Високо ефикасна екстракција воде помоћу ултразвука

Водена екстракција ботаничких једињења (нпр. екстракција хладном или топлом водом, екстракција воде под притиском и подкритична екстракција воде) може се ефикасно побољшати ултразвуком. Екстракција воде уз помоћ ултразвука не само да даје веће приносе и скраћује време обраде, већ такође резултира мањом потрошњом енергије, блажим условима екстракције и висококвалитетним екстрактима у поређењу са конвенционалним техникама екстракције. Ултразвучна екстракција воде се успешно користи за екстракцију бројних једињења биљног порекла укључујући алкалоиде, флавоноиде, гликозиде, фенолна једињења и полисахариде.

Ултразвучна водена екстракција биоактивних једињења

Вода је најполарнији растварач, што га чини одличним растварачем за поларна једињења. Због нетоксичне и еколошке природе, вода би била идеалан растварач за било који ботанички екстракт. Међутим, мање поларне и неполарне компоненте се слабо или уопште не растварају у води. Поред тога, без промоције масовног трансфера, процес екстракције у води био би невероватно спор и самим тим неекономичан. Ултразвук високог интензитета, ниске фреквенције је веома ефикасна техника екстракције, која обезбеђује интензивно мешање и пренос масе. Због тога је добро познато да ултразвучна екстракција пружа значајне предности у односу на конвенционалне методе екстракције. Ове предности укључују веће приносе, брзу обраду, брзе брзе обртаје серија, као и континуирану екстракцију у линији, употребу зелених растварача, благе услове екстракције, који чувају екстрактна једињења, сигурност у раду и лаку скалабилност до великих протока за комерцијалну производњу. (уп. Забот ет ал., 2021)

Екстракција топле воде побољшана ултразвуком

Параметри који одређују екстракцију биљака током екстракције воде су температура, време, притисак и површина биљног материјала. Екстракт топле воде може се припремити за релативно кратко време због високе температуре воде.
Раствор: Принос и брзина екстракције могу се значајно повећати када се примени ултразвучно мешање. Сама топла вода има само ограничену способност да разбије ћелијске структуре и високе температуре често оштећују или уништавају топлотно лабилна једињења, тако да квалитет екстракта трпи. Када се ултразвучна екстракција комбинује са екстракцијом топлом водом, температура се може драстично смањити (нпр. са 100°Ц на 50°Ц), што спречава термичку деградацију екстрахованих биљних састојака, повећава укупан принос и штеди енергију. Ултразвучна кавитација је принцип иза феномена ултразвучне екстракције. Ултразвучна (или акустична) кавитација су чисто механичке силе, које разбијају ћелијске зидове, ослобађају циљна једињења и побољшавају пренос масе између унутрашњости ћелије и воде (растварача). Дакле, ултразвучна екстракција воде даје одличне резултате екстракције.

Екстракција хладном водом побољшана ултразвуком

Екстракција хладном водом (инфузија хладном водом) је знатно неефикаснија, јер се избегава употреба топле воде. Хладна вода или вода собне температуре не екстрахује добро ботаничка једињења, јер се хладна вода веома споро упија у биљни материјал и пренос масе је скоро занемарљив. Предност екстракције хладном водом лежи у избегавању било каквог пораста температуре чиме се спречава термичка деградација једињења осетљивих на топлоту. Међутим, веома лоша динамика екстракције чини конвенционалну екстракцију хладном водом неизводљивом за комерцијалну производњу. Због тога се инфузија хладне воде скоро искључиво користи у експерименталној фази због спорости и неефикасности.
Раствор: Увођењем ултразвучне обраде у екстракцију хладном водом, спорост и неефикасност намакања хладном водом могу се лако превазићи. Ултразвучно интензивирана екстракција хладном водом омогућава одржавање хладних температура екстракције, истовремено спајајући интензивне силе смицања у медијум чврсто-течност. Као резултат механизма ултразвучне екстракције, ћелијски зидови се отварају и ботаничка једињења се брзо ослобађају у воду. Ултразвучна екстракција и инфузија хладном водом претвара хладно намакање у високо ефикасан процес који даје високе приносе, висококвалитетне екстракте у кратком времену екстракције.

Екстракција воде под притиском у комбинацији са ултразвуком

Ултразвучну екстракцију карактерише микро-мешање, које кроз вибрације промовише већу дифузију растварача у честицу и од унутрашњости честице ка површини, интензивирајући пренос масе. Поред тога, ултразвучна обрада смањује величину честица ћелијског материјала, што доводи до побољшаних ефеката екстракције течности под притиском уз помоћ ултразвука. Мање честице од цца. 0,68 мм показују веће приносе од већих честица (око 1,05 мм) јер већа површина омогућава значајно повећан пренос масе и тиме побољшане приносе екстракције. (уп. Забот ет ал., 2021)

Ефикасна екстракција хладне воде под притиском уз помоћ ултразвука

Под високим притиском олакшава се продирање хладне воде у биљна ткива и растварају се у води растворљиве фитокемикалије без изазивања термичке разградње. Метода екстракције хладном водом под високим притиском може се комбиновати са ултразвуком за побољшану изолацију поларних и неполарних биљних састојака. Вода као нетоксичан, јефтин и еколошки прихватљив растварач је атрактивна алтернатива органском растварачу, посебно када је у питању производња хране биљног порекла, терапеутика и дијететских суплемената.
За ултразвучно појачано екстракцију хладне воде под притиском, ултразвучна сонда (сонотрода) је интегрисана у резервоар за екстракцију или проточну ћелију. Резервоар или проточна ћелија су нормално под притиском са притисцима између 5 и 100 бара у зависности од циљаног екстракта. Хиелсцхер Ултрасоницс испоручује чак и прилагођене индустријске ултразвучне реакторе и проточне ћелије, које могу бити под притиском до 300барг омогућавајући постављање оптималног притиска вашег процеса екстракције.
 

Екстракција суперкритичне воде побољшана ултразвуком

Ултразвучно побољшана субкритична екстракција воде је још једна синергетска техника, где ултразвук снаге побољшава пренос масе између чврсте и течности. Екстракција подкритичном водом (СВЕ) – такође познат као екстракција топле воде под притиском или екстракција прегрејане воде – је мање често коришћена техника за екстракцију ботаничких једињења нижег поларитета. У екстракцији подкритичном водом, вода у свом суперкритичном стању се користи као растварач.
Шта је подкритична вода и зашто је подкритична вода добар растварач за екстракцију мање поларних биљних једињења? „Вода поседује многа термодинамичка својства на која у великој мери утичу температура и притисак. У зависности од услова, његово физичко стање (чврсто, течно или гасовито), термичко понашање, густина или вискозитет могу бити модификовани. Повећањем температуре и притиска преко тачке познате као критична тачка (дефинисана на 221 бар и 374 °Ц), вода може да достигне суперкритично стање. У подкритичним условима, који одговарају температурама између 100°Ц и критичне температуре (374°Ц) и притиску између 1 бар и критичног притиска (221 бар) да би се избегло испаравање, поларитет воде се смањује; чини воду бољим растварачем за екстракцију различитих органских биоактивних једињења.” (Ли и Чемат, 2019)
Када се ултразвук комбинује са екстракцијом подкритичном водом, ефикасност екстракције се може побољшати повећањем приноса екстракта и смањењем времена екстракције. За оптималне резултате, притисак у затвореном шаржном реактору под притиском или реактору са проточним ћелијама треба да достигне најмање двоструко већи од притиска паре воде. (Табелу притиска водене паре можете пронаћи на крају ове странице.)
Хуанг ет ал. (2010) су истраживали ефекте екстракције ниске фреквенције ултразвука велике снаге у комбинацији са екстракцијом подкритичне воде. Ултразвучна сонда је стога спојена у котлић уређаја за екстракцију подкритичне воде како би се извукло испарљиво уље из Литхоспермум еритхрорхизон. Резултати су показали да је ефекат побољшања уз помоћ ултразвука од 20 КХз био бољи од оног од 36 КХз и да је повећан са излазном снагом (од 0 до 250 В). Принос екстракције подкритичне воде повећан је са 1,87% на 2,39% путем ултразвучне осцилације (250 В, 20 КХз) на температури од 160°Ц и притиску од 5 МПа током 25-минутне процедуре екстракције. Ултрасоницатион може побољшати не само принос екстракције, већ и брзину екстракције, чиме се штеди време.
Ултразвучно потпомогнута субкритична екстракција воде може се изводити при нижим притисцима (нпр. 5барг) од конвенционалне супкритичне екстракције воде (нпр. 10МПа), што штеди трошкове енергије и чини процедуру екстракције безбеднијом.

Предности ултразвучне ботаничке екстракције

И научно истраживање и индустријска примена показују да је екстракција уз помоћ ултразвука поуздана техника лака за руковање, која не захтева техничку позадину или интензивну обуку. Веома висока ефикасност екстракције, високи приноси, ниски оперативни трошкови, као и ниски инвестициони трошкови (нарочито у поређењу са другим техникама као што је ЦО₂ екстрактори) и ниски трошкови енергије су главне предности ултразвучних екстрактора типа сонде.
Додатне предности, које претварају ултразвучну технологију екстракције у преферирану методу, су екстракти високог квалитета због ниских температура екстракције, поуздани резултати (поновљивост / репродуктивност), потпуно линеарна скалабилност на било који ниво производње као и ниско одржавање.
„Друге предности повезане са употребом ултразвучне екстракције сонде су једноставно руковање екстрактом, брзо извођење, без остатака, висок принос, еколошки прихватљив, побољшан квалитет и спречавање деградације екстракта.“
(уп. Цхемат и Кхан, 2011)

Подешавање екстракције за ботаничку изолацију: Ултрасоникатор типа сонде УП400СТ, Буцхи вакуум филтер и ротор-испаривач за екстракцију фитокемикалија.

Ултрасоникатори високих перформанси за екстракцију воде

Екстрактори Хиелсцхер Ултрасоницс су добро познати у области ботаничке екстракције, без обзира на то који се растварач користи. Произвођачи екстракта – како мањи, ексклузивни произвођачи екстракта, тако и велики масовни произвођачи – пронађите у Хиелсцхер-овом широком портфељу опреме идеалну опрему за ултразвучну екстракцију за њихове производне захтеве. Серијска и континуална подешавања процеса су лако доступна и могу се испоручити са полице. Погодан за рад са било којим растварачем, ултразвучна екстракција се може флексибилно применити за било коју екстракцију биљног материјала. Коришћење воде као растварача омогућава производњу органских сертификованих екстраката без употребе веома скупог „органског” етанола. (Наравно, биљни материјал мора бити органски узгојен да би се произвео органски водени екстракт).

Екстракција високе ефикасности са Хиелсцхер Ултрасоницс

Хиелсцхер ултразвучни екстрактори ефикасно ометају биљне ћелије, повећавају површину биљног материјала за продирање растварача и пренос масе за ослобађање фитокемикалија (секундарних метаболита). Дизајнирани тако да буду једноставни за употребу, Хиелсцхер екстрактори се брзо инсталирају и могу се безбедно и интуитивно управљати.

Испуњавање највиших стандарда квалитета – Дизајниран & Произведено у Немачкој

Софистицирани хардвер и паметни софтвер Хиелсцхер ултрасоникатора су дизајнирани да гарантују поуздане резултате ултразвучне екстракције из ваше ботаничке сировине са поновљивим резултатима и безбедним радом. Робусност, поузданост, 24/7 рад под пуним оптерећењем и једноставан рад са гледишта радника су додатни фактори квалитета, који чине Хиелсцхер ултрасоникаторе повољним.
Хиелсцхер Ултрасоницс екстрактори се користе широм света у висококвалитетној фитокемијској екстракцији. Доказано да дају висококвалитетна ботаничка једињења, Хиелсцхер ултразвучне екстракторе не користе само мањи мајстори специјалних и бутик екстраката, већ углавном у индустријској производњи широко доступних екстраката, додатака исхрани и терапеутика. Због њиховог робусног хардвера и паметног софтвера, Хиелсцхер ултразвучни процесори се могу лако управљати и надгледати.

Аутоматско протоколирање података

Да би се испунили стандарди производње хране, додатака исхрани и терапеутских производа, процеси производње морају бити детаљно праћени и евидентирани. Хиелсцхер Ултрасоницс дигитални ултразвучни уређаји имају аутоматско протоколирање података. Захваљујући овој паметној функцији, сви важни параметри процеса као што су ултразвучна енергија (укупна и нето енергија), температура, притисак и време се аутоматски чувају на уграђеној СД картици чим се уређај укључи. Праћење процеса и снимање података су важни за континуирану стандардизацију процеса и квалитет производа. Приступом аутоматски снимљеним подацима процеса, можете ревидирати претходне резултате соникације и проценити резултат.
Још једна лака карактеристика је даљинско управљање претраживачем наших дигиталних ултразвучних система. Преко даљинске контроле претраживача можете покренути, зауставити, подесити и надгледати свој ултразвучни процесор на даљину са било ког места.
Желите да сазнате више о предностима ултразвучне екстракције воде из биљних материјала? Контактирајте нас сада да разговарамо о процесу производње ботаничког екстракта! Наше искусно особље ће радо поделити више информација о ултразвучној екстракцији, нашим ултразвучним системима и ценама!

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:

Техничке информације о ултразвучном екстракцији воде

Конвенционалне методе екстракције као што су мацерација, инфузија, перколација, децокција, рефлукс екстракција, парна дестилација, сублимација и пресовање се обично користе у екстракцији лековитих једињења из биљака. Недостаци ових метода укључују дуготрајан процес, лошу чистоћу и ниску ефикасност.

Параметри процеса који утичу на ултразвучну екстракцију

Екстракција уз помоћ ултразвука позната је по својим јединственим карактеристикама и предностима, које чине соникацију супериорном техником екстракције у поређењу са конвенционалним методама екстракције ботаничких једињења. Главна предност екстракције уз помоћ ултразвука лежи у прецизној прилагодљивости фактора ултразвучне обраде (као што су амплитуда, време, температура, притисак), што омогућава да се ултразвучни процес оптимално подеси на циљно једињење. Сваки биљни материјал има идеалне параметре екстракције, под којима се постижу најбољи принос, квалитет и брзина екстракције. Ултразвучни процес екстракције омогућава савршено прилагођавање ових оптималних услова екстракције.

Ултрасониц Амплитуде

Амплитуда је вибрационо померање ултразвучне сонде (сонотроде). Што је амплитуда већа, то су интензивније вибрације и кавитација у соникираној течности. Хиелсцхер Ултрасоницс је специјализован за ултрасоникаторе типа сонде високих перформанси, који могу обезбедити прецизно подесиве амплитуде. Прилагођене сонде, које могу да испоруче до 200 µм у непрекидном раду 24/7, су лако доступне са полице. За још веће амплитуде, прилагођене ултразвучне сонотроде се такође могу лако произвести.
Амплитуда је једна – ако не и један-највише – важан параметар за ефикасну екстракцију биљака. Високе амплитуде стварају потребне силе за разбијање ћелијских зидова и ослобађање интрацелуларног материјала. На тај начин, ултразвучна обрада високих перформанси постаје толико ефикасна у ботаничкој екстракцији.

Време / трајање ултразвучног третмана

Екстракција уз помоћ ултразвука је обично много краћа од традиционалних метода, пошто ултразвук ослобађа ботаничка једињења са знатно већим брзинама екстракције. Ултразвучна обрада омогућава краће процедуре екстракције, чиме се екстрахована једињења чувају од прекомерне обраде. Краћа обрада због ултразвука значи већу пропусност и већи квалитет екстракта.

Импулсни ултразвучни третман

Ултразвучна пулсација је режим лечења, где се ултразвучни третман прекида дефинисаним циклусима паузе (нпр. 50% циклус рада: 30 сек. УКЉУЧЕНО, 30 сек. ИСКЉУЧЕНО; 100% радни циклус: континуирана соникација без пауза) Радни циклус ултразвука ( такође познат као пулсни режим или циклуси ултразвучне пулсације) односи се на проценат времена током којег је ултразвук повезан са медијумом (трајање импулса) током једног периода импулса. На пример, режим циклуса од 50% би био 30 секунди. УКЉУЧЕНО, 30 сек. ВАН. Током циклуса паузе радног циклуса, соницирана течност се враћа на одређено време (нпр. 30 секунди) назад у неометано стање, што је добро за дисипацију топлоте како би се одржала циљна температура обраде. Радни циклус соникације је мање важан циклус рада за ефикасност екстракције, али се користи за одржавање одређене температуре процеса.

Хидростатички притисак

Притисак је још један веома важан параметар за ултразвучне процесе. Примена хидростатског притиска на соницирани медијум утиче на интензитет кавитације. У условима повишеног притиска појачава се интензитет ултразвучне (акустичне) кавитације. Хиелсцхер Ултрасоницс нуди различите врсте ултразвучних шаржних реактора и проточних ћелија, које могу бити под притиском за интензивирање резултата соникације.

Температура екстракције

Као и сваки механички третман, ултразвук изазива пораст температуре, што је у складу са 2. законом термодинамике. Ипак, ултразвук је техника нетермичког третмана, пошто се третмани уз помоћ ултразвука заснивају на чисто механичким силама (које се такође називају сономеханичке силе). Температура екстракције током ултразвучне екстракције може се ефикасно контролисати и одржавати унутар одређеног изабраног температурног опсега. Сви Хиелсцхер дигитални ултразвучни процесори су опремљени температурним сензором који се може прикључити и паметним софтвером, где се одређени температурни опсег може подесити за процес. Кад год се овај температурни опсег прекорачи, ултрасоникатор паузира док температура поново не буде у изабраном опсегу и затим аутоматски наставља процедуру соникације. Ова паметна карактеристика Хиелсцхер ултрасоницатора омогућава прецизно контролисан процес соникације и идеалне резултате.
Пошто температура екстракције може бити различита за било које ботаничко једињење и биљку, температура је важан фактор, који не треба занемарити током ултразвучне оптимизације процеса. На пример, утврђено је да је 80°Ц идеално за постизање максималног приноса флавоноида из Сопхора флавесценс, док су најбољи резултати добијени на 50°Ц за екстракцију арабиноксилана из пшеничних мекиња.

Користите било који растварач за ултразвучну екстракцију

Различита ботаничка једињења имају различите поларитете, што утиче на њихову растворљивост у различитим растварачима. На пример, сапонини и полисахариди су поларнији и стога показују добру растворљивост у води, пошто је вода високо поларна. Фенолна једињења као што су антоцијанини и хлорогенска киселина, с друге стране, су прилично неполарна и стога се боље растварају у мање поларном растварачу као што је етанол. Дакле, избор растварача треба да буде у складу са растворљивошћу циљаних једињења како би се постигла висока ефикасност екстракције. На пример, вода је добар растварач за екстракцију поларних једињења као што је псилоцибин из печурака, као и олигосахарида, гликозида и флаваноида; док је мешавина етанола и воде са концентрацијом етанола од 60% (в/в) погодна за ултразвучно потпомогнуту екстракцију нпр. једињења апигенина, баикалина и лутеолина.
Прочитајте више о растварачима, поларитету растварача и најпогоднијим растварачима за ултразвучну екстракцију!

Вода као растварач за екстракцију

Вода је најполарнији растварач и погодна је за екстракцију широког спектра поларних једињења. Његове главне предности укључују способност растварања широког спектра супстанци. Штавише, јефтин је, нетоксичан, сигуран и незапаљив. Његови недостаци укључују јаку селективност за поларна једињења због високог поларитета. Због високе тачке кључања од 100°Ц, концентрација екстракта (нпр. дестилацијом или роторским испаравањем) захтева велику количину енергије. Штавише, вода је склона расту бактерија и плесни.

Ултрасониц Фрекуенци

Ултразвучна фреквенција око 20кХз је установљена као најмоћнија и најефикаснија за ботаничку екстракцију. утиче на ефикасност екстракције уз помоћ ултразвука у екстракцији лековитих једињења из биљака. Уопштено говорећи, ниска ултразвучна фреквенција (тј. на приближно 20 кХз) ствара интензивнију кавитацију (сономеханички ефекти), што резултира већом ефикасношћу поступка екстракције.

Биљни материјал

Биљни материјали могу значајно да варирају у структури и крутости својих ћелија. У зависности од састава ћелијског зида, који може да садржи целулозу, хемицелулозу, лигнин, пектинске полисахариде, протеине, фенолна и нецелулозна једињења и воду, ћелијски зидови могу бити чврсти или мекани. Различите врсте и делови биљака садрже различите врсте и количине ових компоненти ћелијског зида. Зато свака врста постројења захтева специфичне параметре обраде за оптималне резултате екстракције.
Како се интензитет може прецизно подесити, Хиелсцхер ултразвучни екстрактори могу поуздано да разбију меке и тврде ћелијске зидове. Меким ћелијским зидовима ће можда бити потребна мање интензивна ултразвучна обрада, док чврсте ћелијске структуре имају користи од интензивнијег третмана.
Сировина за ботаничку екстракцију може бити свеже убрана (мокра) или осушена. Ултразвучна екстракција је погодна и за свеже/влажне и за осушене биљке. Величина честица чврстих честица биљке је још један важан фактор: велика површина (тј. мала величина честица) је корисна јер обезбеђује велику контактну површину за ултразвучне кавитационе смичне силе, што резултира већом ефикасношћу. Због тога се биљни материјал мацерира или меље на ситне комаде (цца 3-5мм).

Зашто је ултразвучна екстракција најбоља метода?

Ефикасност

• већи приноси
• Брзи процес екстракције – року од неколико минута
• Екстракти високог квалитета – блага, нетермална екстракција
• Зелени растварачи (вода, етанол, глицерин, биљна уља, НАДЕС итд.)

Једноставност

• Плуг-анд-плаи – Подесите и радите за неколико минута
• Велика пропусност – За производњу екстраката великих размера
• Серијски или континуирани инлине рад
• Једноставна инсталација и покретање
• Преносиви / покретни – Преносиве јединице или изграђене на точковима
• Линеарно повећање – додајте још један ултразвучни систем паралелно да бисте повећали капацитет
• Даљинско праћење и контрола – преко рачунара, паметног телефона или таблета
• Није потребан надзор процеса – Поставите и покрените
• Високе перформансе – дизајнирано за континуирану производњу 24/7
• Робусност и ниско одржавање
• висок квалитет – пројектован и изграђен у Немачкој
• Брзо пуњење и пражњење између серија
• Лако се чисти

Сигурност

• Једноставан и сигуран за покретање
• Екстракција без растварача или на бази растварача (вода, етанол, биљна уља, глицерин, итд.)
• Нема високих притисака и температура
• Доступни су системи отпорни на експлозију са АТЕКС сертификатом
• Једноставан за контролу (такође преко даљинског управљача)

Литература / Референце