Ultrazvočno ohmsko segrevanje za intenzivnejšo ekstrakcijo iz rastlinskih surovin

Ultrazvočno ohmsko segrevanje združuje kavitacijo, ki jo povzroča ultrazvok, s hitrim, enakomernim ohmskim segrevanjem za intenzivnejšo ekstrakcijo bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin. V primerjavi s konvencionalnimi metodami in metodami z enim načinom delovanja omogoča pridobivanje več fitokemikalij v bistveno krajšem času, hkrati pa zmanjša porabo energije za do 74%. Ta sinergija pospešuje prenos snovi, zmanjšuje porabo topil na najmanjšo možno mero ter omogoča čistejši in bolj trajnosten postopek ekstrakcije.

Ekstrakcija z ultrazvočnim ohmskim segrevanjem – blaga, a zelo učinkovita

Ekstrakcija z ultrazvočnim ohmskim segrevanjem združuje enakomerno volumetrično segrevanje z mehansko homogenizacijo z ultrazvokom, da doseže učinkovito sproščanje fitokemikalij v razmeroma blagih pogojih. V nasprotju s konvencionalnim ohmskim segrevanjem, ki lahko povzroči lokalizirane toplotne kanale in toplotne obremenitve, dodatek ultrazvoka povzroča kavitacijo, mikrotokove in pretrganje celičnih sten, kar izenačuje prevodnost in enakomerneje porazdeli toploto. Ta sinergija omogoča hitro ekstrakcijo pri nižjih dejanskih toplotnih obremenitvah, pri čemer ohranja toplotno občutljive fitokemikalije in zmanjšuje skupno potrebo po energiji. Ultrazvočno ohmsko segrevanje se zato uveljavlja kot blag, vendar zmogljiv pristop za pridobivanje visokokakovostnih rastlinskih izvlečkov na čistejši in bolj trajnosten način.

Ta videoposnetek ponazarja pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok. Uporabljen je ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasta vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo.

Blagi pogoji ekstrakcije pri ultrazvočnem ohmskem segrevanju

Pri praktični uporabi se temperature pri ekstrakciji iz živil in rastlinskih surovin običajno gibljejo v območju 40–70°C. Pri materialih, ki niso toplotno občutljivi, pa je mogoče doseči temperature nad 100°C.

Blago segrevanje (40–70 °C): pogosto se uporablja za občutljive rastlinske matrice ali termolabilne spojine, kadar je cilj pospešiti ekstrakcijo brez razgradnje občutljivih fitokemikalij.
Zmerno do močno segrevanje (70–100 °C): pogosto se uporablja v postopkih, katerih cilj sta hitrejše pretrganje celičnih sten in izboljšan prenos snovi, pri čemer temperatura v vodnih sistemih še vedno ostaja pod vreliščem.

Težava: toplotni kanali pri ohmskem segrevanju

Ohmsko segrevanje temelji na pretvorbi električne energije v toploto, ko tok teče skozi rastlinsko matrico. Vendar so biološka tkiva že po svoji naravi heterogena: celične stene, zračni žepi in gradienti vlažnosti povzročajo razlike v lokalni prevodnosti. Ker tok prednostno teče skozi območja z višjo prevodnostjo, nastajajo »toplotni kanali«. Te lokalizirane poti električnega toka povzročajo:

Neenakomerno segrevanje s pregretimi pasovi ob nezadostno obdelanih območjih.
Vroče točke, ki predstavljajo tveganje za toplotno razgradnjo občutljivih fitokemikalij.
Zmanjšano učinkovitost, saj ekstrakcijo omejujejo območja, ki ostajajo nezadostno segreta.

Ta težava je dobro poznana v literaturi o ohmskem segrevanju, kjer razlike v električni prevodnosti pogosto omejujejo možnosti povečanja obsega procesa in ponovljivost.

Rešitev: ohmsko segrevanje ob podpori ultrazvoka

Ko se ultrazvok poveže z ohmskim segrevanjem, več ultrazvočnih učinkov zmanjšuje nastajanje toplotnih kanalov:

Kavitacija in mikrotokovi: Ultrazvočna kavitacija ustvarja strižne sile in mikrocurke, ki neprestano razgrajujejo celične strukture in mešajo tekočine. To homogenizira medij in izravnava gradiente prevodnosti, ki bi sicer povzročili nastanek toplotnih kanalov.
Izboljšana elektroporacija: Ultrazvok oslabi celične stene in membrane ter poveča prepustnost. To zmanjša lokalne razlike v specifični električni upornosti in zagotavlja enakomernejšo porazdelitev električnega toka.
Izboljšan prenos toplote: Akustično strujanje spodbuja mešanje na mikroskopski ravni, odpravlja lokalizirane vroče točke in enakomerneje porazdeli toplotno energijo.
Sinergijska razgradnja celic: Kombinacija mehanskega pretrganja (zaradi ultrazvoka) in električnega segrevanja (zaradi ohmske obdelave) zagotavlja, da celice hitreje sprostijo svojo vsebino, preden lahko dolgotrajno segrevanje povzroči razgradnjo.

Prednosti ohmskega segrevanja ob podpori ultrazvoka

Namesto nepravilnega segrevanja po kanalih ohmsko segrevanje ob podpori ultrazvoka ustvarja stabilen, enakomeren temperaturni profil po celotni rastlinski matrici. To omogoča:

Večje izkoristke nespremenjenih fitokemikalij, npr. eteričnih olj.
Krajše čase ekstrakcije, saj se ovire za prenos snovi odpravljajo enakomerneje.
Manjši skupni vnos energije, ker se toplota uporablja učinkoviteje.

Skratka, ultrazvok odpravlja temeljno slabost ohmskega segrevanja – njegovo dovzetnost za neenakomerno porazdelitev toplote – in ga spreminja v veliko bolj nadzorovano in predvidljivo metodo ekstrakcije, ki jo je lažje prilagoditi večjemu obsegu.

Ohmsko segrevanje, izboljšano z ultrazvokom – kaj kažejo raziskave

Kumar in sod. (2023) so primerjali učinkovitost konvencionalne hidrodestilacije po Clevengerju (CHD), hidrodestilacije z ohmskim segrevanjem (OHD), hidrodestilacije ob podpori ultrazvoka (UAHD) in hidrodestilacije z ohmskim segrevanjem ob podpori ultrazvoka (UAOHD) pri ekstrakciji eteričnih olj. Dokazano je, da hidrodestilacija z ultrazvočnim ohmskim segrevanjem (UAOHD) znatno izboljša učinkovitost ekstrakcije iz rastlinskih surovin, saj združuje razdiralne učinke ultrazvoka s hitrim, enakomernim volumetričnim segrevanjem pri ohmski obdelavi. V primerjalnih preskusih z listi indijske bazilike, limonske trave in koriandra je destilacija z ultrazvočnim ohmskim segrevanjem dosledno zagotavljala večje izkoristke eteričnih olj kot konvencionalna hidrodestilacija, samo ohmsko segrevanje ali konvencionalna destilacija ob podpori ultrazvoka. Časi ekstrakcije so se skrajšali za do 86%, poraba energije pa se je zmanjšala za približno 74%, kljub večji trenutni porabi moči. Te izboljšave izhajajo iz sinergijskih mehanizmov: kavitacija in mikroturbulenca, ki ju povzroča ultrazvok, pretrgata žleze z eteričnimi olji, medtem ko ohmsko segrevanje pospešuje razgradnjo celic z elektroporacijo in enakomernim notranjim segrevanjem. Skupaj omogočajo hitrejši prenos snovi, čistejšo obdelavo brez topil in znatno manjši okoljski odtis, s čimer se hidrodestilacija z ultrazvočnim ohmskim segrevanjem uveljavlja kot trajnostna alternativa za proizvodnjo eteričnih olj, ki jo je mogoče prilagoditi večjemu obsegu.

Ta videoposnetek prikazuje pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok v elektrolizatorju s celico H. Uporablja se ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasti vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo. Ultrazvočna obdelava lahko bistveno poveča hitrost nastajanja plinastega vodika v elektrolitski celici.

Ultrazvočne elektrode za izboljšano ohmsko segrevanje

Ultrazvočne elektrode Hielscher ponujajo izrazito prednost pri ohmskem segrevanju, saj v enem sistemu združujejo dva dopolnjujoča se mehanizma: dovajanje električnega toka in ultrazvočno mešanje. Medtem ko elektroda dovaja izmenični tok, potreben za volumetrično Joulovo segrevanje, njeno sočasno nihanje pri 20 kHz ustvarja kavitacijo, mikrotokove in strižne sile, ki razgrajujejo rastlinske celične stene in homogenizirajo medij. To dvojno delovanje zmanjšuje nastajanje toplotnih kanalov na najmanjšo možno mero, zagotavlja enakomernejšo električno prevodnost in s tem enakomerno segrevanje celotnega vzorca. Hkrati učinek ultrazvočne ekstrakcije pospešuje prenos snovi in spodbuja sproščanje znotrajceličnih spojin, kar dodatno povečuje izkoristek in kakovost. Pri komercialni uporabi sistem elektrod Hielscher UIP2000hdT (2000 W na elektrodo) zagotavlja robustnost, potrebno za neprekinjeno industrijsko proizvodnjo, medtem ko manjši sistemi, kot sta UP100H (100 W) in VialTweeter, služijo kot prilagodljiva orodja za raziskave v laboratorijskem merilu in optimizacijo procesov.
Preberite več o uporabi ultrazvočnih elektrod Hielscher za intenzivnejše ohmsko segrevanje v živilski industriji!

Zakaj Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsodobnejša tehnologija
zanesljivost in robustnost
nastavljiv, natančen nadzor procesa
šaržna in pretočna obdelava
za poljubno prostornino
inteligentna programska oprema
pametne funkcije (npr. možnost programiranja, beleženje podatkov, daljinsko upravljanje)
preprosto in varno upravljanje
malo vzdrževanja
CIP (čiščenje na mestu)

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših sonikatorjev za ohmsko segrevanje / ultrazvočnih elektrod:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
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

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Sorodne teme

Literatura / viri

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.

Pogosta vprašanja

Ali sta ohmsko segrevanje in Joulovo segrevanje enaka?

Ne povsem. Joulovo segrevanje je temeljni fizikalni pojav: ko električni tok teče skozi prevodnik, se električna energija zaradi upornosti materiala pretvarja v toploto. Ohmsko segrevanje pa je tehnološka uporaba tega pojava. Pri ohmskem segrevanju se izmenični tok namerno prevaja skozi živilski, rastlinski ali biološki material, ki deluje kot uporovni medij, tako da toplota nastaja enakomerno znotraj vzorca.
Skratka, vsako ohmsko segrevanje temelji na Joulovem segrevanju, vendar vsako Joulovo segrevanje ni ohmsko segrevanje. Joulovo segrevanje je načelo; ohmsko segrevanje je proces, ki temelji na njem.

Kateri so sestavni deli sistema za ohmsko segrevanje?

Sistem za ohmsko segrevanje običajno sestavljajo napajalnik, ki dovaja izmenični tok, obdelovalna komora, v kateri je vzorec, in elektrode, nameščene na nasprotnih koncih komore, ki omogočajo pretok toka skozi material. Sistem dopolnjujejo senzorji za spremljanje napetosti, toka in temperature ter krmilne enote za uravnavanje vnosa električne energije in zagotavljanje enakomernega segrevanja.

Kaj je Joulovo segrevanje?

Joulovo segrevanje, imenovano tudi uporovno segrevanje, je nastajanje toplotne energije, ko električni tok teče skozi prevoden material, pri čemer je nastala toplota sorazmerna upornosti materiala in kvadratu električnega toka.

Kakšna je razlika med ohmskim segrevanjem in Joulovim segrevanjem?

Ohmsko segrevanje je posebna uporaba Joulovega segrevanja, pri kateri se izmenični tok prevaja neposredno skozi živilsko ali biološko matrico in z izkoriščanjem električne prevodnosti materiala povzroči enakomerno volumetrično segrevanje; nasprotno pa je »Joulovo segrevanje« splošen fizikalni pojav, medtem ko se »ohmsko segrevanje« nanaša na namensko zasnovano procesno tehnologijo.

Kje se uporablja ohmsko segrevanje?

Ohmsko segrevanje se uporablja pri predelavi živil, ekstrakciji iz rastlinskih surovin, pasterizaciji, sterilizaciji in inaktivaciji encimov ter v znanosti o materialih za procese, ki zahtevajo hitro in enakomerno segrevanje brez ovir za prenos toplote od zunaj.

Kaj je ohmska plazma?

Ohmska plazma označuje stanje plazme, v katerem električni tok, ki teče skoznjo, zaradi upornosti pretvarja energijo v toploto, kar povzroča segrevanje delcev plazme zaradi Joulovega učinka; to načelo je pomembno pri raziskavah zadrževanja plazme in fuzije.

Kakšne so prednosti ohmskega segrevanja v živilski industriji?

V živilski industriji ohmsko segrevanje ponuja pomembne prednosti, vključno s hitrim in enakomernim segrevanjem, manjšimi temperaturnimi gradienti, krajšimi časi obdelave, boljšim ohranjanjem hranil in senzoričnih lastnosti ter večjo energijsko učinkovitostjo, zaradi česar je obetavna toplotna tehnologija za izdelke s »čisto deklaracijo«.