Extração ultrassónica e o seu princípio de funcionamento

A extração ultrassónica é a técnica preferida para isolar compostos bioativos de matérias-primas vegetais. A sonicação permite uma extração completa, obtendo-se assim rendimentos de extração superiores num tempo de extração muito curto. Sendo um método de extração tão eficiente, a extração ultrassónica permite poupar custos e tempo, produzindo simultaneamente extratos de elevada qualidade, utilizados em alimentos, suplementos e produtos farmacêuticos.

Extração ultrassónica

A extração ultrassónica é utilizada nas indústrias alimentar, de suplementos nutricionais e farmacêutica para libertar compostos bioativos, como vitaminas, polifenóis, polissacáridos, canabinoides e outros fitoquímicos, de matérias-primas vegetais. A extração assistida por ultrassons baseia-se no princípio de funcionamento da cavitação acústica ou ultrassónica.

Como funciona a cavitação acústica?

A extração ultrassónica ocorre quando ondas ultrassónicas de alta potência e baixa frequência são acopladas a uma suspensão constituída por material vegetal num solvente. As ondas ultrassónicas de alta potência são acopladas à suspensão através de um processador ultrassónico de tipo sonda. As ondas ultrassónicas altamente energéticas propagam-se pelo líquido, criando ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, o que resulta no fenómeno da cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultrassónica provoca localmente temperaturas, pressões, taxas de aquecimento/arrefecimento e diferenças de pressão extremas, bem como elevadas forças de cisalhamento no meio. Quando as bolhas de cavitação implodem à superfície de sólidos (como partículas, células vegetais, tecidos, etc.), os microjatos e as colisões entre partículas geram efeitos como descamação superficial, erosão, fragmentação de partículas, sonoporação (a perfuração das paredes celulares e das membranas celulares) e rutura celular. Além disso, a implosão de bolhas de cavitação em meios líquidos cria macroturbulência e micromistura. A irradiação ultrassónica constitui uma forma eficiente de intensificar os processos de transferência de massa, uma vez que a sonicação provoca cavitação e os mecanismos associados, como movimentos à microescala causados por jatos de líquido, compressão e descompressão do material com a subsequente rutura das paredes celulares, bem como elevadas taxas de aquecimento e arrefecimento.
Os sonicadores de tipo sonda podem gerar amplitudes muito elevadas, o que é necessário para gerar cavitação com efeitos intensos. A Hielscher Ultrasonic fabrica extratores ultrassónicos de elevado desempenho, que podem facilmente produzir amplitudes de 200µm em funcionamento contínuo 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, a Hielscher disponibiliza sonotrodos (sondas) específicos de elevada amplitude.
São utilizados reatores ultrassónicos e células de fluxo pressurizáveis para intensificar a cavitação. Com o aumento da pressão, a cavitação e as forças de cisalhamento por cavitação tornam-se mais destrutivas, melhorando assim os efeitos da extração ultrassónica.

A extração ultrassónica baseia-se na cavitação acústica e nas suas forças de cisalhamento hidrodinâmico

Efeitos da extração ultrassónica

Rutura celular ultrassónica e aumento da transferência de massa
Os ultrassons podem auxiliar os processos de extração tanto através da rutura celular como pela intensificação da transferência de massa na camada limite que envolve a matriz sólida.
A sonoporação, a perfuração das paredes e membranas celulares, aumenta a permeabilidade das paredes e membranas celulares e é frequentemente uma etapa intermédia antes de as células sofrerem rutura completa por sonicação.
Os efeitos mecânicos da cavitação induzida por ultrassons, como diferenças de temperatura e pressão, ondas de choque, forças de cisalhamento, jatos de líquido e microcorrentes, intensificam a penetração do solvente no interior da célula e melhoram a transferência de massa entre a célula e o solvente, de modo que os materiais intercelulares são transferidos para o solvente.

Extração ultrassónica de células vegetais: a secção transversal (TS) microscópica mostra o mecanismo de ação durante a extração ultrassónica de células (ampliação 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Equipamento de extração ultrassónica

Os processadores da Hielscher Ultrasonics são sistemas de extração de elevado desempenho, simples e seguros de operar. Em função da sua matéria-prima, das capacidades do processo e do objetivo de produção, a Hielscher disponibiliza-lhe o sonicador mais adequado. O nosso portefólio de produtos abrange desde sonicadores de mão compactos e potentes, passando por sistemas de bancada, até unidades ultrassónicas totalmente industriais capazes de processar várias toneladas por hora.
Os extratores da Hielscher Ultrasonics podem ser utilizados para extração descontínua e extração contínua em linha, podendo ser utilizados em combinação com qualquer solvente.
Estão disponíveis vários acessórios, como sonotrodos (sondas) de diversos tamanhos e formas, amplificadores mecânicos de amplitude, células de fluxo com vários volumes e geometrias, sensores de temperatura e pressão conectáveis e muitos outros dispositivos, para montar a configuração ultrassónica ideal para o seu processo de extração.
Todos os nossos modelos digitais estão equipados com software inteligente, que lhe permite ajustar, monitorizar e definir os parâmetros de extração. Graças ao controlo preciso da amplitude, do tempo de sonicação e dos ciclos de funcionamento, podem obter-se resultados de processo ótimos, como um rendimento superior e a mais elevada qualidade dos extratos. O registo automático dos dados do processo de sonicação constitui a base para a normalização do processo e a reprodutibilidade / repetibilidade, necessárias para as Boas Práticas de Fabrico (GMP).

Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É fácil manter continuamente amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em condições de serviço intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: