การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดสารจากพืช

การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์ผสานคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์เข้ากับการให้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่รวดเร็วและสม่ำเสมอ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืช เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิมและวิธีที่ใช้กลไกเพียงรูปแบบเดียว วิธีนี้ให้สารพฤกษเคมีมากกว่าโดยใช้เวลาน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมลดการใช้พลังงานได้สูงสุด 74% การทำงานเสริมกันนี้เร่งการถ่ายเทมวล ลดการใช้ตัวทำละลายให้เหลือน้อยที่สุด และเป็นแนวทางการสกัดที่สะอาดและยั่งยืนยิ่งขึ้น

การสกัดด้วยความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์ – อ่อนโยน แต่มีประสิทธิภาพสูงมาก

การสกัดด้วยความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์ผสานการให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งปริมาตรเข้ากับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันเชิงกลด้วยอัลตราซาวนด์ เพื่อให้สารพฤกษเคมีถูกปลดปล่อยอย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะที่ค่อนข้างอ่อนโยน การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกดั้งเดิมอาจทำให้เกิดช่องทางความร้อนเฉพาะจุดและความเค้นจากความร้อน แต่การเสริมด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดคาวิเทชัน การไหลระดับจุลภาค และการแตกของผนังเซลล์ ซึ่งทำให้ค่าการนำไฟฟ้าสม่ำเสมอและกระจายความร้อนได้ทั่วถึงยิ่งขึ้น การทำงานเสริมกันนี้ช่วยให้สกัดได้อย่างรวดเร็วด้วยภาระความร้อนที่มีผลต่อวัสดุต่ำลง จึงคงสภาพสารพฤกษเคมีที่ไวต่อความร้อน พร้อมลดความต้องการพลังงานโดยรวม ด้วยเหตุนี้ การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์จึงเป็นแนวทางที่อ่อนโยนแต่ทรงประสิทธิภาพสำหรับการผลิตสารสกัดจากพืชคุณภาพสูงอย่างสะอาดและยั่งยืนยิ่งขึ้น

สภาวะการสกัดที่อ่อนโยนสำหรับการให้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์

ในการใช้งานจริง อุณหภูมิสำหรับการสกัดอาหารและพืชโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 40–70°C อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุที่ไม่ไวต่อความร้อน สามารถใช้อุณหภูมิสูงกว่า 100°C ได้

• การให้ความร้อนระดับอ่อน (40–70 °C): มักใช้กับเมทริกซ์พืชที่บอบบางหรือสารประกอบที่ไม่ทนต่อความร้อน โดยมีเป้าหมายเพื่อเร่งการสกัดโดยไม่ทำให้สารพฤกษเคมีที่ไวต่อความร้อนเสื่อมสภาพ
• การให้ความร้อนระดับปานกลางถึงสูง (70–100 °C): พบได้ทั่วไปในกระบวนการที่มุ่งให้ผนังเซลล์แตกเร็วขึ้นและเพิ่มการถ่ายเทมวล โดยยังคงอยู่ต่ำกว่าจุดเดือดสำหรับระบบที่ใช้น้ำเป็นตัวกลาง

ปัญหา: ช่องทางความร้อนในการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก

การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกอาศัยการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเมทริกซ์พืช อย่างไรก็ตาม เนื้อเยื่อชีวภาพมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันโดยธรรมชาติ ทั้งผนังเซลล์ ช่องอากาศ และความชันของความชื้นล้วนทำให้ค่าการนำไฟฟ้าในแต่ละบริเวณแตกต่างกัน เมื่อกระแสไฟฟ้าเลือกไหลผ่านบริเวณที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าเป็นหลัก จึงเกิด “ช่องทางความร้อน” เส้นทางกระแสไฟฟ้าเฉพาะบริเวณเหล่านี้นำไปสู่:

• การให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ โดยมีแนวที่ร้อนเกินไปอยู่ติดกับบริเวณที่ผ่านกระบวนการไม่เพียงพอ
• จุดร้อนเฉพาะที่ ซึ่งเสี่ยงต่อการทำให้สารพฤกษเคมีที่ไวต่อความร้อนเสื่อมสภาพจากความร้อน
• ประสิทธิภาพที่ลดลง เนื่องจากการสกัดถูกจำกัดโดยบริเวณที่ยังได้รับความร้อนไม่เพียงพอ

ปัญหานี้เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในวรรณกรรมเกี่ยวกับการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก โดยความแปรผันของค่าการนำไฟฟ้ามักจำกัดความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการและการทำซ้ำให้ได้ผลเดิม

วิธีแก้ปัญหา: การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์

เมื่อผสานอัลตราซาวนด์เข้ากับการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก ผลของอัลตราซาวนด์หลายประการช่วยลดการเกิดช่องทางความร้อน:

• คาวิเทชันและการไหลระดับจุลภาค: คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์สร้างแรงเฉือนและลำพุ่งของของไหลระดับจุลภาคที่ทำลายโครงสร้างเซลล์และผสมของไหลอย่างต่อเนื่อง ทำให้ตัวกลางเป็นเนื้อเดียวกันและลดความชันของค่าการนำไฟฟ้าที่หากปล่อยไว้จะทำให้เกิดช่องทางความร้อน
• การเพิ่มประสิทธิภาพการสร้างรูพรุนด้วยสนามไฟฟ้า: อัลตราซาวนด์ทำให้ผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์อ่อนแอลง และเพิ่มความสามารถในการซึมผ่าน จึงลดความแตกต่างของสภาพต้านทานไฟฟ้าเฉพาะบริเวณ ทำให้กระแสไฟฟ้ากระจายตัวสม่ำเสมอยิ่งขึ้น
• การเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน: การไหลที่เกิดจากคลื่นเสียงส่งเสริมการผสมในระดับจุลภาค ช่วยกระจายความร้อนออกจากจุดร้อนเฉพาะที่ และกระจายพลังงานความร้อนได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น
• การทำลายเซลล์โดยกลไกที่เสริมกัน: การแตกเชิงกล (จากอัลตราซาวนด์) ร่วมกับการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า (จากกระบวนการโอห์มมิก) ทำให้เซลล์ปลดปล่อยสารภายในได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ก่อนที่การให้ความร้อนเป็นเวลานานจะทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ

ข้อดีของการให้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์

การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการกระจายอุณหภูมิที่คงที่และสม่ำเสมอทั่วทั้งเมทริกซ์พืช แทนการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอและกระจุกตัวตามช่องทาง ซึ่งส่งผลให้:

1. ได้ผลผลิตสารพฤกษเคมีที่ยังคงสภาพสมบูรณ์สูงขึ้น เช่น น้ำมันหอมระเหย
2. ใช้เวลาสกัดสั้นลง เนื่องจากสิ่งกีดขวางการถ่ายเทมวลถูกทำลายอย่างสม่ำเสมอยิ่งขึ้น
3. ใช้พลังงานป้อนเข้าโดยรวมต่ำลง เพราะใช้ความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

กล่าวโดยสรุป อัลตราซาวนด์ช่วยแก้จุดอ่อนพื้นฐานของการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก – การเกิดการกระจายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอได้ง่าย – โดยเปลี่ยนให้เป็นวิธีสกัดที่ควบคุมได้ คาดการณ์ได้ และขยายขนาดได้มากยิ่งขึ้น
 

การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์ – ผลการวิจัยแสดงให้เห็นอะไร

Kumar และคณะ (2023) เปรียบเทียบประสิทธิภาพในการสกัดน้ำมันหอมระเหยของการกลั่นด้วยน้ำแบบดั้งเดิมโดยใช้ชุด Clevenger (CHD) การกลั่นด้วยน้ำโดยใช้ความร้อนแบบโอห์มมิก (OHD) การกลั่นด้วยน้ำที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์ (UAHD) และการกลั่นด้วยน้ำโดยใช้ความร้อนแบบโอห์มมิกที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์ (UAOHD) มีหลักฐานแสดงว่าการกลั่นด้วยน้ำโดยใช้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์ (UAOHD) เพิ่มประสิทธิภาพการสกัดสารจากพืชได้อย่างเด่นชัด โดยผสานผลการทำลายโครงสร้างของอัลตราซาวนด์เข้ากับการให้ความร้อนทั่วทั้งปริมาตรอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอของกระบวนการโอห์มมิก ในการทดลองเปรียบเทียบกับใบกะเพรา ตะไคร้ และผักชี การกลั่นด้วยความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์ให้ผลผลิตน้ำมันหอมระเหยสูงกว่าการกลั่นด้วยน้ำแบบดั้งเดิม การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกเพียงอย่างเดียว หรือการกลั่นแบบดั้งเดิมที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์อย่างสม่ำเสมอ เวลาสกัดลดลงได้สูงสุด 86% และการใช้พลังงานลดลงประมาณ 74% แม้จะใช้กำลังไฟฟ้าขณะทำงานสูงกว่า ประโยชน์เหล่านี้เกิดจากกลไกที่เสริมกัน: คาวิเทชันและความปั่นป่วนระดับจุลภาคที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ทำให้ต่อมน้ำมันหอมระเหยแตก ขณะที่การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกเร่งการทำลายเซลล์ผ่านการสร้างรูพรุนด้วยสนามไฟฟ้าและการให้ความร้อนภายในอย่างสม่ำเสมอ เมื่อทำงานร่วมกัน กลไกเหล่านี้ช่วยให้การถ่ายเทมวลเร็วขึ้น กระบวนการสะอาดขึ้นโดยไม่ใช้ตัวทำละลาย และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างเด่นชัด ทำให้การกลั่นด้วยน้ำโดยใช้ความร้อนแบบโอห์มมิกร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและขยายขนาดได้สำหรับการผลิตน้ำมันหอมระเหย

ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก

ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์ของ Hielscher มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการให้ความร้อนแบบโอห์มมิก เพราะรวมกลไกที่เสริมกันสองอย่างไว้ในชุดเดียว ได้แก่ การจ่ายกระแสไฟฟ้าและการกวนด้วยอัลตราซาวนด์ ขณะที่ขั้วไฟฟ้าจ่ายกระแสสลับที่จำเป็นสำหรับการให้ความร้อนแบบจูลทั่วทั้งปริมาตร การสั่นพร้อมกันที่ 20 kHz ทำให้เกิดคาวิเทชัน การไหลระดับจุลภาค และแรงเฉือนที่ทำลายผนังเซลล์พืชและทำให้ตัวกลางเป็นเนื้อเดียวกัน การทำงานสองอย่างนี้ลดการเกิดช่องทางความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าสม่ำเสมอยิ่งขึ้น และส่งผลให้เกิดความร้อนอย่างทั่วถึงตลอดทั้งตัวอย่าง ในขณะเดียวกัน ผลการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เร่งการถ่ายเทมวลและส่งเสริมการปลดปล่อยสารประกอบภายในเซลล์ จึงเพิ่มผลผลิตและคุณภาพยิ่งขึ้น ในการใช้งานเชิงพาณิชย์ ระบบขั้วไฟฟ้า Hielscher UIP2000hdT (2000 W ต่อขั้วไฟฟ้า) ให้ความทนทานที่จำเป็นสำหรับการผลิตระดับอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง ขณะที่ชุดขนาดเล็กกว่า เช่น UP100H (100 W) และ VialTweeter เป็นเครื่องมือที่ยืดหยุ่นสำหรับการวิจัยระดับห้องปฏิบัติการและการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งานขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการให้ความร้อนแบบโอห์มมิกในอุตสาหกรรมอาหาร!

ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ / ขั้วไฟฟ้าอัลตราซาวนด์สำหรับการให้ความร้อนแบบโอห์มมิกของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบระดับสูงสุด ความทนทานและการใช้งานง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs