Power-Ultrasound를 이용한 고효율 물 추출

식물 화합물의 물 추출 (예 : 냉수 또는 온수 추출, 가압수 추출 및 아 임계 수 추출)은 초음파에 의해 효율적으로 개선 될 수 있습니다. 초음파 보조 물 추출은 더 높은 수율을 제공하고 처리 시간을 단축할 뿐만 아니라 기존 추출 기술과 비교할 때 더 낮은 에너지 소비, 더 온화한 추출 조건 및 고품질 추출물을 제공합니다. 초음파 물 추출은 알칼로이드, 플라보노이드, 배당체, 페놀 화합물 및 다당류를 포함한 수많은 식물 유래 화합물의 추출에 성공적으로 사용됩니다.

생체 활성 화합물의 초음파 물 추출

물은 가장 극성이 강한 용매이므로 극성 화합물에 적합한 용매입니다. 무독성 및 환경 친화적 인 특성으로 인해 물은 모든 식물 추출물에 이상적인 용매가 될 것입니다. 그러나 비극성 및 비극성 성분은 물에 잘 용해되지 않거나 전혀 용해되지 않습니다. 또한 질량 전달 촉진이 없으면 물에서 추출하는 과정이 매우 느려져 비경제적입니다. 고강도, 저주파 초음파는 강렬한 혼합과 물질 전달을 제공하는 매우 효율적인 추출 기술입니다. 따라서 초음파 추출은 기존 추출 방법에 비해 상당한 이점을 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 장점에는 더 높은 수율, 빠른 처리, 빠르고 빠른 배치 회전율, 연속 인라인 추출, 녹색 용매 사용, 추출물 화합물을 보존하는 온화한 추출 조건, 작동 안전성, 상업 생산을 위한 대규모 처리량으로의 쉬운 확장성 등이 포함됩니다. (참조: Zabot et al., 2021)

초음파로 개선 된 온수 추출

물을 추출하는 동안 식물 추출을 결정하는 매개변수는 온도, 시간, 압력 및 식물 재료의 표면적입니다. 뜨거운 물 추출물은 물의 높은 온도로 인해 비교적 짧은 기간 동안 제조 할 수 있습니다.
해결책: 수율 및 추출 속도는 초음파 교반이 적용될 때 크게 향상될 수 있습니다. 뜨거운 물만으로는 세포 구조를 파괴하는 능력이 제한적이며 고온은 종종 열에 불안정한 화합물을 손상시키거나 파괴하여 추출물 품질을 저하시킵니다. 초음파 추출과 온수 추출을 결합하면 온도를 크게 낮출 수 있으며(예: 100°C에서 50°C로) 추출된 식물 성분의 열 분해를 방지하고 총 수율을 높이며 에너지를 절약할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 초음파 추출 현상의 원리입니다. 초음파(또는 음향) 캐비테이션은 세포벽을 파괴하고 대상 화합물을 방출하며 세포 내부와 물(용매) 사이의 질량 전달을 개선하는 순전히 기계적인 힘입니다. 따라서 초음파 물 추출은 우수한 추출 결과를 제공합니다.

초음파로 개선 된 냉수 추출

Cold water extraction (cold water infusion) is significantly more inefficient, since the use hot water is avoided. Cold or room temperature water doesn’t extract botanical compounds very well, since the cold water is soaked really slowly into the plant material and mass transfer is almost negligible. The advantage of cold water extraction lies in the avoidance of any temperature rise thereby preventing the thermal degradation of heat-sensitive compounds. However, the very poor extraction dynamics make conventional cold water extraction impracticable for commercial production. That’s why cold water infusion is almost exclusively used in experimental stage due to is slowness and inefficiency.
해결책: 냉수 추출에 초음파를 도입하면 냉수 담그는 속도와 비효율성을 쉽게 극복 할 수 있습니다. 초음파로 강화된 냉수 추출을 통해 냉간 추출 온도를 유지하면서 강한 전단력을 고체-액체 매체에 결합할 수 있습니다. 초음파 추출 메커니즘의 결과로 세포벽이 열리고 식물 화합물이 물로 빠르게 방출됩니다. 초음파 냉수 추출 및 주입은 냉수 침지를 매우 효과적인 공정으로 전환하여 짧은 추출 시간 내에 높은 수율, 고품질 추출물을 제공합니다.

