Ultrasone extractie en het werkingsprincipe ervan

Ultrasone extractie is de voorkeurstechniek om bioactieve verbindingen uit plantaardig materiaal te isoleren. Sonicatie zorgt voor een volledige extractie, waardoor in een zeer korte extractietijd superieure extractopbrengsten worden verkregen. Dankzij de hoge efficiëntie van deze extractiemethode bespaart ultrasone extractie kosten en tijd en levert ze tegelijkertijd hoogwaardige extracten op die worden gebruikt voor voedingsmiddelen, supplementen en geneesmiddelen.

Ultrasone extractie

Ultrasone extractie wordt in de voedingsmiddelen-, voedingssupplementen- en farmaceutische industrie gebruikt om bioactieve verbindingen zoals vitaminen, polyfenolen, polysachariden, cannabinoïden en andere fytochemicaliën uit plantaardig materiaal vrij te maken. Ultrasoon ondersteunde extractie is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische of ultrasone cavitatie.

Hoe werkt akoestische cavitatie?

Ultrasone extractie vindt plaats wanneer krachtige ultrasone golven met een lage frequentie worden gekoppeld aan een slurry die bestaat uit plantaardig materiaal in een oplosmiddel. Krachtige ultrasone golven worden via een ultrasone processor met sonde aan de slurry gekoppeld. Ultrasone golven met een hoge energie verplaatsen zich door de vloeistof en creëren afwisselende hogedruk- / lagedrukcycli, wat resulteert in het verschijnsel akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie leidt plaatselijk tot extreme temperaturen, drukken, opwarmings-/afkoelingssnelheden, drukverschillen en hoge afschuifkrachten in het medium. Wanneer cavitatiebellen op het oppervlak van vaste stoffen (zoals deeltjes, plantencellen, weefsels enz.) imploderen, veroorzaken microstralen en botsingen tussen deeltjes effecten zoals het afpellen van oppervlakken, erosie, het uiteenvallen van deeltjes, sonoporatie (de perforatie van celwanden en celmembranen) en celontsluiting. Daarnaast veroorzaakt de implosie van cavitatiebellen in vloeibare media macroturbulentie en micromenging. Ultrasone bestraling is een efficiënte manier om massaoverdrachtsprocessen te verbeteren, aangezien sonicatie leidt tot cavitatie en de daarmee samenhangende mechanismen, zoals bewegingen op microschaal door vloeistofstralen, compressie en decompressie in het materiaal met daaropvolgende ontsluiting van celwanden, evenals hoge opwarmings- en afkoelingssnelheden.
Ultrasonicatoren met sonde kunnen zeer hoge amplitudes genereren, wat nodig is om krachtige cavitatie te genereren. Hielscher Ultrasonic produceert ultrasone extractoren met hoge prestaties die gemakkelijk amplitudes van 200µm kunnen genereren bij continu bedrijf, 24/7. Voor nog hogere amplitudes biedt Hielscher gespecificeerde sonotroden (sondes) voor hoge amplitudes aan.
Ultrasone reactoren en doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet, worden gebruikt om de cavitatie te intensiveren. Bij toenemende druk worden cavitatie en de afschuifkrachten door cavitatie destructiever en verbeteren ze daardoor de effecten van ultrasone extractie.

Ultrasone extractie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische afschuifkrachten

Effecten van ultrasone extractie

Ultrasone celontsluiting en verhoging van de massaoverdracht
Ultrasoon geluid kan extractieprocessen ondersteunen door zowel celontsluiting als verbetering van de massaoverdracht in de grenslaag rond de vaste matrix.
Sonoporatie, de perforatie van celwanden en membranen, verhoogt de doorlaatbaarheid van de celwanden en membranen en is vaak een tussenstap voordat cellen volledig worden ontsloten door sonicatie.
De mechanische effecten van door ultrasoon geluid opgewekte cavitatie, zoals warmte- en drukverschillen, schokgolven, afschuifkrachten, vloeistofstralen en microstroming, intensiveren het binnendringen van het oplosmiddel in het celinterieur en verbeteren de massaoverdracht tussen cel en oplosmiddel, zodat de intercellulaire materialen naar het oplosmiddel worden overgebracht.

Ultrasone extractie uit plantencellen: de microscopische dwarsdoorsnede (TS) toont het werkingsmechanisme tijdens ultrasone extractie uit cellen (vergroting 2000x) [bron: Vilkhu et al. 2011]

Apparatuur voor ultrasone extractie

De processors van Hielscher Ultrasonics zijn extractiesystemen met hoge prestaties die eenvoudig en veilig te bedienen zijn. Afhankelijk van uw grondstof, procescapaciteit en beoogde productie biedt Hielscher u de meest geschikte ultrasonicator. Ons productportfolio varieert van compacte, krachtige in de hand te houden ultrasonicatoren via tafelmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen die meerdere tonnen per uur kunnen verwerken.
De extractoren van Hielscher Ultrasonics kunnen worden gebruikt voor batchextractie en continue inline-extractie en kunnen met elk oplosmiddel worden gecombineerd.
Er zijn verschillende accessoires beschikbaar, zoals sonotroden (sondes) in uiteenlopende maten en vormen, amplitude-versterkende hoorns, doorstroomcellen met verschillende volumes en geometrieën, aansluitbare temperatuur- en druksensoren en vele andere hulpmiddelen, om de ideale ultrasone opstelling voor uw extractieproces samen te stellen.
Al onze digitale modellen zijn uitgerust met intelligente software waarmee u extractieparameters kunt aanpassen, bewaken en instellen. Dankzij de nauwkeurige regeling van amplitude, sonicatietijd en inschakelduur kunnen optimale procesresultaten worden bereikt, zoals een superieure opbrengst en de hoogste extractkwaliteit. De automatische gegevensregistratie van het sonicatieproces vormt de basis voor processtandaardisatie en reproduceerbaarheid / herhaalbaarheid, die vereist zijn voor goede productiepraktijken (GMP).

De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij bedrijf, 24/7. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt bedrijf, 24/7, bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicatoren: