Zasada działania i zalety technologii ekstrakcji ultradźwiękowej

Technologia ekstrakcji ultradźwiękowej jest preferowaną techniką izolowania związków bioaktywnych z roślin. Ultradźwięki odnoszą się do tych mechanicznych fal dźwiękowych o częstotliwościach powyżej 20 kHz, ale mniejszych niż 10 MHz. Ekstrakcja ultradźwiękowa zwykle wykorzystuje mniejszy zakres częstotliwości (16 kHz-100 kHz), ponieważ wyższe częstotliwości mogą prowadzić do nadmiaru energii, co może prowadzić do degradacji aktywnych składników w strukturach roślin.

Sonikacja umożliwia pełną ekstrakcję, co skutkuje wysokimi wydajnościami ekstrakcji w bardzo krótkim czasie ekstrakcji. Jako wydajna metoda ekstrakcji, ekstrakcja ultradźwiękowa oszczędza zarówno koszty, jak i czas, jednocześnie zapewniając wysokiej jakości ekstrakty do stosowania w żywności, suplementach i farmaceutykach.

01 Jak to działa

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na zasadzie działania kawitacji ultradźwiękowej i jest obróbką czysto mechaniczną. Podobnie jak w przypadku mieszalników o wysokim ścinaniu, sonotrody wytwarzają mechaniczne siły ścinające tylko w medium procesowym. Sama ekstrakcja ultradźwiękowa jest nietermiczną, wolną od chemikaliów techniką ekstrakcji.

Kawitacja ultradźwiękowa to kawitacja dźwiękowa lub ultradźwiękowa, która występuje przy dużej mocy, w oparciu o powtarzające się cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Naprzemienne cykle sonikacji pod wysokim i niskim ciśnieniem 20 000 razy na sekundę wytwarzają intensywne siły ścinające i strumienie cieczy. To ekstremalne naprężenie pokonuje selektywność błony, perforuje i rozrywa ścianę komórkową, co skutkuje wysokiej jakości transportem między komórką wewnętrzną a otaczającym rozpuszczalnikiem. Dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej można osiągnąć wyższe plony i krótsze czasy ekstrakcji. Ponieważ ekstrakcja ultradźwiękowa jest procesem powtarzalnym, wyniki ekstrakcji można powtórzyć w celu uzyskania znormalizowanej jakości ekstrakcji.

Kawitacja ultradźwiękowa może lokalnie prowadzić do ekstremalnych warunków, takich jak bardzo duże różnice ciśnień i duże siły ścinające. Kiedy bąbelki kawitacyjne pękają na powierzchni ciał stałych (np. cząstek, komórek roślinnych, tkanek itp.), mikrostrumienie i zderzenia między cząstkami mogą powodować takie efekty, jak pękanie cząstek, sonoporacja (perforacja ścian komórkowych i błon) i komórkowość . Ponadto pękanie pęcherzyków kawitacyjnych w ciekłych mediach powoduje turbulencje i mieszanie, co ułatwia przenoszenie masy między wnętrzem komórki a otaczającym rozpuszczalnikiem. Promieniowanie ultradźwiękowe jest skutecznym sposobem na usprawnienie procesów przenoszenia masy, ponieważ ultradźwięki wywołują kawitację i związane z nią mechanizmy, takie jak mikroruchy wywołane strumieniami cieczy, kompresja i dekompresja materiałów, a następnie rozerwanie ściany komórkowej.

02Zalety

Ekstrakcja ultradźwiękowa może zmniejszyć ilość rozpuszczalnika i sprawić, że ilość rozpuszczalnika będzie łagodniejsza. Oznacza to, że ekstrakcja ultradźwiękowa poprawia wydajność ekstrakcji i zapewnia zdrowsze ekstrakty. Wynika to z jego charakterystyki pracy w niskiej temperaturze, która może nie tylko zmniejszyć straty ciepła ze względu na czynniki temperaturowe, ale także uniknąć parowania substancji ze względu na niskie temperatury wrzenia i utrzymać substancje biologicznie czynne. Ekstrakcja ultradźwiękowa to prosta, bezpieczna i precyzyjnie kontrolowana aplikacja. Jako nietermiczna metoda ekstrakcji, sonikacja może być przeprowadzana w niskiej temperaturze, unikając w ten sposób degradacji termicznie wrażliwych, termicznie niestabilnych substancji. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest również w stanie znacznie skrócić czas produkcji, ponieważ wędrujące ultradźwięki rozrywają ściany komórkowe, zmniejszając w ten sposób czas przenoszenia składników aktywnych z materiału roślinnego do rozpuszczalnika.

03 Efekt ekstrakcji ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe rozerwanie komórek i zwiększony transfer masy Ultradźwięki mogą wspomagać proces ekstrakcji poprzez rozerwanie komórek i zwiększony transfer masy w warstwie granicznej wokół stałej matrycy. Ultradźwięki, jako perforacja ścian komórkowych i błon komórkowych, mogą zwiększać przepuszczalność ścian i błon komórkowych, co jest często etapem pośrednim przed całkowitym zniszczeniem komórek przez ultradźwięki.

Mechaniczne efekty kawitacji wywołanej ultradźwiękami, takie jak różnice ciepła i ciśnienia, fale uderzeniowe, siły ścinające, strumienie cieczy i mikroprzepływy, zwiększają penetrację rozpuszczalnika do wnętrza komórek i poprawiają przenoszenie masy między komórkami a rozpuszczalnikami, umożliwiając przenoszenie materiału międzykomórkowego do rozpuszczalnika.

04Podsumowanie

Technologia ekstrakcji ultradźwiękowej wykorzystuje kawitację wytwarzaną przez fale ultradźwiękowe do ekstrakcji aktywnych składników z roślin. W porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji, metody ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami stają się bardziej atrakcyjne ze względu na ich różne zalety, takie jak niskie zużycie energii, krótkie czasy ekstrakcji, mniejsze niszczenie związków aktywnych i wysokie wydajności ekstrakcji.