Ультразвукова екстракція та її принцип дії

Ультразвукова екстракція є переважною технікою для ізоляції біоактивних сполук з рослинної сировини. Ультразвукова обробка забезпечує повну екстракцію, і завдяки цьому отримують надзвичайно високі виходи екстрактів за дуже короткий час екстракції. Будучи таким ефективним методом екстракції, ультразвукова екстракція економить час і кошти, забезпечуючи при цьому високоякісні екстракти, які використовуються у харчовій промисловості, виробництві добавок та фармацевтиці.

Ультразвукова екстракція

Ультразвукова екстракція використовується у харчовій промисловості, виробництві харчових добавок та фармацевтиці для вивільнення біоактивних сполук, таких як вітаміни, поліфеноли, полісахариди, каннабіноїди та інші фітохімічні речовини з рослинної сировини. Екстракція за допомогою ультразвуку базується на принципі дії акустичної або ультразвукової кавітації.

Як працює акустична кавітація?

Ультразвукова екстракція досягається, коли високочастотні ультразвукові хвилі низької частоти вводяться в суспензію, що складається з рослинної сировини в розчиннику. Високопотужні ультразвукові хвилі вводяться в суспензію через ультразвуковий процесор зондового типу. Високоенергетичні ультразвукові хвилі поширюються через рідину, створюючи чергування циклів високого тиску / низького тиску, що призводить до явища акустичної кавітації. Акустична або ультразвукова кавітація призводить локально до екстремальних температур, тисків, швидкостей нагрівання/охолодження, різниць тисків та високих зсувних сил у середовищі. Коли кавітаційні бульбашки імплідують на поверхні твердих тіл (таких як частинки, рослинні клітини, тканини тощо), мікрострумені та зіткнення між частинками генерують такі ефекти, як відшарування поверхні, ерозія, руйнування частинок, сонопорація (перфорація клітинних стінок та клітинних мембран) та руйнування клітин. Крім того, імплосія кавітаційних бульбашок у рідких середовищах створює макротурбулентності та мікромікшування. Ультразвукове опромінення є ефективним способом інтенсифікації процесів масопереносу, оскільки ультразвукова обробка призводить до кавітації та пов’язаних з нею механізмів, таких як мікрорухи за допомогою рідинних струменів, стиснення та розширення в матеріалі з подальшим руйнуванням клітинних стінок, а також високих швидкостей нагрівання та охолодження.
Ультразвукові гомогенізатори зондового типу можуть генерувати дуже високі амплітуди, що необхідно для створення впливової кавітації. Hielscher Ultrasonic виробляє високоефективні ультразвукові екстрактори, які можуть легко створювати амплітуди 200µm в безперервному режимі роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд Hielscher пропонує спеціальні високоефективні сонотроди (зонди).
Для інтенсифікації кавітації використовуються ультразвукові реактори та проточні комірки, що працюють під тиском. Зі збільшенням тиску кавітація та кавітаційні зсувні сили стають більш руйнівними, тим самим покращуючи ефекти ультразвукової екстракції.

Ультразвукова екстракція базується на акустичній кавітації та її гідродинамічних зсувних силах

Ефекти ультразвукової екстракції

Ультразвукове руйнування клітин та інтенсифікація масопереносу
Ультразвук може сприяти процесам екстракції як через руйнування клітин, так і через інтенсифікацію масопереносу в граничному шарі навколо твердої матриці.
Сонопорація, перфорація клітинних стінок та мембран, підвищує проникність клітинних стінок та мембран і часто є проміжним етапом перед повним руйнуванням клітин за допомогою ультразвукової обробки.
Механічні ефекти ультразвукової кавітації, такі як різниці температур та тисків, ударні хвилі, зсувні сили, рідинні струмені та мікрострумені, інтенсифікують проникнення розчинника всередину клітини та покращують масоперенос між клітиною та розчинником, так що міжклітинні матеріали переносяться в розчинник.

Ультразвукова екстракція з рослинних клітин: мікроскопічний поперечний зріз (TS) показує механізм дії під час ультразвукової екстракції з клітин (збільшення 2000x) [джерело: Vilkhu et al. 2011]

Обладнання для ультразвукової екстракції

Процесори Hielscher Ultrasonics є високоефективними системами екстракції, які прості та безпечні в експлуатації. В залежності від вашої сировини, потужності процесу та цільового продукту, Hielscher пропонує вам найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор. Наш продуктовий портфель варіюється від компактних, потужних ручних ультразвукових гомогенізаторів через лабораторні системи до повністю промислових ультразвукових установок, здатних обробляти кілька тонн на годину.
Екстрактори Hielscher Ultrasonics можуть використовуватися для екстракції періодичної дії та безперервної екстракції в лінії та можуть використовуватися в комбінації з будь-яким розчинником.
Різноманітні аксесуари, такі як сонотроди (зонди) різних розмірів та форм, підсилювачі, проточні комірки з різними об’ємами та геометріями, знімні датчики температури та тиску та багато інших пристроїв доступні для складання ідеальної ультразвукової установки для вашого процесу екстракції.
Усі наші цифрові моделі оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє налаштовувати, моніторити та встановлювати параметри екстракції. Завдяки точному контролю амплітуди, часу ультразвукової обробки та коефіцієнта заповнення можна досягти оптимальних результатів процесу, таких як надзвичайно високий вихід та найвища якість екстракту. Автоматичний запис даних процесу ультразвукової обробки є основою для стандартизації процесу та відтворюваності / повторюваності, які необхідні для належної виробничої практики (GMP).

Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати в режимі 24/7 при важких навантаженнях та у складних умовах.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: