Chiết xuất bằng siêu âm và nguyên lý hoạt động

Chiết xuất bằng siêu âm là kỹ thuật được ưu tiên để phân lập các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu thực vật. Xử lý siêu âm giúp chiết xuất hoàn toàn, nhờ đó đạt hiệu suất chiết xuất vượt trội trong thời gian chiết xuất rất ngắn. Là một phương pháp chiết xuất hiệu quả như vậy, chiết xuất bằng siêu âm tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời tạo ra các dịch chiết chất lượng cao được sử dụng trong thực phẩm, thực phẩm bổ sung và dược phẩm.

Chiết xuất bằng siêu âm

Chiết xuất bằng siêu âm được sử dụng trong ngành thực phẩm, thực phẩm bổ sung dinh dưỡng và dược phẩm để giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học như vitamin, polyphenol, polysaccharide, cannabinoid và các hóa chất thực vật khác từ nguyên liệu thực vật. Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm dựa trên nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm học hay xâm thực siêu âm.

Xâm thực âm học hoạt động như thế nào?

Chiết xuất bằng siêu âm diễn ra khi sóng siêu âm công suất cao, tần số thấp được truyền vào huyền phù gồm nguyên liệu thực vật trong dung môi. Sóng siêu âm công suất cao được truyền vào huyền phù thông qua thiết bị xử lý siêu âm dạng đầu dò. Sóng siêu âm có năng lượng cao truyền qua chất lỏng, tạo ra các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên, dẫn đến hiện tượng xâm thực âm học. Xâm thực âm học hay xâm thực siêu âm tạo ra cục bộ nhiệt độ, áp suất, tốc độ gia nhiệt/làm nguội và chênh lệch áp suất cực lớn cùng lực cắt lớn trong môi trường. Khi các bọt xâm thực sụp đổ trên bề mặt chất rắn (như hạt, tế bào thực vật, mô, v.v.), các tia chất lỏng vi mô và va chạm giữa các hạt tạo ra những tác động như bóc tách bề mặt, xói mòn, phá vỡ hạt, tạo lỗ bằng siêu âm (tạo lỗ trên thành tế bào và màng tế bào) và phá vỡ tế bào. Ngoài ra, sự sụp đổ của các bọt xâm thực trong môi trường lỏng tạo ra dòng chảy rối vĩ mô và sự trộn vi mô. Chiếu siêu âm là một cách hiệu quả để tăng cường các quá trình truyền khối, vì xử lý siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực và các cơ chế liên quan như chuyển động vi mô do các tia chất lỏng, sự nén và giải nén trong vật liệu dẫn đến phá vỡ thành tế bào, cũng như tốc độ gia nhiệt và làm nguội cao.
Thiết bị siêu âm dạng đầu dò có thể tạo ra biên độ rất cao, cần thiết để tạo ra hiện tượng xâm thực có tác động mạnh. Hielscher Ultrasonic sản xuất các thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu năng cao, có thể dễ dàng tạo ra biên độ 200µm khi vận hành liên tục 24/7. Để đạt biên độ cao hơn nữa, Hielscher cung cấp các đầu phát siêu âm (đầu dò) chuyên dụng có biên độ cao.
Các thiết bị phản ứng siêu âm và buồng dòng chảy có thể tăng áp được sử dụng để tăng cường hiện tượng xâm thực. Khi áp suất tăng, hiện tượng xâm thực và lực cắt do xâm thực có khả năng phá hủy mạnh hơn, nhờ đó cải thiện hiệu quả chiết xuất bằng siêu âm.

Chiết xuất bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học và các lực cắt thủy động lực học do hiện tượng này tạo ra

Tác động của chiết xuất bằng siêu âm

Phá vỡ tế bào bằng siêu âm và tăng cường truyền khối
Siêu âm có thể hỗ trợ các quá trình chiết xuất thông qua cả việc phá vỡ tế bào và tăng cường truyền khối trong lớp biên bao quanh nền rắn.
Tạo lỗ bằng siêu âm, tức là tạo lỗ trên thành và màng tế bào, làm tăng tính thấm của thành và màng tế bào và thường là bước trung gian trước khi tế bào bị phá vỡ hoàn toàn bằng xử lý siêu âm.
Các tác động cơ học của hiện tượng xâm thực do siêu âm gây ra, như chênh lệch nhiệt độ và áp suất, sóng xung kích, lực cắt, tia chất lỏng và dòng chảy vi mô, tăng cường sự thâm nhập của dung môi vào bên trong tế bào và cải thiện quá trình truyền khối giữa tế bào và dung môi, nhờ đó các chất ở khoảng gian bào được chuyển vào dung môi.

Chiết xuất bằng siêu âm từ tế bào thực vật: lát cắt ngang (TS) quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cơ chế tác động trong quá trình chiết xuất bằng siêu âm từ tế bào (độ phóng đại 2000x) [nguồn: Vilkhu et al. 2011]

Thiết bị chiết xuất bằng siêu âm

Các thiết bị xử lý của Hielscher Ultrasonics là những hệ thống chiết xuất hiệu năng cao, vận hành đơn giản và an toàn. Dựa trên nguyên liệu thô, năng lực xử lý và mục tiêu đầu ra của bạn, Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm phù hợp nhất. Danh mục sản phẩm của chúng tôi trải dài từ các thiết bị siêu âm cầm tay nhỏ gọn, mạnh mẽ, qua các hệ thống để bàn đến các thiết bị siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp có khả năng xử lý vài tấn mỗi giờ.
Các thiết bị chiết xuất của Hielscher Ultrasonics có thể được sử dụng để chiết xuất theo mẻ và chiết xuất liên tục trực tiếp trên đường ống, đồng thời có thể kết hợp với mọi dung môi.
Nhiều phụ kiện như đầu phát siêu âm (đầu dò) với nhiều kích thước và hình dạng, bộ khuếch đại biên độ, buồng dòng chảy với nhiều thể tích và cấu hình hình học, cảm biến nhiệt độ và áp suất dạng cắm cùng nhiều phụ kiện khác được cung cấp để lắp ráp cấu hình siêu âm lý tưởng cho quy trình chiết xuất của bạn.
Tất cả các mẫu kỹ thuật số của chúng tôi đều được trang bị phần mềm thông minh, cho phép bạn điều chỉnh, giám sát và thiết lập các thông số chiết xuất. Nhờ khả năng kiểm soát chính xác biên độ, thời gian xử lý siêu âm và chu kỳ làm việc, có thể đạt được kết quả quy trình tối ưu như hiệu suất chiết xuất vượt trội và chất lượng dịch chiết cao nhất. Việc tự động ghi dữ liệu của quá trình xử lý siêu âm là cơ sở để chuẩn hóa quy trình và bảo đảm khả năng tái lập / độ lặp lại theo yêu cầu của Thực hành sản xuất tốt (GMP).

Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng vận hành liên tục với biên độ lên đến 200µm trong chế độ hoạt động 24/7. Để đạt biên độ cao hơn nữa, có các đầu phát siêu âm được tùy chỉnh. Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: