Ultradźwiękowe ogrzewanie omowe do intensyfikacji ekstrakcji surowców roślinnych

Ultradźwiękowe ogrzewanie omowe łączy kawitację wywołaną ultradźwiękami z szybkim, równomiernym ogrzewaniem omowym w celu intensyfikacji ekstrakcji związków bioaktywnych z surowców roślinnych. W porównaniu z metodami konwencjonalnymi i metodami wykorzystującymi jeden mechanizm pozwala uzyskać więcej związków fitochemicznych w znacznie krótszym czasie, jednocześnie zmniejszając zużycie energii nawet o 74%. Ta synergia przyspiesza transport masy, minimalizuje zużycie rozpuszczalników i zapewnia czystszy, bardziej zrównoważony sposób ekstrakcji.

Ekstrakcja z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym – łagodna, a zarazem bardzo wydajna

Ekstrakcja z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym łączy równomierne ogrzewanie objętościowe z mechaniczną homogenizacją za pomocą ultradźwięków, aby zapewnić wydajne uwalnianie związków fitochemicznych w stosunkowo łagodnych warunkach. W przeciwieństwie do konwencjonalnego ogrzewania omowego, które może powodować powstawanie lokalnych kanałów cieplnych i naprężeń termicznych, zastosowanie ultradźwięków wywołuje kawitację, mikroprzepływy i rozrywanie ścian komórkowych, które wyrównują przewodność i zapewniają bardziej równomierny rozkład ciepła. Ta synergia umożliwia szybką ekstrakcję przy niższych efektywnych obciążeniach cieplnych, zachowując związki fitochemiczne wrażliwe na ciepło, a jednocześnie zmniejszając całkowite zapotrzebowanie na energię. W rezultacie ultradźwiękowe ogrzewanie omowe stanowi łagodną, a zarazem skuteczną metodę wytwarzania wysokiej jakości ekstraktów roślinnych w czystszy i bardziej zrównoważony sposób.

Film ilustruje korzystny wpływ bezpośredniej sonikacji elektrody na natężenie prądu elektrycznego. Wykorzystano w nim homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP100H (100 watów, 30kHz) z rozszerzeniem do zastosowań elektrochemicznych oraz tytanową elektrodą/sonotrodą. Elektroliza rozcieńczonego kwasu siarkowego wytwarza gazowy wodór i tlen. Sonikacja zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej przy powierzchni elektrody i poprawia transport masy podczas elektrolizy.

Łagodne warunki ekstrakcji z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym

W praktycznych zastosowaniach temperatury podczas ekstrakcji surowców spożywczych i roślinnych zazwyczaj mieszczą się w zakresie 40–70°C. Jednak w przypadku materiałów niewrażliwych na ciepło można osiągnąć temperatury powyżej 100°C.

Łagodne ogrzewanie (40–70 °C): często stosowane w przypadku delikatnych matryc roślinnych lub związków termolabilnych, gdy celem jest przyspieszenie ekstrakcji bez degradacji wrażliwych związków fitochemicznych.
Ogrzewanie umiarkowane do intensywnego (70–100 °C): powszechne w procesach ukierunkowanych na szybsze rozrywanie ścian komórkowych i usprawniony transport masy, przy zachowaniu temperatury poniżej temperatury wrzenia w układach wodnych.

Problem: kanały cieplne w ogrzewaniu omowym

Ogrzewanie omowe opiera się na przekształcaniu energii elektrycznej w ciepło podczas przepływu prądu przez matrycę roślinną. Tkanki biologiczne są jednak z natury niejednorodne: ściany komórkowe, przestrzenie wypełnione powietrzem i gradienty wilgotności powodują różnice w lokalnej przewodności. Ponieważ prąd przepływa preferencyjnie przez obszary o wyższej przewodności, powstają „kanały cieplne”. Te lokalne drogi przepływu prądu prowadzą do:

Nierównomiernego ogrzewania, z przegrzanymi pasmami sąsiadującymi z obszarami poddanymi niedostatecznej obróbce.
Powstawania gorących punktów, które stwarzają ryzyko termicznej degradacji wrażliwych związków fitochemicznych.
Obniżonej wydajności, ponieważ ekstrakcję ograniczają obszary, które pozostają niedostatecznie ogrzane.

Problem ten jest dobrze znany w literaturze dotyczącej ogrzewania omowego, w której różnice przewodności elektrycznej często ograniczają skalowalność i odtwarzalność.

Rozwiązanie: ogrzewanie omowe wspomagane ultradźwiękami

Gdy ultradźwięki są połączone z ogrzewaniem omowym, kilka efektów ich działania ogranicza powstawanie kanałów cieplnych:

Kawitacja i mikroprzepływy: Kawitacja ultradźwiękowa generuje siły ścinające i mikrostrugi, które nieustannie rozbijają struktury komórkowe i mieszają płyny. Powoduje to homogenizację ośrodka i wyrównanie gradientów przewodności, które w przeciwnym razie prowadziłyby do powstawania kanałów cieplnych.
Usprawniona elektroporacja: Ultradźwięki osłabiają ściany i błony komórkowe, zwiększając ich przepuszczalność. Zmniejsza to lokalne różnice rezystywności, zapewniając bardziej równomierny rozkład prądu elektrycznego.
Usprawniony transport ciepła: Przepływ akustyczny sprzyja mieszaniu w mikroskali, rozpraszając lokalne gorące punkty i zapewniając bardziej równomierny rozkład energii cieplnej.
Synergiczne rozbijanie komórek: Połączone działanie mechanicznego rozrywania (wywołanego ultradźwiękami) i ogrzewania elektrycznego (wynikającego z obróbki omowej) zapewnia szybsze uwalnianie zawartości komórek, zanim długotrwałe ogrzewanie będzie mogło spowodować degradację.

Zalety ogrzewania omowego wspomaganego ultradźwiękami

Zamiast nieregularnego ogrzewania przebiegającego w kanałach ogrzewanie omowe wspomagane ultradźwiękami zapewnia stabilny, równomierny profil temperatury w całej matrycy roślinnej. Przekłada się to na:

Wyższe uzyski nieuszkodzonych związków fitochemicznych, np. olejków eterycznych.
Krótszy czas ekstrakcji, ponieważ bariery transportu masy są przełamywane bardziej równomiernie.
Niższy całkowity nakład energii, ponieważ ciepło jest wykorzystywane bardziej efektywnie.

Podsumowując, ultradźwięki przeciwdziałają podstawowej słabości ogrzewania omowego – jego podatności na nierównomierny rozkład ciepła – przekształcając je w znacznie bardziej kontrolowaną, przewidywalną i skalowalną metodę ekstrakcji.

Ogrzewanie omowe usprawnione ultradźwiękami – co pokazują badania

Kumar et al. (2023) porównali skuteczność konwencjonalnej hydrodestylacji w aparacie Clevengera (CHD), hydrodestylacji z ogrzewaniem omowym (OHD), hydrodestylacji wspomaganej ultradźwiękami (UAHD) i hydrodestylacji z ogrzewaniem omowym wspomaganej ultradźwiękami (UAOHD) w ekstrakcji olejków eterycznych. Wykazano, że hydrodestylacja z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym (UAOHD) znacząco poprawia wydajność ekstrakcji surowców roślinnych, łącząc rozbijające działanie ultradźwięków z szybkim, równomiernym ogrzewaniem objętościowym podczas obróbki omowej. W badaniach porównawczych z wykorzystaniem liści bazylii indyjskiej, trawy cytrynowej i kolendry destylacja z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym zapewniała konsekwentnie wyższe uzyski olejków eterycznych niż konwencjonalna hydrodestylacja, samo ogrzewanie omowe lub konwencjonalna destylacja wspomagana ultradźwiękami. Czas ekstrakcji skrócono nawet o 86%, a zużycie energii zmniejszono o około 74%, pomimo wyższego chwilowego poboru mocy. Korzyści te wynikają z synergicznych mechanizmów: kawitacja i mikroturbulencje wywołane ultradźwiękami rozrywają gruczoły olejkowe, natomiast ogrzewanie omowe przyspiesza rozbijanie komórek poprzez elektroporację i równomierne ogrzewanie wewnętrzne. Razem umożliwiają szybszy transport masy, czystszą obróbkę bez rozpuszczalników i znacznie mniejszy ślad środowiskowy, czyniąc hydrodestylację z ultradźwiękowym ogrzewaniem omowym zrównoważoną i skalowalną alternatywą w produkcji olejków eterycznych.

Film ilustruje korzystny wpływ bezpośredniej sonikacji elektrody na natężenie prądu w układzie elektrolizera z ogniwem typu H. Wykorzystano w nim homogenizator ultradźwiękowy UP100H firmy Hielscher (100 watów, 30kHz) z rozszerzeniem do zastosowań elektrochemicznych i tytanową elektrodą pełniącą funkcję sonotrody. Elektroliza rozcieńczonego kwasu siarkowego prowadzi do powstawania gazowego wodoru i tlenu. Sonikacja zmniejsza grubość warstwy dyfuzyjnej przy powierzchni elektrody i poprawia transport masy podczas elektrolizy. Sonikacja może znacznie zwiększyć szybkość wytwarzania gazowego wodoru w ogniwie elektrolitycznym.

Elektrody ultradźwiękowe do usprawnionego ogrzewania omowego

Elektrody ultradźwiękowe Hielscher zapewniają wyraźną przewagę w ogrzewaniu omowym, ponieważ łączą dwa uzupełniające się mechanizmy w jednym układzie: doprowadzanie prądu elektrycznego i mieszanie ultradźwiękowe. Podczas gdy elektroda doprowadza prąd przemienny niezbędny do objętościowego ogrzewania Joule’a, jej jednoczesne drgania o częstotliwości 20 kHz generują kawitację, mikroprzepływy i siły ścinające, które rozbijają ściany komórek roślinnych i homogenizują ośrodek. To podwójne działanie minimalizuje powstawanie kanałów cieplnych, zapewnia bardziej równomierną przewodność elektryczną, a tym samym równomierne ogrzewanie całej próbki. Jednocześnie efekt ekstrakcji ultradźwiękowej przyspiesza transport masy i sprzyja uwalnianiu związków wewnątrzkomórkowych, dodatkowo zwiększając uzysk i jakość. W zastosowaniach komercyjnych system elektrod Hielscher UIP2000hdT (2000 W na elektrodę) zapewnia wytrzymałość niezbędną do ciągłej produkcji przemysłowej, natomiast mniejsze układy, takie jak UP100H (100 W) i VialTweeter, stanowią elastyczne narzędzia do badań w skali laboratoryjnej i optymalizacji procesów.
Przeczytaj więcej o zastosowaniach elektrod ultradźwiękowych Hielscher do intensyfikacji ogrzewania omowego w przemyśle spożywczym!

Dlaczego Hielscher Ultrasonics?

wysoka wydajność
najnowocześniejsza technologia
niezawodność i wytrzymałość
regulowane, precyzyjne sterowanie procesem
praca w trybie okresowym i w przepływie
do dowolnej objętości
inteligentne oprogramowanie
inteligentne funkcje (np. możliwość programowania, rejestrowanie danych, zdalne sterowanie)
łatwa i bezpieczna obsługa
niewielkie wymagania konserwacyjne
CIP (czyszczenie na miejscu)

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów / elektrod ultradźwiękowych do ogrzewania omowego:

Objętość partii	Natężenie przepływu	Zalecane urządzenia
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Powiązane tematy

Literatura / źródła

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.

Często zadawane pytania

Czy ogrzewanie omowe i ogrzewanie Joule’a są tym samym?

Niezupełnie. Ogrzewanie Joule’a jest podstawowym zjawiskiem fizycznym: gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, energia elektryczna jest rozpraszana w postaci ciepła wskutek rezystancji materiału. Ogrzewanie omowe jest natomiast technologicznym zastosowaniem tego zjawiska. W ogrzewaniu omowym prąd przemienny jest celowo przepuszczany przez materiał spożywczy, roślinny lub biologiczny, który pełni funkcję ośrodka oporowego, dzięki czemu ciepło jest wytwarzane równomiernie wewnątrz próbki.
Podsumowując, każde ogrzewanie omowe opiera się na ogrzewaniu Joule’a, ale nie każde ogrzewanie Joule’a jest ogrzewaniem omowym. Ogrzewanie Joule’a stanowi zasadę fizyczną; ogrzewanie omowe jest procesem zbudowanym na jej podstawie.

Z jakich elementów składa się układ ogrzewania omowego?

Układ ogrzewania omowego zazwyczaj składa się z zasilacza dostarczającego prąd przemienny, komory obróbki mieszczącej próbkę oraz elektrod umieszczonych na przeciwległych końcach komory, umożliwiających przepływ prądu przez materiał. System uzupełniają czujniki monitorujące napięcie, natężenie prądu i temperaturę oraz jednostki sterujące regulujące dopływ energii elektrycznej i zapewniające równomierne ogrzewanie.

Czym jest ogrzewanie Joule’a?

Ogrzewanie Joule’a, zwane również ogrzewaniem oporowym, polega na wytwarzaniu energii cieplnej podczas przepływu prądu elektrycznego przez materiał przewodzący, przy czym ilość wytwarzanego ciepła jest proporcjonalna do rezystancji materiału i kwadratu natężenia prądu.

Jaka jest różnica między ogrzewaniem omowym a ogrzewaniem Joule’a?

Ogrzewanie omowe jest szczególnym zastosowaniem ogrzewania Joule’a, w którym prąd przemienny przepływa bezpośrednio przez matrycę spożywczą lub biologiczną, powodując równomierne ogrzewanie objętościowe dzięki wykorzystaniu przewodności elektrycznej materiału; natomiast „ogrzewanie Joule’a” oznacza ogólne zjawisko fizyczne, a „ogrzewanie omowe” odnosi się do opracowanej technologii procesu.

Gdzie stosuje się ogrzewanie omowe?

Ogrzewanie omowe stosuje się w przetwórstwie spożywczym, ekstrakcji surowców roślinnych, pasteryzacji, sterylizacji i inaktywacji enzymów, a także w nauce o materiałach w procesach wymagających szybkiego i równomiernego ogrzewania bez zewnętrznych barier transportu ciepła.

Czym jest plazma omowa?

Plazma omowa oznacza stan plazmy, w którym przepływający przez nią prąd elektryczny rozprasza energię wskutek oporu elektrycznego, prowadząc do ogrzewania cząstek plazmy przez efekt Joule’a; zasada ta ma znaczenie w badaniach nad utrzymywaniem plazmy i syntezą jądrową.

Jakie korzyści przynosi ogrzewanie omowe w przemyśle spożywczym?

W przemyśle spożywczym ogrzewanie omowe oferuje istotne korzyści, w tym szybkie i równomierne ogrzewanie, zmniejszone gradienty temperatury, krótszy czas przetwarzania, lepsze zachowanie składników odżywczych i właściwości sensorycznych oraz zwiększoną efektywność energetyczną, co czyni je obiecującą technologią termiczną zgodną z ideą „czystej etykiety”.