Высокоэффективная экстракция воды с помощью Power-Ultrasound

Экстракция растительных соединений из воды (например, экстракция холодной или горячей водой, экстракция водой под давлением и субкритическая экстракция водой) может быть эффективно улучшена с помощью ультразвука. Ультразвуковая экстракция воды не только дает более высокий выход и сокращает время обработки, но и приводит к снижению энергопотребления, более мягким условиям экстракции и высокому качеству экстрактов по сравнению с традиционными методами экстракции. Ультразвуковая экстракция водой успешно используется для экстракции многочисленных соединений растительного происхождения, включая алкалоиды, флавоноиды, гликозиды, фенольные соединения и полисахариды.

Ультразвуковая водная экстракция биологически активных соединений

Вода является наиболее полярным растворителем, что делает ее отличным растворителем для полярных соединений. Благодаря своей нетоксичности и экологичности, вода будет идеальным растворителем для любого растительного экстракта. Однако менее полярные и неполярные компоненты плохо или совсем не растворяются в воде. Кроме того, без какого-либо стимулирования массопереноса процесс экстракции в воде был бы невероятно медленным и, следовательно, неэкономичным. Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук является очень эффективным методом экстракции, который обеспечивает интенсивное перемешивание и массообмен. Таким образом, хорошо известно, что ультразвуковая экстракция дает значительные преимущества по сравнению с традиционными методами экстракции. Эти преимущества включают в себя более высокую производительность, быструю обработку, быстрый оборот партий, а также непрерывную поточную экстракцию, использование экологически чистых растворителей, мягкие условия экстракции, которые сохраняют соединения экстракта, безопасность в эксплуатации и легкую масштабируемость до больших пропускных способностей для коммерческого производства. (ср. Zabot et al., 2021)

Экстракция горячей воды улучшена за счет ультразвуковой обработки

Параметрами, определяющими экстракцию растительных компонентов во время экстракции воды, являются температура, время, давление и площадь поверхности растительного материала. Экстракт горячей воды может быть приготовлен в течение относительно короткого времени из-за высокой температуры воды.
Решение: Выход и скорость экстракции могут быть значительно увеличены при ультразвуковом перемешивании. Горячая вода сама по себе обладает лишь ограниченной способностью разрушать клеточные структуры, а высокие температуры часто повреждают или разрушают термолабильные соединения, в результате чего страдает качество экстракта. Когда ультразвуковая экстракция сочетается с экстракцией горячей водой, температура может быть значительно снижена (например, со 100°C до 50°C), что предотвращает термическое разложение экстрагированных растительных ингредиентов, увеличивает общий выход и экономит энергию. Ультразвуковая кавитация является принципом, лежащим в основе явления ультразвуковой экстракции. Ультразвуковая (или акустическая) кавитация представляет собой чисто механические силы, которые разрушают стенки клетки, высвобождают целевые соединения и улучшают массоперенос между внутренней частью клетки и водой (растворителем). Таким образом, ультразвуковая экстракция водой обеспечивает отличные результаты экстракции.

Экстракция холодной воды улучшена за счет ультразвуковой обработки

Экстракция холодной водой (инфузия холодной воды) значительно менее эффективна, так как исключается использование горячей воды. Холодная вода или вода комнатной температуры не очень хорошо извлекает растительные соединения, так как холодная вода очень медленно впитывается в растительный материал, и массоперенос практически незначителен. Преимущество экстракции холодной водой заключается в том, что удается избежать повышения температуры, тем самым предотвращая термическую деградацию термочувствительных соединений. Однако очень плохая динамика экстракции делает традиционную экстракцию холодной воды нецелесообразной для коммерческого производства. Вот почему настой холодной воды используется почти исключительно на экспериментальной стадии из-за его медленности и неэффективности.
Решение: С внедрением ультразвука в процесс вытяжки холодной воды можно легко преодолеть медлительность и неэффективность замачивания в холодной воде. Ультразвуковая экстенсивная экстракция холодной воды позволяет поддерживать температуру холодной экстракции, связывая при этом интенсивные силы сдвига с твердо-жидкой средой. В результате ультразвуковой экстракции клеточные стенки открываются, и растительные соединения быстро высвобождаются в воду. Ультразвуковая экстракция холодной водой и инфузия превращает холодное замачивание в высокоэффективный процесс, обеспечивающий высокие выходы и высокое качество экстрактов за короткое время экстракции.

Экстракция воды под давлением в сочетании с ультразвуковой обработкой

Ультразвуковая экстракция характеризуется микроперемешиванием, которое за счет вибраций способствует большей диффузии растворителя внутрь частицы и изнутри частицы на поверхность, усиливая массообмен. Кроме того, ультразвук уменьшает размер частиц ячеистого материала, что приводит к улучшению эффектов ультразвуковой экстракции жидкости под давлением. Более мелкие частицы размером около 0,68 мм имеют более высокий выход, чем более крупные частицы (около 1,05 мм), поскольку большая площадь поверхности позволяет значительно увеличить массоперенос и, таким образом, улучшить выход экстракции. (ср. Zabot et al., 2021)

Эффективная экстракция холодной водой под давлением с помощью Power-Ultrasound

Под высоким давлением облегчается проникновение холодной воды в ткани растений и растворяются водорастворимые фитохимические вещества, не вызывая термического разложения. Метод экстракции холодной водой под высоким давлением может сочетаться с ультразвуком для улучшенной изоляции полярных и неполярных растительных ингредиентов. Вода как нетоксичный, дешевый и экологически чистый растворитель является привлекательной альтернативой органическому растворителю, особенно когда речь идет о производстве продуктов растительного происхождения, терапевтических средств и пищевых добавок.
Для ультразвуковой экстракции холодной водой под давлением ультразвуковой датчик (сонотрод) встроен в экстракционный бак или проточную ячейку. Резервуар или проточная ячейка обычно находятся под давлением от 5 до 100 бар изб. в зависимости от целевых экстрактивных соединений. Hielscher Ultrasonics поставляет даже промышленные ультразвуковые реакторы и проточные ячейки по индивидуальному заказу, которые могут работать под давлением до 300 бар изб., что позволяет установить оптимальное давление в процессе экстракции.
 

Экстракция сверхкритической воды улучшена за счет ультразвуковой обработки

Ультразвуковая докритическая экстракция воды является еще одним синергетическим методом, при котором силовой ультразвук улучшает массоперенос между твердым и жидким телом. Субкритическая экстракция воды (SWE) – также известна как экстракция горячей водой под давлением или экстракция перегретой водой – является менее часто используемым методом для извлечения растительных соединений с более низкой полярностью. При субкритической экстракции воды в качестве растворителя используется вода в ее сверхкритическом состоянии.
Что такое подкритическая вода и почему подкритическая вода является хорошим растворителем для экстракции менее полярных растительных соединений? «Вода обладает многими термодинамическими свойствами, на которые сильно влияют температура и давление. В зависимости от условий, его физическое состояние (твердое, жидкое или газообразное), тепловые свойства, плотность или вязкость могут быть изменены. Повышая температуру и давление в точке, известной как критическая точка (определяемая на уровне 221 бар и 374 °C), вода может достичь сверхкритического состояния. В подкритических условиях, соответствующих температурам от 100°C до критической температуры (374°C) и давлению от 1 бар до критического давления (221 бар), во избежание испарения полярность воды уменьшается; Это делает воду лучшим растворителем для экстракции различных органических биологически активных соединений». (Ли и Чемат, 2019)
Когда ультразвук сочетается с субкритической экстракцией водой, эффективность экстракции может быть повышена за счет увеличения выхода экстракта и сокращения времени экстракции. Для достижения оптимальных результатов давление в закрытом реакторе периодического действия под давлением или реакторе с проточной ячейкой должно быть как минимум в два раза выше, чем давление паров воды. (Таблицу давления паров воды можно найти в конце этой страницы.)
Huang et al. (2010) исследовали эффекты экстракции низкочастотного ультразвука высокой мощности в сочетании с подкритической экстракцией воды. Поэтому ультразвуковой зонд подключается к котлу устройства для докритической экстракции воды для извлечения летучего масла из Lithospermum erythrorhizon. Результаты показали, что эффект усиления с помощью ультразвука при частоте 20 кГц был лучше, чем при 36 кГц, и увеличивался с выходной мощностью (от 0 до 250 Вт). Выход подкритической воды увеличился с 1,87% до 2,39% за счет ультразвуковых колебаний (250 Вт, 20 кГц) при температуре 160°С и давлении 5 МПа в течение 25-минутной процедуры. Ультразвуковое исследование может улучшить не только выход экстракции, но и скорость экстракции, тем самым сэкономив время.
Докритическая экстракция воды с помощью ультразвука может выполняться при более низком давлении (например, 5 бар изб.), чем обычная докритическая экстракция воды (например, 10 МПа), что экономит затраты на электроэнергию и делает процедуру экстракции более безопасной.

Преимущества ультразвуковой ботанической экстракции

Как научные исследования, так и промышленное внедрение показывают, что ультразвуковая экстракция является надежным и простым в эксплуатации методом, не требующим технической подготовки или интенсивной подготовки. Очень высокая эффективность экстракции, высокая производительность, низкие эксплуатационные расходы, а также низкие инвестиционные затраты (особенно по сравнению с другими методами, такими как CO₂ экстракторы) и низкие затраты на электроэнергию являются основными преимуществами ультразвуковых экстракторов зондового типа.
Другими преимуществами, которые превращают технологию ультразвуковой экстракции в предпочтительный метод, являются высокое качество экстрактов благодаря низким температурам экстракции, надежные результаты (повторяемость / воспроизводимость), полностью линейная масштабируемость до любого уровня производства, а также низкие эксплуатационные расходы.
«Другими преимуществами, связанными с использованием ультразвуковой зондовой экстракции, являются простота обработки экстракта, быстрое выполнение, отсутствие остатков, высокий выход, экологичность, повышенное качество и предотвращение деградации экстракта».
(ср. Chemat and Khan, 2011)

Настройка экстракции для ботанической изоляции: Ультразвуковой ультразвуковой аппарат зондового типа UP400ST, вакуумный фильтр Büchi и ротор-испаритель для экстракции фитохимических веществ.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для экстракции воды

Ультразвуковые экстракторы Hielscher хорошо зарекомендовали себя в области ботанической экстракции, независимо от того, какой растворитель используется. Производители экстрактов – как небольшие, эксклюзивные производители нишевых экстрактов, так и крупные массовые производители – Найдите в широком ассортименте оборудования Hielscher идеальное оборудование для ультразвуковой экстракции для их производственных требований. Периодические и непрерывные поточные технологические установки легко доступны и могут быть отгружены с полки. Ультразвуковая экстракция подходит для работы с любым растворителем, может быть гибко применена для экстракции любого растительного материала. Использование воды в качестве растворителя позволяет производить органически сертифицированные экстракты без использования очень дорогого «органического» этанола. (Конечно, растительный материал должен быть органически выращен для получения органического водного экстракта).

Высокоэффективная экстракция с помощью ультразвука Хильшера

Ультразвуковые экстракторы Hielscher эффективно разрушают растительные клетки, увеличивают площадь поверхности растительного материала для проникновения растворителей и массоперенос для высвобождения фитохимических веществ (вторичных метаболитов). Разработанные с учетом удобства использования, экстракторы Hielscher быстро устанавливаются, могут быть безопасными и интуитивно понятными.

Соответствие высочайшим стандартам качества – Проектный & Произведено в Германии

Сложное аппаратное обеспечение и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны для того, чтобы гарантировать надежные результаты ультразвуковой экстракции из растительного сырья с воспроизводимыми результатами и удобной и безопасной эксплуатацией. Прочность, надежность, работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и простое управление с точки зрения рабочего являются дополнительными факторами качества, которые делают ультразвуковые аппараты Hielscher предпочтительными.
Ультразвуковые экстракторы Hielscher используются во всем мире для высококачественной фитохимической экстракции. Доказано, что из них получаются высококачественные растительные соединения, ультразвуковые экстракторы Hielscher используются не только небольшими производителями специальных и бутиковых экстрактов, но и в основном в промышленном производстве широко доступных на коммерческой основе экстрактов, пищевых добавок и терапевтических средств. Благодаря надежному аппаратному обеспечению и интеллектуальному программному обеспечению ультразвуковые процессоры Hielscher можно легко эксплуатировать и контролировать.

Автоматическое протоколирование данных

Для того, чтобы соответствовать производственным стандартам продуктов питания, пищевых добавок и лечебных продуктов, производственные процессы должны тщательно контролироваться и регистрироваться. Цифровые ультразвуковые аппараты Hielscher Ultrasonics оснащены функцией автоматического протоколирования данных. Благодаря этой интеллектуальной функции все важные параметры процесса, такие как ультразвуковая энергия (общая и полезная энергия), температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенной SD-карте сразу после включения устройства. Мониторинг процесса и запись данных важны для непрерывной стандартизации процессов и качества продукции. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете пересмотреть предыдущие прогоны ультразвука и оценить результат.
Еще одной удобной функцией является дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью удаленного управления через браузер вы можете запускать, останавливать, настраивать и контролировать ультразвуковой процессор удаленно из любого места.
Хотите узнать больше о преимуществах ультразвуковой экстракции воды из растительного сырья? Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства растительных экстрактов! Наш опытный персонал будет рад поделиться дополнительной информацией об ультразвуковой экстракции, наших ультразвуковых системах и ценах!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Техническая информация об ультразвуковой экстракции воды

Традиционные методы экстракции, такие как мацерация, инфузия, перколяция, отвар, рефлегматическая экстракция, паровая дистилляция, сублимация и прессование, обычно используются при экстракции лекарственных соединений из растений. К недостаткам этих методов можно отнести трудоемкость процесса, плохую чистоту и низкую эффективность.

Параметры процесса, влияющие на ультразвуковую экстракцию

Ультразвуковая экстракция известна своими уникальными особенностями и преимуществами, которые делают ультразвуковую экстракцию лучшим методом экстракции по сравнению с традиционными методами экстракции растительных соединений. Основное преимущество ультразвуковой экстракции заключается в точной адаптируемости ультразвуковых факторов обработки (таких как амплитуда, время, температура, давление), что позволяет оптимально настроить ультразвуковой процесс под целевое соединение. Каждый растительный материал имеет идеальные параметры экстракции, при которых достигается наилучшая урожайность, качество и скорость экстракции. Процесс ультразвуковой экстракции позволяет идеально адаптировать эти оптимальные условия экстракции.

Ультразвуковая амплитуда

Амплитуда – это колебательное смещение ультразвукового зонда (сонотрода). Чем выше амплитуда, тем интенсивнее вибрация и кавитация в ультразвукируемой жидкости. Hielscher Ultrasonics специализируется на высокопроизводительных ультразвуковых преобразователях, которые могут обеспечивать точно регулируемую амплитуду. Специализированные датчики, которые могут обеспечить до 200 μм в непрерывной работе в режиме 24/7, легко доступны в готовом виде. Для еще более высоких амплитуд можно легко изготовить ультразвуковые сонотроды по индивидуальному заказу.
Амплитуда равна единице – если не самый единственный – важный параметр для эффективной экстракции растений. Высокие амплитуды создают необходимые силы для разрушения клеточных стенок и высвобождения внутриклеточного материала. Таким образом, высокоэффективная ультразвукизация становится столь эффективной при ботанической экстракции.

Время / Продолжительность ультразвукового лечения

Ультразвуковая экстракция обычно намного короче, чем традиционные методы, поскольку ультразвуковая обработка высвобождает растительные соединения со значительно более высокой скоростью экстракции. Ультразвуковое исследование позволяет сократить время экстракции, что сохраняет извлеченные соединения от чрезмерной обработки. Более короткая обработка благодаря ультразвуку означает более высокую пропускную способность и более высокое качество экстракта.

