Ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel

Djupa eutektiska lösningsmedel (DES) och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel (NADES) är kraftfulla, anpassningsbara och miljövänliga extraktionsmedier för växtmaterial, livsmedel, nutraceutiska produkter, kosmetika och farmaceutiska ingredienser. Hielschers sondbaserade ultraljudsapparater intensifierar DES-extraktionen genom att påskynda massöverföringen, bryta upp växtcellstrukturer och förbättra lösningsmedlets inträngning – även vid arbete med viskösa lösningsmedelssystem som glycerolbaserade NADES.

Oavsett om du utvärderar lösningsmedelsformuleringar i laboratoriet, optimerar extraktionsparametrar för en specifik fytokemikalie eller skalar upp till kontinuerlig inlineproduktion erbjuder Hielschers ultraljudsextraktorer reproducerbar amplitudreglering, robust drift 24/7 och skalbar bearbetning från milliliter till industriella flödeshastigheter.

Varför extrakttillverkare väljer Hielscher för DES-extraktion

• Högre extraktionseffektivitet för polyfenoler, flavonoider, cannabinoider, terpener, antocyaniner och andra bioaktiva föreningar
• Snabbare extraktion jämfört med konventionell maceration och lösningsmedelsextraktion i omrörda tankar
• Kompatibel med DES, NADES, glycerin, vatten, etanol och blandade lösningsmedelssystem
• Effektiv bearbetning av högviskösa lösningsmedel med sondbaserad ultraljudsbehandling vid hög amplitud
• Uppställningar för satsvis drift, recirkulation och kontinuerlig genomströmning
• Exakt kontroll av amplitud, energitillförsel, temperatur och processtid
• Enkel uppskalning från genomförbarhetstester till pilotproduktion och fullskalig industriell produktion

Varför ultraljudsbehandling förbättrar DES- och NADES-extraktion

Sondbaserad ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel kan erbjuda flera fördelar vid extraktion av bioaktiva föreningar. En av de främsta fördelarna är den ökade effektiviteten vid extraktion av fenolföreningar och andra fytokemikalier från naturliga källor. Djupa eutektiska lösningsmedel är kända för sin höga extraktionseffektivitet, som kan förbättras ytterligare genom ultraljudsassisterad extraktion. Eftersom de är giftfria är de ett utmärkt lösningsmedelsalternativ för läkemedel och livsmedel. Detta gör ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel till en grön och hållbar metod för utvinning av bioaktiva föreningar. Den synergistiska användningen av ultraljudsbehandling tillsammans med djupa eutektiska lösningsmedel har vetenskapligt visats ge högre utbyten av olika bioaktiva föreningar. Sammantaget erbjuder sondbaserad ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel en effektivare och miljövänligare metod för extraktion av bioaktiva föreningar.

Ultraljudsextraktion av antocyaniner med DES

Antocyaniner är värdefulla naturliga pigment och antioxidanter som finns i svarta morötter, bär, druvor, lila majs och andra växtmaterial. Djupa eutektiska lösningsmedel lämpar sig väl för extraktion av antocyaniner eftersom deras vätebindningsnätverk kan anpassas till dessa färgämnens krav på polaritet och stabilitet. I kombination med sondbaserad ultraljudsbehandling blir DES-extraktionen avsevärt effektivare: ultraljudskavitation bryter upp växtcellstrukturer, förbättrar lösningsmedlets inträngning och påskyndar frisättningen av antocyaniner till extraktionsmediet. En studie av antocyaniner från svarta morötter med ultraljudsapparaten UP400St visar att kolinkloridbaserade DES, särskilt i kombination med ultraljudsassisterad extraktion, kan erbjuda ett hållbart och effektivt alternativ till konventionell extraktion med surgjord etanol eller metanol. (jfr Türker et al., 2021)

Ultraljudsextraktion av polyfenoler med DES

Polyfenoler, inklusive flavonoider, fenolsyror och besläktade antioxidantföreningar, är viktiga målmolekyler vid extraktion för växtbaserade produkter, livsmedel, nutraceutika och kosmetika. Glycerolbaserade djupt eutektiska lösningsmedel är särskilt attraktiva för utvinning av polyfenoler eftersom deras polaritet och förmåga att bilda vätebindningar främjar upplösningen av fenolföreningar. Ultraljud som tillförs via en sond intensifierar processen ytterligare genom att öka massöverföringen, minska extraktionstiden och förbättra kontakten mellan DES och växtmatrisen.
I en forskningsstudie användes ett DES av glycerol och ammoniumacetat vid ultraljudsassisterad extraktion med optimerade parametrar såsom temperatur, DES-koncentration och ultraljudsamplitud. Resultatet visade att ultraljudsextraktion med DES möjliggjorde effektiv utvinning av totala fenoler, flavonoider och antioxidantaktivitet från frukter av paternosterträd, vilket visar potentialen hos ultraljudsextraktion med DES som en grön extraktionsmetod för industriell bearbetning av växtmaterial. (jfr Jamshed et al., 2022)

Vad är djupt eutektiska lösningsmedel (DES)?

Djupt eutektiska lösningsmedel (DESs) är blandningar av minst en vätebindningsacceptor (HBA) och en vätebindningsdonator (HBD), inklusive karboxylsyror och andra förnybara föreningar. Enligt Cai et al. (2019) är ”den starka vätebindningsinteraktionen mellan HBA och HBD den viktigaste faktorn för bildandet av DESs.” [Cai et al. 2019]
Som vätebindningsdonatorer används ofta föreningar såsom sockerarter, aminosyror, karboxylsyror (t.ex. bensoesyra, citronsyra, bärnstenssyra) eller aminer (t.ex. urea, bensamid). Vätebindningsdonatorernas potential för kemisk interaktion är den huvudsakliga faktorn som bidrar till bildandet av djupt eutektiska lösningsmedel och deras effektivitet. Halogenidsalter såsom kolinklorid eller zinkklorid kan också användas tillsammans med vätebindningsdonatorerna. Andra kolinkloridbaserade djupt eutektiska lösningsmedel bildas med malonsyra, fenol eller glycerin. Till följd av de starka vätebindningsinteraktionerna sänks smältpunkten för djupt eutektiska lösningsmedel avsevärt jämfört med de enskilda komponenternas smältpunkter. Till skillnad från konventionella lösningsmedel (t.ex. etanol, metanol, hexan, butan osv.) är djupt eutektiska lösningsmedel icke-flyktiga, vilket innebär att de har ett mycket lågt ångtryck och därmed är svårantändliga. Djupt eutektiska lösningsmedel har låg toxicitet och hög biologisk nedbrytbarhet, och de nödvändiga utgångsämnena är billiga, lättillgängliga i riklig mängd och förnybara.
Naturliga djupt eutektiska lösningsmedel (NADES) är ännu mer miljövänliga eftersom alla utgångsämnen kommer från naturliga källor. Djupt eutektiska lösningsmedel erbjuder också en anpassningsbar lösningsförmåga som baseras på det lösta ämnets kemi och de ämnen som används för att framställa de djupt eutektiska lösningsmedlen. Vissa naturliga djupt eutektiska lösningsmedel har hög viskositet och är därför inte särskilt lämpliga för satsvis extraktion. Naturliga djupt eutektiska lösningsmedel med högre viskositet kan dock med framgång användas som lösningsmedel vid ultraljudsextraktion i genomflöde.

Tabellen nedan visar några exempel på sammansättningar av naturliga djupt eutektiska lösningsmedel (NADES) för extraktion av fytokemikalier:

Hur fungerar ultraljudsextraktion med djupt eutektiska lösningsmedel?

Ultraljudsextraktion bygger på de sonomekaniska effekterna av högintensivt, lågfrekvent ultraljud. För att främja och intensifiera extraktionen av växtämnen (dvs. bioaktiva ämnen) genom ultraljudsbehandling kopplas ultraljudsvågor med hög effekt via en ultraljudssond (även kallad ultraljudshorn eller sonotrod) in i det flytande mediet, dvs. suspensionen som består av växtråvaran och det (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedlet. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och skapar omväxlande lågtrycks- och högtryckscykler. Under lågtryckscyklerna bildas mycket små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor), som växer under flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt tränger de lösta gaserna i vätskan in i vakuumbubblorna, så att vakuumbubblorna omvandlas till växande gasbubblor. Efter att ha vuxit under flera cykler når vakuumbubblorna en viss storlek där de inte kan absorbera mer energi, vilket gör att de imploderar våldsamt under en högtryckscykel. Bubbelimplosionen kännetecknas av intensiva kavitationskrafter, inklusive mycket hög temperatur och mycket högt tryck som når upp till 4000K respektive 1000atm, samt motsvarande stora temperatur- och tryckskillnader. Denna ultraljudsgenererade turbulens och dessa skjuvkrafter bryter sönder växtceller och frigör de intracellulära bioaktiva ämnena till det (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedlet. Ultraljudsextraktion öppnar växtmaterialets cellstruktur och intensifierar massöverföringen mellan växtmaterialet och lösningsmedlet. Ultraljudsbehandling förbättrar därmed de naturliga djupa eutektiska lösningsmedlens effektivitet. Ultraljudsextraktion med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel ger exceptionellt höga utbyten inom en mycket kort bearbetningstid.

Ultraljudsvågor med hög effekt bryter sönder växtmaterialets cellstruktur, frigör de bioaktiva ämnena och främjar massöverföringen mellan växtmaterialet och lösningsmedlet (t.ex. djupa eutektiska lösningsmedel).

Genom att kombinera ultraljudsextraktion med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel kan du förena ultraljudets processintensifierande kraft med de djupa eutektiska lösningsmedlens anmärkningsvärda upplösande effekter och enastående anpassningsmöjligheter. Tack vare ultraljudsextraktionens överlägsna effektivitet används ultraljudsapparater även framgångsrikt för extraktion med vatten.
Kontakta oss nu för att få veta mer om den effektiva tillämpningen av ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel!

Ultraljudsextraktorer för DES-extraktion i laboratoriet, i pilotskala och i industriell skala

Ultraljudsextraktion är en tillförlitlig bearbetningsteknik som underlättar och påskyndar framställningen av högkvalitativa extrakt från olika växtmaterial med valfritt lösningsmedel. Ultraljudsextraktion är mycket väl förenlig med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel, som är fördelaktiga tack vare sin utmärkta upplösningsförmåga, möjligheten att anpassa dem till extraktet, sin hållbarhet, biologiska nedbrytbarhet och miljövänlighet. Kombinationen av processintensifieringen genom ultraljud med hög effekt och fördelarna med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel gör denna processteknik överlägsen på många plan. Hielscher Ultrasonics sortiment täcker hela spannet från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella extraktionssystem. Alla är naturligtvis lämpliga för extraktion med djupa eutektiska lösningsmedel.
Vår personal med mångårig erfarenhet hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installationen av ditt ultraljudssystem i den slutliga produktionsskalan.