Високоефективна екстракція води за допомогою Power-Ultrasound

Вилучення рослинних сполук у воді (наприклад, екстракція холодною або гарячою водою, видобуток води під тиском та субкритична екстракція води) може бути ефективно покращена за допомогою ультразвуку. Екстракція води за допомогою ультразвуку не тільки дає вищі врожаї та скорочує час обробки, але й призводить до меншого споживання енергії, м'якших умов екстракції та високоякісних екстрактів порівняно зі звичайними методами екстракції. Ультразвукова екстракція води успішно використовується для екстракції численних сполук рослинного походження, включаючи алкалоїди, флавоноїди, глікозиди, фенольні сполуки та полісахариди.

Ультразвукова водна екстракція біологічно активних сполук

Вода є найбільш полярним розчинником, що робить її чудовим розчинником для полярних сполук. Завдяки своїй нетоксичності та екологічно чистій природі, вода стане ідеальним розчинником для будь-якого рослинного екстракту. Однак менш полярні і неполярні компоненти погано або зовсім не розчиняються у воді. Крім того, без будь-якої стимуляції масового переміщення процес видобутку у воді був би неймовірно повільним і, отже, неекономічним. Високоінтенсивний, низькочастотний ультразвук є дуже ефективним методом екстракції, який забезпечує інтенсивне перемішування і масообмін. Тому добре відомо, що ультразвукова екстракція дає значні переваги перед звичайними методами екстракції. Ці переваги включають вищі врожаї, швидку переробку, швидкі обороти партій, а також безперервну вбудовану екстракцію, використання зелених розчинників, м'які умови екстракції, які зберігають сполуки екстракту, безпеку в експлуатації та легку масштабованість до великих пропускних здатностей для комерційного виробництва. (пор. Забот та ін., 2021)

Відбір гарячої води покращено ультразвуковим випромінюванням

Параметрами, що визначають екстракцію рослинних компонентів під час видобутку води, є температура, час, тиск і площа поверхні рослинного матеріалу. Витяжка з гарячої води може бути приготовлена за відносно короткий час завдяки високій температурі води.
Розв'язання: Вихід і швидкість екстракції можуть бути значно збільшені при застосуванні ультразвукового перемішування. Гаряча вода сама по собі має лише обмежену здатність руйнувати клітинні структури, а високі температури часто пошкоджують або руйнують термолабільні сполуки, через що страждає якість екстракту. Коли ультразвукова екстракція поєднується з відведенням гарячою водою, температуру можна різко знизити (наприклад, від 100 °C до 50 °C), що запобігає термічній деградації екстрагованих рослинних інгредієнтів, збільшує загальний вихід і економить енергію. Ультразвукова кавітація є принципом явища ультразвукової екстракції. Ультразвукова (або акустична) кавітація – це чисто механічні сили, які розривають клітинні стінки, вивільняють цільові сполуки та покращують масообмін між внутрішньою частиною клітини та водою (розчинником). Таким чином, ультразвуковий видобуток води забезпечує відмінні результати екстракції.

Екстракція в холодній воді покращена ультразвуком

Екстракція холодною водою (інфузія холодною водою) значно більш неефективна, так як уникають використання гарячої води. Холодна вода або вода кімнатної температури не дуже добре витягує ботанічні сполуки, оскільки холодна вода дуже повільно вбирається в рослинний матеріал, а масообмін майже незначний. Перевага екстракції холодною водою полягає в уникненні будь-якого підвищення температури, тим самим запобігаючи термічній деградації термочутливих сполук. Однак дуже погана динаміка видобутку робить звичайний видобуток холодною водою неможливим для комерційного виробництва. Ось чому інфузія холодної води використовується майже виключно на експериментальній стадії через повільність і неефективність.
Розв'язання: За допомогою введення ультразвуку у видобуток холодною водою можна легко подолати повільність і неефективність замочування в холодній воді. Інтенсифікована ультразвуком екстракція холодною водою дозволяє підтримувати холодні температури екстракції, одночасно поєднуючи інтенсивні сили зсуву з твердим рідким середовищем. В результаті ультразвукового механізму екстракції клітинні стінки розкриваються, і ботанічні сполуки швидко вивільняються у воду. Ультразвукова екстракція та інфузія холодною водою перетворює холодне замочування на високоефективний процес, що дає високі врожаї, високоякісні екстракти за короткий час екстракції.

Екстракція води під тиском у поєднанні з ультразвуком

Ультразвукова екстракція характеризується мікроперемішуванням, яке за допомогою коливань сприяє більшій дифузії розчинника всередину частинки і з надр частинки на поверхню, інтенсифікуючи масообмін. Крім того, ультразвук зменшує розмір частинок клітинного матеріалу, що призводить до покращення ефектів екстракції рідини під тиском за допомогою ультразвуку. Менші частинки приблизно 0,68 мм демонструють вищий вихід, ніж більші частинки (приблизно 1,05 мм), оскільки більша площа поверхні дозволяє значно збільшити масообмін і тим самим покращити вихід екстракції. (пор. Забот та ін., 2021)

Ефективна екстракція холодної води під тиском за допомогою потужного ультразвуку

Під високим тиском полегшується проникнення холодної води в тканини рослин і розчиняються водорозчинні фітохімічні речовини, не викликаючи термічного розкладання. Метод екстракції холодною водою під високим тиском може бути поєднаний з ультразвуком для кращого виділення полярних і неполярних рослинних інгредієнтів. Вода як нетоксичний, дешевий і екологічно чистий розчинник є привабливою альтернативою органічному розчиннику, особливо коли мова йде про виробництво продуктів рослинного походження, терапевтичних засобів і дієтичних добавок.
Для екстракції холодної води під тиском з інтенсифікацією ультразвуком ультразвуковий зонд (сонотроде) інтегрований у резервуар для екстракції або проточну комірку. Резервуар або проточна камера зазвичай знаходяться під тиском від 5 до 100 бар залежно від цільових сполук екстракту. Hielscher Ultrasonics постачає навіть індивідуальні промислові ультразвукові реактори та проточні комірки, які можуть мати тиск до 300 барг, що дозволяє встановити оптимальний тиск у процесі екстракції.
 

Надкритичний видобуток води покращено за допомогою ультразвукового випромінювання

Підкритичний видобуток води з ультразвуковим посиленням є ще одним синергетичним методом, де енергетичний ультразвук покращує масообмін між твердим тілом і рідиною. Видобуток субкритичної води (SWE) – Також відомий як екстракція гарячої води під тиском або екстракція з перегрітою водою – є менш часто використовуваною технікою для екстракції рослинних сполук з меншою полярністю. При субкритичному видобутку води в якості розчинника використовується вода в її надкритичному стані.
Що таке докритична вода і чому докритична вода є хорошим розчинником для екстракції менш полярних рослинних сполук? “Вода має багато термодинамічних властивостей, на які сильно впливають температура і тиск. Залежно від умов, її фізичний стан (твердий, рідкий або газовий), теплова поведінка, густина або в'язкість можуть змінюватися. Підвищуючи температуру і тиск понад точку, відому як критична (221 бар і 374 °C), вода може досягти надкритичного стану. За докритичних умов, що відповідають температурам від 100°C до критичної температури (374°C) і тиску від 1 бар до критичного тиску (221 бар), щоб уникнути випаровування, полярність води зменшується; це робить воду кращим розчинником для екстракції різних органічних біологічно активних сполук.” (Лі та Чемат, 2019)
Коли ультразвук поєднується з субкритичним видобутком води, ефективність екстракції може бути покращена за рахунок збільшення виходу екстракту та скорочення часу екстракції. Для досягнення оптимальних результатів тиск у закритому реакторі періодичної дії під тиском або реакторі з проточною камерою має досягати принаймні вдвічі вищого, ніж тиск пари у воді. (Таблицю тиску пари води ви знайдете в кінці цієї сторінки.)
Huang et al. (2010) досліджували ефекти екстракції низькочастотного ультразвуку високої потужності в поєднанні з субкритичним видобутком води. Таким чином, ультразвуковий зонд підключається до чайника пристрою для видобутку підкритичної води для вилучення леткої нафти з Lithospermum erythrorhizon. Результати показали, що ефект посилення за допомогою ультразвуку на частоті 20 кГц був кращим, ніж на 36 кГц, і збільшувався зі збільшенням вихідної потужності (від 0 до 250 Вт). Вихід підкритичної води збільшився з 1,87% до 2,39% за допомогою ультразвукових коливань (250 Вт, 20 кГц) при температурі 160°С і тиску 5 МПа під час 25-хвилинної процедури екстракції. Ультразвук може покращити не тільки вихід екстракції, але й швидкість екстракції, тим самим заощаджуючи час.
Ультразвуковий підкритичний відбір води може виконуватися при нижчому тиску (наприклад, 5 барг), ніж звичайний субкритичний видобуток води (наприклад, 10 МПа), що економить витрати на електроенергію та робить процедуру видобутку безпечнішою.

Переваги ультразвукової ботанічної екстракції

Як наукові дослідження, так і промислове впровадження демонструють, що екстракція за допомогою ультразвуку є надійною та простою в експлуатації методикою, яка не потребує технічної підготовки чи інтенсивної підготовки. Дуже висока ефективність екстракції, високі врожаї, низькі експлуатаційні витрати, а також низькі інвестиційні витрати (особливо якщо порівнювати з іншими методами, такими як CO₂ екстракторів) і низькі витрати на електроенергію є основними перевагами ультразвукових екстракторів зондового типу.
Додатковими перевагами, які перетворюють технологію ультразвукової екстракції в кращий метод, є висока якість екстрактів завдяки низьким температурам екстракції, надійні результати (повторюваність / відтворюваність), повністю лінійна масштабованість до будь-якого рівня виробництва, а також низьке технічне обслуговування.
"Інші переваги, пов'язані з використанням ультразвукової екстракції зондового типу, полягають у простоті обробки екстракту, швидкому виконанні, відсутності залишків, високому виході, екологічності, підвищеній якості та запобіганні деградації екстракту.”
(пор. Чемат і Хан, 2011)

Установка екстракції для ботанічної ізоляції: Ультразвуковий UP400ST зондового типу, вакуумний фільтр Büchi і ротор-випарник для екстракції фітохімічних речовин.

Високоефективні ультразвукові апарати для видобутку води

Екстрактори Hielscher Ultrasonics добре зарекомендували себе в області ботанічної екстракції, незалежно від того, який розчинник використовується. Виробники екстракту – як менші, ексклюзивні нішеві виробники екстрактів, так і великі масові виробники – знайти в Хільшері’ Широкий асортимент обладнання дозволяє підібрати ідеальне ультразвукове екстракційне обладнання для своїх виробничих потреб. Установки для періодичної та безперервної роботи в потоці легко доступні і можуть бути доставлені з полиці. Підходить для роботи з будь-яким розчинником, ультразвукова екстракція може бути гнучко застосована для вилучення будь-якого рослинного матеріалу. Використання води в якості розчинників дозволяє виробляти органічні сертифіковані екстракти без використання дуже дорогих “органі́чний” етанол. (Звичайно, рослинна сировина повинна бути органічно вирощена, щоб отримати органічний водний екстракт).

Високоефективна екстракція за допомогою ультразвуку Hielscher

Ультразвукові екстрактори Hielscher ефективно руйнують клітини рослин, збільшують площу поверхні рослинного матеріалу для проникнення розчинників і масопереносу для вивільнення фітохімічних речовин (вторинних метаболітів). Розроблені з урахуванням зручності використання, екстрактори Hielscher швидко встановлюються та можуть бути безпечними та інтуїтивно зрозумілими.

Відповідність найвищим стандартам якості – Розроблений & Вироблено в Німеччині

Складне апаратне забезпечення та інтелектуальне програмне забезпечення ультразвукових апаратів Hielscher розроблені, щоб гарантувати надійні результати ультразвукової екстракції з вашої рослинної сировини з відтворюваними результатами та зручною та безпечною експлуатацією. Міцність, надійність, робота 24/7 при повному навантаженні та проста експлуатація з точки зору працівника є додатковими факторами якості, які роблять ультразвукові апарати Hielscher вигідними.
Екстрактори Hielscher Ultrasonics використовуються в усьому світі для високоякісної фітохімічної екстракції. Доведено, що вони дають високоякісні рослинні сполуки, ультразвукові екстрактори Hielscher використовуються не тільки невеликими майстрами спеціалізованих і бутикових екстрактів, але в основному в промисловому виробництві широко комерційних екстрактів, харчових добавок і терапевтичних засобів. Завдяки надійному апаратному забезпеченню та інтелектуальному програмному забезпеченню ультразвукові процесори Hielscher можна легко експлуатувати та контролювати їх.

Автоматичне протоколювання даних

Для того, щоб відповідати стандартам виробництва харчових продуктів, харчових добавок та терапевтичних продуктів, виробничі процеси повинні детально контролюватися та реєструватися. Цифрові ультразвукові пристрої Hielscher Ultrasonics оснащені автоматичним протоколюванням даних. Завдяки цій розумній функції всі важливі параметри процесу, такі як ультразвукова енергія (загальна та чиста енергія), температура, тиск та час, автоматично зберігаються на вбудованій SD-карті, як тільки пристрій вмикається. Моніторинг процесів і запис даних важливі для безперервної стандартизації процесів і якості продукції. Отримавши доступ до автоматично записаних даних процесу, ви можете переглянути попередні прогони ультразвуку та оцінити результат.
Ще однією зручною функцією є дистанційне керування нашими цифровими ультразвуковими системами через браузер. За допомогою віддаленого керування браузером ви можете запускати, зупиняти, налаштовувати та контролювати свій ультразвуковий процесор віддалено з будь-якого місця.
Хочете дізнатися більше про переваги ультразвукової водної екстракції з рослинної сировини? Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити процес виробництва рослинного екстракту! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про ультразвукову екстракцію, наші ультразвукові системи та ціни!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Технічна інформація про ультразвуковий видобуток води

Традиційні методи екстракції, такі як мацерація, інфузія, перколяція, відвар, екстракція при рефлюксі, парова дистиляція, сублімація та пресування, зазвичай використовуються для екстракції лікарських сполук з рослин. До недоліків цих методів можна віднести трудомісткість процесу, погану чистоту і низьку ефективність.

Параметри процесу, що впливають на ультразвукову екстракцію

Ультразвукова екстракція відома своїми унікальними особливостями та перевагами, які роблять ультразвук найкращою технікою екстракції порівняно зі звичайними методами екстракції рослинних сполук. Основна перевага ультразвукової екстракції полягає в точній адаптивності факторів ультразвукової обробки (таких як амплітуда, час, температура, тиск), що дозволяє оптимально налаштувати ультразвуковий процес на цільову сполуку. Кожна рослинна сировина має ідеальні параметри екстракції, при яких досягається найкращий вихід, якість і швидкість екстракції. Процес ультразвукової екстракції дозволяє ідеально адаптувати ці оптимальні умови екстракції.

Амплітуда ультразвуку

Амплітуда - це коливальний зсув ультразвукового зонда (сонотроде). Чим вище амплітуда, тим інтенсивніше вібрація і кавітація в ультразвукової рідини. Hielscher Ultrasonics використовується у високопродуктивних ультразвукових системах зондового типу, які можуть подавати точно регульовані амплітуди. Індивідуальні зонди, які можуть забезпечувати потужність до 200 мкм у безперервній роботі 24/7, легко доступні з полиці. Для ще більш високих амплітуд також можна легко виготовити індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Амплітуда дорівнює одиниці – якщо не найголовніший – Важливий параметр для ефективної екстракції рослин. Високі амплітуди створюють необхідні сили для руйнування клітинних стінок і для вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу. Таким чином, високоефективна ультразвукова обробка стає настільки ефективною в ботанічній екстракції.

Час / Тривалість ультразвукового лікування

Екстракція за допомогою ультразвуку зазвичай набагато коротша, ніж традиційні методи, оскільки ультразвукова діагностика вивільняє ботанічні сполуки зі значно вищою швидкістю екстракції. Ультразвук дозволяє проводити коротші процедури екстракції, що зберігає екстраговані сполуки від надмірної обробки. Коротша обробка завдяки ультразвуку означає вищу пропускну здатність і вищу якість екстракту.

Імпульсне ультразвукове лікування

Ультразвукова пульсація – це режим лікування, при якому лікування ультразвуком припиняється на певні цикли паузи (наприклад, 50% робочий цикл: 30 сек. ON, 30 сек. OFF; 100% duty cyle: безперервне УЗД без пауз) Робочий цикл ультразвуку (також відомий як імпульсний режим або цикли ультразвукової пульсації) відноситься до відсотка часу, протягом якого ультразвук з'єднується з середовищем (тривалість імпульсу) протягом одного періоду імпульсу. Наприклад, режим циклу 50% буде таким: 30 сек увімкнено, 30 сек вимкнено. Під час циклу паузи робочого циклу ультразвукова рідина повертається на певний час (наприклад, 30 секунд) назад до непорушеного стану, що добре для розсіювання тепла з метою підтримки цільової температури обробки. Робочий цикл ультразвуку є менш важливим робочим циклом для ефективності екстракції, але використовується для підтримки певної температури процесу.

Гідростатичний тиск

Тиск є ще одним дуже важливим параметром для ультразвукових процесів. Прикладання гідростатичного тиску до ультразвукового середовища впливає на інтенсивність кавітації. В умовах підвищеного тиску інтенсивність ультразвукової (акустичної) кавітації збільшується. Hielscher Ultrasonics пропонує різні типи ультразвукових реакторів періодичної дії та проточних елементів, які можна створювати тиск для отримання інтенсифікованих результатів ультразвуку.

Температура екстракції

Як і будь-яка механічна обробка, ультразвук викликає підвищення температури, що відповідає 2-му закону термодинаміки. Тим не менш, ультразвук є нетермічним методом лікування, оскільки лікування за допомогою ультразвуку засноване на чисто механічних силах (також званих сономеханічними силами). Температуру екстракції під час ультразвукової екстракції можна ефективно контролювати та підтримувати в певному вибраному діапазоні температур. Всі цифрові ультразвукові процесори Hielscher оснащені датчиком температури, що підключається, і розумним програмним забезпеченням, де можна встановити певний температурний діапазон для процесу. Щоразу, коли цей діапазон температур перевищується, ультразвуковий датчик робить паузу, поки температура знову не досягне вибраного діапазону, і продовжує автоматично процедуру ультразвуку. Ця розумна функція ультразвукових апаратів Hielscher дозволяє точно контролювати процес ультразвуку та отримувати ідеальні результати.
Так як температура екстракції може бути різною для будь-яких ботанічних сполук і рослин, температура є важливим фактором, яким не можна нехтувати при оптимізації ультразвукового процесу. Наприклад, 80 °C було визнано ідеальним для досягнення максимального виходу флавоноїдів Sophora flavescens, тоді як найкращі результати були отримані при 50 °C для екстракції арабіноксилану з пшеничних висівок.

Використовуйте будь-який розчинник для ультразвукової екстракції

Різні ботанічні сполуки мають різну полярність, що впливає на їх розчинність у різних розчинниках. Наприклад, сапоніни та полісахариди є більш полярними і тому демонструють хорошу розчинність у воді, оскільки вода дуже полярна. Фенольні сполуки, такі як антоціани та хлорогенова кислота, з іншого боку, досить неполярні і тому краще розчиняються менш полярним розчинником, таким як етанол. Таким чином, вибір розчинника повинен здійснюватися відповідно до розчинності цільових сполук з метою отримання високої ефективності екстракції. Наприклад, вода є хорошим розчинником для екстракції полярних сполук, таких як псилоцибін з грибів, а також олігосахаридів, глікозидів і флаваноїдів; У той час як суміш етанолу та води з концентрацією етанолу 60% (об/об) підходить для ультразвукової екстракції, наприклад, сполук апігеніну, байкаліну та лютеоліну.
Дізнайтеся більше про розчинники, полярність розчинників і найбільш підходящі розчинники для ультразвукової екстракції!

Вода як розчинник для екстракції

Вода є найбільш полярним розчинником і підходить для екстракції широкого спектру полярних сполук. До його основних переваг можна віднести здатність розчиняти широкий спектр речовин. Крім того, він дешевий, нетоксичний, безпечний і негорючий. До його недоліків можна віднести сильну селективність до полярних сполук через високу полярність. Завдяки високій температурі кипіння 100 ° C концентрація екстракту (наприклад, шляхом дистиляції або роторного випаровування) вимагає великої кількості енергії. Крім того, вода схильна до розмноження бактерій і цвілі.

Ультразвукова частота

Ультразвукова частота близько 20 кГц була встановлена як найбільш потужна та ефективна для ботанічної екстракції. впливає на ефективність ультразвукової екстракції при екстракції лікарських сполук з рослин. Як правило, низька ультразвукова частота (тобто приблизно на 20 кГц) генерує більш інтенсивну кавітацію (сономеханічні ефекти), що призводить до більш високої ефективності процедури екстракції.

Рослинна сировина

Рослинна сировина може сильно відрізнятися за будовою і жорсткості своїх клітин. Залежно від складу клітинної стінки, яка може містити целюлозу, геміцелюлози, лігнін, пектинові полісахариди, білки, фенольні та нецелюлозні сполуки, а також воду, клітинні стінки можуть бути як міцними, так і м'якими. Різні типи рослин і частини містять різні типи та кількості цих компонентів клітинної стінки. Ось чому кожен тип рослин вимагає певних параметрів обробки для оптимальних результатів екстракції.
Завдяки точному налаштуванню інтенсивності, ультразвукові екстрактори Hielscher можуть надійно ламати м'які та тверді клітинні стінки. М'які клітинні стінки можуть потребувати менш інтенсивного ультразвуку, тоді як міцні клітинні структури виграють від більш інтенсивного лікування.
Сировиною для ботанічного видобутку може бути свіжозібране (вологе) або висушене. Ультразвукова екстракція підходить як для свіжих/вологих, так і для сушених рослин. Розмір частинок твердих частинок рослин є ще одним важливим фактором: велика площа поверхні (тобто малий розмір частинок) є корисною, оскільки вона забезпечує велику площу контакту для ультразвукових кавітаційних сил зсуву, що призводить до більш високої ефективності. Тому рослинний матеріал мацерують або подрібнюють на дрібні шматочки (приблизно 3-5 мм).

Чому ультразвукова екстракція є найкращим методом?

Ефективність

• вищі врожаї,
• Швидкий процес екстракції – За лічені хвилини
• Високоякісні екстракти – м'яка, не термічна екстракція
• Розчинники зеленого кольору (вода, етанол, гліцерин, рослинні олії, NADES тощо)

Простота

• Plug-and-play – налаштування та робота за лічені хвилини
• Висока пропускна здатність - для великомасштабного виробництва екстрактів
• Пакетна або безперервна вбудована робота
• Простий монтаж і запуск
• Портативні / Пересувні – переносні блоки або побудовані на колесах
• Лінійне масштабування – додайте ще одну ультразвукову систему паралельно для збільшення потужності
• Віддалений моніторинг та керування – через ПК, смартфон або планшет
• Не потрібен нагляд за процесом – налаштування та запуск
• Високопродуктивний – призначений для безперервного виробництва 24/7
• Надійність і низькі експлуатаційні витрати
• Високоякісних – спроектовано та виготовлено в Німеччині
• Швидке завантаження та розвантаження між партіями
• Легко чистити

Безпеки

• Простий і безпечний у використанні
• Екстракція без розчинників або на основі розчинників (вода, етанол, рослинні олії, гліцерин тощо)
• Відсутність високих тисків і температур
• Доступні вибухозахищені системи, сертифіковані ATEX
• Простота в управлінні (в тому числі за допомогою пульта дистанційного керування)

Література / Список літератури