Ekstrakcja ultradźwiękowa i jej zasada działania

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką izolowania związków bioaktywnych z surowców roślinnych. Sonikacja zapewnia całkowitą ekstrakcję, dzięki czemu uzyskuje się wyższą wydajność ekstraktu w bardzo krótkim czasie ekstrakcji. Jako tak wydajna metoda ekstrakcji, ekstrakcja ultradźwiękowa pozwala oszczędzać koszty i czas, a jednocześnie uzyskiwać ekstrakty wysokiej jakości, stosowane w żywności, suplementach i produktach farmaceutycznych.

Ekstrakcja ultradźwiękowa

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest stosowana w przemyśle spożywczym, suplementów diety i farmaceutycznym do uwalniania z surowców roślinnych związków bioaktywnych, takich jak witaminy, polifenole, polisacharydy, kannabinoidy i inne związki fitochemiczne. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami opiera się na zasadzie działania kawitacji akustycznej lub ultradźwiękowej.

Jak działa kawitacja akustyczna?

Ekstrakcja ultradźwiękowa zachodzi, gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy i niskiej częstotliwości są sprzęgane z zawiesiną złożoną z materiału roślinnego w rozpuszczalniku. Fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzęgane z zawiesiną za pomocą procesora ultradźwiękowego wyposażonego w sondę. Fale ultradźwiękowe o dużej energii przemieszczają się przez ciecz, wytwarzając naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia, co prowadzi do zjawiska kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania/chłodzenia, różnic ciśnienia i dużych sił ścinających w ośrodku. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenia między cząstkami wywołują efekty takie jak złuszczanie powierzchni, erozja, rozpad cząstek, sonoporacja (perforacja ścian komórkowych i błon komórkowych) oraz rozbijanie komórek. Ponadto implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ośrodkach ciekłych powoduje makroturbulencje i mikromieszanie. Oddziaływanie ultradźwiękami stanowi skuteczny sposób intensyfikacji procesów transportu masy, ponieważ sonikacja wywołuje kawitację i związane z nią mechanizmy, takie jak ruchy w mikroskali powodowane przez strumienie cieczy, sprężanie i rozprężanie materiału z następującym po nich rozbijaniem ścian komórkowych, a także wysokie szybkości ogrzewania i chłodzenia.
Sonikatory wyposażone w sondę mogą generować bardzo wysokie amplitudy, co jest niezbędne do wywołania silnie oddziałującej kawitacji. Hielscher Ultrasonic produkuje wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe, które mogą z łatwością generować amplitudy 200µm podczas ciągłej pracy w trybie 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud Hielscher oferuje specjalne sonotrody (sondy) o wysokiej amplitudzie.
Reaktory ultradźwiękowe i komory przepływowe umożliwiające pracę pod ciśnieniem są stosowane do intensyfikacji kawitacji. Wraz ze wzrostem ciśnienia kawitacja i kawitacyjne siły ścinające stają się bardziej destrukcyjne, poprawiając tym samym efekty ekstrakcji ultradźwiękowej.

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających

Efekty ekstrakcji ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe rozbijanie komórek i zwiększenie transportu masy
Ultradźwięki mogą wspomagać procesy ekstrakcji zarówno poprzez rozbijanie komórek, jak i intensyfikację transportu masy w warstwie granicznej otaczającej stałą matrycę.
Sonoporacja, czyli perforacja ścian i błon komórkowych, zwiększa przepuszczalność ścian i błon komórkowych i często stanowi etap pośredni przed całkowitym rozbiciem komórek przez sonikację.
Mechaniczne efekty kawitacji wywołanej ultradźwiękami, takie jak różnice temperatury i ciśnienia, fale uderzeniowe, siły ścinające, strumienie cieczy i mikroprzepływy, intensyfikują przenikanie rozpuszczalnika do wnętrza komórki i poprawiają transport masy między komórką a rozpuszczalnikiem, tak że materiały międzykomórkowe są przenoszone do rozpuszczalnika.

Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopowy przekrój poprzeczny (TS) przedstawia mechanizm działania podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu et al. 2011]

Urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej

Procesory Hielscher Ultrasonics to wysokowydajne systemy ekstrakcyjne, które są proste i bezpieczne w obsłudze. W zależności od surowca, wydajności procesu i docelowego poziomu produkcji Hielscher oferuje najbardziej odpowiedni sonikator. Nasza oferta produktów obejmuje kompaktowe sonikatory ręczne o dużej mocy, systemy stołowe oraz w pełni przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe zdolne do przetwarzania kilku ton na godzinę.
Ekstraktory Hielscher Ultrasonics mogą być stosowane do ekstrakcji okresowej i ciągłej ekstrakcji w linii oraz mogą być używane w połączeniu z dowolnym rozpuszczalnikiem.
Dostępne są różne akcesoria, takie jak sonotrody (sondy) o różnych rozmiarach i kształtach, wzmacniacze amplitudy, komory przepływowe o różnych objętościach i geometriach, podłączane czujniki temperatury i ciśnienia oraz wiele innych elementów wyposażenia, umożliwiające zbudowanie idealnego układu ultradźwiękowego do danego procesu ekstrakcji.
Wszystkie nasze modele cyfrowe są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które umożliwia dostosowywanie, monitorowanie i ustawianie parametrów ekstrakcji. Dzięki precyzyjnej kontroli amplitudy, czasu sonikacji i cykli pracy można osiągnąć optymalne wyniki procesu, takie jak wyższa wydajność i najwyższa jakość ekstraktu. Automatyczne rejestrowanie danych procesu sonikacji stanowi podstawę standaryzacji procesu oraz odtwarzalności / powtarzalności, wymaganych przez Dobrą Praktykę Wytwarzania (GMP).

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy w trybie 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb. Solidna konstrukcja urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: