Ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen
Diepe eutektische oplosmiddelen (DES) en natuurlijke diepe eutektische oplosmiddelen (NADES) zijn krachtige, aanpasbare en milieuvriendelijke extractiemiddelen voor plantaardige stoffen, voedingsmiddelen, nutraceuticals, cosmetica en farmaceutische ingrediënten. Hielscher-sonicators met sonde intensiveren de DES-extractie door de massatransfer te versnellen, de structuren van plantencellen te verstoren en de penetratie van het oplosmiddel te verbeteren – zelfs bij het werken met viskeuze oplosmiddelsystemen zoals op glycerol gebaseerde NADES.
Of u nu in het laboratorium oplosmiddelformuleringen test, extractieparameters voor een specifieke fytochemische stof optimaliseert of opschaalt naar continue inline-productie: de ultrasone extractieapparaten van Hielscher bieden een reproduceerbare amplituderegeling, een robuuste 24/7-werking en een schaalbare verwerking van milliliters tot industriële doorstroomsnelheden.
Waarom producenten van extracten voor Hielscher kiezen voor DES-extractie
- Hogere extractie-efficiëntie voor polyfenolen, flavonoïden, cannabinoïden, terpenen, anthocyanen en andere bioactieve stoffen
- Snellere extractie in vergelijking met conventionele maceratie en extractie met oplosmiddelen in een roerwerkvat
- Geschikt voor DES, NADES, glycerine, water, ethanol en gemengde oplosmiddelsystemen
- Efficiënte verwerking van oplosmiddelen met een hoge viscositeit door middel van ultrasone behandeling met een sonde met hoge amplitude
- Batch-, recirculatie- en continue doorstroomopstellingen
- Nauwkeurige regeling van amplitude, energie-inbreng, temperatuur en procestijd
- Eenvoudige opschaling van haalbaarheidstests naar proefproductie en volledige industriële productie
Ultrasone extractie met (natuurlijke) diepe eutectische oplosmiddelen is een zeer efficiënte methode voor superieure botanische extracten. De afbeelding toont de ultrasone processor UP400St (400W). met een batch van 8 liter voor botanische extractie.
Waarom ultrasone behandeling de extractie van DES en NADES verbetert
Ultrasone sonde-extractie met diepe eutectische oplosmiddelen en natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen kan verschillende voordelen bieden voor de extractie van bioactieve verbindingen. Een van de belangrijkste voordelen is de verhoogde extractie-efficiëntie van fenolverbindingen en andere fytochemicaliën uit natuurlijke bronnen. Diepe eutectische oplosmiddelen staan bekend om hun hoge extractie-efficiëntie, die zelfs nog verbeterd kan worden met ultrasoon gestuurde extractie. Omdat ze niet giftig zijn, zijn ze een geweldige optie als oplosmiddel voor farmaceutische producten en voedingsmiddelen. Dit maakt ultrasone extractie met diepe eutectische oplosmiddelen tot een groene en duurzame methode voor het terugwinnen van bioactieve verbindingen. Van het synergetische gebruik van ultrasoon met diepe eutectische oplosmiddelen is wetenschappelijk bewezen dat het resulteert in een hogere opbrengst van verschillende bioactieve verbindingen. In het algemeen biedt ultrasone sonde-extractie met diepe eutectische oplosmiddelen en natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen een efficiëntere en milieuvriendelijkere aanpak voor de extractie van bioactieve verbindingen.
Plantaardige glycerine is een ideaal extractiemiddel vanwege zijn niet-toxische, niet-irriterende eigenschappen en zijn vermogen om de stabiliteit en potentie van gevoelige bioactieve verbindingen te behouden. Zowel pure glycerine als mengsels van glycerine en water zijn nuttige oplosmiddelen voor de productie van extracten voor supplementen en nutraceutica, smaakextracten, voedseladditieven en cosmetica.
Plantaardige glycerine is een ideaal extractiemiddel vanwege zijn niet-toxische, niet-irriterende eigenschappen en zijn vermogen om de stabiliteit en potentie van gevoelige bioactieve verbindingen te behouden. Zowel pure glycerine als mengsels van glycerine en water zijn nuttige oplosmiddelen voor de productie van extracten voor supplementen en nutraceutica, smaakextracten, voedseladditieven en cosmetica.
Ultrasone extractie van anthocyanen met DES
Anthocyanen zijn waardevolle natuurlijke kleurstoffen en antioxidanten die voorkomen in zwarte wortelen, bessen, druiven, paarse maïs en andere plantaardige materialen. Diepe eutectische oplosmiddelen zijn uitermate geschikt voor de extractie van anthocyanen, omdat hun netwerk van waterstofbruggen kan worden aangepast aan de eisen die deze kleurstoffen stellen op het gebied van polariteit en stabiliteit. In combinatie met ultrasone trillingen via een sonde wordt DES-extractie aanzienlijk efficiënter: ultrasone cavitatie verstoort de structuren van plantencellen, verbetert de penetratie van het oplosmiddel en versnelt het vrijkomen van anthocyanen in het extractiemedium. Een studie naar anthocyanen uit zwarte wortelen met behulp van de sonicator UP400St toont aan dat op cholinechloride gebaseerde DES, vooral in combinatie met ultrasone extractie, een duurzaam en effectief alternatief kan bieden voor conventionele extractie met aangezuurde ethanol of methanol. (cf. Türker et al., 2021)
Ultrasone extractie van polyfenolen met DES
Polyfenolen, waaronder flavonoïden, fenolzuren en aanverwante antioxidanten, vormen belangrijke doelmoleculen bij extractieprocessen in de botanische, voedingsmiddelen-, nutraceutische en cosmetische sector. Op glycerol gebaseerde diep-eutectische oplosmiddelen zijn bijzonder aantrekkelijk voor de terugwinning van polyfenolen, omdat hun polariteit en vermogen tot waterstofbrugvorming de oplosbaarheid van fenolverbindingen bevorderen. Ultrasone trillingen via een sonde intensiveren het proces verder door de massatransfer te vergroten, de extractietijd te verkorten en het contact tussen de DES en de plantmatrix te verbeteren.
In een onderzoek werd gebruikgemaakt van een DES op basis van glycerol en ammoniumacetaat, waarbij ultrasone extractie werd toegepast onder geoptimaliseerde omstandigheden, 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 chinaberry-vruchten mogelijk maakte, wat het potentieel aantoont van ultrasone extractie met DES als een groene extractiemethode voor industriële botanische verwerking. (cf. Jamshed et al., 2022)
- Zeer efficiënt
- snelle procedure
- Niet-giftig
- Precies af te stemmen op de specifieke botanische
- Milde verwerkingsomstandigheden
- Batch- en flowmodus
- Gemakkelijk en veilig
- Milieuvriendelijk / biologisch afbreekbaar
- Recycable
- Niet-ontvlambaar
- Goedkoop
- Gemakkelijk toegankelijk
Wat zijn diepe eutectische oplosmiddelen (DES)?
Diepe eutektische oplosmiddelen (DES’en) zijn mengsels van ten minste één waterstofbrugacceptor (HBA) en één waterstofbrugdonor (HBD), waaronder carbonzuren en andere hernieuwbare verbindingen. Volgens Cai et al. (2019), “De sterke waterstofbrug tussen HBA en HBD is de belangrijkste factor voor de vorming van DES’en.” [Cai e.a. 2019]
Als waterstofbrugdonoren worden vaak verbindingen zoals suikers, aminozuren, carbonzuren (bv. benzoëzuur, citroenzuur, barnsteenzuur) of aminen (bv. ureum, benzamide) gebruikt. Het chemische interactiepotentieel van waterstofbrugdonoren is de belangrijkste factor die bijdraagt aan de vorming en efficiëntie van diepe eutectische oplosmiddelen. Halidezouten zoals cholinechloride of zinkchloride kunnen ook worden gebruikt in combinatie met de waterstofbrugdonoren. Andere diepe eutectische oplosmiddelen op basis van cholinechloride worden gevormd met malonzuur, fenol of glycerine. Als gevolg van de sterke waterstofbruginteracties is het smeltpunt van diepe eutectische oplosmiddelen aanzienlijk lager dan dat van de afzonderlijke componenten. In tegenstelling tot conventionele oplosmiddelen (bijv. ethanol, methanol, hexaan, butaan enz.) zijn diep eutectische oplosmiddelen niet vluchtig, wat betekent dat ze een zeer lage dampdruk hebben en daardoor nauwelijks ontvlambaar zijn. De toxiciteit van diepe eutectische oplosmiddelen is laag, ze zijn goed biologisch afbreekbaar en de benodigde precursoren zijn goedkoop, gemakkelijk en in overvloed beschikbaar en hernieuwbaar.
Natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) zijn nog milieuvriendelijker omdat alle precursoren afkomstig zijn van natuurlijke bronnen. Diepe eutectische oplosmiddelen bieden ook een afstembare oplosbaarheid op basis van de chemie van het oplosmiddel en de soorten die worden gebruikt om diepe eutectische oplosmiddelen te maken. Sommige natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen hebben een hoge viscositeit en zijn daarom niet erg geschikt voor batch-extractie. Natuurlijke diep-eutectische oplosmiddelen met een hogere viscositeit kunnen echter met succes worden toegepast als oplosmiddel bij ultrasone doorstroomextractie.
De tabel hieronder toont enkele voorbeeldsamenstellingen van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) voor de extractie van fytochemicaliën:
| NADES Samenstelling | Molaire verhouding |
|---|---|
| Cholinechloride: Melkzuur | 1:2 |
| Cholinechloride:Citroenzuur:Water | 1:1:2 |
| Cholinechloride:Appelzuur:Water | 1:1:2 |
| Cholinechloride: Wijnsteenzuur | 1:2 |
| Cholinechloride: Glycerol | 1:2 |
| Cholinechloride:1,2-propaandiol | 1:3 |
| Cholinechloride: Sorbitol | 1:1 |
| Cholinechloride:Glucose:Water | 2:1:1 |
| Cholinechloride:Fructose:Water | 2:1:1 |
| Cholinechloride:Ureum | 1:2 |
Industriële sonicator UIP4000hdT met doorstroomcellen voor continue inline-extractie
Hoe werkt ultrasone extractie met diepe eutectische oplosmiddelen?
Ultrasone extractie is gebaseerd op de sonomechanische effecten van ultrageluid met een hoge intensiteit en lage frequentie. Om de extractie van botanische verbindingen (d.w.z. bioactieve stoffen) via ultrasone trillingen te bevorderen en te intensiveren, worden ultrageluidsgolven met een hoog vermogen via een ultrasone sonde (ook wel ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) gekoppeld aan het vloeibare medium, d.w.z. de slurry bestaande uit de botanische grondstof en het (natuurlijke) diepe eutectische oplosmiddel. De ultrasone golven verplaatsen zich door de vloeistof en creëren afwisselend lagedruk-/ hogedrukcycli. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes (zogenaamde cavitatiebelletjes) die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens die cycli van bellengroei dringen de opgeloste gassen in de vloeistof de vacuümbubbel binnen, zodat de vacuümbubbel verandert in groeiende gasbellen. Na een aantal cycli te zijn gegroeid, bereiken de vacuümbellen een bepaalde grootte waarop ze geen energie meer kunnen absorberen, zodat ze tijdens een hogedrukcyclus heftig imploderen. De imploderende bellen worden gekenmerkt door intense cavitatiekrachten, waaronder een zeer hoge temperatuur en druk die respectievelijk 4000 K en 1000 atm kunnen bereiken, evenals overeenkomstige hoge temperatuur- en drukverschillen. Deze ultrasoon gegenereerde turbulenties en schuifkrachten breken plantencellen en laten de intracellulaire bioactieve stoffen vrij in het (natuurlijke) diepe eutectische oplosmiddel. Ultrasone extractie opent de celstructuur van plantaardige stoffen en intensiveert de massaoverdracht tussen plantaardig materiaal en oplosmiddel. Sonificatie bevordert daardoor de werkzaamheid van natuurlijke diep eutectische oplosmiddelen. Ultrasone extractie met (natuurlijke) diep eutectische oplosmiddelen resulteert in uitzonderlijk hoge opbrengsten binnen een zeer korte verwerkingstijd.
Krachtige ultrasone golven verstoren de celstructuur van plantaardige stoffen, maken de bioactieve bestanddelen vrij en bevorderen de massaoverdracht tussen het plantaardige materiaal en het oplosmiddel (bijv. diepe eutectische oplosmiddelen).
De combinatie van ultrasone extractie met (natuurlijke) diep eutectische oplosmiddelen biedt u de mogelijkheid om het procesversterkende vermogen van ultrageluid te combineren met de opmerkelijke oplossende effecten en uitstekende ontwerpmogelijkheden van diep eutectische oplosmiddelen. Dankzij de superieure efficiëntie van ultrasone extractie, ultrasone apparaten worden ook met succes gebruikt voor waterextractie.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over de krachtige ultrasone extractietoepassing met diepe eutectische oplosmiddelen!
ultrasone extractor UIP2000hdT (2kW) voor de productie van botanische extracten
Ultrasone extractieapparaten voor laboratorium-, proef- en industriële DES-extractie
Ultrasone extractie is een betrouwbare verwerkingstechnologie die de productie van extracten van hoge kwaliteit uit verschillende botanische en andere oplosmiddelen vergemakkelijkt en versnelt. Ultrasone extractie is zeer compatibel met (natuurlijke) diep eutectische oplosmiddelen, die gunstig zijn vanwege hun uitstekende oplossend vermogen, geschiktheid voor het extract, duurzaamheid, biologische afbreekbaarheid en milieuvriendelijkheid. De combinatie van de procesintensivering van ultrageluid met de voordelen van (natuurlijke) diep eutectische oplosmiddelen geeft deze procestechnologie superioriteit op vele niveaus. Het portfolio van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot industriële extractiesystemen. Uiteraard zijn ze allemaal geschikt voor extractie met diepe eutectische oplosmiddelen.
Ons ervaren personeel helpt u vanaf haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasoon systeem op eindproductieniveau.
| Afzuigvolume | Aanbevolen ultrasone apparatuur |
|---|---|
| Methodologieontwikkeling, R&D, screening | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Partijen viskeuze DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Proefproductie | UIP1000hdT of UIP2000hdT (2000 W) |
| Continue industriële afzuiging | UIP4000hdT (4000 W), UIP6000hdT (6000 W), UIP16000hdT (16kW) of clusters |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Profiteer van ultrasone extractie en gebruik een Hielscher sonicator voor botanische extractie met ongeëvenaarde efficiëntie en duurzaamheid!
Profiteer van ultrasone extractie en gebruik een Hielscher sonicator voor botanische extractie met ongeëvenaarde efficiëntie en duurzaamheid!
Glycerine (glycerol) is in staat om de integriteit van bioactieve verbindingen te behouden, in combinatie met zijn niet-toxische en biologisch afbreekbare aard, waardoor het een aantrekkelijk oplosmiddel is voor de farmaceutische, cosmetische en voedingsmiddelenindustrie. In combinatie met de milde extractiecondities van ultrasone ultrasone glycerine, vertonen extracten van ultrasone glycerine een uitstekende kwaliteit en biologische beschikbaarheid. Het sonicatieproces zorgt voor de hoogste efficiëntie, wat resulteert in een hoge opbrengst, een kortere extractietijd en lage verwerkingskosten! Gebruik het oplosmiddel van uw keuze, behaal uitstekende extractieopbrengsten en superieure extractkwaliteit met Hielscher sonicators!
Veelgestelde vragen over ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen
Wat is ultrasone extractie met diepe eutectische oplosmiddelen?
Bij ultrasone extractie met diep-eutectische oplosmiddelen wordt ultrasone trillingen via een sonde gecombineerd met DES- of NADES-oplosmiddelsystemen. De ultrasone sonde brengt krachtige geluidsgolven in de suspensie van plantmateriaal en oplosmiddel. De hierdoor ontstane cavitatie breekt de celstructuren van de plant af, verbetert de penetratie van het oplosmiddel en versnelt de overgang van bioactieve stoffen naar het diep-eutectische oplosmiddel.
Waarom wordt er bij de extractie van DES en NADES gebruikgemaakt van echografie?
Ultrasoonbehandeling verbetert de extractie van DES en NADES door de massatransfer te vergroten, de extractietijd te verkorten en ervoor te zorgen dat het oplosmiddel de intracellulaire verbindingen effectiever bereikt. Dit is met name nuttig bij plantaardig materiaal, waarbij de doelverbindingen vastzitten in plantencellen, vezels of harsachtige structuren.
Welke verbindingen kunnen met behulp van ultrasone trillingen uit DES en NADES worden geëxtraheerd?
Ultrasone DES- en NADES-extractie kan worden toegepast voor tal van bioactieve stoffen, waaronder polyfenolen, flavonoïden, anthocyanen, terpenen, cannabinoïden, alkaloïden, antioxidanten, pigmenten, aromastoffen en andere fytochemicaliën. De samenstelling van het oplosmiddel moet worden gekozen op basis van de polariteit, stabiliteit en oplosbaarheid van de doelsubstantie.
Zijn diepe eutektische oplosmiddelen geschikt voor gebruik in de ultrasone extractieapparaten van Hielscher?
Ja. De sondesonificatoren van Hielscher zijn geschikt voor extractie met diepe eutectische oplosmiddelen, natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen, oplosmiddelsystemen op basis van glycerine, water, ethanol en vele andere extractiemedia. Voor viskeuze DES- of NADES-systemen is een krachtige sonde-sonicator bijzonder nuttig, omdat deze zorgt voor intensieve menging, cavitatie en massatransfer direct in de vloeistof.
Kan bij ultrasone DES-extractie gebruik worden gemaakt van oplosmiddelen met een hoge viscositeit?
Ja. Veel DES- en NADES-formuleringen hebben een hogere viscositeit dan conventionele oplosmiddelen. De ultrasone processors van Hielscher zijn uitermate geschikt voor viskeuze extractiemedia, omdat de sonotrode ultrasone trillingen met een hoge amplitude rechtstreeks in het mengsel van oplosmiddel en materiaal brengt. Voor grotere volumes of continue verwerking kunnen doorstroomreactoren de menging, de temperatuurregeling en de uniformiteit van het proces verbeteren.
Is ultrasone DES-extractie geschikt voor de productie van voedingsmiddelen, nutraceuticals en cosmetica?
Ja. DES en NADES worden vaak gekozen voor toepassingen waarbij een lage vluchtigheid, minder gevaren door oplosmiddelen en aanpasbare extractieprestaties van belang zijn. Afhankelijk van de gekozen oplosmiddelcomponenten en wettelijke voorschriften kan ultrasone DES-extractie worden toegepast voor voedingsingrediënten, nutraceutische extracten, actieve stoffen voor cosmetica, botanische concentraten en extracten van onderzoekskwaliteit.
Kan ultrasone extractie met DES op grotere schaal worden toegepast?
Ja. Ultrasone extractie is zeer schaalbaar omdat dezelfde procesparameters – zoals amplitude, energie-input, verblijftijd, temperatuur en de verhouding tussen vaste stof en vloeistof – kunnen worden overgedragen van laboratoriumproeven naar proef- en industriële productie. Hielscher levert ultrasone extractors voor kleine laboratoriummonsters, optimalisatie op tafelmodel, proefbatches en continue industriële doorstroom-extractie.
Moet ik voor DES-processen batch- of inline ultrasone extractie gebruiken?
Batch-extractie is vaak het meest geschikt voor laboratoriumtests, het screenen van formuleringen en kleine productievolumes. Voor proef- en industriële productie wordt meestal de voorkeur gegeven aan inline ultrasone extractie, omdat deze methode een gecontroleerde verblijftijd, betere reproduceerbaarheid, eenvoudigere koeling en een continue doorvoer biedt. De beste opstelling hangt af van de viscositeit, het plantmateriaal, de verhouding tussen oplosmiddelen, de doelverbinding en de productiecapaciteit.
Hoe kies ik de juiste ultrasone extractor voor DES-extractie?
De keuze van de juiste ultrasone extractor hangt af van uw monstervolume, batchgrootte, doorstroomsnelheid, viscositeit van het oplosmiddel, doelverbinding, extractietemperatuur en productiedoelstelling. Kleine laboratoriumunits zijn geschikt voor methodeontwikkeling, terwijl industriële ultrasone apparaten uit de UIP-serie worden gebruikt voor DES-extractie op proef- en productieschaal. Hielscher kan een configuratie aanbevelen op basis van uw grondstof, oplosmiddelsysteem en vereiste doorvoercapaciteit.
Welke procesparameters zijn van belang bij ultrasone DES-extractie?
Belangrijke parameters zijn onder meer de ultrasone amplitude, het energieverbruik, de extractietijd, de temperatuur, de samenstelling van DES of NADES, het watergehalte, de verhouding tussen vaste stof en vloeistof, de deeltjesgrootte, de viscositeit en het debiet. Deze parameters moeten voor elk plantaardig materiaal en elke doelverbinding worden geoptimaliseerd om een hoge opbrengst, een goede extractiekwaliteit en een reproduceerbaar productieproces te bereiken.
Literatuur / Referenties
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.