli per il loro eccellente potere solubilizzante, per la loro adattabilità all'estratto, per la sostenibilità, la biodegradabilità e l'ecocompatibilità. La combinazione dell'intensificazione del processo degli ultrasuoni di potenza con i vantaggi dei solventi eutettici profondi (naturali) conferisce a questa tecnologia di processo una superiorità su molti livelli. Il portafoglio di Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma, dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai sistemi di estrazione industriali. Tutti sono ovviamente adatti all'estrazione con solventi eutettici profondi.
Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.
| Volume di estrazione | Sonicatore consigliato |
|---|---|
| Sviluppo di metodi, R&D, screening | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Lotti di DES/NADES viscosi | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Produzione pilota | UIP1000hdT o UIP2000hdT (2000 W) |
| Estrazione industriale in continuo | UIP4000hdT (4000 W), UIP6000hdT (6000 W), UIP16000hdT (16kW) o gruppi |
Contattateci! / Chiedi a noi!
Approfittate dell'estrazione a ultrasuoni e utilizzate un sonicatore Hielscher per l'estrazione di piante con un'efficienza e una sostenibilità senza pari!
Approfittate dell'estrazione a ultrasuoni e utilizzate un sonicatore Hielscher per l'estrazione di piante con un'efficienza e una sostenibilità senza pari!
La glicerina (glicerolo) è in grado di preservare l'integrità dei composti bioattivi e la sua natura non tossica e biodegradabile la rende un solvente interessante per le industrie farmaceutiche, cosmetiche e alimentari. In combinazione con le delicate condizioni di estrazione degli ultrasuoni, gli estratti di glicerina ultrasonica mostrano qualità e biodisponibilità eccellenti. Il processo di sonicazione garantisce la massima efficienza, con rese elevate, tempi di estrazione ridotti e bassi costi di lavorazione! Utilizzate il solvente che preferite, ottenete rese di estrazione eccellenti e una qualità superiore con i sonicatori Hielscher!
Domande frequenti sull'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi
Che cos'è l'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi?
L'estrazione a ultrasuoni con solventi eutettici profondi combina la sonicazione a sonda con sistemi di solventi DES o NADES. La sonda a ultrasuoni introduce onde sonore ad alta intensità nella sospensione di materiale vegetale e solvente. La cavitazione che ne deriva rompe le strutture cellulari vegetali, migliora la penetrazione del solvente e accelera il trasferimento dei composti bioattivi nel solvente eutettico profondo.
Perché utilizzare gli ultrasuoni per l'estrazione di DES e NADES?
Gli ultrasuoni migliorano l'estrazione DES e NADES aumentando il trasferimento di massa, riducendo i tempi di estrazione e consentendo al solvente di raggiungere i composti intracellulari in modo più efficace. Ciò risulta particolarmente utile nel caso di materiali botanici in cui i composti di interesse sono intrappolati all'interno delle cellule vegetali, delle fibre o delle strutture resinose.
Quali composti è possibile estrarre con DES e NADES mediante sonicazione?
L'estrazione ultrasonica DES e NADES può essere utilizzata per numerosi composti bioattivi, tra cui polifenoli, flavonoidi, antociani, terpeni, cannabinoidi, alcaloidi, antiossidanti, pigmenti, composti aromatici e altri fitochimici. La composizione del solvente deve essere scelta in base alla polarità, alla stabilità e alla solubilità del composto di interesse.
I solventi eutettici profondi sono compatibili con gli estrattori a ultrasuoni Hielscher?
Sì. I sonicatori a sonda Hielscher sono adatti per l'estrazione con solventi eutettici profondi, solventi eutettici profondi naturali, sistemi di solventi a base di glicerina, acqua, etanolo e molti altri mezzi di estrazione. Per i sistemi DES o NADES viscosi, un potente sonicatore a sonda è particolarmente utile perché garantisce un'intensa miscelazione, cavitazione e trasferimento di massa direttamente nel liquido.
Il processo di estrazione DES a ultrasuoni può essere utilizzato con solventi ad alta viscosità?
Sì. Molte formulazioni DES e NADES presentano una viscosità superiore rispetto ai solventi convenzionali. I processori a ultrasuoni Hielscher sono particolarmente adatti per i mezzi di estrazione viscosi, poiché il sonotrodo introduce ultrasuoni ad alta ampiezza direttamente nella miscela solvente-materiale. Per volumi più elevati o lavorazioni in continuo, i reattori a flusso continuo possono migliorare la miscelazione, il controllo del calore e l'uniformità del processo.
L'estrazione DES a ultrasuoni è adatta alla produzione di alimenti, prodotti nutraceutici e cosmetici?
Sì. Il DES e il NADES vengono spesso scelti per applicazioni in cui sono importanti una bassa volatilità, una riduzione dei rischi legati ai solventi e prestazioni di estrazione regolabili. A seconda dei componenti del solvente selezionati e dei requisiti normativi, l'estrazione ultrasonica con DES può essere utilizzata per ingredienti alimentari, estratti nutraceutici, principi attivi cosmetici, concentrati botanici ed estratti per uso di ricerca.
È possibile aumentare la scala dell'estrazione a ultrasuoni con DES?
Sì. L'estrazione ultrasonica è altamente scalabile poiché gli stessi parametri di processo – quali ampiezza, apporto energetico, tempo di permanenza, temperatura e rapporto solido-liquido – possono essere trasferiti dalle prove di laboratorio alla produzione pilota e industriale. Hielscher fornisce estrattori ultrasonici per piccoli campioni di laboratorio, ottimizzazione da banco, lotti pilota ed estrazione industriale a flusso continuo.
È meglio utilizzare l'estrazione a ultrasuoni in batch o in linea per i processi DES?
L'estrazione in batch è spesso la soluzione più indicata per le analisi di laboratorio, lo screening delle formulazioni e i piccoli volumi di produzione. L'estrazione ultrasonica in linea è solitamente preferita per la produzione pilota e industriale, poiché garantisce un tempo di permanenza controllato, una maggiore riproducibilità, un raffreddamento più agevole e una produttività continua. La configurazione ottimale dipende dalla viscosità, dal materiale vegetale, dal rapporto di solventi, dal composto di interesse e dalla capacità produttiva.
Come posso scegliere l'estrattore a ultrasuoni più adatto per l'estrazione di DES?
La scelta dell'estrattore a ultrasuoni più adatto dipende dal volume del campione, dalle dimensioni del lotto, dalla portata, dalla viscosità del solvente, dal composto da ottenere, dalla temperatura di estrazione e dall'obiettivo di produzione. Le piccole unità da laboratorio sono adatte allo sviluppo di metodi, mentre gli ultrasonicatori industriali della serie UIP vengono utilizzati per l'estrazione DES su scala pilota e di produzione. Hielscher può consigliare una configurazione in base alla materia prima, al sistema di solventi e alla produttività richiesta.
Quali sono i parametri di processo importanti per l'estrazione DES a ultrasuoni?
Tra i parametri importanti figurano l'ampiezza degli ultrasuoni, l'apporto energetico, il tempo di estrazione, la temperatura, la composizione del DES o del NADES, il contenuto d'acqua, il rapporto solido-liquido, la dimensione delle particelle, la viscosità e la portata. Questi parametri devono essere ottimizzati per ogni materiale vegetale e composto di destinazione al fine di ottenere un'elevata resa, una buona qualità dell'estratto e una produzione riproducibile.
Letteratura / Riferimenti
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
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.