Omiskā karsēšana ar ultraskaņu augu izejvielu ekstrakcijas intensificēšanai

Omiskā karsēšana ar ultraskaņu apvieno ultraskaņas izraisītu kavitāciju ar ātru, vienmērīgu omisko karsēšanu, lai intensificētu bioaktīvo savienojumu ekstrakciju no augu izejvielām. Salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm un metodēm, kurās izmanto tikai vienu iedarbības veidu, tā ļauj iegūt vairāk fitoķīmisko savienojumu ievērojami īsākā laikā, vienlaikus samazinot enerģijas patēriņu līdz pat 74%. Šī sinerģija paātrina masas pārnesi, samazina šķīdinātāju izmantošanu līdz minimumam un piedāvā tīrāku, ilgtspējīgāku ekstrakcijas veidu.

Ekstrakcija ar ultraskaņu un omisko karsēšanu – saudzīga, taču ļoti efektīva

Ekstrakcija ar ultraskaņu un omisko karsēšanu apvieno vienmērīgu tilpuma karsēšanu ar mehānisku homogenizāciju, izmantojot ultraskaņu, lai panāktu efektīvu fitoķīmisko savienojumu izdalīšanos salīdzinoši saudzīgos apstākļos. Atšķirībā no tradicionālās omiskās karsēšanas, kas var radīt lokālus siltuma kanālus un termisko spriegumu, ultraskaņas pievienošana izraisa kavitāciju, mikroplūsmas un šūnu sieniņu pārraušanu, tādējādi izlīdzinot elektrovadītspēju un vienmērīgāk sadalot siltumu. Šī sinerģija nodrošina ātru ekstrakciju ar mazāku efektīvo termisko slodzi, saglabājot siltumjutīgos fitoķīmiskos savienojumus un vienlaikus samazinot kopējo enerģijas patēriņu. Tādējādi omiskā karsēšana ar ultraskaņu ir saudzīga, taču iedarbīga pieeja augstas kvalitātes augu ekstraktu iegūšanai tīrākā un ilgtspējīgākā veidā.

Saudzīgi ekstrakcijas apstākļi omiskajai karsēšanai ar ultraskaņu

Praktiskos lietojumos pārtikas un augu izejvielu ekstrakcijai temperatūra parasti ir 40–70°C robežās. Tomēr materiāliem, kas nav siltumjutīgi, var sasniegt temperatūru virs 100°C.

• Saudzīga karsēšana (40–70 °C): bieži tiek izmantota jutīgām augu matricām vai termolabiliem savienojumiem, ja mērķis ir paātrināt ekstrakciju, nenoārdot jutīgos fitoķīmiskos savienojumus.
• Mērena līdz intensīva karsēšana (70–100 °C): izplatīta procesos, kuru mērķis ir ātrāka šūnu sieniņu pārraušana un uzlabota masas pārnese, vienlaikus ūdens sistēmās saglabājot temperatūru zem viršanas temperatūras.

Problēma: siltuma kanāli omiskās karsēšanas laikā

Omiskās karsēšanas pamatā ir elektroenerģijas pārvēršana siltumā, strāvai plūstot caur augu matricu. Tomēr bioloģiskie audi pēc būtības ir neviendabīgi: šūnu sieniņas, gaisa kabatas un mitruma gradienti rada lokālas elektrovadītspējas atšķirības. Tā kā strāva galvenokārt plūst caur zonām ar augstāku elektrovadītspēju, veidojas “siltuma kanāli”. Šie lokālie strāvas plūsmas ceļi izraisa:

• Nevienmērīgu karsēšanu, kad pārkarsētas joslas atrodas līdzās nepietiekami apstrādātām zonām.
• Karstos punktus, kas rada jutīgo fitoķīmisko savienojumu termiskās noārdīšanās risku.
• Samazinātu efektivitāti, jo ekstrakciju ierobežo zonas, kas paliek nepietiekami uzkarsētas.

Šī problēma ir labi zināma literatūrā par omisko karsēšanu, kur elektrovadītspējas atšķirības bieži ierobežo mēroga palielināšanu un reproducējamību.

Risinājums: omiskā karsēšana ar ultraskaņas palīdzību

Ja omiskajā karsēšanā izmanto ultraskaņu, vairāki ultraskaņas iedarbības efekti mazina siltuma kanālu veidošanos:

• Kavitācija un mikroplūsmas: Ultraskaņas kavitācija rada bīdes spēkus un mikrostrūklas, kas nepārtraukti sagrauj šūnu struktūras un sajauc šķidrumus. Tas homogenizē vidi, izlīdzinot elektrovadītspējas gradientus, kas pretējā gadījumā izraisītu siltuma kanālu veidošanos.
• Uzlabota elektroporācija: Ultraskaņa pavājina šūnu sieniņas un membrānas, palielinot to caurlaidību. Tas samazina lokālās īpatnējās elektriskās pretestības atšķirības, nodrošinot vienmērīgāku elektriskās strāvas sadalījumu.
• Uzlabota siltuma pārnese: Akustiskā plūsma veicina sajaukšanos mikromērogā, izkliedējot lokālos karstos punktus un vienmērīgāk sadalot siltumenerģiju.
• Sinerģiska šūnu sagraušana: Mehāniskās pārraušanas (ultraskaņas iedarbībā) un elektriskās karsēšanas (omiskās apstrādes rezultātā) kombinācija nodrošina, ka šūnas izdala savu saturu ātrāk, pirms ilgstoša karsēšana var izraisīt noārdīšanos.

