초음파 추출과 그 작동 원리
초음파 추출은 식물 원료에서 생리활성 화합물을 분리하는 데 선호되는 기법입니다. 초음파 처리는 완전한 추출을 달성하므로 매우 짧은 추출 시간에 우수한 추출 수율을 얻을 수 있습니다. 이처럼 효율적인 추출 방법인 초음파 추출은 비용과 시간을 절약하면서 식품, 보충제 및 의약품에 사용되는 고품질 추출물을 생산합니다.
초음파 추출
초음파 추출은 식품, 영양 보충제 및 제약 산업에서 식물 원료로부터 비타민, 폴리페놀, 다당류, 칸나비노이드 및 기타 식물성 화학물질과 같은 생리활성 화합물을 방출시키는 데 사용됩니다. 초음파 보조 추출은 음향 또는 초음파 캐비테이션의 작동 원리를 기반으로 합니다.
- 높은 수율
- 우수한 품질
- 전체 스펙트럼 추출물
- 신속한 공정
- 모든 용매와 호환
- 쉽고 안전한 작동
- 선형 확장성
- 친환경적
- 빠른 투자 회수
초음파 프로브 UP400St는 팅크제 및 식물 침출액 생산을 위한 식물성 화합물 추출에 사용됩니다.
음향 캐비테이션은 어떻게 작동하나요?
초음파 추출은 용매 속 식물 원료로 구성된 슬러리에 고출력 저주파 초음파가 전달될 때 이루어집니다. 고출력 초음파는 프로브형 초음파 처리기를 통해 슬러리에 전달됩니다. 고에너지 초음파는 액체를 통과하면서 고압 / 저압 주기를 교대로 형성하며, 이로 인해 음향 캐비테이션 현상이 발생합니다. 음향 또는 초음파 캐비테이션은 매질 내에서 국소적으로 극단적인 온도, 압력, 가열/냉각 속도, 압력 차 및 높은 전단력을 발생시킵니다. 캐비테이션 기포가 고체 표면(입자, 식물 세포, 조직 등)에서 내파하면 미세 제트와 입자 간 충돌이 표면 박리, 침식, 입자 파쇄, 초음파 천공(세포벽 및 세포막에 구멍을 내는 현상), 세포 파쇄와 같은 효과를 일으킵니다. 또한 액체 매질에서 캐비테이션 기포의 내파는 거시적 난류와 미세 혼합을 일으킵니다. 초음파 처리는 캐비테이션과 그에 관련된 기작, 즉 액체 제트에 의한 미세 운동, 물질 내부의 압축 및 감압과 이에 뒤따르는 세포벽 파괴, 높은 가열 및 냉각 속도를 유발하므로, 초음파 조사는 물질 전달 공정을 강화하는 효율적인 방법입니다.
프로브형 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 생성할 수 있으며, 이는 강력한 캐비테이션을 발생시키는 데 필요합니다. Hielscher Ultrasonic은 24/7 연속 운전에서 200µm의 진폭을 쉽게 생성할 수 있는 고성능 초음파 추출기를 제조합니다. 더 높은 진폭을 위해 Hielscher는 특수 고진폭 소노트로드(프로브)를 제공합니다.
캐비테이션을 강화하기 위해 가압 가능한 초음파 반응기와 플로우 셀이 사용됩니다. 압력이 증가하면 캐비테이션과 캐비테이션 전단력의 파괴 작용이 더욱 강해져 초음파 추출 효과가 향상됩니다.
초음파 추출은 음향 캐비테이션과 그 유체역학적 전단력을 기반으로 합니다
초음파 추출의 효과
초음파 세포 파쇄 및 물질 전달 증대
초음파는 세포 파쇄와 고체 매트릭스를 둘러싼 경계층에서의 물질 전달 강화를 통해 추출 공정을 보조할 수 있습니다.
세포벽과 세포막에 구멍을 내는 초음파 천공은 세포벽과 세포막의 투과성을 높이며, 초음파 처리로 세포가 완전히 파쇄되기 전의 중간 단계인 경우가 많습니다.
열 및 압력 차, 충격파, 전단력, 액체 제트, 미세 유동과 같은 초음파 유도 캐비테이션의 기계적 효과는 용매가 세포 내부로 침투하는 것을 강화하고 세포와 용매 사이의 물질 전달을 개선하여 세포 사이의 물질이 용매로 전달되도록 합니다.
식물 세포에서의 초음파 추출: 현미경 횡단면(TS)은 세포에서 초음파로 추출하는 동안의 작용 기작을 보여줍니다(배율 2000x) [출처: Vilkhu et al. 2011]
초음파 균질기 UIP2000hdT (2kW), 연속 교반식 배치 반응기 장착
초음파 추출 장비
Hielscher Ultrasonics 처리기는 작동이 간단하고 안전한 고성능 추출 시스템입니다. Hielscher는 원료, 공정 처리 용량 및 생산 목표에 따라 가장 적합한 초음파 처리기를 제공합니다. 당사의 제품군은 작고 강력한 휴대형 초음파 처리기부터 탁상형 시스템, 시간당 수 톤을 처리할 수 있는 완전한 산업용 초음파 장치에 이르기까지 다양합니다.
Hielscher Ultrasonics 추출기는 배치 및 연속 인라인 추출에 사용할 수 있으며 모든 용매와 조합하여 사용할 수 있습니다.
다양한 크기와 모양의 소노트로드(프로브), 부스터 혼, 다양한 용적과 형상의 플로우 셀, 연결형 온도 및 압력 센서와 기타 여러 부속 장치를 이용하여 추출 공정에 이상적인 초음파 시스템을 구성할 수 있습니다.
당사의 모든 디지털 모델에는 추출 매개변수를 조정, 모니터링 및 설정할 수 있는 지능형 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 진폭, 초음파 처리 시간 및 듀티 사이클을 정밀하게 제어하여 우수한 수율과 최고 품질의 추출물 같은 최적의 공정 결과를 얻을 수 있습니다. 초음파 처리 공정의 자동 데이터 기록은 우수 제조 관리 기준(GMP)에서 요구하는 공정 표준화와 재현성 / 반복성의 기반이 됩니다.
Hielscher Ultrasonics 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전을 쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 이용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비는 견고하여 고부하 및 까다로운 환경에서 24/7 운전이 가능합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 용적 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 큰 유량 | 클러스터로 구성된 UIP16000 |
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문헌 / 참고문헌
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
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- Ayyildiz, Sena Saklar; Karadeniz, Bulent; Sagcanb, Nihan; Bahara, Banu; Us, Ahmet Abdullah; Alasalvar, Cesarettin (2018): Optimizing the extraction parameters of epigallocatechin gallate using conventional hot water and ultrasound assisted methods from green tea. Food and Bioproducts Processing 111 (2018). 37–44.
알아두면 좋은 정보
식물 추출물
식물 추출물은 허브, 꽃, 잎, 줄기, 뿌리 및 기타 식물 부위와 같은 식물 원료에서 분리한 생리활성 화합물입니다. 비타민, 항산화제, 폴리페놀, 다당류, 칸나비노이드 및 기타 식물 분자와 같은 생리활성 화합물은 기능성 식품 첨가물, 기능성 영양 제품, 기능성 화장품, 의약품 및 천연 색소로 사용됩니다.