Ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel
Djupa eutektiska lösningsmedel (DES) och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel (NADES) är kraftfulla, anpassningsbara och miljövänliga extraktionsmedel för växtbaserade produkter, livsmedel, kosttillskott, kosmetika och farmaceutiska ingredienser. Hielschers sondsonikatorer intensifierar DES-extraktionen genom att påskynda massöverföringen, bryta ned växtcellstrukturer och förbättra lösningsmedlets penetration – även vid arbete med viskösa lösningsmedelssystem såsom glycerolbaserade NADES.
Oavsett om du testar lösningsmedelsblandningar i laboratoriet, optimerar extraktionsparametrar för en specifik fytokemikalie eller skalar upp till kontinuerlig inline-produktion, erbjuder Hielschers ultraljudsextraktorer reproducerbar amplitudreglering, pålitlig drift dygnet runt och skalbar bearbetning från milliliter till industriella flöden.
Varför extraktionsföretag väljer Hielscher för DES-extraktion
- Högre utvinningsgrad för polyfenoler, flavonoider, cannabinoider, terpener, antocyaniner och andra bioaktiva ämnen
- Snabbare extraktion jämfört med konventionell maceration och lösningsmedelsextraktion i omrörd tank
- Kompatibel med DES, NADES, glycerin, vatten, etanol och blandade lösningsmedelssystem
- Effektiv bearbetning av lösningsmedel med hög viskositet med hjälp av ultraljudsbehandling med hög amplitud
- Anläggningar för satsvis drift, återcirkulation och kontinuerlig genomströmning
- Exakt reglering av amplitud, energitillförsel, temperatur och processtid
- Enkel uppskalning från genomförbarhetstester till pilotproduktion och fullskalig industriell produktion
Ultraljudsextraktion med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel är en mycket effektiv metod för överlägsna botaniska extrakt. Bilden visar ultraljudsprocessorn UP400St (400W) med en sats på 8 liter för botanisk extraktion.
Varför ultraljudsbehandling förbättrar extraktionen av DES och NADES
Extraktion av ultraljudssond med hjälp av djupa eutektiska lösningsmedel och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel kan erbjuda flera fördelar för extraktion av bioaktiva föreningar. En av de största fördelarna är den ökade extraktionseffektiviteten av fenolföreningar och andra fytokemikalier från naturliga källor. Djupa eutektiska lösningsmedel är kända för hög extraktionseffektivitet, som till och med kan förbättras genom ultraljudsassisterad extraktion. På grund av deras giftfria egenskaper är de ett utmärkt lösningsmedelsalternativ för läkemedels- och livsmedelsprodukter. Detta gör ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel till en grön och hållbar metod för återvinning av bioaktiva föreningar. Den synergetiska användningen av ultraljud med djupa eutektiska lösningsmedel har vetenskapligt visat sig resultera i högre utbyten av olika bioaktiva föreningar. Sammantaget ger extraktion av ultraljudssondtyp med hjälp av djupa eutektiska lösningsmedel och naturliga djupa eutektiska lösningsmedel ett mer effektivt och miljövänligt tillvägagångssätt för extraktion av bioaktiva föreningar.
Vegetabiliskt glycerin är ett idealiskt extraktionsmedel på grund av dess giftfria, icke-irriterande egenskaper och dess förmåga att bevara stabiliteten och styrkan hos känsliga bioaktiva föreningar. Både rent glycerin och glycerin-vattenblandningar är användbara lösningsmedel för produktion av extrakt för kosttillskott och nutraceuticals, smakextrakt, livsmedelstillsatser och kosmetika.
Vegetabiliskt glycerin är ett idealiskt extraktionsmedel på grund av dess giftfria, icke-irriterande egenskaper och dess förmåga att bevara stabiliteten och styrkan hos känsliga bioaktiva föreningar. Både rent glycerin och glycerin-vattenblandningar är användbara lösningsmedel för produktion av extrakt för kosttillskott och nutraceuticals, smakextrakt, livsmedelstillsatser och kosmetika.
Ultraljudsextraktion av antocyaniner med DES
Antocyaniner är värdefulla naturliga pigment och antioxidanter som förekommer i svarta morötter, bär, druvor, lila majs och andra växtdelar. Djupa eutektiska lösningsmedel är väl lämpade för extraktion av antocyaniner eftersom deras nätverk av vätebindningar kan anpassas för att uppfylla kraven på polaritet och stabilitet hos dessa färgämnen. I kombination med ultraljudsbehandling med sond blir DES-extraktion betydligt effektivare: ultraljudskavitation bryter ned växtcellstrukturer, förbättrar lösningsmedlets penetration och påskyndar frisättningen av antocyaniner i extraktionsmediet. En studie av antocyaniner från svarta morötter med hjälp av ultraljudsapparaten UP400St visar att kolinkloridbaserade DES, särskilt i kombination med ultraljudsassisterad extraktion, kan utgöra ett hållbart och effektivt alternativ till konventionell extraktion med syrad etanol eller metanol. (jfr. Türker et al., 2021)
Ultraljudsextraktion av polyfenoler med DES
Polyfenoler, däribland flavonoider, fenolsyror och besläktade antioxidanter, är viktiga målmolekyler vid extraktion inom botanik, livsmedel, kosttillskott och kosmetika. Glycerolbaserade djupa eutektiska lösningsmedel är särskilt attraktiva för utvinning av polyfenoler eftersom deras polaritet och förmåga till vätebindning underlättar solubiliseringen av fenolföreningar. Ultraljud av sondtyp intensifierar processen ytterligare genom att öka massöverföringen, minska extraktionstiden och förbättra kontakten mellan det djupa eutektiska lösningsmedlet och växtmatrisen.
I en forskningsstudie användes ett DES-system bestående av glycerol och ammoniumacetat i kombination med ultraljudsassisterad extraktion under optimerade förhållanden, såsom temperatur, DES-koncentration och ultraljudsamplitud. Resultatet visade att ultraljudsextraktion med DES möjliggjorde effektiv utvinning av totala fenoler, flavonoider och antioxidantaktivitet från chinaberry-frukter, vilket visar potentialen hos ultraljudsextraktion med DES som en miljövänlig extraktionsmetod för industriell botanisk bearbetning. (jfr. Jamshed et al., 2022)
- Mycket effektiv
- Snabb process
- Ej giftig
- Exakt avstämbar till den specifika botaniska
- Milda bearbetningsförhållanden
- Batch- och flödesläge
- Enkelt och säkert
- Miljövänlig / biologiskt nedbrytbar
- Återvinningsbar
- Ej brandfarlig
- Billig
- Lättillgänglig
Vad är djupa eutektiska lösningsmedel (DES)?
Djupa eutektiska lösningsmedel (DES) är blandningar av minst en vätebindningsacceptor (HBA) och en vätebindningsdonator (HBD), däribland karboxylsyror och andra förnybara föreningar. Enligt Cai m.fl. (2019), “Den starka vätebindningsväxelverkan mellan HBA och HBD är den viktigaste faktorn för bildandet av DES.” [Cai m.fl. 2019]
För vätebindningsdonatorer används ofta föreningar som sockerarter, aminosyror, karboxylsyror (t.ex. bensoesyra, citronsyra, bärnstenssyra) eller aminer (t.ex. urea, bensamid). Den kemiska interaktionspotentialen hos vätebindningsdonatorer är de viktigaste faktorerna som bidrar till bildning och effektivitet av djupa eutektiska lösningsmedel. Halogenidsalter som kolinklorid eller zinkklorid kan också användas tillsammans med vätebindningsgivarna. Andra kolinkloridbaserade djupa eutektiska lösningsmedel bildas med malonsyra, fenol eller glycerin. Som ett resultat av de starka vätebindningsinteraktionerna reduceras smältpunkten för djupa eutektiska lösningsmedel avsevärt jämfört med dess enskilda komponenter. Till skillnad från konventionella lösningsmedel (t.ex. etanol, metanol, hexan, butan etc.) är djupa eutektiska lösningsmedel icke-flyktiga, vilket innebär att de har ett mycket lågt ångtryck och därmed är svårantändliga. Toxiciteten hos djupa eutektiska lösningsmedel är låg, deras biologiska nedbrytbarhet är hög och de nödvändiga prekursorerna är billiga, lätt och rikligt tillgängliga samt förnybara.
