Ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen

Diep-eutectische oplosmiddelen (DES) en natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen (NADES) zijn krachtige, afstembare en milieuvriendelijke extractiemedia voor plantaardige materialen, voedingsmiddelen, nutraceuticals, cosmetica en farmaceutische ingrediënten. Sonicatoren van Hielscher met een sonde intensiveren DES-extractie door de massaoverdracht te versnellen, plantencelstructuren te doorbreken en de penetratie van het oplosmiddel te verbeteren – zelfs bij het werken met viskeuze oplosmiddelsystemen zoals NADES op basis van glycerol.

Of u nu oplosmiddelformuleringen screent in het laboratorium, extractieparameters optimaliseert voor een specifieke fytochemische stof of opschaalt naar continue inlineproductie, ultrasone extractoren van Hielscher bieden reproduceerbare amplituderegeling, robuuste 24/7-werking en schaalbare verwerking van milliliters tot industriële debieten.

Waarom producenten van extracten voor Hielscher kiezen voor DES-extractie

• Hogere extractie-efficiëntie voor polyfenolen, flavonoïden, cannabinoïden, terpenen, anthocyanen en andere bioactieve verbindingen
• Snellere extractie dan conventionele maceratie en oplosmiddelextractie in een geroerde tank
• Compatibel met DES, NADES, glycerine, water, ethanol en gemengde oplosmiddelsystemen
• Effectieve verwerking van oplosmiddelen met een hoge viscositeit door sonicatie met een sonde bij hoge amplitude
• Opstellingen voor batchverwerking, recirculatie en continue doorstroomverwerking
• Nauwkeurige regeling van amplitude, energietoevoer, temperatuur en procestijd
• Eenvoudige opschaling van haalbaarheidstesten naar pilotproductie en volledige industriële productie

Waarom sonicatie DES- en NADES-extractie verbetert

Ultrasone extractie met een sonde en diep-eutectische oplosmiddelen of natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen kan verschillende voordelen bieden voor de extractie van bioactieve verbindingen. Een van de belangrijkste voordelen is de verhoogde extractie-efficiëntie voor fenolische verbindingen en andere fytochemische stoffen uit natuurlijke bronnen. Diep-eutectische oplosmiddelen staan bekend om hun hoge extractie-efficiëntie, die door ultrasoon ondersteunde extractie nog verder kan worden verhoogd. Door hun niet-toxiciteit zijn ze een uitstekende oplosmiddelkeuze voor farmaceutische producten en voedingsmiddelen. Dit maakt ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen tot een groene en duurzame methode voor het terugwinnen van bioactieve verbindingen. Het is wetenschappelijk aangetoond dat het synergetische gebruik van sonicatie met diep-eutectische oplosmiddelen tot hogere opbrengsten van verschillende bioactieve verbindingen leidt. Over het geheel genomen biedt ultrasone extractie met een sonde en diep-eutectische oplosmiddelen of natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen een efficiëntere en milieuvriendelijkere aanpak voor de extractie van bioactieve verbindingen.

Ultrasone extractie van anthocyanen met DES

Anthocyanen zijn waardevolle natuurlijke pigmenten en antioxidanten die voorkomen in zwarte wortelen, bessen, druiven, paarse maïs en andere plantaardige materialen. Diep-eutectische oplosmiddelen zijn zeer geschikt voor anthocyaanextractie, omdat hun netwerk van waterstofbruggen kan worden afgestemd op de vereisten voor polariteit en stabiliteit van deze kleurstoffen. In combinatie met sonicatie met een sonde wordt DES-extractie aanzienlijk efficiënter: ultrasone cavitatie doorbreekt plantencelstructuren, verbetert de penetratie van het oplosmiddel en versnelt het vrijkomen van anthocyanen in het extractiemedium. Een onderzoek naar anthocyanen uit zwarte wortelen met de sonicator UP400St toont aan dat DES op basis van cholinechloride, vooral in combinatie met ultrasoon ondersteunde extractie, een duurzaam en effectief alternatief kunnen bieden voor conventionele extractie met aangezuurde ethanol of methanol. (vgl. Türker et al., 2021)

Ultrasone extractie van polyfenolen met DES

Polyfenolen, waaronder flavonoïden, fenolzuren en verwante antioxidatieve verbindingen, zijn belangrijke doelmoleculen bij extractie uit plantaardige materialen en bij extractie voor voedingsmiddelen, nutraceuticals en cosmetica. Diep-eutectische oplosmiddelen op basis van glycerol zijn bijzonder aantrekkelijk voor de terugwinning van polyfenolen, omdat hun polariteit en hun vermogen om waterstofbruggen te vormen het in oplossing brengen van fenolische verbindingen ondersteunen. Ultrasoon geluid via een sonde intensiveert het proces verder door de massaoverdracht te verhogen, de extractietijd te verkorten en het contact tussen het DES en de plantenmatrix te verbeteren.
In een onderzoek werd een DES van glycerol en ammoniumacetaat gebruikt bij ultrasoon ondersteunde extractie met geoptimaliseerde parameters zoals temperatuur, DES-concentratie en ultrasone amplitude. Het resultaat toonde aan dat ultrasone DES-extractie een efficiënte terugwinning van totale fenolen, flavonoïden en antioxidantactiviteit uit vruchten van de Chinese kralenboom mogelijk maakte. Dit toont het potentieel aan van ultrasone extractie met DES als groene extractiemethode voor industriële verwerking van plantaardige materialen. (vgl. Jamshed et al., 2022)

Wat zijn diep-eutectische oplosmiddelen (DES)?

Diep-eutectische oplosmiddelen (DES’s) zijn mengsels van ten minste één waterstofbrugacceptor (HBA) en één waterstofbrugdonor (HBD), waaronder carbonzuren en andere hernieuwbare verbindingen. Volgens Cai et al. (2019) is “de sterke interactie door waterstofbrugvorming tussen HBA en HBD de belangrijkste factor voor de vorming van DES’s.” [Cai et al. 2019]
Als waterstofbrugdonoren worden vaak verbindingen zoals suikers, aminozuren, carbonzuren (bijv. benzoëzuur, citroenzuur, barnsteenzuur) of aminen (bijv. ureum, benzamide) gebruikt. Het vermogen van waterstofbrugdonoren om chemische interacties aan te gaan is de belangrijkste factor die bijdraagt aan de vorming en efficiëntie van diep-eutectische oplosmiddelen. Halogenidezouten zoals cholinechloride of zinkchloride kunnen ook in combinatie met de waterstofbrugdonoren worden gebruikt. Andere diep-eutectische oplosmiddelen op basis van cholinechloride worden gevormd met malonzuur, fenol of glycerine. Als gevolg van de sterke interacties door waterstofbrugvorming is het smeltpunt van diep-eutectische oplosmiddelen aanzienlijk lager dan dat van hun afzonderlijke componenten. In tegenstelling tot conventionele oplosmiddelen (bijv. ethanol, methanol, hexaan, butaan enz.) zijn diep-eutectische oplosmiddelen niet-vluchtig. Dit betekent dat ze een zeer lage dampdruk hebben en daardoor nauwelijks ontvlambaar zijn. De toxiciteit van diep-eutectische oplosmiddelen is laag, hun biologische afbreekbaarheid is hoog en de benodigde uitgangsstoffen zijn goedkoop, gemakkelijk en ruim verkrijgbaar en bovendien hernieuwbaar.
Natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen (NADES) zijn nog milieuvriendelijker, omdat alle uitgangsstoffen uit natuurlijke bronnen afkomstig zijn. Diep-eutectische oplosmiddelen bieden ook een afstembaar oplossend vermogen, gebaseerd op de chemie van de opgeloste stof en de stoffen die worden gebruikt om diep-eutectische oplosmiddelen te maken. Sommige natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen hebben een hoge viscositeit en zijn daarom niet erg geschikt voor batchextractie. Natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen met hogere viscositeiten kunnen echter met succes worden toegepast als oplosmiddelen bij ultrasone doorstroomextractie.