초음파와 결합 된 가압수 추출

Ultrasonic extraction is characterized by micro-mixing, which through vibrations, promotes greater diffusion of the solvent into the particle and from the particle’s interior to the surface, intensifying the mass transfer. Additionally, ultrasonication reduces the particle size of the cellular material, which leads to improved effects of ultrasonically-assisted pressurized liquid extraction. Smaller particles of approx. 0.68 mm show higher yields than larger particles (approx. 1.05 mm) as a higher surface area allows for significantly increased mass transfer and thereby improved extraction yields. (cf. Zabot et al., 2021)

Power-Ultrasound를 이용한 효과적인 가압 냉수 추출

고압 하에서 식물 조직으로의 냉수 침투가 촉진되고 수용성 식물 화학 물질이 열 분해를 일으키지 않고 용해됩니다. 고압 냉수 추출 방법은 극성 및 비극성 식물 성분의 분리를 개선하기 위해 초음파와 결합할 수 있습니다. 무독성, 저렴하고 친환경적인 용매인 물은 특히 식물 유래 식품, 치료제 및 건강 보조 식품 생산과 관련하여 유기 용매에 대한 매력적인 대안입니다.
초음파 강화 가압 냉수 추출을 위해 초음파 프로브 (sonotrode)가 추출 탱크 또는 플로우 셀에 통합됩니다. 탱크 또는 플로우 셀은 일반적으로 대상 추출물 화합물에 따라 5에서 100barg 사이의 압력으로 가압됩니다. Hielscher 초음파는 최대 300barg까지 가압 할 수있는 맞춤형 산업용 초음파 반응기 및 플로우 셀을 공급하여 추출 공정의 최적 압력을 설정할 수 있습니다.
 

초음파 처리로 개선 된 초 임계 수 추출

초음파로 강화 된 아 임계 물 추출은 또 다른 시너지 기술로, 전력 초음파가 고체와 액체 사이의 물질 전달을 향상시킵니다. 아임계수 추출(SWE) – 가압 온수 추출 또는 과열수 추출이라고도 합니다. – 극성이 낮은 식물 화합물을 추출하기 위해 덜 일반적으로 사용되는 기술입니다. 아임계수 추출에서는 초임계 상태의 물이 용매로 사용됩니다.
What is subcritical water and why is subcritical water a good solvent for extraction of less-polar plant compounds? “Water possesses many thermodynamic properties greatly influenced by temperature and pressure. Depending on conditions, its physical state (solid, liquid, or gas), thermal behavior, density, or viscosity can be modified. By increasing temperature and pressure over a point known as critical point (defined at 221 bar and 374 °C), water can attain the supercritical state. At subcritical conditions, corresponding to temperatures between 100°C and critical temperature (374°C) and pressure between 1 bar and critical pressure (221 bar) in order to avoid vaporization, water polarity decreases; it makes water a better solvent for the extraction of various organic bioactive compounds.” (Li and Chemat, 2019)
초음파를 아 임계 수 추출과 결합하면 추출 수율을 높이고 추출 시간을 줄여 추출 효율을 향상시킬 수 있습니다. 최적의 결과를 얻으려면 폐쇄형 가압 배치 반응기 또는 플로우 셀 반응기의 압력이 물의 증기압보다 두 배 이상 높아야 합니다. (이 페이지의 끝에서 물의 증기압 표를 찾을 수 있습니다.)
Huang et al. (2010)은 저주파, 고출력 초음파와 아임계 물 추출의 추출 효과를 조사했습니다. 따라서 초음파 프로브는 아 임계 물 추출 장치의 주전자에 연결되어 Lithospermum erythrorhizon에서 휘발성 오일을 추출합니다. 그 결과 20KHz의 초음파 보조 향상 효과가 36KHz의 초음파 향상 효과보다 우수하고 출력 전력(0에서 250W)에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. 25분 추출 절차 동안 160°C의 온도와 5MPa의 압력에서 초음파 진동(250W, 20KHz)을 통해 아임계 물 추출 수율이 1.87%에서 2.39%로 증가했습니다. 초음파는 추출 수율뿐만 아니라 추출 속도를 향상시켜 시간을 절약 할 수 있습니다.
초음파를 이용한 아임계수 추출은 기존의 아임계수 추출(예: 10MPa)보다 낮은 압력(예: 5barg)에서 실행할 수 있어 에너지 비용이 절약되고 추출 절차가 더 안전합니다.

