Высокоэффективная экстракция воды с помощью power-ultrasound

Водная экстракция ботанических соединений (например, экстракция холодной или горячей воды, экстракция воды под давлением и субкритическая экстракция воды) может быть эффективно улучшена ультразвуком. Ультразвуковая экстракция воды не только дает более высокие выходы и сокращает время обработки, но также приводит к более низкому потреблению энергии, более мягким условиям экстракции и высококачественным экстрактам по сравнению с обычными методами экстракции. Ультразвуковая экстракция воды 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 нетоксичной и экологически чистой природе, вода будет идеальным растворителем для любого растительного экстракта. Однако менее полярные и неполярные компоненты плохо или вообще не растворяются в воде. Кроме того, без какого-либо содействия массопереносу процесс извлечения в воде был бы невероятно медленным и, следовательно, неэкономичным. Высокоинтенсивный, низкочастотный ультразвук является очень эффективным методом экстракции, который обеспечивает интенсивное перемешивание и массоперенос. Таким образом, ультразвуковая экстракция, как известно, обеспечивает значительные преимущества по сравнению с обычными методами экстракции. Эти преимущества включают в себя более высокий выход, быструю обработку, быстрые обороты партий, а также непрерывную поточную экстракцию, использование зеленых растворителей, мягкие условия экстракции, которые сохраняют соединения экстракта, безопасность в эксплуатации и легкую масштабируемость до больших пропускных способностей для коммерческого производства. (ср. Зубот и др., 2021)

Экстракция горячей воды, улучшенная ультразвуком

Параметрами, определяющими извлечение растительных веществ во время извлечения воды, являются температура, время, давление и площадь поверхности растительного материала. Экстракт горячей воды может быть приготовлен в течение относительно короткого периода времени из-за высокой температуры воды.
Решение: Выход и скорость экстракции могут быть значительно увеличены при применении ультразвукового перемешивания. Горячая вода сама по себе имеет лишь ограниченную способность разрушать клеточные структуры, а высокие температуры часто повреждают или разрушают термолабильные соединения, так что качество экстракта страдает. Когда ультразвуковая экстракция сочетается с экстракцией горячей водой, температура может быть резко снижена (например, со 100 ° C до 50 ° C), что предотвращает термическую деградацию извлеченных растительных ингредиентов, увеличивает общий выход и экономит энергию. Ультразвуковая кавитация является принципом, лежащим в основе явления ультразвуковой экстракции. Ультразвуковая (или акустическая) кавитация – это чисто механические силы, которые разрушают клеточные стенки, высвобождают соединения-мишени и улучшают массоперенос между внутренней частью клетки и водой (растворителем). Таким образом, ультразвуковая экстракция воды обеспечивает отличные результаты экстракции.

Экстракция холодной воды, улучшенная ультразвуком

Добыча холодной воды (настой холодной воды) значительно более неэффективна, так как использование горячей воды избегается. Холодная вода или вода комнатной температуры не очень хорошо извлекает растительные соединения, так как холодная вода впитывается очень медленно в растительный материал, а массообмен почти незначителен. Преимущество экстракции холодной водой заключается в том, чтобы избежать любого повышения температуры, тем самым предотвращая термическую деградацию термочувствительных соединений. Однако очень плохая динамика добычи делает обычную добычу холодной воды неосуществимой для коммерческого производства. Вот почему настой холодной воды почти исключительно используется на экспериментальной стадии из-за медлительности и неэффективности.
Решение: С введением ультразвука в экстракцию холодной воды можно легко преодолеть медлительность и неэффективность замачивания холодной воды. Ультразвуково-усиленная экстракция холодной воды позволяет поддерживать температуру холодной экстракции, одновременно связывая интенсивные силы сдвига с твердо-жидкой средой. В результате механизма ультразвуковой экстракции клеточные стенки вскрываются и ботанические соединения быстро высвобождаются в воду. Ультразвуковая экстракция и инфузия холодной водой превращают холодное замачивание в высокоэффективный процесс, дающий высокие выходы, высококачественные экстракты в течение короткого времени экстракции.

