Wysoce wydajna ekstrakcja wodna z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy

Ekstrakcję wodną związków roślinnych (np. ekstrakcję zimną lub gorącą wodą, ekstrakcję wodą pod ciśnieniem i ekstrakcję wodą podkrytyczną) można skutecznie usprawnić za pomocą sonikacji. Ekstrakcja wodna wspomagana ultradźwiękami nie tylko zapewnia wyższe uzyski i skraca czas przetwarzania, lecz także pozwala zmniejszyć zużycie energii, stosować łagodniejsze warunki ekstrakcji i uzyskiwać ekstrakty wysokiej jakości w porównaniu z konwencjonalnymi technikami ekstrakcji. Ultradźwiękowa ekstrakcja wodna jest z powodzeniem stosowana do ekstrakcji licznych związków pochodzenia roślinnego, w tym alkaloidów, flawonoidów, glikozydów, związków fenolowych i polisacharydów.

Ultradźwiękowa ekstrakcja wodna związków bioaktywnych

Woda jest najbardziej polarnym rozpuszczalnikiem, co czyni ją doskonałym rozpuszczalnikiem związków polarnych. Ze względu na nietoksyczność i przyjazność dla środowiska woda byłaby idealnym rozpuszczalnikiem do otrzymywania każdego ekstraktu roślinnego. Jednak składniki o mniejszej polarności i składniki niepolarne rozpuszczają się w wodzie słabo lub nie rozpuszczają się wcale. Ponadto bez wspomagania transportu masy proces ekstrakcji w wodzie byłby niezwykle powolny, a tym samym nieekonomiczny. Ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości stanowią bardzo wydajną technikę ekstrakcji, zapewniającą intensywne mieszanie i transport masy. Dlatego ekstrakcja ultradźwiękowa jest dobrze znana ze znaczących zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji. Zalety te obejmują wyższe uzyski, szybkie przetwarzanie, szybkie cykle przetwarzania partii oraz ciągłą ekstrakcję w linii, stosowanie ekologicznych rozpuszczalników, łagodne warunki ekstrakcji chroniące związki zawarte w ekstrakcie, bezpieczeństwo obsługi oraz łatwe skalowanie do dużej wydajności przetwarzania na potrzeby produkcji komercyjnej. (por. Zabot i in., 2021)

Ekstrakcja gorącą wodą usprawniona dzięki sonikacji

Parametrami decydującymi o ekstrakcji substancji roślinnych podczas ekstrakcji wodnej są temperatura, czas, ciśnienie i powierzchnia materiału roślinnego. Ekstrakt uzyskiwany gorącą wodą można przygotować w stosunkowo krótkim czasie dzięki wysokiej temperaturze wody.
Rozwiązanie: Uzysk i szybkość ekstrakcji można znacząco zwiększyć dzięki zastosowaniu mieszania ultradźwiękowego. Sama gorąca woda ma jedynie ograniczoną zdolność rozbijania struktur komórkowych, a wysokie temperatury często uszkadzają lub niszczą związki termolabilne, przez co pogarsza się jakość ekstraktu. Gdy ekstrakcję ultradźwiękową łączy się z ekstrakcją gorącą wodą, temperaturę można radykalnie obniżyć (np. ze 100°C do 50°C), co zapobiega degradacji termicznej ekstrahowanych składników roślinnych, zwiększa całkowity uzysk i pozwala oszczędzać energię. Kawitacja ultradźwiękowa stanowi podstawę zjawiska ekstrakcji ultradźwiękowej. Kawitacja ultradźwiękowa (lub akustyczna) wiąże się z działaniem sił czysto mechanicznych, które rozbijają ściany komórkowe, uwalniają związki docelowe i poprawiają transport masy między wnętrzem komórki a wodą (rozpuszczalnikiem). Dzięki temu ultradźwiękowa ekstrakcja wodna zapewnia doskonałe wyniki ekstrakcji.

Ekstrakcja zimną wodą usprawniona dzięki sonikacji

Ekstrakcja zimną wodą (maceracja w zimnej wodzie) jest znacznie mniej wydajna, ponieważ unika się stosowania gorącej wody. Woda zimna lub o temperaturze pokojowej nie ekstrahuje związków roślinnych zbyt dobrze, ponieważ zimna woda bardzo powoli wnika w materiał roślinny, a transport masy jest niemal pomijalny. Zaletą ekstrakcji zimną wodą jest unikanie jakiegokolwiek wzrostu temperatury, co zapobiega degradacji termicznej związków wrażliwych na ciepło. Jednak bardzo słaba dynamika ekstrakcji sprawia, że konwencjonalna ekstrakcja zimną wodą jest niepraktyczna w produkcji komercyjnej. Dlatego macerację w zimnej wodzie stosuje się niemal wyłącznie na etapie eksperymentalnym ze względu na jej powolny przebieg i niską wydajność.
Rozwiązanie: Wprowadzenie sonikacji do ekstrakcji zimną wodą pozwala łatwo przezwyciężyć powolny przebieg i niską wydajność moczenia w zimnej wodzie. Ekstrakcja zimną wodą intensyfikowana ultradźwiękami pozwala utrzymywać niską temperaturę ekstrakcji przy jednoczesnym wprowadzaniu intensywnych sił ścinających do ośrodka stało-ciekłego. W wyniku działania mechanizmu ekstrakcji ultradźwiękowej ściany komórkowe zostają otwarte, a związki roślinne są szybko uwalniane do wody. Ultradźwiękowa ekstrakcja i maceracja w zimnej wodzie przekształcają moczenie na zimno w wysoce skuteczny proces, zapewniający wysokie uzyski i ekstrakty wysokiej jakości w krótkim czasie ekstrakcji.

Ekstrakcja wodą pod ciśnieniem połączona z sonikacją

Ekstrakcja ultradźwiękowa charakteryzuje się mikromieszaniem, które poprzez drgania wspomaga dyfuzję rozpuszczalnika do wnętrza cząstki oraz z jej wnętrza na powierzchnię, intensyfikując transport masy. Ponadto sonikacja zmniejsza rozmiar cząstek materiału komórkowego, co poprawia efekty ekstrakcji cieczą pod ciśnieniem wspomaganej ultradźwiękami. Mniejsze cząstki, o rozmiarze ok. 0,68 mm, zapewniają wyższe uzyski niż większe cząstki (ok. 1,05 mm), ponieważ większa powierzchnia umożliwia znaczne zwiększenie transportu masy, a tym samym poprawę uzysku ekstrakcji. (por. Zabot i in., 2021)

Skuteczna ekstrakcja zimną wodą pod ciśnieniem z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy

Wysokie ciśnienie ułatwia wnikanie zimnej wody do tkanek roślinnych, a fitochemikalia rozpuszczalne w wodzie ulegają rozpuszczeniu bez rozkładu termicznego. Metodę ekstrakcji zimną wodą pod wysokim ciśnieniem można połączyć z ultradźwiękami, aby poprawić izolację polarnych i niepolarnych składników roślinnych. Woda jako nietoksyczny, tani i przyjazny dla środowiska rozpuszczalnik stanowi atrakcyjną alternatywę dla rozpuszczalnika organicznego, zwłaszcza w produkcji żywności, środków leczniczych i suplementów diety pochodzenia roślinnego.
W przypadku ekstrakcji zimną wodą pod ciśnieniem intensyfikowanej ultradźwiękami sonotroda jest zintegrowana ze zbiornikiem ekstrakcyjnym lub komorą przepływową. Zbiornik lub komora przepływowa zwykle pracują pod ciśnieniem od 5 do 100 barg, zależnie od docelowych związków ekstraktu. Hielscher Ultrasonics dostarcza nawet dostosowane do indywidualnych wymagań przemysłowe reaktory ultradźwiękowe i komory przepływowe, które mogą pracować pod ciśnieniem do 300barg, umożliwiając ustawienie optymalnego ciśnienia procesu ekstrakcji.
 

Ekstrakcja wodą nadkrytyczną usprawniona dzięki sonikacji

Ekstrakcja wodą podkrytyczną wspomagana ultradźwiękami to kolejna technika synergiczna, w której ultradźwięki dużej mocy poprawiają transport masy między fazą stałą a ciekłą. Ekstrakcja wodą podkrytyczną (SWE) – znana również jako ekstrakcja gorącą wodą pod ciśnieniem lub ekstrakcja wodą przegrzaną – jest rzadziej stosowaną techniką ekstrakcji związków roślinnych o mniejszej polarności. W ekstrakcji wodą podkrytyczną jako rozpuszczalnik stosuje się wodę w stanie nadkrytycznym.
Czym jest woda podkrytyczna i dlaczego jest dobrym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji mniej polarnych związków roślinnych? „Woda ma wiele właściwości termodynamicznych, na które temperatura i ciśnienie wywierają duży wpływ. W zależności od warunków można modyfikować jej stan skupienia (stały, ciekły lub gazowy), zachowanie termiczne, gęstość lub lepkość. W wyniku zwiększenia temperatury i ciśnienia powyżej punktu zwanego punktem krytycznym (określonego przy 221 bar i 374 °C) woda może osiągnąć stan nadkrytyczny. W warunkach podkrytycznych, odpowiadających temperaturom między 100°C a temperaturą krytyczną (374°C) oraz ciśnieniom między 1 bar a ciśnieniem krytycznym (221 bar), utrzymywanym w celu uniknięcia parowania, polarność wody maleje; sprawia to, że woda staje się lepszym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji różnych organicznych związków bioaktywnych”. (Li i Chemat, 2019)
Połączenie ultradźwięków z ekstrakcją wodą podkrytyczną może poprawić wydajność ekstrakcji poprzez zwiększenie uzysku ekstraktu i skrócenie czasu ekstrakcji. Aby uzyskać optymalne wyniki, ciśnienie w zamkniętym reaktorze okresowym pracującym pod ciśnieniem lub reaktorze z komorą przepływową powinno osiągać wartość co najmniej dwukrotnie wyższą od prężności pary wodnej. (Tabelę prężności pary wodnej można znaleźć na końcu tej strony.)
Huang i in. (2010) badali efekty ekstrakcji z wykorzystaniem ultradźwięków o niskiej częstotliwości i dużej mocy w połączeniu z ekstrakcją wodą podkrytyczną. W tym celu sonotroda jest wprowadzana do kotła urządzenia do ekstrakcji wodą podkrytyczną, aby ekstrahować olejek lotny z Lithospermum erythrorhizon. Wyniki wykazały, że efekt wspomagania ultradźwiękami przy 20 KHz był lepszy niż przy 36 KHz i zwiększał się wraz z mocą wyjściową (od 0 do 250 W). Uzysk ekstrakcji wodą podkrytyczną wzrósł z 1,87% do 2,39% dzięki drganiom ultradźwiękowym (250 W, 20 KHz) przy temperaturze 160°C i ciśnieniu 5 MPa podczas 25-minutowej procedury ekstrakcji. Sonikacja mogła poprawić nie tylko uzysk ekstrakcji, lecz także jej szybkość, pozwalając oszczędzić czas.
Ekstrakcję wodą podkrytyczną wspomaganą ultradźwiękami można prowadzić przy niższych ciśnieniach (np. 5barg) niż konwencjonalną ekstrakcję wodą podkrytyczną (np. 10MPa), co zmniejsza koszty energii i zwiększa bezpieczeństwo procedury ekstrakcji.

Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji substancji roślinnych

Zarówno badania naukowe, jak i wdrożenia przemysłowe wykazują, że ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest niezawodną i łatwą w obsłudze techniką, która nie wymaga przygotowania technicznego ani intensywnego szkolenia. Bardzo wysoka wydajność ekstrakcji, wysokie uzyski, niskie koszty eksploatacyjne, a także niskie koszty inwestycyjne (zwłaszcza w porównaniu z innymi technikami, takimi jak ekstraktory CO₂ ) i niskie koszty energii to główne zalety ekstraktorów ultradźwiękowych z sonotrodą.
Dalsze korzyści, które sprawiają, że technologia ekstrakcji ultradźwiękowej jest preferowaną metodą, to wysoka jakość ekstraktów dzięki niskim temperaturom ekstrakcji, wiarygodne wyniki (powtarzalność / odtwarzalność), całkowicie liniowe skalowanie do dowolnego poziomu produkcji oraz niewielkie wymagania konserwacyjne.
„Inne zalety związane z zastosowaniem ekstrakcji ultradźwiękowej z sonotrodą to łatwe postępowanie z ekstraktem, szybkie wykonanie, brak pozostałości, wysoki uzysk, przyjazność dla środowiska, lepsza jakość i zapobieganie degradacji ekstraktu”.
(por. Chemat i Khan, 2011)

Zestaw ekstrakcyjny do izolacji substancji roślinnych: Sonikator z sonotrodą UP400St, filtr próżniowy Büchi i wyparka rotacyjna do ekstrakcji fitochemikaliów.

Sonikatory o wysokiej wydajności do ekstrakcji wodnej

Ekstraktory Hielscher Ultrasonics mają ugruntowaną pozycję w dziedzinie ekstrakcji substancji roślinnych, niezależnie od stosowanego rozpuszczalnika. Producenci ekstraktów – zarówno mniejsi wytwórcy ekskluzywnych ekstraktów niszowych, jak i wielkoskalowi producenci masowi – znajdują w szerokiej ofercie urządzeń Hielscher idealny sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej, odpowiadający ich wymaganiom produkcyjnym. Układy do procesów okresowych oraz ciągłych procesów w linii są łatwo dostępne i mogą być wysyłane bezpośrednio z magazynu. Dzięki możliwości pracy z dowolnym rozpuszczalnikiem ekstrakcję ultradźwiękową można elastycznie stosować do ekstrakcji każdego materiału roślinnego. Stosowanie wody jako rozpuszczalnika umożliwia produkcję ekstraktów z certyfikatem ekologicznym bez użycia bardzo drogiego „ekologicznego” etanolu. (Oczywiście, aby wyprodukować ekologiczny ekstrakt wodny, materiał roślinny musi pochodzić z upraw ekologicznych).

Ekstrakcja o wysokiej wydajności z Hielscher Ultrasonics

Ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher skutecznie rozbijają komórki roślinne, zwiększają powierzchnię materiału roślinnego dostępną dla wnikania rozpuszczalnika oraz transport masy umożliwiający uwalnianie fitochemikaliów (metabolitów wtórnych). Zaprojektowane z myślą o łatwości użytkowania ekstraktory Hielscher można szybko zainstalować oraz bezpiecznie i intuicyjnie obsługiwać.

Spełnianie najwyższych standardów jakości – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Zaawansowane podzespoły i inteligentne oprogramowanie sonikatorów Hielscher zaprojektowano tak, aby gwarantowały niezawodne i odtwarzalne wyniki ekstrakcji ultradźwiękowej z surowca roślinnego oraz przyjazną dla użytkownika, bezpieczną obsługę. Solidność, niezawodność, praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i prosta obsługa z punktu widzenia operatora to kolejne czynniki jakościowe przemawiające za sonikatorami Hielscher.
Ekstraktory Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie do wysokiej jakości ekstrakcji fitochemikaliów. Ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher, o potwierdzonej zdolności uzyskiwania wysokiej jakości związków roślinnych, są używane nie tylko przez mniejszych rzemieślniczych producentów ekstraktów specjalistycznych i butikowych, lecz przede wszystkim w przemysłowej produkcji ekstraktów powszechnie dostępnych w handlu, suplementów diety i środków leczniczych. Dzięki solidnym podzespołom i inteligentnemu oprogramowaniu procesory ultradźwiękowe Hielscher można łatwo obsługiwać i monitorować.

Automatyczne rejestrowanie danych

Aby spełnić standardy produkcji żywności, suplementów diety i produktów leczniczych, procesy produkcyjne muszą być szczegółowo monitorowane i rejestrowane. Cyfrowe urządzenia ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mają funkcję automatycznego rejestrowania danych. Dzięki tej inteligentnej funkcji wszystkie ważne parametry procesu, takie jak energia ultradźwiękowa (energia całkowita i netto), temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD od momentu włączenia urządzenia. Monitorowanie procesu i rejestrowanie danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Dostęp do automatycznie rejestrowanych danych procesowych pozwala przeglądać wcześniejsze przebiegi sonikacji i oceniać ich wyniki.
Kolejną funkcją ułatwiającą użytkowanie jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia uruchamianie, zatrzymywanie, regulowanie i monitorowanie procesora ultradźwiękowego z dowolnego miejsca.
Chcesz dowiedzieć się więcej o zaletach ultradźwiękowej ekstrakcji wodnej materiałów roślinnych? Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój proces produkcji ekstraktów roślinnych! Nasz doświadczony personel chętnie udzieli dodatkowych informacji na temat ekstrakcji ultradźwiękowej, naszych systemów ultradźwiękowych i cen!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Informacje techniczne o ultradźwiękowej ekstrakcji wodnej

Konwencjonalne metody ekstrakcji, takie jak maceracja, sporządzanie naparów, perkolacja, sporządzanie odwarów, ekstrakcja pod chłodnicą zwrotną, destylacja z parą wodną, sublimacja i tłoczenie, są powszechnie stosowane do ekstrakcji związków leczniczych z roślin. Wadami tych metod są czasochłonność procesu, niska czystość i mała wydajność.

Parametry procesu wpływające na ekstrakcję ultradźwiękową

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest znana ze swoich wyjątkowych cech i zalet, które sprawiają, że sonikacja jest lepszą techniką ekstrakcji niż konwencjonalne metody ekstrakcji związków roślinnych. Główną zaletą ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami jest możliwość precyzyjnego dostosowania parametrów przetwarzania ultradźwiękowego (takich jak amplituda, czas, temperatura, ciśnienie), co pozwala optymalnie dopasować proces ultradźwiękowy do związku docelowego. Każdy materiał roślinny ma idealne parametry ekstrakcji, przy których osiąga się najlepszy uzysk, jakość i szybkość ekstrakcji. Proces ekstrakcji ultradźwiękowej umożliwia idealne dostosowanie tych optymalnych warunków ekstrakcji.

Amplituda ultradźwięków

Amplituda to przemieszczenie drganiowe sonotrody. Im wyższa amplituda, tym intensywniejsze drgania i kawitacja w cieczy poddawanej sonikacji. Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w sonikatorach z sonotrodą o wysokiej wydajności, które zapewniają precyzyjną regulację amplitudy. Dostosowane sonotrody, które mogą zapewniać amplitudy do 200µm podczas ciągłej pracy 24/7, są dostępne bezpośrednio z magazynu. Można również łatwo wyprodukować dostosowane sonotrody ultradźwiękowe zapewniające jeszcze wyższe amplitudy.
Amplituda jest jednym z najważniejszych parametrów wydajnej ekstrakcji roślinnej – jeśli nie najważniejszym. Wysokie amplitudy wytwarzają siły wymagane do rozbijania ścian komórkowych i uwalniania materiału wewnątrzkomórkowego. Dzięki temu sonikacja o wysokiej wydajności jest tak skuteczna w ekstrakcji substancji roślinnych.

Czas / czas trwania obróbki ultradźwiękowej

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest zwykle znacznie krótsza niż metody tradycyjne, ponieważ sonikacja uwalnia związki roślinne przy znacznie większej szybkości ekstrakcji. Sonikacja umożliwia skrócenie procedur ekstrakcji, co chroni ekstrahowane związki przed nadmiernym przetwarzaniem. Skrócenie przetwarzania dzięki ultradźwiękom oznacza większą wydajność przetwarzania i wyższą jakość ekstraktu.

Impulsowa obróbka ultradźwiękowa

Pulsacja ultradźwiękowa to tryb obróbki, w którym obróbka ultradźwiękowa jest przerywana przez określone cykle przerw (np. współczynnik wypełnienia 50%: 30 sek. WŁ., 30 sek. WYŁ.; współczynnik wypełnienia 100%: ciągła sonikacja bez przerw). Współczynnik wypełnienia ultradźwięków (znany również jako tryb impulsowy lub cykle pulsacji ultradźwiękowej) odnosi się do procentowego udziału czasu, w którym ultradźwięki są sprzęgane z ośrodkiem (czas trwania impulsu), w jednym okresie impulsowym. Na przykład tryb cykliczny 50% oznaczałby 30 sek. WŁ., 30 sek. WYŁ. Podczas przerwy w cyklu pracy ciecz poddawana sonikacji powraca na określony czas (np. 30 sek.) do stanu niezakłóconego, co sprzyja odprowadzaniu ciepła w celu utrzymania docelowej temperatury przetwarzania. Współczynnik wypełnienia sonikacji ma mniejsze znaczenie dla wydajności ekstrakcji, ale jest wykorzystywany do utrzymywania określonej temperatury procesu.

Ciśnienie hydrostatyczne

Ciśnienie jest kolejnym bardzo ważnym parametrem procesów ultradźwiękowych. Przyłożenie ciśnienia hydrostatycznego do ośrodka poddawanego sonikacji wpływa na intensywność kawitacji. W warunkach podwyższonego ciśnienia intensywność kawitacji ultradźwiękowej (akustycznej) wzrasta. Hielscher Ultrasonics oferuje różne typy ultradźwiękowych reaktorów okresowych i komór przepływowych, które mogą pracować pod ciśnieniem w celu intensyfikacji efektów sonikacji.

Temperatura ekstrakcji

Jak każda obróbka mechaniczna, sonikacja powoduje wzrost temperatury, co jest zgodne z 2. zasadą termodynamiki. Niemniej sonikacja jest nietermiczną techniką obróbki, ponieważ procesy wspomagane ultradźwiękami opierają się na siłach czysto mechanicznych (zwanych również siłami sonomechanicznymi). Temperaturę ekstrakcji podczas ekstrakcji ultradźwiękowej można skutecznie kontrolować i utrzymywać w określonym, wybranym zakresie. Wszystkie cyfrowe procesory ultradźwiękowe Hielscher są wyposażone w podłączany czujnik temperatury i inteligentne oprogramowanie, w którym można ustawić określony zakres temperatur dla procesu. Za każdym razem, gdy ten zakres temperatur zostaje przekroczony, sonikator wstrzymuje pracę do czasu, aż temperatura ponownie znajdzie się w wybranym zakresie, a następnie automatycznie kontynuuje procedurę sonikacji. Ta inteligentna funkcja sonikatorów Hielscher umożliwia precyzyjne kontrolowanie procesu sonikacji i uzyskiwanie idealnych wyników.
Ponieważ temperatura ekstrakcji może być różna dla poszczególnych związków roślinnych i roślin, jest ona ważnym czynnikiem, którego nie należy pomijać podczas optymalizacji procesu ultradźwiękowego. Na przykład stwierdzono, że temperatura 80°C jest idealna do osiągnięcia maksymalnego uzysku flawonoidów z Sophora flavescens, natomiast najlepsze wyniki ekstrakcji arabinoksylanu z otrębów pszennych uzyskano przy 50°C.

Stosuj dowolny rozpuszczalnik do ekstrakcji ultradźwiękowej

Różne związki roślinne mają różną polarność, co wpływa na ich rozpuszczalność w różnych rozpuszczalnikach. Na przykład saponiny i polisacharydy są bardziej polarne, dlatego dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ woda jest silnie polarna. Natomiast związki fenolowe, takie jak antocyjany i kwas chlorogenowy, są dość niepolarne i dlatego lepiej rozpuszczają się w mniej polarnym rozpuszczalniku, takim jak etanol. Aby uzyskać wysoką wydajność ekstrakcji, rozpuszczalnik należy zatem dobierać zgodnie z rozpuszczalnością związków docelowych. Na przykład woda jest dobrym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji związków polarnych, takich jak psylocybina z grzybów, a także oligosacharydów, glikozydów i flawonoidów; natomiast mieszanina etanolu i wody o stężeniu etanolu 60% (v/v) nadaje się do wspomaganej ultradźwiękami ekstrakcji np. apigeniny, bajkaliny i luteoliny.
Dowiedz się więcej o rozpuszczalnikach, ich polarności i rozpuszczalnikach najlepiej nadających się do ekstrakcji ultradźwiękowej!

Woda jako rozpuszczalnik ekstrakcyjny

Woda jest najbardziej polarnym rozpuszczalnikiem i nadaje się do ekstrakcji szerokiego zakresu związków polarnych. Do jej głównych zalet należy zdolność rozpuszczania szerokiego zakresu substancji. Ponadto jest tania, nietoksyczna, bezpieczna i niepalna. Do jej wad należy silna selektywność wobec związków polarnych wynikająca z jej wysokiej polarności. Ze względu na wysoką temperaturę wrzenia wynoszącą 100°C zagęszczanie ekstraktu (np. przez destylację lub odparowywanie w wyparce rotacyjnej) wymaga dużej ilości energii. Ponadto woda sprzyja rozwojowi bakterii i pleśni.

Częstotliwość ultradźwięków

Częstotliwość ultradźwięków około 20kHz uznano za zapewniającą największą moc oddziaływania i najwyższą wydajność ekstrakcji substancji roślinnych. Wpływa ona na wydajność ekstrakcji związków leczniczych z roślin wspomaganej ultradźwiękami. Ogólnie niska częstotliwość ultradźwięków (tj. ok. 20kHz) wytwarza intensywniejszą kawitację (efekty sonomechaniczne), co skutkuje wyższą skutecznością procedury ekstrakcji.

Materiał roślinny

Materiały roślinne mogą znacznie różnić się strukturą i sztywnością swoich komórek. W zależności od składu ściany komórkowej, która może zawierać celulozę, hemicelulozy, ligninę, polisacharydy pektynowe, białka, związki fenolowe i niecelulozowe oraz wodę, ściany komórkowe mogą być wytrzymałe lub miękkie. Różne rodzaje i części roślin zawierają różne rodzaje i ilości tych składników ścian komórkowych. Dlatego każdy rodzaj rośliny wymaga określonych parametrów przetwarzania, aby uzyskać optymalne wyniki ekstrakcji.
Ponieważ intensywność można precyzyjnie regulować, ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher mogą niezawodnie rozbijać miękkie i twarde ściany komórkowe. Miękkie ściany komórkowe mogą wymagać mniej intensywnej sonikacji, natomiast wytrzymałe struktury komórkowe korzystają z intensywniejszej obróbki.
Surowiec do ekstrakcji substancji roślinnych może być świeżo zebrany (wilgotny) lub wysuszony. Ekstrakcja ultradźwiękowa nadaje się zarówno do świeżych/wilgotnych, jak i suszonych roślin. Rozmiar cząstek stałego materiału roślinnego jest kolejnym ważnym czynnikiem: duża powierzchnia (tj. mały rozmiar cząstek) jest korzystna, ponieważ zapewnia dużą powierzchnię kontaktu dla sił ścinających powstających w wyniku kawitacji ultradźwiękowej, co skutkuje wyższą wydajnością. Dlatego materiał roślinny poddaje się maceracji lub rozdrabnia przez mielenie na małe kawałki (ok. 3–5mm).

Dlaczego ekstrakcja ultradźwiękowa jest najlepszą metodą?

Wydajność

• Wyższe uzyski
• Szybki proces ekstrakcji – w ciągu minut
• Ekstrakty wysokiej jakości – łagodna, nietermiczna ekstrakcja
• Ekologiczne rozpuszczalniki (woda, etanol, gliceryna, oleje roślinne, NADES itp.)

Prostota

• Plug-and-play – konfiguracja i rozpoczęcie pracy w ciągu minut
• Wysoka wydajność przetwarzania – do wielkoskalowej produkcji ekstraktów
• Praca okresowa lub ciągła w linii
• Prosta instalacja i uruchomienie
• Przenośne / mobilne – urządzenia przenośne lub wyposażone w koła
• Liniowe skalowanie – dodaj równolegle kolejny system ultradźwiękowy, aby zwiększyć wydajność
• Zdalne monitorowanie i sterowanie – za pomocą komputera, smartfona lub tabletu
• Brak konieczności nadzorowania procesu – skonfiguruj i uruchom
• Wysoka wydajność – zaprojektowane do ciągłej produkcji 24/7
• Solidność i niewielkie wymagania konserwacyjne
• Wysoka jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech
• Szybki załadunek i rozładunek między partiami
• Łatwe czyszczenie

Bezpieczeństwo

• Prosta i bezpieczna obsługa
• Ekstrakcja bez rozpuszczalnika lub z użyciem rozpuszczalnika (woda, etanol, oleje roślinne, gliceryna itp.)
• Bez wysokich ciśnień i temperatur
• Dostępne systemy przeciwwybuchowe z certyfikatem ATEX
• Łatwe sterowanie (również zdalne)

Literatura / źródła

• Ping-ping Huang, Ri-fu Yang, Tai-qiu Qiu, Wei Zhang & Chun-mei Li (2010): Ultrasound-Enhanced Subcritical Water Extraction of Volatile Oil from Lithospermum erythrorhizon. Separation Science and Technology, 45:10, 1433-1439.
• Zabot, G. L., Viganó, J., & Silva, E. K. (2021): Low-Frequency Ultrasound Coupled with High-Pressure Technologies: Impact of Hybridized Techniques on the Recovery of Phytochemical Compounds. Molecules, 26(17), 2021. 5117.
• Li, Ying; Chemat, Farid (2019): Plant Based „Green Chemistry 2.0”: Moving from Evolutionary to Revolutionary. Springer Science 2019.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk (2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.