Omiskās karsēšanas ar ultraskaņas palīdzību priekšrocības

Ar ultraskaņu veicināta omiskā sildīšana neregulāras, kanālos koncentrētas sildīšanas vietā nodrošina stabilu, vienmērīgu temperatūras profilu visā augu materiāla matricā. Tas nodrošina:

1. Lielāku neskartu fitoķīmisko savienojumu, piemēram, ēterisko eļļu, iznākumu.
2. Īsāku ekstrakcijas laiku, jo masas pārneses barjeras tiek pārvarētas vienmērīgāk.
3. Mazāku kopējo enerģijas patēriņu, jo siltums tiek izmantots efektīvāk.

Īsumā, ultraskaņa novērš omiskās sildīšanas galveno trūkumu – tās tendenci radīt nevienmērīgu siltuma sadalījumu –, padarot to par daudz labāk kontrolējamu, paredzamāku ekstrakcijas metodi, kuras mērogu ir vieglāk palielināt.
 

Ar ultraskaņu uzlabota omiskā sildīšana – ko rāda pētījumi

Kumar et al. (2023) salīdzināja tradicionālās hidrodestilācijas ar Klevendžera aparātu (CHD), hidrodestilācijas ar omisko sildīšanu (OHD), ar ultraskaņu veicinātas hidrodestilācijas (UAHD) un ar ultraskaņu veicinātas hidrodestilācijas ar omisko sildīšanu (UAOHD) efektivitāti ēterisko eļļu ekstrakcijā. Ir pierādīts, ka hidrodestilācija ar ultraskaņu un omisko sildīšanu (UAOHD) ievērojami uzlabo augu materiālu ekstrakcijas efektivitāti, apvienojot ultraskaņas sagraujošo iedarbību ar ātru, vienmērīgu tilpuma sildīšanu, ko nodrošina omiskā apstrāde. Salīdzinošos izmēģinājumos ar Indijas bazilika, citronzāles un koriandra lapām destilācija ar ultraskaņu un omisko sildīšanu konsekventi nodrošināja lielāku ēterisko eļļu iznākumu nekā tradicionālā hidrodestilācija, tikai omiskā sildīšana vai ar ultraskaņu veicināta tradicionālā destilācija. Ekstrakcijas laiks tika samazināts līdz pat 86%, un enerģijas patēriņš samazinājās par aptuveni 74%, neraugoties uz lielāku momentāno jaudas patēriņu. Šos uzlabojumus nodrošina sinerģiski mehānismi: ultraskaņas izraisīta kavitācija un mikroturbulence pārrauj ēterisko eļļu dziedzerus, savukārt omiskā sildīšana paātrina šūnu sagraušanu ar elektroporāciju un vienmērīgu iekšējo sildīšanu. Kopā tie nodrošina ātrāku masas pārnesi, tīrāku apstrādi bez šķīdinātājiem un ievērojami mazāku ietekmi uz vidi, padarot hidrodestilāciju ar ultraskaņu un omisko sildīšanu par ilgtspējīgu alternatīvu ēterisko eļļu ražošanai, kuras mērogu var palielināt.

Ultraskaņas elektrodi uzlabotai omiskajai sildīšanai

Hielscher ultraskaņas elektrodi sniedz būtisku priekšrocību omiskajā sildīšanā, jo vienā iekārtā apvieno divus savstarpēji papildinošus mehānismus: elektriskās strāvas pievadīšanu un maisīšanu ar ultraskaņu. Kamēr elektrods pievada tilpuma Džoula sildīšanai nepieciešamo maiņstrāvu, tā vienlaicīgās svārstības ar 20 kHz frekvenci rada kavitāciju, mikroplūsmas un bīdes spēkus, kas sagrauj augu šūnu sieniņas un homogenizē vidi. Šī divējādā iedarbība samazina siltuma kanālu veidošanos, nodrošina vienmērīgāku elektrovadītspēju un tādējādi rada vienmērīgu sildīšanu visā paraugā. Vienlaikus ultraskaņas ekstrakcijas efekts paātrina masas pārnesi un veicina šūnu iekšienē esošo savienojumu izdalīšanos, vēl vairāk uzlabojot iznākumu un kvalitāti. Komerciālajā lietojumā Hielscher UIP2000hdT elektrodu sistēma (2000 W uz elektrodu) nodrošina nepārtrauktai rūpnieciskajai ražošanai nepieciešamo izturību, savukārt mazākas iekārtas, piemēram, UP100H (100 W) un VialTweeter, kalpo kā pielāgojami rīki laboratorijas mēroga pētījumiem un procesu optimizācijai.
Lasiet vairāk par Hielscher ultraskaņas elektrodu lietojumu intensificētai omiskajai sildīšanai pārtikas rūpniecībā!

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu omiskās sildīšanas ultraskaņas ierīču / ultraskaņas elektrodu aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir labi pazīstamas ar saviem visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.