Ekstrakcja ultradźwiękowa i jej zasada działania

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką izolacji związków bioaktywnych z roślin. Sonikacja zapewnia całkowitą ekstrakcję, a tym samym najwyższą wydajność ekstraktu w bardzo krótkim czasie ekstrakcji. Będąc tak skuteczną metodą ekstrakcji, ekstrakcja ultradźwiękowa jest oszczędna pod względem kosztów i czasu, a jednocześnie skutkuje wysokiej jakości ekstraktami, które są stosowane w żywności, suplementach i farmaceutykach.

ekstrakcja ultradźwiękowa

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

Jak działa kawitacja akustyczna?

Ekstrakcję ultradźwiękową uzyskuje się, gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości są sprzężone z zawiesiną składającą się z materiału botanicznego w rozpuszczalniku. Fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone za pomocą procesora ultradźwiękowego typu sondy do zawiesiny. Wysoce energetyczne fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, tworząc naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia, co powoduje zjawisko kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania / chłodzenia, różnic ciśnień i dużych sił ścinających w medium. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenia międzycząsteczkowe generują takie efekty, jak złuszczanie powierzchni, erozja, rozpad cząstek, sonoporacja (perforacja ścian komórkowych i błon komórkowych) oraz rozerwanie komórek. Dodatkowo, implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ciekłych mediach tworzy makro-turbulencje i mikromieszanie. Promieniowanie ultradźwiękowe stanowi skuteczny sposób na usprawnienie procesów przenoszenia masy, ponieważ sonikacja powoduje kawitację i związane z nią mechanizmy, takie jak mikroruchy strumieni cieczy, kompresja i dekompresja w materiale z późniejszym rozerwaniem ścian komórkowych, a także wysokie szybkości ogrzewania i chłodzenia.
Ultradźwięki typu sondowego mogą generować bardzo wysokie amplitudy, co jest niezbędne do generowania kawitacji uderzeniowej. Hielscher Ultrasonic produkuje wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe, które mogą z łatwością tworzyć amplitudy 200 µm w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud, Hielscher oferuje sonotrody (sondy) o wysokiej amplitudzie.
Do intensyfikacji kawitacji stosuje się ciśnieniowe reaktory ultradźwiękowe i komórki przepływowe. Wraz ze wzrostem ciśnienia, kawitacja i kawitacyjne siły ścinające stają się bardziej destrukcyjne i tym samym poprawiają efekty ekstrakcji ultradźwiękowej.

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

Efekty ekstrakcji ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe zakłócenie komórek i zwiększenie transferu masy
Ultradźwięki mogą wspomagać procesy ekstrakcji zarówno poprzez rozbijanie komórek, jak i zwiększanie transferu masy w warstwie granicznej otaczającej stałą matrycę.
Sonoporacja, perforacja ścian komórkowych i błon, zwiększa przepuszczalność ścian komórkowych i błon i często jest etapem pośrednim przed całkowitym rozerwaniem komórek przez sonikację.
Mechaniczne efekty kawitacji wywołanej ultradźwiękami, takie jak różnice ciepła i ciśnienia, fale uderzeniowe, siły ścinające, strumienie cieczy i mikrostrumienie, intensyfikują penetrację rozpuszczalnika do wnętrza komórki i poprawiają transfer masy między komórką a rozpuszczalnikiem, dzięki czemu materiały międzykomórkowe są przenoszone do rozpuszczalnika.

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

sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej

Procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher to wysokowydajne systemy ekstrakcji, które są proste i bezpieczne w obsłudze. Zgodnie z surowcem, możliwościami procesu i celem wyjściowym, Hielscher oferuje najbardziej odpowiedni ultrasonicator. Nasze portfolio produktów obejmuje zarówno kompaktowe, wydajne ręczne ultradźwięki, jak i w pełni przemysłowe jednostki ultradźwiękowe zdolne do przetwarzania kilku ton na godzinę.
Ekstraktory Hielscher Ultrasonics mogą być używane do ekstrakcji wsadowej i ciągłej w linii produkcyjnej i mogą być stosowane w połączeniu z dowolnym rozpuszczalnikiem.
Dostępne są różne akcesoria, takie jak sonotrody (sondy) o różnych rozmiarach i kształtach, klaksony wspomagające, komórki przepływowe o różnych objętościach i geometriach, podłączane czujniki temperatury i ciśnienia oraz wiele innych gadżetów, które umożliwiają stworzenie idealnej konfiguracji ultradźwiękowej do procesu ekstrakcji.
Wszystkie nasze modele cyfrowe są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które umożliwia regulację, monitorowanie i ustawianie parametrów ekstrakcji. Dzięki precyzyjnej kontroli nad amplitudą, czasem sonikacji i cyklami pracy, można osiągnąć optymalne wyniki procesu, takie jak najwyższa wydajność i najwyższa jakość ekstraktu. Automatyczna rejestracja danych procesu sonikacji jest podstawą standaryzacji procesu i odtwarzalności / powtarzalności, które są wymagane dla Dobrych Praktyk Produkcyjnych (GMP).

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: