Estrazione a ultrasuoni e relativo principio di funzionamento

L’estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per isolare i composti bioattivi dalle materie prime vegetali. La sonicazione consente un’estrazione completa, ottenendo così rese superiori in tempi di estrazione molto brevi. Grazie alla sua elevata efficienza, l’estrazione a ultrasuoni consente di risparmiare tempo e costi, producendo al contempo estratti di alta qualità utilizzati per alimenti, integratori e prodotti farmaceutici.

Estrazione a ultrasuoni

L’estrazione a ultrasuoni viene utilizzata nell’industria alimentare, degli integratori nutrizionali e farmaceutica per liberare dalle materie prime vegetali composti bioattivi quali vitamine, polifenoli, polisaccaridi, cannabinoidi e altre sostanze fitochimiche. L’estrazione assistita da ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica o ultrasonica.

Come funziona la cavitazione acustica?

L’estrazione a ultrasuoni si ottiene quando onde ultrasoniche ad alta potenza e bassa frequenza vengono accoppiate a una sospensione costituita da materiale vegetale in un solvente. Le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate alla sospensione mediante un processore a ultrasuoni a sonda. Le onde ultrasoniche ad alta energia attraversano il liquido creando cicli alternati di alta pressione / bassa pressione, che danno origine al fenomeno della cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica genera localmente nel mezzo temperature, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento e differenziali di pressione estremi, oltre a elevate forze di taglio. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie di solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti ecc.), i microgetti e le collisioni tra particelle generano effetti quali distacco degli strati superficiali, erosione, frammentazione delle particelle, sonoporazione (la perforazione delle pareti cellulari e delle membrane cellulari) e disgregazione cellulare. Inoltre, l’implosione delle bolle di cavitazione nei mezzi liquidi crea macroturbolenze e micromiscelazione. L’irradiazione ultrasonica rappresenta un modo efficiente per intensificare i processi di trasferimento di massa, poiché la sonicazione genera cavitazione e i meccanismi a essa associati, quali micromovimenti dovuti ai getti di liquido, compressione e decompressione nel materiale con conseguente disgregazione delle pareti cellulari, nonché elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento.
I sonicatori a sonda possono generare ampiezze molto elevate, necessarie per produrre una cavitazione intensa. Hielscher Ultrasonic produce estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, che possono facilmente generare ampiezze di 200µm durante il funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, Hielscher offre sonotrodi (sonde) specifici ad alta ampiezza.
Per intensificare la cavitazione si utilizzano reattori a ultrasuoni e celle di flusso pressurizzabili. All’aumentare della pressione, la cavitazione e le forze di taglio da essa generate diventano più distruttive, migliorando così gli effetti dell’estrazione a ultrasuoni.

L’estrazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e sulle sue forze di taglio idrodinamiche

Effetti dell’estrazione a ultrasuoni

Disgregazione cellulare a ultrasuoni e aumento del trasferimento di massa
Gli ultrasuoni possono favorire i processi di estrazione sia attraverso la disgregazione cellulare sia intensificando il trasferimento di massa nello strato limite che circonda la matrice solida.
La sonoporazione, ossia la perforazione delle pareti e delle membrane cellulari, aumenta la permeabilità delle pareti e delle membrane cellulari e costituisce spesso una fase intermedia prima che le cellule vengano completamente disgregate dalla sonicazione.
Gli effetti meccanici della cavitazione indotta dagli ultrasuoni, quali differenziali termici e di pressione, onde d’urto, forze di taglio, getti di liquido e microcorrenti, intensificano la penetrazione del solvente all’interno della cellula e migliorano il trasferimento di massa tra cellula e solvente, consentendo così il trasferimento dei materiali intercellulari nel solvente.

Estrazione a ultrasuoni da cellule vegetali: la sezione trasversale (TS) al microscopio mostra il meccanismo d’azione durante l’estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Apparecchiature per l’estrazione a ultrasuoni

I processori Hielscher Ultrasonics sono sistemi di estrazione ad alte prestazioni, semplici e sicuri da utilizzare. In base alla materia prima, alla capacità di processo e all’obiettivo produttivo, Hielscher offre il sonicatore più adatto. La nostra gamma di prodotti comprende sonicatori portatili compatti e potenti, sistemi da banco e unità a ultrasuoni interamente industriali in grado di trattare diverse tonnellate all’ora.
Gli estrattori Hielscher Ultrasonics possono essere utilizzati per l’estrazione discontinua e continua in linea e possono essere impiegati con qualsiasi solvente.
Sono disponibili vari accessori, quali sonotrodi (sonde) di diverse dimensioni e forme, amplificatori meccanici di ampiezza, celle di flusso con diversi volumi e geometrie, sensori di temperatura e pressione collegabili e molti altri dispositivi, per assemblare la configurazione a ultrasuoni ideale per il processo di estrazione.
Tutti i nostri modelli digitali sono dotati di un software intelligente che consente di regolare, monitorare e impostare i parametri di estrazione. Grazie al controllo preciso dell’ampiezza, del tempo di sonicazione e dei cicli di lavoro, è possibile ottenere risultati di processo ottimali, quali rese superiori e la massima qualità degli estratti. La registrazione automatica dei dati del processo di sonicazione costituisce la base per la standardizzazione e la riproducibilità / ripetibilità del processo, richieste dalle buone pratiche di fabbricazione (GMP).

I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 con carichi di lavoro gravosi e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: