Ultrasone ohmse verwarming voor geïntensiveerde extractie van plantaardig materiaal

Ultrasone ohmse verwarming combineert door ultrageluid opgewekte cavitatie met snelle, uniforme ohmse verwarming om de extractie van bioactieve stoffen uit plantaardig materiaal te intensiveren. Vergeleken met conventionele methoden en methoden met één werkingsmechanisme levert dit aanzienlijk sneller meer fytochemicaliën op, terwijl het energieverbruik met maximaal 74% wordt verminderd. Deze synergie versnelt de massaoverdracht, minimaliseert het gebruik van oplosmiddelen en biedt een schonere, duurzamere extractieroute.

Extractie met ultrasone ohmse verwarming – Mild, maar zeer efficiënt

Extractie met ultrasone ohmse verwarming combineert uniforme volumetrische verwarming met mechanische homogenisatie door ultrageluid om fytochemicaliën onder relatief milde omstandigheden efficiënt vrij te maken. Anders dan conventionele ohmse verwarming, die plaatselijke warmtekanalen en thermische belasting kan veroorzaken, zorgt de toevoeging van ultrageluid voor cavitatie, microstromingen en het openbreken van celwanden, waardoor de geleidbaarheid wordt gehomogeniseerd en de warmte gelijkmatiger wordt verdeeld. Deze synergie maakt snelle extractie bij lagere effectieve thermische belastingen mogelijk, waarbij warmtegevoelige fytochemicaliën behouden blijven en de totale energiebehoefte afneemt. Daardoor biedt ultrasone ohmse verwarming een milde maar krachtige aanpak om hoogwaardige plantaardige extracten op een schonere en duurzamere manier te produceren.

Deze video illustreert de positieve invloed van directe ultrasone behandeling van de elektrode op de elektrische stroom. Hiervoor wordt een Hielscher ultrasone homogenisator UP100H (100 watt, 30kHz) met een elektrochemische uitbreiding en een titanium elektrode/sonotrode gebruikt. Elektrolyse van verdund zwavelzuur produceert waterstofgas en zuurstofgas. Ultrasone behandeling vermindert de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak en verbetert de massaoverdracht tijdens de elektrolyse.

Milde extractieomstandigheden voor ultrasone ohmse verwarming

Bij praktische toepassingen liggen de temperaturen voor extractie van voedingsmiddelen en plantaardig materiaal doorgaans tussen 40–70°C. Voor materialen die niet warmtegevoelig zijn, kunnen echter temperaturen boven 100°C worden bereikt.

Milde verwarming (40–70 °C): vaak gebruikt voor kwetsbare plantaardige matrices of thermolabiele stoffen, waarbij het doel is de extractie te versnellen zonder gevoelige fytochemicaliën af te breken.
Matige tot sterke verwarming (70–100 °C): gebruikelijk bij processen die gericht zijn op het sneller openbreken van celwanden en een verbeterde massaoverdracht, terwijl de temperatuur bij waterige systemen nog onder het kookpunt blijft.

Het probleem: warmtekanalen bij ohmse verwarming

Ohmse verwarming berust op de omzetting van elektrische energie in warmte wanneer stroom door een plantaardige matrix loopt. Biologische weefsels zijn echter van nature heterogeen: celwanden, luchtinsluitingen en vochtgradiënten veroorzaken allemaal verschillen in de plaatselijke geleidbaarheid. Doordat de stroom bij voorkeur door zones met een hogere geleidbaarheid loopt, ontstaan er “warmtekanalen”. Deze plaatselijke stroompaden leiden tot:

Ongelijkmatige verwarming, met oververhitte stroken naast onvoldoende behandelde gebieden.
Plaatselijke oververhitting, met het risico op thermische afbraak van gevoelige fytochemicaliën.
Een verminderde efficiëntie, doordat de extractie wordt beperkt door gebieden die onvoldoende verwarmd blijven.

Dit probleem is algemeen bekend in de literatuur over ohmse verwarming, waarin variaties in elektrische geleidbaarheid vaak de schaalbaarheid en reproduceerbaarheid beperken.

De oplossing: ultrasoon ondersteunde ohmse verwarming

Wanneer ultrageluid aan ohmse verwarming wordt gekoppeld, beperken verschillende ultrasone effecten de vorming van warmtekanalen:

Cavitatie en microstromingen: Ultrasone cavitatie genereert afschuifkrachten en microjets die voortdurend celstructuren openbreken en vloeistoffen mengen. Dit homogeniseert het medium en vlakt geleidbaarheidsgradiënten af die anders tot warmtekanalen zouden leiden.
Verbeterde elektroporatie: Ultrageluid verzwakt celwanden en membranen, waardoor de permeabiliteit toeneemt. Dit vermindert plaatselijke verschillen in soortelijke weerstand en zorgt voor een gelijkmatigere verdeling van de elektrische stroom.
Verbeterde warmteoverdracht: Akoestische stroming bevordert menging op microschaal, voert plaatselijke warmteophopingen af en verdeelt thermische energie gelijkmatiger.
Synergistische celontsluiting: Het gecombineerde mechanische openbreken (door ultrageluid) en de elektrische verwarming (door de ohmse behandeling) zorgen ervoor dat de cellen hun inhoud sneller vrijgeven, voordat langdurige verwarming tot afbraak kan leiden.

De voordelen van ultrasoon ondersteunde ohmse verwarming

In plaats van onregelmatige verwarming via kanalen levert ultrasoon ondersteunde ohmse verwarming een stabiel, uniform temperatuurprofiel in de gehele plantaardige matrix op. Dit resulteert in:

Hogere opbrengsten van intacte fytochemicaliën, bijvoorbeeld etherische oliën.
Kortere extractietijden, doordat barrières voor massaoverdracht gelijkmatiger worden afgebroken.
Een lagere totale energietoevoer, doordat de warmte efficiënter wordt gebruikt.

Kortom, ultrageluid gaat de fundamentele zwakte van ohmse verwarming – de gevoeligheid voor een ongelijkmatige warmteverdeling – tegen, waardoor deze verandert in een veel beter beheersbare, voorspelbare en schaalbare extractiemethode.

Met ultrageluid verbeterde ohmse verwarming – Wat onderzoek aantoont

Kumar et al. (2023) vergeleken conventionele hydrodestillatie met een Clevenger-apparaat (CHD), hydrodestillatie met ohmse verwarming (OHD), ultrasoon ondersteunde hydrodestillatie (UAHD) en ultrasoon ondersteunde hydrodestillatie met ohmse verwarming (UAOHD) op hun effectiviteit bij de extractie van etherische oliën. Er is aangetoond dat ultrasone hydrodestillatie met ohmse verwarming (UAOHD) de efficiëntie van de extractie van plantaardig materiaal aanzienlijk verbetert door de openbrekende effecten van ultrageluid te combineren met de snelle, uniforme volumetrische verwarming van de ohmse behandeling. Bij vergelijkende proeven met Indiase basilicum, citroengras en korianderbladeren leverde ultrasone destillatie met ohmse verwarming consequent hogere opbrengsten aan etherische olie op dan conventionele hydrodestillatie, uitsluitend ohmse verwarming of ultrasoon ondersteunde conventionele destillatie. De extractietijden werden met maximaal 86% verkort en het energieverbruik nam met ongeveer 74% af, ondanks een hoger momentaan vermogen. Deze verbeteringen ontstaan door synergistische mechanismen: door ultrageluid opgewekte cavitatie en microturbulentie breken de klieren met etherische olie open, terwijl ohmse verwarming de celontsluiting versnelt door elektroporatie en uniforme interne verwarming. Samen maken ze een snellere massaoverdracht, een schonere verwerking zonder oplosmiddelen en een aanzienlijk kleinere ecologische voetafdruk mogelijk, waardoor ultrasone hydrodestillatie met ohmse verwarming een duurzaam en schaalbaar alternatief voor de productie van etherische olie vormt.

Deze video illustreert de positieve invloed van directe ultrasone behandeling van de elektrode op de elektrische stroom in een elektrolyseopstelling met een H-cel. Hiervoor wordt een Hielscher UP100H (100 watt, 30kHz) ultrasone homogenisator met een uitbreiding voor elektrochemie en een titanium elektrode/sonotrode gebruikt. Elektrolyse van verdund zwavelzuur produceert waterstofgas en zuurstofgas. Ultrasone behandeling vermindert de dikte van de diffusielaag aan het elektrodeoppervlak en verbetert de massaoverdracht tijdens de elektrolyse. Ultrasone behandeling kan de productiesnelheid van waterstofgas in de elektrolysecel aanzienlijk verhogen.

Ultrasone elektroden voor verbeterde ohmse verwarming

De ultrasone elektroden van Hielscher bieden een duidelijk voordeel bij ohmse verwarming, doordat ze twee complementaire mechanismen in één opstelling integreren: toevoer van elektrische stroom en ultrasone agitatie. Terwijl de elektrode de wisselstroom toevoert die nodig is voor volumetrische jouleverwarming, genereert de gelijktijdige trilling op 20 kHz cavitatie, microstromingen en afschuifkrachten die plantaardige celwanden openbreken en het medium homogeniseren. Deze dubbele werking minimaliseert de vorming van warmtekanalen, zorgt voor een uniformere elektrische geleidbaarheid en levert daardoor een gelijkmatige verwarming van het gehele monster op. Tegelijkertijd versnelt het ultrasone extractie-effect de massaoverdracht en bevordert het de vrijgave van intracellulaire stoffen, waardoor opbrengst en kwaliteit verder toenemen. Bij commerciële toepassingen biedt het elektrodesysteem Hielscher UIP2000hdT (2000 W per elektrode) de robuustheid die nodig is voor continue industriële productie, terwijl kleinere opstellingen zoals de UP100H (100 W) en VialTweeter dienen als flexibele hulpmiddelen voor onderzoek op laboratoriumschaal en procesoptimalisatie.
Lees meer over de toepassingen van ultrasone elektroden van Hielscher voor geïntensiveerde ohmse verwarming in de voedingsmiddelenindustrie!

Waarom Hielscher Ultrasonics?

hoge efficiëntie
geavanceerde technologie
betrouwbaarheid & robuustheid
instelbare, nauwkeurige procesregeling
batch & inline
voor elk volume
intelligente software
slimme functies (bijv. programmeerbaarheid, gegevensregistratie, afstandsbediening)
eenvoudig en veilig te bedienen
onderhoudsarm
CIP (reiniging ter plaatse)

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators / ultrasone elektroden voor ohmse verwarming:

Batchvolume	Debiet	Aanbevolen apparaten
0,5 tot 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 tot 500mL	10 tot 200mL/min	UP100H
0,1 tot 20L	0,2 tot 4L/min	UIP2000hdT

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit uit Duitsland

De sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. De sonicators van Hielscher zijn moeiteloos bestand tegen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de sonicators van Hielscher CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Verwante onderwerpen

Literatuur / Referenties

Kumar, R., Chopra, S., Choudhary, A.K. et al. (2023): Cleaner production of essential oils from Indian basil, lemongrass and coriander leaves using ultrasonic and ohmic heating pre-treatment systems. Scientific Reports 13, 4434 (2023).
Kutlu, N., Isci, A., Sakiyan, O., & Yilmaz, A. E. (2021): Effect of ohmic heating on ultrasound extraction of phenolic compounds from cornelian cherry (Cornus mas). Journal of Food Processing and Preservation, 45, e15818.

Veelgestelde vragen

Zijn ohmse verwarming en jouleverwarming hetzelfde?

Niet helemaal. Jouleverwarming is het fundamentele natuurkundige verschijnsel: wanneer een elektrische stroom door een geleider loopt, wordt elektrische energie door de weerstand van het materiaal als warmte gedissipeerd. Ohmse verwarming is daarentegen de technologische toepassing van dat verschijnsel. Bij ohmse verwarming wordt bewust een wisselstroom door een voedingsmiddel, plantaardig materiaal of biologisch materiaal geleid, dat als weerstandsmedium fungeert, zodat de warmte gelijkmatig in het monster wordt opgewekt.
Kortom, alle ohmse verwarming berust op jouleverwarming, maar niet alle jouleverwarming is ohmse verwarming. Jouleverwarming is het principe; ohmse verwarming is het daarop gebaseerde proces.

Uit welke onderdelen bestaat een opstelling voor ohmse verwarming?

Een opstelling voor ohmse verwarming bestaat doorgaans uit een voeding die wisselstroom levert, een behandelingskamer waarin het monster zich bevindt en elektroden aan tegenoverliggende uiteinden van de kamer, zodat de stroom door het materiaal kan lopen. Het systeem wordt aangevuld met sensoren om spanning, stroom en temperatuur te bewaken, en met regeleenheden om de elektrische toevoer te regelen en een uniforme verwarming te waarborgen.

Wat is jouleverwarming?

Jouleverwarming, ook wel weerstandsverwarming genoemd, is het opwekken van thermische energie wanneer een elektrische stroom door een geleidend materiaal loopt, waarbij de geproduceerde warmte evenredig is met de weerstand van het materiaal en het kwadraat van de stroomsterkte.

Wat is het verschil tussen ohmse verwarming en jouleverwarming?

Ohmse verwarming is een specifieke toepassing van jouleverwarming waarbij wisselstroom rechtstreeks door een voedingsmiddel of biologische matrix wordt geleid, waardoor een uniforme volumetrische verwarming ontstaat door gebruik te maken van de elektrische geleidbaarheid van het materiaal; “jouleverwarming” is daarentegen het algemene natuurkundige verschijnsel, terwijl “ohmse verwarming” verwijst naar de technisch ontwikkelde procestechnologie.

Waar wordt ohmse verwarming toegepast?

Ohmse verwarming wordt toegepast bij voedselverwerking, extractie van plantaardig materiaal, pasteurisatie, sterilisatie en enzyminactivatie, en in de materiaalkunde voor processen die een snelle en uniforme verwarming vereisen zonder externe barrières voor warmteoverdracht.

Wat is een ohms plasma?

Een ohms plasma beschrijft een plasmatoestand waarin de elektrische stroom die erdoorheen loopt energie dissipeert door elektrische weerstand, waardoor de plasmadeeltjes door het joule-effect worden verwarmd; dit principe is belangrijk bij plasmaopsluiting en fusieonderzoek.

Wat zijn de voordelen van ohmse verwarming in de voedingsmiddelenindustrie?

In de voedingsmiddelenindustrie biedt ohmse verwarming aanzienlijke voordelen, waaronder snelle en uniforme verwarming, kleinere thermische gradiënten, kortere verwerkingstijden, beter behoud van voedingsstoffen en sensorische eigenschappen en een verbeterde energie-efficiëntie, waardoor het een veelbelovende thermische technologie voor “clean label”-producten is.