초음파 식물 추출의 장점

과학적 연구와 산업적 구현 모두 초음파 보조 추출이 기술적 배경이나 집중적인 교육이 필요하지 않은 신뢰할 수 있고 작동하기 쉬운 기술임을 보여줍니다. 매우 높은 추출 효율, 높은 수율, 낮은 운영 비용 및 낮은 투자 비용(특히 CO와 같은 다른 기술과 비교할 때₂ 추출기) 및 낮은 에너지 비용은 프로브 형 초음파 추출기의 주요 장점입니다.
초음파 추출 기술을 선호되는 방법으로 바꾸는 또 다른 이점은 낮은 추출 온도로 인한 고품질 추출물, 신뢰할 수 있는 결과(반복성/재현성), 모든 생산 수준에 대한 완전한 선형 확장성 및 낮은 유지 보수입니다.
„Other advantages linked with the use of ultrasonic probe-type extraction are easy handling of extract, rapid execution, no residues, high yield, eco-friendly, enhanced quality and prevention of extract degradation.”
(참조: Chemat and Khan, 2011)

식물 분리를 위한 추출 설정: 프로브 형 초음파 발생기 UP400ST, 식물 화학 물질 추출을 위한 Büchi 진공 필터 및 로터 증발기.

물 추출을위한 고성능 초음파기

Hielscher 초음파 추출기는 어떤 용매를 사용하든 식물 추출 분야에서 잘 확립되어 있습니다. 추출물 생산자 – 더 작고 독점적인 틈새 추출물 제조업체와 대규모 대량 생산자 모두 – find in Hielscher’ broad equipment portfolio the ideal ultrasonic extraction equipment for their production requirements. Batch as well as continuous inline process setups are readily available and can be shipped off the shelf. Suitable to work with any solvent, ultrasonic extraction can be flexibly applied for any plant material extraction. Using water as solvents allows to produce organic-certified extracts without the use of highly expensive “유기농” ethanol. (Of course, the plant material must be organically grown order to produce an organic water extract).

Hielscher 초음파를 사용한 고효율 추출

Hielscher 초음파 추출기는 식물 세포를 효율적으로 파괴하고, 용매 침투를 위해 식물 재료의 표면적을 늘리고, 식물 화학 물질 (2 차 대사 산물)의 방출을위한 물질 전달을 증가시킵니다. 사용자 친화성과 관련하여 설계된 Hielscher 추출기는 신속하게 설치되며 안전하고 직관적으로 작동 할 수 있습니다.

최고의 품질 기준 충족 – 계획적인 & 독일에서 제조

The sophisticated hardware and smart software of Hielscher ultrasonicators are designed to guarantee reliable ultrasonic extraction results from your botanical raw material with reproducible outcomes and user-friendly, safe operation. Robustness, reliability, 24/7 operation under full load and simple operation from the worker’s view are further quality factors, which make Hielscher ultrasonicators favourable.
Hielscher 초음파 추출기는 전 세계적으로 고품질 식물 화학 추출에 사용됩니다. 고품질 식물 화합물을 생산하는 것으로 입증 된 Hielscher 초음파 추출기는 특수 및 부티크 추출물의 소규모 제작자뿐만 아니라 주로 널리 상업적으로 사용 가능한 추출물, 영양 보충제 및 치료제의 산업 생산에 사용됩니다. 견고한 하드웨어와 스마트 소프트웨어로 인해 Hielscher 초음파 프로세서는 쉽게 작동하고 모니터링 할 수 있습니다.

자동 데이터 프로토콜링

식품, 영양 보충제 및 치료 제품의 생산 표준을 충족하려면 생산 공정을 자세히 모니터링하고 기록해야 합니다. Hielscher 초음파 디지털 초음파 장치는 자동 데이터 프로토콜링 기능을 갖추고 있습니다. 이 스마트 기능으로 인해 초음파 에너지 (총 및 순 에너지), 온도, 압력 및 시간과 같은 모든 중요한 프로세스 매개 변수는 장치를 켜는 즉시 내장 SD 카드에 자동으로 저장됩니다. 공정 모니터링 및 데이터 기록은 지속적인 공정 표준화 및 제품 품질에 중요합니다. 자동으로 기록 된 프로세스 데이터에 액세스하여 이전 초음파 처리 실행을 수정하고 결과를 평가할 수 있습니다.
또 다른 사용자 친화적 인 기능은 디지털 초음파 시스템의 브라우저 원격 제어입니다. 원격 브라우저 제어를 통해 어디서나 원격으로 초음파 프로세서를 시작, 중지, 조정 및 모니터링 할 수 있습니다.
식물 재료에서 초음파 물 추출의 장점에 대해 자세히 알고 싶으십니까? 식물 추출물 제조 공정에 대해 논의하려면 지금 저희에게 연락하십시오! 경험이 풍부한 직원이 초음파 추출, 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 공유하게되어 기쁩니다!

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

초음파 물 추출에 대한 기술 정보

침용, 주입, 침투, 달인, 환류 추출, 증기 증류, 승화 및 압착과 같은 기존의 추출 방법은 일반적으로 식물에서 의약 화합물을 추출하는 데 사용됩니다. 이러한 방법의 단점은 시간이 많이 걸리는 공정, 낮은 순도 및 낮은 효율성입니다.

초음파 추출에 영향을 미치는 공정 파라미터

초음파 보조 추출은 독특한 특징과 장점으로 알려져 있으며, 이는 초음파 처리를 식물 화합물의 기존 추출 방법과 비교할 때 우수한 추출 기술로 만듭니다. 초음파 보조 추출의 주요 장점은 초음파 처리 요인 (예 : 진폭, 시간, 온도, 압력)의 정밀한 적응성에 있으며, 이를 통해 초음파 공정을 대상 화합물에 최적으로 조정할 수 있습니다. 각 식물 재료에는 최상의 수율, 품질 및 추출 속도가 달성되는 이상적인 추출 매개변수가 있습니다. 초음파 추출 공정을 통해 이러한 최적의 추출 조건을 완벽하게 적응시킬 수 있습니다.

초음파 진폭

진폭은 초음파 프로브 (sonotrode)의 진동 변위입니다. 진폭이 높을수록 초음파 처리 된 액체의 진동과 캐비테이션이 더 강해집니다. Hielscher 초음파는 정밀하게 조정 가능한 진폭을 제공 할 수있는 고성능 프로브 형 초음파에서 구체화됩니다. 연중무휴(24/7) 연속 작동에서 최대 200μm를 제공할 수 있는 맞춤형 프로브는 기성품으로 쉽게 구입할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드도 쉽게 제조할 수 있습니다.
진폭은 1입니다 – 그렇지 않은 경우 가장 많은 – 효율적인 식물 추출을 위한 중요한 매개변수. 높은 진폭은 세포벽을 파괴하고 세포 내 물질을 방출하는 데 필요한 힘을 생성합니다. 따라서 고성능 초음파는 식물 추출에서 매우 효과적입니다.

초음파 치료의 시간? 기간

초음파 보조 추출은 일반적으로 기존 방법보다 훨씬 짧은데, 이는 초음파 처리가 식물 화합물을 훨씬 더 높은 추출 속도로 방출하기 때문입니다. 초음파는 추출 절차를 단축하여 추출 된 화합물을 과잉 처리로부터 보존합니다. 초음파로 인한 처리 시간이 짧다는 것은 더 높은 처리량과 더 높은 추출물 품질을 의미합니다.