Извлечение воды под давлением в сочетании с ультразвуком

Ультразвуковая экстракция характеризуется микроперемешиванием, которое посредством вибраций способствует большей диффузии растворителя в частицу и из внутренней части частицы на поверхность, усиливая массоперенос. Кроме того, ультразвук уменьшает размер частиц клеточного 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 более высокая площадь поверхности позволяет значительно увеличить массоперенос и тем самым улучшить выход экстракции. (ср. Зубот и др., 2021)

Эффективная экстракция холодной воды 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 быть объединен с ультразвуком для улучшения изоляции полярных и неполярных ботанических ингредиентов. Вода как нетоксичный, дешевый и экологически чистый растворитель является привлекательной альтернативой органическому растворителю, особенно когда речь идет о производстве растительных продуктов питания, терапевтических средств и пищевых добавок.
Для ультразвуково-интенсированной экстракции холодной воды под давлением ультразвуковой зонд (сонотрод) интегрирован в экстракционный резервуар или проточную ячейку. Резервуар или проточная ячейка обычно находятся под давлением с давлением от 5 до 100 бар в зависимости от целевых экстрактных соединений. Hielscher Ultrasonics поставляет даже специализированные промышленные ультразвуковые реакторы и проточные ячейки, которые могут находиться под давлением до 300 бар, что позволяет установить оптимальное давление в процессе экстракции.

Сверхкритическая экстракция воды, улучшенная обработкой ультразвуком

Ультразвуковая усиленная подкритическая экстракция воды является еще одним синергетическим методом, где силовой ультразвук улучшает массоперенос между твердым и жидким. Подкритическая добыча воды (SWE) – также известный как экстракция горячей воды под давлением или экстракция перегретой воды – является менее часто используемым методом экстракции ботанических соединений с более низкой полярностью. При подкритическом извлечении воды вода в ее сверхкритическом состоянии используется в качестве растворителя.
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 тело, жидкость или газ), тепловое поведение, плотность или вязкость могут быть изменены. Повышая температуру и давление в точке, известной как критическая точка (определяемая при 221 бар и 374 °C), вода может достичь сверхкритического состояния. При 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 подкритической экстракцией воды, эффективность экстракции может быть улучшена 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 достигать, по крайней мере, в два раза выше, чем давление паров воды. (Вы можете найти таблицу давления паров воды в конце этой страницы.)
Huang et al. (2010) исследовали эффекты экстракции низкочастотного, мощного ультразвука в сочетании с подкритической экстракцией воды. Поэтому ультразвуковой зонд подключается к чайнику подкритического устройства для извлечения воды для извлечения летучего масла из литоспермума эритроризона. Результаты показали, что ультразвуковой эффект усиления на 20 кГц был лучше, чем у 36 кГц, и увеличивался с выходной мощностью (от 0 до 250 Вт). Выход подкритической экстракции воды увеличился с 1,87% до 2,39% за счет ультразвуковых колебаний (250 Вт, 20 кГц) при температуре 160°C и давлении 5 МПа во время 25-минутной процедуры экстракции. Ультразвук может улучшить не только выход экстракции, но и скорость экстракции, тем самым экономя время.
Ультразвуковая подкритическая экстракция воды может осуществляться при более низких давлениях (например, 5 бар), чем обычная подкритическая экстракция воды (например, 10 МПа), что экономит затраты на энергию и делает процедуру экстракции более безопасной.

Преимущества ультразвуковой ботанической экстракции

Как научные исследования, так и промышленное внедрение демонстрируют, что ультразвуковая экстракция является надежной и простой в эксплуатации техникой, которая не требует технической подготовки или интенсивной подготовки. Очень высокая эффективность экстракции, высокая урожайность, низкие эксплуатационные расходы, а также низкие инвестиционные затраты (особенно по сравнению с другими методами, такими как CO₂ экстракторы) и низкие затраты энергии являются основными преимуществами ультразвуковых экстракторов зондового типа.
Дополнительными преимуществами, которые превращают технологию ультразвуковой экстракции в предпочтительный метод, являются высококачественные экстракты из-за низких температур экстракции, надежные результаты (повторяемость / воспроизводимость), полностью линейная масштабируемость для любого уровня производства, а также низкое техническое обслуживание.
«Другими преимуществами, связанными с использованием ультразвуковой экстракции зондового типа, являются простота обращения с экстрактом, быстрое исполнение, отсутствие остатков, высокая урожайность, экологичность, улучшенное качество и предотвращение деградации экстракта».
(ср. Чемат и Хан, 2011)