De onderstaande tabel toont enkele voorbeelden van samenstellingen van natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen (NADES) voor de extractie van fytochemische stoffen:

Hoe werkt ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen?

Ultrasone extractie is gebaseerd op de sonomechanische effecten van ultrasoon geluid met hoge intensiteit en lage frequentie. Om de extractie van plantaardige verbindingen (d.w.z. bioactieve stoffen) door sonicatie te bevorderen en te intensiveren, worden ultrasone golven met hoog vermogen via een ultrasone sonde (ook wel ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) in het vloeibare medium gekoppeld, d.w.z. de suspensie die uit de plantaardige grondstof en het (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddel bestaat. De ultrasone golven bewegen door de vloeistof en creëren afwisselende lagedruk- / hogedrukcycli. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbellen (zogeheten cavitatiebellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens deze cycli van bellengroei dringen de in de vloeistof opgeloste gassen de vacuümbel binnen, waardoor de vacuümbellen veranderen in groeiende gasbellen. Nadat de vacuümbellen gedurende meerdere cycli zijn gegroeid, bereiken ze een bepaalde grootte waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, zodat ze tijdens een hogedrukcyclus heftig imploderen. De implosie van de bellen wordt gekenmerkt door intense cavitatiekrachten, waaronder zeer hoge temperaturen en drukken die respectievelijk tot 4000K en 1000atm oplopen, evenals de bijbehorende grote temperatuur- en drukverschillen. Deze ultrasoon opgewekte turbulenties en afschuifkrachten breken plantencellen open en laten de intracellulaire bioactieve verbindingen vrijkomen in het (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddel. Ultrasone extractie opent de celstructuur van plantaardige materialen en intensiveert de massaoverdracht tussen plantenmateriaal en oplosmiddel. Sonicatie bevordert daarmee de doeltreffendheid van natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen. Ultrasone extractie met (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddelen resulteert in uitzonderlijk hoge opbrengsten binnen een zeer korte verwerkingstijd.

Ultrasone golven met hoog vermogen doorbreken de celstructuur van plantaardige materialen, laten de bioactieve verbindingen vrijkomen en bevorderen de massaoverdracht tussen het plantenmateriaal en het oplosmiddel (bijv. diep-eutectische oplosmiddelen).

De combinatie van ultrasone extractie met (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddelen biedt u de mogelijkheid om het procesintensiverende vermogen van ultrasoon geluid te combineren met de opmerkelijke effecten op het in oplossing brengen van stoffen en de uitstekende mogelijkheden om diep-eutectische oplosmiddelen naar wens te ontwerpen. Dankzij de superieure efficiëntie van ultrasone extractie worden sonicatoren ook met succes gebruikt voor extractie met water.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over de krachtige toepassing van ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen!

Ultrasone extractoren voor DES-extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal

Ultrasone extractie is een betrouwbare verwerkingstechnologie die de productie van hoogwaardige extracten uit diverse plantaardige materialen met elk oplosmiddel vergemakkelijkt en versnelt. Ultrasone extractie is zeer compatibel met (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddelen, die gunstig zijn vanwege hun uitstekende oplossende vermogen, hun afstembaarheid op het extract, hun duurzaamheid, hun biologische afbreekbaarheid en hun milieuvriendelijkheid. De combinatie van procesintensivering door ultrasoon geluid met hoog vermogen en de voordelen van (natuurlijke) diep-eutectische oplosmiddelen maakt deze procestechnologie op vele vlakken superieur. Het assortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van compacte laboratoriumsonicatoren tot industriële extractiesystemen. Ze zijn uiteraard allemaal geschikt voor extractie met diep-eutectische oplosmiddelen.
Onze medewerkers met jarenlange ervaring begeleiden u vanaf haalbaarheidstesten en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasone systeem op de uiteindelijke productieschaal.