펄스 초음파 처리

초음파 맥동은 초음파 치료가 정의 된 일시 중지주기에 의해 중단되는 치료 모드입니다 (예 : 50 % 듀티 사이클 : 30 초 ON, 30 초 OFF, 100 % 듀티 실린더 : 일시 중지없이 연속 초음파 처리) 초음파의 듀티 사이클 (펄스 모드 또는 초음파 맥동 사이클이라고도 함)은 한 펄스 기간 동안 초음파가 매체 (펄스 지속 시간)에 결합되는 시간의 백분율을 나타냅니다. 예를 들어, 50% 주기 모드는 30초 켜짐, 30초 꺼짐입니다. 듀티 사이클의 일시 중지 주기 동안 초음파 처리된 액체는 정의된 시간(예: 30초) 동안 방해받지 않은 상태로 되돌아가며, 이는 목표 처리 온도를 유지하기 위해 방열에 좋습니다. 초음파 처리의 듀티 사이클은 추출 효율에 대한 덜 중요한 듀티 사이클이지만 특정 공정 온도를 유지하는 데 사용됩니다.

액체정역학 압력

압력은 초음파 공정에서 또 다른 매우 중요한 매개 변수입니다. 초음파 처리 된 매체에 정수압을 가하면 캐비테이션의 강도에 영향을 미칩니다. 고압 조건에서 초음파(음향) 캐비테이션의 강도가 증가합니다. Hielscher 초음파는 다양한 유형의 초음파 배치 반응기 및 플로우 셀을 제공하며, 이는 강화 된 초음파 처리 결과를 위해 가압 할 수 있습니다.

추출 온도

모든 기계적 치료와 마찬가지로 초음파는 온도 상승을 일으키며, 이는 열역학 제 2 법칙에 따릅니다. 그럼에도 불구하고, 초음파 보조 치료는 순전히 기계적 힘 (초음파 역학적 힘이라고도 함)을 기반으로하기 때문에 초음파 처리는 비 열 처리 기술입니다. 초음파 추출 중 추출 온도는 선택한 특정 온도 범위 내에서 효율적으로 제어되고 유지 될 수 있습니다. 모든 Hielscher 디지털 초음파 프로세서에는 플러그형 온도 센서와 스마트 소프트웨어가 장착되어 있어 프로세스에 대해 특정 온도 범위를 설정할 수 있습니다. 이 온도 범위를 초과 할 때마다 초음파기는 온도가 다시 선택한 범위에있을 때까지 일시 중지하고 자동으로 초음파 처리 절차를 계속합니다. Hielscher 초음파기의이 스마트 기능은 정확하게 제어 가능한 초음파 처리 과정과 이상적인 결과를 제공합니다.
추출 온도는 식물 화합물 및 식물에 따라 다를 수 있기 때문에 온도는 중요한 요소이며 초음파 공정 최적화 중에 소홀히 해서는 안 됩니다. 예를 들어, 80°C는 고삼에서 플라보노이드의 최대 수율을 달성하는 데 이상적인 것으로 밝혀졌으며, 밀기울에서 아라비녹실란을 추출하기 위해 50°C에서 최상의 결과를 얻었습니다.

초음파 추출을 위해 모든 용매 사용

서로 다른 식물 화합물은 극성이 다르기 때문에 다양한 용매에 대한 용해도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 사포닌과 다당류는 극성이 더 높기 때문에 물에 대한 용해도가 우수합니다. 반면에 안토시아닌 및 클로로겐산과 같은 페놀 화합물은 매우 비극성이며 용해되므로 에탄올과 같은 극성이 낮은 용매가 더 좋습니다. 따라서 높은 추출 효율을 얻기 위해 표적 화합물의 용해도에 따라 용매를 선택해야 합니다. 예를 들어, 물은 버섯에서 실로시빈(psilocybin)과 같은 극성 화합물, 올리고당, 배당체 및 플라바노이드를 추출하는 데 좋은 용매입니다. 에탄올 농도가 60%(V/V)인 에탄올-물 혼합물은 예를 들어 아피제닌, 바이칼린 및 루테올린 화합물의 초음파 보조 추출에 적합합니다.
용매, 용매 극성 및 초음파 추출에 가장 적합한 용매에 대해 자세히 알아보십시오!