Naturliga djupa eutektiska lösningsmedel (NADES) är ännu mer miljövänliga eftersom alla prekursorer kommer från naturliga källor. Djupa eutektiska lösningsmedel erbjuder också en justerbar solvens baserad på kemin hos det lösta ämnet och de arter som används för att skapa djupa eutektiska lösningsmedel. Vissa naturliga djupa eutektiska lösningsmedel uppvisar en hög viskositet och de är därför inte särskilt lämpliga för satsvis extraktion. Emellertid kan naturliga djupa eutektiska lösningsmedel med högre viskositeter framgångsrikt appliceras som lösningsmedel vid ultraljudsflödesextraktion.
Tabellen nedan visar några exempel på sammansättningar av naturliga djupa eutektiska lösningsmedel (NADES) för extraktion av fytokemikalier:
| NADES sammansättning | Molförhållande |
|---|---|
| Kolinklorid: Mjölksyra | 1:2 |
| Kolinklorid: Citronsyra: Vatten | 1:1:2 |
| Kolinklorid:Äppelsyra:Vatten | 1:1:2 |
| Kolinklorid: Vinsyra | 1:2 |
| Kolinklorid: Glycerol | 1:2 |
| Kolinklorid: 1,2-propandiol | 1:3 |
| Kolinklorid: Sorbitol | 1:1 |
| Kolinklorid:Glukos:Vatten | 2:1:1 |
| Kolinklorid:Fruktos:Vatten | 2:1:1 |
| Kolinklorid: Urea | 1:2 |
Industriell sonikator UIP4000hdT med flödesceller för kontinuerlig extraktion i processledet
Hur fungerar ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel?
Ultraljudsextraktion är baserad på de sonomekaniska effekterna av högintensivt, lågfrekvent ultraljud. För att främja och intensifiera extraktionen av botaniska föreningar (dvs. bioaktiva ämnen) via ultraljud, kopplas ultraljudsvågor med hög effekt via en ultraljudssond (även kallad ultraljudshorn eller sonotrode) in i det flytande mediet, dvs den uppslamning som består av det botaniska råmaterialet och det (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedlet. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och skapar omväxlande cykler med lågt tryck / högt tryck. Under lågtryckscykler skapas små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor) som växer över flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt kommer de upplösta gaserna i vätskan in i vakuumbubblan, så att vakuumbubblan omvandlas till växande gasbubblor. Efter att ha vuxit under flera cykler når vakuumbubblorna en viss storlek vid vilken de inte kan absorbera mer energi, så att de imploderar våldsamt under en högtryckscykel. Bubbelimplosionen kännetecknas av intensiva kavitationskrafter, inklusive mycket hög temperatur och tryck som når upp till 4000K respektive 1000atm; samt motsvarande höga temperatur- och tryckskillnader. Dessa ultraljudsgenererade turbulenser och skjuvkrafter bryter ner växtceller och frigör de intracellulära bioaktiva föreningarna i det (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedlet. Ultraljudsextraktion öppnar cellstrukturen hos växter och intensifierar massöverföringen mellan växtmaterial och lösningsmedel. Ultraljudsbehandling främjar därmed effekten av naturliga djupa eutektiska lösningsmedel. Ultraljudsextraktion med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel resulterar i exceptionellt höga utbyten inom en mycket kort bearbetningstid.
Kraftfulla ultraljudsvågor stör cellstrukturen hos växter, frigör de bioaktiva föreningarna och främjar massöverföringen mellan växtmaterialet och lösningsmedlet (t.ex. djupa eutektiska lösningsmedel).
Kombinationen av ultraljudsextraktion med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel ger dig möjlighet att kombinera den processintensifierande kraften hos ultraljud med de anmärkningsvärda solubiliserande effekterna och enastående designbarheten hos djupa eutektiska lösningsmedel. På grund av den överlägsna effektiviteten av ultraljudsextraktion, Ultraljudsapparater används också framgångsrikt för vattenutvinning.
Kontakta oss nu för att lära dig mer om den kraftfulla ultraljudsextraktionsapplikationen med djupa eutektiska lösningsmedel!
Ultraljud utsug UIP2000hdT (2kW) för framställning av botaniska extrakter
Ultraljudsextraktionsapparater för laboratorie-, pilot- och industriell DES-extraktion
Ultraljudsextraktion är en pålitlig bearbetningsteknik som underlättar och påskyndar produktionen av högkvalitativa extrakt från olika botaniska såväl som alla lösningsmedel. Ultraljudsextraktion är mycket kompatibel med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel, som är gynnsamma på grund av deras utmärkta solubiliseringsförmåga, designbarhet till extraktet, hållbarhet, biologisk nedbrytbarhet och miljövänlighet. Kombinationen av processintensifieringen av kraftultraljud med fördelarna med (naturliga) djupa eutektiska lösningsmedel ger denna processteknik överlägsenhet på många nivåer. Hielscher Ultrasonics portfölj täcker hela sortimentet från kompakta labb ultraljudsapparater till industriella extraktionssystem. Alla är naturligtvis lämpliga för extraktion med djupa eutektiska lösningsmedel.
Vår erfarna personal hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installation av ditt ultraljudssystem på slutproduktionsnivå.
| Utvinningsvolym | Rekommenderad ultraljudsapparat |
|---|---|
| Metodutveckling, R&D, screening | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Batcher med visköst DES/NADES | UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1000W) |
| Pilotproduktion | UIP1000hdT eller UIP2000hdT (2000 W) |
| Kontinuerlig industriell utvinning | UIP4000hdT (4000 W), UIP6000hdT (6000 W), UIP16000hdT (16kW) eller kluster |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Dra nytta av ultraljud extraktion och använd en Hielscher sonikator för botanisk extraktion med oöverträffad effektivitet och hållbarhet!
Dra nytta av ultraljud extraktion och använd en Hielscher sonikator för botanisk extraktion med oöverträffad effektivitet och hållbarhet!
Glycerin (glycerol) kan bevara integriteten hos bioaktiva föreningar, i kombination med dess giftfria och biologiskt nedbrytbara natur, gör det till ett attraktivt lösningsmedel för läkemedels-, kosmetika- och livsmedelsindustrin. I kombination med de milda extraktionsförhållandena för ultraljud, visar ultraljud glycerinextrakt utmärkt kvalitet och biotillgänglighet. Ultraljudsbehandlingsprocessen säkerställer högsta effektivitet vilket resulterar i höga utbyten, minskad extraktionstid och låga bearbetningskostnader! Använd det lösningsmedel du väljer, uppnå utmärkta extraktionsutbyten och överlägsen extraktkvalitet med Hielscher ultraljudsapparater!
Vanliga frågor om ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel
Vad är ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel?
Ultraljudsextraktion med djupa eutektiska lösningsmedel kombinerar ultraljudsbehandling med sond med DES- eller NADES-lösningsmedelssystem. Ultraljudssonden leder in högintensiva ljudvågor i blandningen av växtmaterial och lösningsmedel. Den kavitationsprocess som uppstår bryter ned växtcellernas strukturer, förbättrar lösningsmedlets genomslagskraft och påskyndar överföringen av bioaktiva ämnen till det djupa eutektiska lösningsmedlet.
Varför använda ultraljud för extraktion av DES och NADES?
Ultraljud förbättrar extraktionen med DES och NADES genom att öka massöverföringen, förkorta extraktionstiden och göra det lättare för lösningsmedlet att nå de intracellulära föreningarna på ett mer effektivt sätt. Detta är särskilt användbart för växtbaserade material där målföreningarna är inneslutna i växtceller, fibrer eller hartsartade strukturer.
Vilka föreningar kan extraheras med DES och NADES med hjälp av ultraljudsbehandling?
Ultraljudsextraktion med DES och NADES kan användas för många bioaktiva föreningar, däribland polyfenoler, flavonoider, antocyaniner, terpener, cannabinoider, alkaloider, antioxidanter, pigment, aromämnen och andra fytokemikalier. Lösningsmedlets sammansättning bör väljas utifrån målföreningens polaritet, stabilitet och löslighet.
Är djupa eutektiska lösningsmedel kompatibla med Hielschers ultraljudsextraktionsapparater?
Ja. Hielschers sondultralatorer är lämpliga för extraktion med djupa eutektiska lösningsmedel, naturliga djupa eutektiska lösningsmedel, glycerinbaserade lösningsmedelssystem, vatten, etanol och många andra extraktionsmedier. För viskösa DES- eller NADES-system är en kraftfull sondsonikator särskilt användbar eftersom den ger intensiv omrörning, kavitation och massöverföring direkt i vätskan.
Kan ultraljudsbaserad DES-extraktion användas för lösningsmedel med hög viskositet?
Ja. Många DES- och NADES-formuleringar har högre viskositet än konventionella lösningsmedel. Hielschers ultraljudsprocessorer är väl lämpade för viskösa extraktionsmedier, eftersom sonotroden tillför ultraljud med hög amplitud direkt in i blandningen av lösningsmedel och material. Vid större volymer eller kontinuerlig bearbetning kan genomströmningsreaktorer förbättra blandningen, värmekontrollen och processens enhetlighet.
Är ultraljudsextraktion av DES lämplig för tillverkning av livsmedel, kosttillskott och kosmetika?
Ja. DES och NADES väljs ofta för tillämpningar där låg flyktighet, minskade risker med lösningsmedel och anpassningsbar extraktionsprestanda är viktiga faktorer. Beroende på vilka lösningsmedelskomponenter som väljs och vilka lagkrav som gäller kan ultraljudsextraktion med DES användas för livsmedelsingredienser, nutraceutiska extrakt, aktiva substanser i kosmetika, växtbaserade koncentrat och extrakt av forskningskvalitet.
Kan ultraljudsextraktion med DES skalas upp?
Ja. Ultraljudsextraktion är mycket skalbar eftersom samma processparametrar – såsom amplitud, energitillförsel, uppehållstid, temperatur och förhållandet mellan fast ämne och vätska – kan överföras från laboratorieförsök till pilot- och industriell produktion. Hielscher levererar ultraljudsextraktionsapparater för små laboratorieprover, optimering på bänkskiva, pilotbatcher och kontinuerlig industriell genomströmningsextraktion.
Bör jag använda ultraljudsextraktion i satsvis eller kontinuerlig drift för DES-processer?
Batch-extraktion är ofta det bästa alternativet för laboratorietester, screening av formuleringar och små produktionsvolymer. Inline-ultraljudsextraktion föredras vanligtvis för pilot- och industriproduktion eftersom den möjliggör kontrollerad uppehållstid, förbättrad reproducerbarhet, enklare kylning och kontinuerlig genomströmning. Den bästa konfigurationen beror på viskositet, växtmaterial, lösningsmedelsförhållande, målförening och produktionskapacitet.
Hur väljer jag rätt ultraljudsextraktor för DES-extraktion?
Valet av rätt ultraljudsextraktor beror på provvolym, satsstorlek, flödeshastighet, lösningsmedlets viskositet, målförening, extraktionstemperatur och produktionsmål. Små laboratorieenheter är lämpliga för metodutveckling, medan industriella ultraljudsenheter i UIP-serien används för DES-extraktion i pilot- och produktionsskala. Hielscher kan rekommendera en konfiguration baserad på ditt råmaterial, lösningsmedelssystem och önskad genomströmning.
Vilka processparametrar är viktiga vid ultraljudsextraktion av DES?
Viktiga parametrar är bland annat ultraljudsamplitud, energitillförsel, extraktionstid, temperatur, DES- eller NADES-sammansättning, vattenhalt, förhållandet mellan fast och flytande fas, partikelstorlek, viskositet och flödeshastighet. Dessa parametrar bör optimeras för varje växtbaserat material och målförening för att uppnå hög utbyte, god extraktkvalitet och reproducerbar produktion.
Litteratur / Referenser
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.