Mycket effektiv vattenextraktion med hjälp av Power-Ultrasound

Vattenextraktion av botaniska föreningar (t.ex. kall- eller varmvattenextraktion, trycksatt vattenextraktion och subkritisk vattenextraktion) kan effektivt förbättras genom ultraljud. Den ultraljudsassisterade vattenextraktionen ger inte bara högre avkastning och minskar bearbetningstiden, utan resulterar också i lägre energiförbrukning, mildare extraktionsförhållanden och högkvalitativa extrakt jämfört med konventionella extraktionstekniker. Ultraljud vattenextraktion används framgångsrikt för extraktion av många växtbaserade föreningar inklusive alkaloider, flavonoider, glykosider, fenoliska föreningar och polysackarider.

Ultraljud vattenextraktion av bioaktiva föreningar

Vatten är det mest polära lösningsmedlet, vilket gör det till ett utmärkt lösningsmedel för polära föreningar. På grund av sin giftfria och miljövänliga natur skulle vatten vara det perfekta lösningsmedlet för alla botaniska extrakt. Mindre polära och icke-polära komponenter löses dock dåligt eller inte alls upp i vatten. Dessutom, utan någon massöverföringsfrämjande, skulle utvinningsprocessen i vatten vara otroligt långsam och därmed oekonomisk. Högintensivt, lågfrekvent ultraljud är en mycket effektiv extraktionsteknik som ger intensiv blandning och massöverföring. Därför är ultraljudsextraktion välkänt för att ge betydande fördelar jämfört med konventionella extraktionsmetoder. Dessa fördelar inkluderar högre utbyten, snabb bearbetning, snabba batchomsättningar samt kontinuerlig inline-extraktion, användning av gröna lösningsmedel, milda extraktionsförhållanden, som bevarar extraktföreningarna, säkerhet i drift och enkel skalbarhet till stora genomströmningar för kommersiell produktion. (jfr Zabot et al., 2021)

Varmvattenutvinning förbättrad genom ultraljud

Parametrarna som bestämmer extraktionen av växter under vattenextraktion är temperatur, tid, tryck och yta av växtmaterial. Ett varmvattenextrakt kan framställas under en relativt kort varaktighet på grund av den höga vattentemperaturen.
Lösningen: Avkastning och extraktionshastighet kan förbättras avsevärt när ultraljudsomrörning tillämpas. Enbart varmvatten har endast en begränsad förmåga att bryta ner cellstrukturer och höga temperaturer skadar eller förstör ofta värmelabila föreningar, så att extraktets kvalitet blir lidande. När ultraljudsextraktion kombineras med varmvattenextraktion kan temperaturen sänkas drastiskt (t.ex. från 100 °C till 50 °C), vilket förhindrar termisk nedbrytning av de extraherade botaniska ingredienserna, ökar den totala avkastningen och sparar energi. Ultraljud kavitation är principen bakom ultraljud extraktion fenomen. Ultraljud (eller akustisk) kavitation är rent mekaniska krafter, som bryter cellväggar, frigör målföreningarna och förbättrar massöverföringen mellan cellens inre och vattnet (lösningsmedlet). Således ger ultraljudsvattenextraktion utmärkta extraktionsresultat.

Kallvattenutvinning förbättras genom ultraljud

Kallvattenextraktion (kallvatteninfusion) är betydligt mer ineffektiv, eftersom användningen av varmt vatten undviks. Kallt eller rumstempererat vatten extraherar inte botaniska föreningar särskilt bra, eftersom det kalla vattnet sugs in riktigt långsamt i växtmaterialet och massöverföringen är nästan försumbar. Fördelen med kallvattenextraktion ligger i att man undviker temperaturhöjning och därmed förhindrar termisk nedbrytning av värmekänsliga föreningar. Den mycket dåliga extraktionsdynamiken gör dock konventionell kallvattenutvinning ogenomförbar för kommersiell produktion. Det är därför kallvatteninfusion nästan uteslutande används i experimentstadiet på grund av dess långsamhet och ineffektivitet.
Lösningen: Med införandet av ultraljud i kallvattenutvinning kan långsamheten och ineffektiviteten i kallvattenblötläggning lätt övervinnas. Den ultraljudsintensifierade kallvattenextraktionen gör det möjligt att bibehålla kalla extraktionstemperaturer, samtidigt som intensiva skjuvkrafter kopplas in i det fasta-flytande mediet. Som ett resultat av ultraljudsextraktionsmekanismen öppnas cellväggar och de botaniska föreningarna släpps snabbt ut i vattnet. Ultraljud kallvattenextraktion och infusion förvandlar kall blötläggning till en mycket effektiv process som ger höga utbyten, högkvalitativa extrakt inom en kort extraktionstid.

Trycksatt vattenextraktion i kombination med ultraljud

Ultraljudsextraktion kännetecknas av mikroblandning, som genom vibrationer främjar större diffusion av lösningsmedlet in i partikeln och från partikelns inre till ytan, vilket intensifierar massöverföringen. Dessutom minskar ultraljud partikelstorleken på det cellulära materialet, vilket leder till förbättrade effekter av ultraljudsassisterad trycksatt vätskeextraktion. Mindre partiklar på ca 0,68 mm uppvisar högre utbyten än större partiklar (ca 1,05 mm) eftersom en högre yta möjliggör betydligt ökad massöverföring och därmed förbättrat extraktionsutbyte. (jfr Zabot et al., 2021)

Effektiv trycksatt kallvattenextraktion med Power-Ultrasound

Under högt tryck underlättas inträngningen av kallt vatten i växtvävnader och vattenlösliga fytokemikalier löses upp utan att orsaka termisk nedbrytning. Extraktionsmetoden för kallvatten under högt tryck kan kombineras med ultraljud för en förbättrad isolering av polära och opolära botaniska ingredienser. Vatten som ett giftfritt, billigt och miljövänligt lösningsmedel är ett attraktivt alternativ till organiskt lösningsmedel, särskilt när det gäller produktion av växtbaserade livsmedel, terapier och kosttillskott.
För en ultraljudsintensifierad trycksatt kallvattenextraktion är en ultraljudssond (sonotrode) integrerad i extraktionstanken eller flödescellen. Tank eller flödescell är normalt trycksatta med tryck mellan 5 och 100 barg beroende på de riktade extraktföreningarna. Hielscher Ultrasonics levererar även anpassade industriella ultraljudsreaktorer och flödescell, som kan trycksättas upp till 300barg vilket gör det möjligt att ställa in det optimala trycket för din extraktionsprocess.
 

Superkritisk vattenextraktion förbättrad genom ultraljudsbehandling

En ultraljudsförstärkt subkritisk vattenextraktion är en annan synergistisk teknik, där kraftultraljud förbättrar massöverföringen mellan fast och vätska. Subkritisk vattenextraktion (SWE) – även känd som trycksatt varmvattenextraktion eller överhettad vattenextraktion – är en mindre vanlig teknik för extraktion av botaniska föreningar med lägre polaritet. Vid subkritisk vattenextraktion används vatten i sitt superkritiska tillstånd som lösningsmedel.
Vad är subkritiskt vatten och varför är subkritiskt vatten ett bra lösningsmedel för extraktion av mindre polära växtföreningar? – Vatten har många termodynamiska egenskaper som i hög grad påverkas av temperatur och tryck. Beroende på förhållandena kan dess fysiska tillstånd (fast, flytande eller gas), termiskt beteende, densitet eller viskositet ändras. Genom att öka temperaturen och trycket över en punkt som kallas kritisk punkt (definierad vid 221 bar och 374 °C) kan vatten uppnå det superkritiska tillståndet. Vid subkritiska förhållanden, motsvarande temperaturer mellan 100 °C och kritisk temperatur (374 °C) och tryck mellan 1 bar och kritiskt tryck (221 bar) för att undvika förångning, minskar vattnets polaritet; Det gör vatten till ett bättre lösningsmedel för utvinning av olika organiska bioaktiva föreningar." (Li och Chemat, 2019)
När ultraljud kombineras med subkritisk vattenextraktion kan extraktionseffektiviteten förbättras genom att öka extraktutbytet och minska extraktionstiden. För optimala resultat bör trycket i den slutna trycksatta satsreaktorn eller flödescellsreaktorn vara minst dubbelt så högt som ångtrycket i vatten. (Du hittar en tabell över vattnets ångtryck i slutet av denna sida.)
Huang et al. (2010) undersökte extraktionseffekterna av ultraljud med låg frekvens och hög effekt i kombination med subkritisk vattenextraktion. En ultraljudssond är därför kopplad till vattenkokaren i subkritisk vattenextraktionsanordning för att extrahera flyktig olja från Lithospermum erythrorhizon. Resultaten visade att den ultraljudsassisterade förstärkningseffekten på 20 KHz var bättre än den på 36 KHz och ökade med uteffekten (från 0 till 250 W). Det subkritiska vattenextraktionsutbytet ökade från 1,87 % till 2,39 % via ultraljudsoscillation (250 W, 20 KHz) vid en temperatur på 160 °C och ett tryck på 5 MPa under en 25-minuters extraktionsprocedur. Ultraljud kan förbättra inte bara extraktionsutbytet, utan också extraktionshastigheten och därmed spara tid.
Ultraljudsassisterad subkritisk vattenextraktion kan köras vid lägre tryck (t.ex. 5barg) än konventionell subkritisk vattenextraktion (t.ex. 10MPa), vilket sparar energikostnader och gör extraktionsproceduren säkrare.

Fördelarna med ultraljud botanisk extraktion

Både vetenskaplig forskning och industriell implementering visar att ultraljudsassisterad extraktion är en pålitlig och lättanvänd teknik, som inte kräver någon teknisk bakgrund eller intensiv utbildning. Mycket hög utvinningseffektivitet, hög avkastning, låga driftskostnader samt låga investeringskostnader (särskilt jämfört med andra tekniker som CO₂ extraktorer) och låga energikostnader är de främsta fördelarna med ultraljudsextraktorer av sondtyp.
Ytterligare fördelar, som gör ultraljudsextraktionstekniken till den föredragna metoden, är högkvalitativa extrakt på grund av låga extraktionstemperaturer, tillförlitliga resultat (repeterbarhet / reproducerbarhet), helt linjär skalbarhet till alla produktionsnivåer samt lågt underhåll.
"Andra fördelar kopplade till användningen av ultraljudssondextraktion är enkel hantering av extrakt, snabb exekvering, inga rester, hög avkastning, miljövänlig, förbättrad kvalitet och förebyggande av extraktnedbrytning."
(jfr Chemat och Khan, 2011)

Extraktionsinställning för botanisk isolering: Ultraljud av sondtyp UP400ST, Büchi vakuumfilter och rotorförångare för extraktion av fytokemikalier.

Högpresterande ultraljudsapparater för vattenutvinning

Hielscher Ultrasonics extraktorer är väl etablerade inom området botanisk extraktion, oavsett vilket lösningsmedel som används. Producenter av utdrag – både mindre, exklusiva nischade extrakttillverkare samt storskaliga massproducenter – hitta i Hielschers breda utrustningsportfölj den perfekta ultraljudsutsugningsutrustningen för deras produktionskrav. Batch- och kontinuerliga inline-processinställningar är lättillgängliga och kan skickas från hyllan. Lämplig att arbeta med vilket lösningsmedel som helst, ultraljudsextraktion kan flexibelt appliceras för alla växtmaterialextraktioner. Genom att använda vatten som lösningsmedel kan man producera ekologiskt certifierade extrakt utan att använda mycket dyr "ekologisk" etanol. (Naturligtvis måste växtmaterialet vara ekologiskt odlat för att producera ett organiskt vattenextrakt).

Högeffektiv extraktion med Hielscher ultraljud

Hielscher ultraljud extraktorer stör effektivt växtceller, ökar ytan på växtmaterialet för lösningsmedel penetration, och massöverföring för frisättning av fytokemikalier (sekundära metaboliter). Hielscher-utdragare är utformade med hänsyn till användarvänlighet och installeras snabbt och kan användas säkert och intuitivt.

Uppfyller de högsta kvalitetsstandarderna – Designad & Tillverkad i Tyskland

Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran i Hielscher ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitliga ultraljudsextraktionsresultat från ditt botaniska råmaterial med reproducerbara resultat och användarvänlig, säker drift. Robusthet, tillförlitlighet, 24/7 drift under full belastning och enkel drift ur arbetarens synvinkel är ytterligare kvalitetsfaktorer, som gör Hielscher ultraljudsapparater gynnsamma.
Hielscher Ultrasonics extraktorer används över hela världen i högkvalitativ fytokemisk extraktion. Hielscher ultraljudsextraktorer har visat sig ge högkvalitativa botaniska föreningar och används inte bara av mindre hantverkare av special- och boutique-extrakt, utan mestadels i industriell produktion av allmänt kommersiellt tillgängliga extrakt, näringstillskott och terapier. På grund av deras robusta hårdvara och smarta programvara kan Hielscher ultraljudsprocessorer enkelt användas och övervakas.

Automatisk dataprotokollering

För att uppfylla produktionsnormerna för livsmedel, kosttillskott och terapeutiska produkter måste produktionsprocesserna övervakas och registreras i detalj. Hielscher Ultrasonics digitala ultraljudsenheter har automatisk dataprotokollering. På grund av denna smarta funktion lagras alla viktiga processparametrar som ultraljudsenergi (total och nettoenergi), temperatur, tryck och tid automatiskt på ett inbyggt SD-kort så snart enheten slås på. Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du revidera tidigare ultraljudsbehandling körningar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll till våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontrollen kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans var som helst.
Vill du lära dig mer om fördelarna med ultraljudsvattenutvinning från växtmaterial? Kontakta oss nu för att diskutera din tillverkningsprocess för botaniska extrakt! Vår erfarna personal delar gärna med sig av mer information om ultraljudsextraktion, våra ultraljudssystem och priser!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Teknisk information om ultraljudsvattenextraktion

Konventionella extraktionsmetoder såsom maceration, infusion, perkolation, avkok, återflödesextraktion, ångdestillation, sublimering och pressning används ofta vid extraktion av medicinska föreningar från växter. Nackdelarna med dessa metoder inkluderar tidskrävande process, dålig renhet och låg effektivitet.

Processparametrar som påverkar ultraljudsextraktion

Ultraljudsassisterad extraktion är känd för sina unika egenskaper och fördelar, vilket gör ultraljudsbehandling till den överlägsna extraktionstekniken jämfört med konventionella extraktionsmetoder för botaniska föreningar. En stor fördel med ultraljudsstödd extraktion ligger i den exakta anpassningsförmågan hos ultraljudsbearbetningsfaktorer (såsom amplitud, tid, temperatur, tryck), vilket gör det möjligt att ställa in ultraljudsprocessen optimalt till målföreningen. Varje växtmaterial har idealiska extraktionsparametrar, under vilka bästa avkastning, kvalitet och extraktionshastighet uppnås. Ultraljudsextraktionsprocessen gör det möjligt att anpassa dessa optimala extraktionsförhållanden perfekt.

Ultraljud amplitud

Amplituden är den vibrationella förskjutningen av ultraljudssonden (sonotrode). Ju högre amplitud, desto intensivare vibration och kavitation i den sonikerade vätskan. Hielscher Ultrasonics är spezialized i högpresterande sond-typ ultraljudsapparater, som kan leverera exakt justerbara amplituder. Anpassade prober som kan leverera upp till 200 μm i kontinuerlig 24/7-drift är lätt tillgängliga från hyllan. För ännu högre amplituder, anpassade ultraljud sonotroder kan lätt tillverkas, också.
Amplituden är en – om inte den enskilt mest – Viktig parameter för effektiv växtextraktion. Höga amplituder skapar de krafter som krävs för att bryta upp cellväggar och frigöra det intracellulära materialet. Därmed blir högpresterande ultraljud så effektiv i botanisk extraktion.

Tid / varaktighet av ultraljudsbehandling

Ultraljudsassisterad extraktion är vanligtvis mycket kortare än traditionella metoder, eftersom ultraljudsbehandling frigör de botaniska föreningarna vid betydligt högre extraktionshastigheter. Ultraljud möjliggör kortare extraktionsprocedurer, vilket bevarar de extraherade föreningarna mot överbearbetning. Kortare bearbetning på grund av ultraljud innebär högre genomströmning och högre extraktkvalitet.

Pulserande ultraljudsbehandling

Ultraljudspulsering är ett behandlingsläge, där ultraljudsbehandlingen avbryts av definierade pauscykler (t.ex. 50 % arbetscykel: 30 sek. PÅ, 30 sek. AV; 100% drift cyle: kontinuerlig ultraljudsbehandling utan pauser) Driftcykeln för ultraljud (även känd som pulsläge eller ultraljudspulseringscykler) hänvisar till procentandelen av tiden under vilken ultraljud är kopplat till mediet (pulslängd) under en pulsperiod. Till exempel skulle ett 50 % cykelläge vara 30 sek PÅ, 30 sek AV. Under pauscykeln för en arbetscykel kommer den sonikerade vätskan under en definierad tid (t.ex. 30 sek.) tillbaka till ett ostört tillstånd, vilket är bra för värmeavledning för att upprätthålla en målbearbetningstemperatur. Driftcykeln för ultraljudsbehandling är mindre viktig arbetscykel för extraktionseffektivitet, men används för att upprätthålla en viss processtemperatur.

Hydrostatiskt tryck

Tryck är en annan mycket viktig parameter för ultraljudsprocesser. Att applicera hydrostatiskt tryck på det ultraljudsbehandlade mediet påverkar kavitationsintensiteten. Under förhöjda tryckförhållanden ökar intensiteten av ultraljud (akustisk) kavitation. Hielscher Ultrasonics erbjuder olika typer av ultraljud satsvis reaktorer och flödesceller, som kan trycksättas för intensifierade ultraljudsbehandling resultat.

Extraktionstemperatur

Liksom all mekanisk behandling orsakar ultraljud en ökning av temperaturen, vilket är i enlighet med termodynamikens 2: a lag. Ändå är ultraljud en icke-termisk behandlingsteknik, eftersom ultraljudsassisterade behandlingar är baserade på rent mekaniska krafter (även kallade sonomekaniska krafter). Extraktionstemperaturen under ultraljudsextraktion kan effektivt kontrolleras och bibehållas inom ett visst valt temperaturområde. Alla Hielscher digitala ultraljudsprocessorer är utrustade med en pluggbar temperatursensor och en smart programvara, där ett visst temperaturområde kan ställas in för processen. När detta temperaturområde överskrids, pausar ultraljudaren tills temperaturen är inom det valda området igen och fortsätter sedan automatiskt ultraljudsbehandlingsproceduren. Denna smarta funktion hos Hielscher ultraljudsapparater möjliggör en exakt kontrollerbar ultraljudsbehandling process och idealiska resultat.
Eftersom extraktionstemperaturen kan vara olika alla botaniska föreningar och växter, är temperaturen en viktig faktor, som inte bör försummas under ultraljudsprocessoptimering. Till exempel visade sig 80 °C vara idealiskt för att uppnå maximal avkastning av flavonoider från Sophora flavescens, medan bästa resultat erhölls vid 50 °C för extraktion av arabinoxylan från vetekli.

Använd något lösningsmedel för ultraljudsextraktion

Olika botaniska föreningar har olika polariteter, vilket påverkar deras löslighet i olika lösningsmedel. Till exempel är saponiner och polysackarider mer polära och visar därför god löslighet i vatten, eftersom vatten är mycket polärt. Fenolföreningar som antocyaniner och klorogensyra är å andra sidan ganska opolära och löser sig därför bättre i ett mindre polärt lösningsmedel som etanol. Således bör valet av lösningsmedel göras i enlighet med lösligheten av riktade föreningar för att erhålla hög extraktionseffektivitet. Vatten är till exempel ett bra lösningsmedel för extraktion av polära föreningar som psilocybin från svampar samt oligosackarider, glykosider och flavonoider; medan en etanol-vattenblandning med en etanolkoncentration på 60 % (v/v) är lämplig för ultraljudsassisterad extraktion av t.ex. apigenin-, baicalin- och luteolinföreningar.
Läs mer om lösningsmedel, lösningsmedels polaritet och de mest lämpliga lösningsmedlen för ultraljudsextraktion!

Vatten som extraktionsmedel

Vatten är det mest polära lösningsmedlet och är lämpligt för extraktion av ett brett spektrum av polära föreningar. Dess stora fördelar inkluderar förmågan att lösa upp ett brett spektrum av ämnen. Dessutom är det billigt, giftfritt, säkert och icke brandfarligt. Dess nackdelar inkluderar den starka selektiviteten för polära föreningar på grund av dess höga polaritet. På grund av den höga kokpunkten på 100 °C kräver extraktets koncentration (t.ex. via destillation eller rotoravdunstning) en stor mängd energi. Dessutom är vatten känsligt för bakterie- och mögeltillväxt.

Ultraljud frekvens

Ultraljudsfrekvensen runt 20 kHz har fastställts som den mest kraftfulla och effektiva för botanisk extraktion. påverkar effektiviteten av ultraljudsassisterad extraktion vid extraktion av medicinska föreningar från växter. I allmänhet genererar den låga ultraljudsfrekvensen (dvs. vid ca 20 kHz) mer intensiv kavitation (sonomekaniska effekter), vilket resulterar i högre effektivitet av extraktionsproceduren.

Växtmaterialet

Växtmaterial kan variera kraftigt i struktur och styvhet hos sina celler. Beroende på cellväggens sammansättning, som kan innehålla cellulosa, hemicellulosa, lignin, pektinpolysackarider, proteiner, fenoliska och icke-cellulosahaltiga föreningar och vatten, kan cellväggarna vara antingen robusta eller mjuka. Olika växttyper och växtdelar innehåller olika typer och mängder av dessa cellväggskomponenter. Det är därför varje typ av anläggning kräver specifika bearbetningsparametrar för optimala extraktionsresultat.
Eftersom intensiteten kan ställas in exakt, kan Hielscher ultraljudsutdrag på ett tillförlitligt sätt bryta mjuka och hårda cellväggar. Mjuka cellväggar kan behöva mindre intensiv ultraljud, medan robusta cellstrukturer drar nytta av en mer intensiv behandling.
Råvaran för botanisk extraktion kan vara nyskördad (våt) eller torkad. Ultraljudsextraktion är lämplig för både färska/våta och torkade växter. Partikelstorleken hos växtens fasta ämnen är en annan viktig faktor: En hög yta (dvs. liten partikelstorlek) är fördelaktig eftersom den ger en stor kontaktyta för de ultraljudskavitationella skjuvkrafterna, vilket resulterar i högre effektivitet. Därför macereras eller mals växtmaterialet till små bitar (ca 3-5 mm).

Varför är ultraljudsextraktion den bästa metoden?

Effektivitet

• Högre avkastning
• Snabb extraktionsprocess – inom några minuter
• Extrakt av hög kvalitet – Mild, icke-termisk extraktion
• Gröna lösningsmedel (vatten, etanol, glycerin, vegetabiliska oljor, NADES etc.)

Enkelhet

• Plug-and-play – installation och drift inom några minuter
• Hög genomströmning – För storskalig extraktproduktion
• Batchvis eller kontinuerlig inline-drift
• Enkel installation och uppstart
• Bärbar / Rörlig – Bärbara enheter eller byggda på hjul
• Linjär uppskalning – lägg till ytterligare ett ultraljudssystem parallellt för att öka kapaciteten
• Fjärrövervakning och styrning – via dator, smartphone eller surfplatta
• Ingen processövervakning krävs – installation och drift
• Högpresterande – designad för kontinuerlig 24/7 produktion
• Robusthet och lågt underhåll
• Hög kvalitet – designad och byggd i Tyskland
• Snabb lastning och lossning mellan partier
• Lätt att rengöra

Säkerhet

• Enkel och säker att köra
• Lösningsmedelsfri eller lösningsmedelsbaserad extraktion (vatten, etanol, vegetabiliska oljor, glycerin, etc.)
• Inga höga tryck och temperaturer
• ATEX-certifierade explosionssäkra system finns tillgängliga
• Lätt att styra (även via fjärrkontroll)

Litteratur / Referenser