추출 용매로서의 물

물은 가장 극성이 높은 용매이며 광범위한 극성 화합물의 추출에 적합합니다. 주요 장점은 광범위한 물질을 용해할 수 있는 능력을 포함합니다. 또한 저렴하고 무독성이며 안전하고 불연성입니다. 단점은 높은 극성으로 인해 극성 화합물에 대한 강한 선택성을 포함합니다. 끓는점이 100°C로 높기 때문에 추출물의 농도(예: 증류 또는 회전 증발을 통해)에는 많은 양의 에너지가 필요합니다. 또한 물은 박테리아와 곰팡이가 번식하기 쉽습니다.

초음파 주파수

약 20kHz의 초음파 주파수는 식물 추출에 가장 강력하고 효율적인 것으로 확립되었습니다. 식물에서 의약 화합물을 추출할 때 초음파 보조 추출의 효율성에 영향을 미칩니다. 일반적으로 낮은 초음파 주파수(즉, 약 20kHz)는 더 강렬한 캐비테이션(초음파 역학적 효과)을 생성하여 추출 절차의 효율성을 높입니다.

식물 재료

Plant materials can vary heavily in structure and rigidity of their cells. Depending on the cell wall composition, which may contain cellulose, hemicelluloses, lignin, pectic polysaccharides, proteins, phenolic and non-cellulosic compounds, and water, cell walls can be either sturdy or soft. Different plant types and parts contain different types and amounts of these cell wall components. That’s why each type of plant requires specific processing parameters for optimum extraction outcomes.
강도를 정밀하게 조정할 수 있기 때문에 Hielscher 초음파 추출기는 부드럽고 단단한 세포벽을 안정적으로 파괴 할 수 있습니다. 부드러운 세포벽은 덜 강렬한 초음파가 필요할 수 있지만 견고한 세포 구조는 더 강렬한 치료가 필요합니다.
식물 추출을 위한 원료는 갓 수확(습식) 또는 건조할 수 있습니다. 초음파 추출은 신선? 습식 식물과 건조 식물 모두에 적합합니다. 식물 고형물의 입자 크기는 또 다른 중요한 요소입니다: 높은 표면적(즉, 작은 입자 크기)은 초음파 캐비테이션 전단력에 대한 넓은 접촉 면적을 제공하여 더 높은 효율성을 제공하기 때문에 유리합니다. 따라서 식물 재료는 침용되거나 작은 조각(약 3-5mm)으로 분쇄됩니다.

초음파 추출이 가장 좋은 방법 인 이유는 무엇입니까?

능률

• 더 높은 수율
• 신속한 추출 공정 – 몇 분 이내
• 고품질 추출물 – 온화한 비열 추출
• 녹색 용제(물, 에탄올, 글리세린, 식물성 기름, NADES 등)

단순

• 플러그 앤 플레이 – 몇 분 내에 설정 및 작동
• 높은 처리량 – 대규모 추출물 생산용
• 배치 단위 또는 연속 인라인 작업
• 간단한 설치 및 시동
• 휴대용? 이동식 – 휴대용 장치 또는 바퀴 달린 내장
• 선형 스케일 업 – 용량을 늘리기 위해 다른 초음파 시스템을 병렬로 추가
• 원격 모니터링 및 제어 – PC, 스마트폰 또는 태블릿을 통해
• 프로세스 감독이 필요하지 않음 – 설정 및 실행
• 고성능 – 연중무휴(24/7) 연속 생산을 위한 설계
• 견고성 및 낮은 유지 보수
• 고품질 – 독일에서 설계 및 제작
• 로트 사이의 빠른 적재 및 배출
• 청소하기 쉬움

안전

• 간단하고 안전한 실행
• 무용제 또는 무용제 추출(물, 에탄올, 식물성 기름, 글리세린 등)
• 높은 압력과 온도 없음
• ATEX 인증 방폭 시스템 사용 가능
• 간편한 제어(원격 제어를 통해서도 가능)

문헌? 참고문헌