Экстракционная установка для ботанической изоляции: ультразвуковой аппарат зондового типа UP400St, вакуумный фильтр Büchi и ротор-испаритель для экстракции фитохимических веществ.

Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для извлечения воды

Ультразвуковые экстракторы Hielscher хорошо зарекомендовали себя в области ботанической экстракции, независимо от того, какой растворитель используется. Производители экстрактов – как более мелкие, эксклюзивные нишевые производители экстрактов, так и крупные массовые производители – найти в широком ассортименте оборудования Hielscher идеальное ультразвуковое экстракционное оборудование для своих производственных требований. Периодические, а также непрерывные встроенные технологические установки легко доступны и могут быть отправлены с полки. Подходит для работы с любым растворителем, ультразвуковая экстракция может быть гибко применена для любой экстракции растительного материала. Использование воды в качестве растворителей позволяет производить органически сертифицированные экстракты без использования высокодорогого «органического» этанола. (Конечно, растительный материал должен быть органически выращен, чтобы получить органический водный экстракт).

Высокоэффективная экстракция с ультразвуком Hielscher

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

Соответствие самым высоким стандартам качества – Проектный & Произведено в Германии

Сложное аппаратное и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher предназначено для обеспечения надежных результатов ультразвуковой экстракции из вашего ботанического сырья с воспроизводимыми результатами и удобной и безопасной эксплуатацией. Прочность, надежность, работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и простота эксплуатации с точки зрения работника являются дополнительными факторами качества, которые делают ультразвуковые аппараты Hielscher благоприятными.
Ультразвуковые экстракторы Hielscher используются во всем мире в высококачественной фитохимической экстракции. Доказано, что ультразвуковые экстракторы Hielscher дают высококачественные растительные соединения, они используются не только небольшими производителями специальных и бутиковых экстрактов, но в основном в промышленном производстве широко доступных экстрактов, пищевых добавок и терапевтических средств. Благодаря надежному аппаратному и интеллектуальному программному обеспечению ультразвуковые процессоры Hielscher можно легко эксплуатировать и контролировать.

Автоматическое протоколирование данных

Чтобы соответствовать стандартам производства пищевых продуктов, пищевых добавок и терапевтических продуктов, производственные процессы должны тщательно контролироваться и регистрироваться. Цифровые ультразвуковые устройства Hielscher Ultrasonics оснащены автоматическим протоколированием данных. Благодаря этой интеллектуальной функции все важные параметры процесса, такие как ультразвуковая энергия (общая и чистая энергия), температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенной SD-карте, как только устройство включено. Мониторинг процессов и регистрация данных важны для непрерывной стандартизации процессов и качества продукции. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете пересмотреть предыдущие прогоны обработки ультразвуком и оценить результат.
Еще одной удобной функцией является удаленное управление браузером наших цифровых ультразвуковых систем. С помощью пульта дистанционного управления браузером вы можете начать, остановить, настроить 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 процесс производства ботанического экстракта! Наши опытные сотрудники будут рады поделиться дополнительной информацией об ультразвуковой экстракции, наших ультразвуковых системах и ценах!

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Техническая информация об ультразвуковой экстракции воды

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

Параметры процесса, влияющие на ультразвуковую экстракцию

Ультразвуковая экстракция известна своими уникальными особенностями и преимуществами, которые делают обработку ультразвуком превосходным методом экстракции по сравнению с обычными методами экстракции ботанических соединений. Основное преимущество ультразвуковой экстракции заключается в точной адаптивности факторов ультразвуковой обработки (таких как амплитуда, время, температура, давление), что позволяет оптимально настроить ультразвуковой процесс на целевое соединение. Каждый растительный материал имеет идеальные параметры экстракции, при которых достигается наилучшая урожайность, качество и скорость экстракции. Ультразвуковой процесс экстракции позволяет идеально адаптировать эти оптимальные условия экстракции.