Импульсное ультразвуковое лечение

Ультразвуковая пульсация — это режим лечения, при котором ультразвуковое воздействие прекращается с помощью определенных циклов пауз (например, 50% рабочий цикл: 30 секунд включено, 30 секунд выключено; 100% рабочий цикл: непрерывная ультразвуковая обработка без пауз) Рабочий цикл ультразвука (также известный как импульсный режим или циклы ультразвуковой пульсации) относится к проценту времени, в течение которого ультразвук соединяется со средой (длительность импульса) в течение одного импульсного периода. Например, режим 50% цикла будет включать 30 секунд и выключать 30 секунд. Во время цикла паузы в рабочем цикле обработанная ультразвуком жидкость возвращается в течение определенного времени (например, 30 секунд) обратно в невозмущенное состояние, которое хорошо подходит для рассеивания тепла с целью поддержания целевой температуры обработки. Рабочий цикл ультразвуковой обработки является менее важным рабочим циклом для эффективности экстракции, но используется для поддержания определенной температуры процесса.

Гидростатическое давление

Давление является еще одним очень важным параметром для ультразвуковых процессов. Приложение гидростатического давления к обработанной ультразвуком среде влияет на интенсивность кавитации. В условиях повышенного давления интенсивность ультразвуковой (акустической) кавитации увеличивается. Hielscher Ultrasonics предлагает различные типы ультразвуковых реакторов периодического действия и проточных ячеек, которые могут подвергаться давлению для получения результатов интенсификации ультразвуком.

Температура экстракции

Как и любая механическая обработка, ультразвуковая обработка вызывает повышение температуры, что соответствует 2-му закону термодинамики. Тем не менее, ультразвуковая обработка является нетермическим методом лечения, поскольку ультразвуковое лечение основано на чисто механических силах (также называемых сономеханическими силами). Температуру экстракции во время ультразвуковой экстракции можно эффективно контролировать и поддерживать в определенном выбранном температурном диапазоне. Все цифровые ультразвуковые процессоры Hielscher оснащены подключаемым датчиком температуры и интеллектуальным программным обеспечением, в котором можно установить определенный температурный диапазон для процесса. При превышении этого температурного диапазона ультразвуковой аппарат делает паузу до тех пор, пока температура снова не войдет в выбранный диапазон, и автоматически продолжает процедуру ультразвуковой обработки. Эта интеллектуальная функция ультразвуковых аппаратов Hielscher позволяет точно контролировать процесс ультразвуковой обработки ультразвуком и получать идеальные результаты.
Так как температура экстракции может отличаться у любых растительных соединений и растений, температура является важным фактором, которым не следует пренебрегать при оптимизации ультразвукового процесса. Например, 80°C было признано идеальным для достижения максимального выхода флавоноидов из Sophora flavescens, в то время как наилучшие результаты были получены при 50°C для экстракции арабиноксилана из пшеничных отрубей.

Используйте любой растворитель для ультразвуковой экстракции

Разные растительные соединения имеют разную полярность, что влияет на их растворимость в различных растворителях. Например, сапонины и полисахариды более полярны и, следовательно, хорошо растворяются в воде, так как вода очень полярна. Фенольные соединения, такие как антоцианы и хлорогеновая кислота, с другой стороны, довольно неполярны и поэтому лучше растворяют менее полярные растворители, такие как этанол. Таким образом, выбор растворителя должен производиться в соответствии с растворимостью целевых соединений с целью получения высокой эффективности экстракции. Например, вода является хорошим растворителем для извлечения полярных соединений, таких как псилоцибин из грибов, а также олигосахаридов, гликозидов и флаваноидов; В то время как смесь этанола и воды с концентрацией этанола 60% (v/v) подходит для ультразвуковой экстракции, например, соединений апигенина, байкалина и лютеолина.
Узнайте больше о растворителях, полярности растворителей и наиболее подходящих растворителях для ультразвуковой экстракции!

Вода в качестве экстракционного растворителя

Вода является наиболее полярным растворителем и подходит для экстракции широкого спектра полярных соединений. К его основным преимуществам можно отнести способность растворять широкий спектр веществ. Кроме того, он дешевый, нетоксичный, безопасный и негорючий. К его недостаткам можно отнести сильную селективность по отношению к полярным соединениям из-за высокой полярности. Из-за высокой температуры кипения 100 °C концентрация экстракта (например, путем дистилляции или выпаривания ротора) требует большого количества энергии. Кроме того, вода подвержена росту бактерий и плесени.

Ультразвуковая частота

Ультразвуковая частота около 20 кГц была признана наиболее мощной и эффективной для ботанической экстракции. Влияет на эффективность ультразвуковой экстракции при извлечении лекарственных соединений из растений. Как правило, низкая ультразвуковая частота (т. е. около 20 кГц) создает более интенсивную кавитацию (сономеханические эффекты), что приводит к более высокой эффективности процедуры экстракции.

Растительный материал

Растительные материалы могут сильно различаться по структуре и жесткости своих клеток. В зависимости от состава клеточной стенки, которая может содержать целлюлозу, гемицеллюлозы, лигнин, пектиновые полисахариды, белки, фенольные и нецеллюлозные соединения, а также воду, клеточные стенки могут быть как прочными, так и мягкими. Различные типы растений и их части содержат различные типы и количество этих компонентов клеточной стенки. Вот почему для каждого типа установок требуются определенные технологические параметры для достижения оптимальных результатов экстракции.
Благодаря точной настройке интенсивности, ультразвуковые экстракторы Hielscher могут надежно разрушать мягкие и твердые клеточные стенки. Мягкие клеточные стенки могут нуждаться в менее интенсивном ультразвуковом исследовании, в то время как прочные клеточные структуры выигрывают от более интенсивного лечения.
Сырье для ботанической добычи может быть свежесобранным (влажным) или высушенным. Ультразвуковая экстракция подходит как для свежих/влажных, так и для сушеных растений. Размер частиц твердых частиц растения является еще одним важным фактором: большая площадь поверхности (т.е. малый размер частиц) является преимуществом, поскольку обеспечивает большую площадь контакта для ультразвуковых кавитационных сил сдвига, что приводит к более высокой эффективности. Поэтому растительный материал мацерируется или измельчается на мелкие кусочки (около 3-5 мм).

Почему ультразвуковая экстракция является лучшим методом?

Эффективность

• Более высокая урожайность
• Быстрый процесс экстракции – в течение нескольких минут
• Высококачественные экстракты – мягкая, нетермическая экстракция
• Зеленые растворители (вода, этанол, глицерин, растительные масла, NADES и т.д.)

Простота

• Plug-and-play — настройка и эксплуатация за считанные минуты
• Высокая производительность – для крупномасштабного производства экстрактов
• Периодическая или непрерывная работа в потоке
• Простая установка и ввод в эксплуатацию
• Портативные / передвижные – Портативные агрегаты или встроенные на колесах
• Линейное масштабирование вверх – параллельное добавление еще одной ультразвуковой системы для увеличения производительности
• Дистанционный мониторинг и управление – с помощью ПК, смартфона или планшета
• Не требуется контроль процесса – настройка и запуск
• Высокая производительность – предназначена для непрерывного производства в режиме 24/7
• Надежность и низкие эксплуатационные расходы
• высокое качество – спроектировано и построено в Германии
• Быстрая погрузка и разгрузка между партиями
• Легко чистится

Безопасность

• Простой и безопасный в управлении
• Экстракция без растворителя или на основе растворителя (вода, этанол, растительные масла, глицерин и т.д.)
• Отсутствие высоких давлений и температур
• Доступны взрывозащищенные системы, сертифицированные ATEX
• Простое управление (в том числе с помощью пульта дистанционного управления)

Литература / Литература