амплитуда ультразвуковых

Амплитуда представляет собой вибрационное смещение ультразвукового зонда (сонотрода). Чем выше амплитуда, тем интенсивнее вибрация и кавитация в ультразвуковой жидкости. Hielscher Ultrasonics специализируется на высокопроизводительных ультразвуковых аппаратах зондового типа, которые могут обеспечивать точно регулируемые амплитуды. Индивидуальные датчики, которые могут выдавать до 200 мкм в непрерывной работе 24/7, легко доступны с полки. Для еще более высоких амплитуд можно легко изготовить ультразвуковые сонотроды.
Амплитуда одна – 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 ультразвуковая обработка становится настолько эффективной в ботанической экстракции.

Время / Продолжительность ультразвукового лечения

Ультразвуковая экстракция обычно намного короче, чем традиционные методы, поскольку ультразвук высвобождает ботанические соединения со значительно более высокими скоростями экстракции. Ультразвук позволяет проводить более короткие процедуры экстракции, что защищает извлеченные соединения от чрезмерной обработки. Более короткая обработка благодаря ультразвуку означает более высокую пропускную способность и более высокое качество экстракта.

Импульсная ультразвуковая обработка

Ультразвуковая пульсация - это режим лечения, при котором ультразвуковое лечение прекращается определенными циклами паузы (например, 50% рабочий цикл: 30 сек. ВКЛ, 30 сек. ВЫКЛ; 100% дежурная циля: непрерывная обработка ультразвуком без пауз) Рабочий цикл ультразвука (также известный как импульсный режим или циклы ультразвуковой пульсации) относится к проценту времени, в течение которого ультразвук связан со средой (длительность импульса) в течение одного импульсного периода. Например, режим цикла 50% будет 30 сек. ВКЛ., 30 с. ВЫКЛ. Во время цикла паузы рабочего цикла ультразвуковая жидкость возвращается на определенное время (например, 30 сек.) в ненарушенное состояние, которое хорошо для рассеивания тепла с целью поддержания целевой температуры обработки. Рабочий цикл обработки ультразвуком является менее важным рабочим циклом для эффективности экстракции, но используется для поддержания определенной температуры процесса.

Гидростатическое давление

Давление – еще один очень важный параметр для ультразвуковых процессов. Применение гидростатического давления к ультразвуковой среде влияет на интенсивность кавитации. В условиях повышенного давления интенсивность ультразвуковой (акустической) кавитации увеличивается. Hielscher Ultrasonics предлагает различные типы ультразвуковых реакторов и проточных ячеек, которые могут находиться под давлением для интенсификации результатов обработки ультразвуком.

Температура экстракции

Как и любая механическая обработка, ультразвук вызывает повышение температуры, что соответствует 2-му закону термодинамики. Тем не менее, ультразвук является методом нетермической обработки, поскольку ультразвуковое лечение основано на чисто механических силах (также называемых сономеханическими силами). Температура экстракции во время ультразвуковой экстракции может эффективно контролироваться и поддерживаться в определенном выбранном температурном диапазоне. Все цифровые ультразвуковые процессоры Hielscher оснащены подключаемым датчиком температуры и интеллектуальным программным обеспечением, где для процесса может быть установлен определенный температурный диапазон. Всякий раз, когда этот температурный диапазон превышен, ультразвуковой аппарат делает паузу до тех пор, пока температура снова не окажется в выбранном диапазоне, и автоматически продолжает процедуру обработки ультразвуком. Эта интеллектуальная функция ультразвуковых аппаратов Hielscher обеспечивает точно контролируемый процесс обработки ультразвуком и идеальные результаты.
Поскольку температура экстракции может быть разной у любых растительных соединений и растений, температура является важным фактором, которым не следует пренебрегать при оптимизации ультразвукового процесса. Например, было обнаружено, что 80 ° C идеально подходит для достижения максимального выхода флавоноидов из Sophora flavescens, в то время как лучшие результаты были получены при 50 ° C для извлечения арабиноксилана из пшеничных отрубей.

Используйте любой растворитель для ультразвуковой экстракции

Различные растительные соединения имеют разную полярность, что влияет на их растворимость в различных растворителях. Например, сапонины и полисахариды более полярны и поэтому показывают хорошую растворимость в воде, поскольку вода очень полярна. Фенольные соединения, такие как антоцианы и хлорогеновая кислота, с другой стороны, довольно неполярны и поэтому лучше растворяют менее полярный растворитель, такой 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 экстракции полярных соединений, таких как псилоцибин из грибов, а также олигосахаридов, гликозидов и флавоноидов; в то время как смесь этанола и воды с концентрацией этанола 60% (v/v) пригодна для ультразвуковой экстракции, например, соединений апигенина, байкалина и лютеолина.
Узнайте больше о растворителях, полярности растворителей и наиболее подходящих растворителях для ультразвуковой экстракции!

Вода как экстракционный растворитель

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 относится сильная селективность для полярных соединений из-за его высокой полярности. Из-за высокой температуры кипения 100°C концентрация экстракта (например, путем дистилляции или ротора-испарения) 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. В целом, низкая ультразвуковая частота (т.е. около 20 кГц) генерирует 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 композиции клеточной стенки, которая может содержать целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, пектические полисахариды, белки, фенольные и нецеллюлозные соединения и воду, клеточные стенки могут быть либо прочными, либо мягкими. Различные типы и части растений содержат различные типы и количества этих компонентов клеточной стенки. Вот почему каждый тип установки требует определенных параметров обработки для оптимальных результатов экстракции.
Поскольку интенсивность может быть точно настроена, ультразвуковые экстракторы Hielscher могут надежно разрушать мягкие и твердые клеточные стенки. Мягкие клеточные стенки могут нуждаться в менее интенсивном ультразвуке, в то время как прочные клеточные структуры выигрывают от более интенсивного лечения.
Сырье для ботанической экстракции может быть свежесобранным (влажным) или высушенным. Ультразвуковая экстракция подходит как для свежих/влажных, так и для высушенных растений. Размер частиц растительных твердых тел является еще одним важным фактором: высокая площадь поверхности (т. Е. Малый размер частиц) полезна, поскольку она обеспечивает большую площадь контакта для ультразвуковых кавитационных сил сдвига, что приводит к более высокой эффективности. Поэтому растительный материал мацерируют или измельчают на мелкие кусочки (около 3-5 мм).

Почему ультразвуковая добыча является лучшим методом?

эффективность

• Более высокие урожаи
• Процесс быстрой экстракции – в течение нескольких минут
• Высококачественные экстракты – мягкая, нетермальная добыча
• Зеленые растворители (вода, этанол, глицерин, растительные масла, NADES и т.д.)

Простота

• Подключаемый ключ и игра - Настройка и работа в течение нескольких минут
• Высокая пропускная стоимость - Для крупномасштабного производства экстракта
• Пакет-мудрый или непрерывная вонная операция
• Простая установка и запуск
• Портативный / Movable - Портативные блоки или построены на колесах
• Линейный масштаб - добавить еще одну ультразвуковую систему параллельно, чтобы увеличить емкость
• Удаленный мониторинг и управление - через ПК, смартфон или планшет
• Не требуется контроль за процессом - Настройка и запуск
• Высокая производительность - предназначена для непрерывного производства 24/7
• Надежность и низкое техническое обслуживание
• высокое качество – разработан и построен в Германии
• Быстрая нагрузка и разгрузка между лотами
• Легко чистить

безопасность

• Простой и безопасный в беге
• Растворитель-менее или растворителя на основе добычи (вода, этанол, растительные масла, глицерин и т.д.)
• Отсутствие высокого давления и температуры
• Доступны едкие системы, сертифицированные ATEX
• Легко управлять (также с помощью пульта дистанционного управления)

Литература / Ссылки