Entwicklung eines ultraschallunterstützten Gerätesystems zur Pflanzenextraktion

Die meisten wirksamen Inhaltsstoffe in Pflanzen befinden sich in Zellen. Wie man sie effizient extrahiert und in Branchen wie der Biomedizin und der Lebensmittelchemie anwendet. Dies ist derzeit einer der Forschungsschwerpunkte wissenschaftlicher Forschungsthemen. Die Erforschung fortschrittlicher Extraktionsverfahren und die Entwicklung effizienter Pflanzenextraktionsgeräte sind der Schlüssel zur Untersuchung der Extraktion wirksamer Inhaltsstoffe in Pflanzen.

Der Ultraschallaufschluss ist eine wirksame Methode zum Aufschluss von Zellen oder Organellen. Sein Mechanismus ist das Kavitationsphänomen von der Blasenbildung über das Wachstum bis zur Blasenfragmentierung, wenn Ultraschall auf die Lösung einwirkt. Die durch das Kavitationsphänomen verursachte Stoßwelle und Scherkraft führen dazu, dass die Zellen lysieren und die wirksamen Inhaltsstoffe in den Zellen sofort in das Lösungsmittel freigesetzt werden, wodurch die Extraktionseffizienz verbessert und die Extraktionszeit verkürzt wird. Der Einsatz der Ultraschall-Aufschlusstechnologie zur Pflanzenextraktion zeichnet sich durch eine schnelle Extraktionsgeschwindigkeit, eine hohe Extraktionsrate und eine gute Selektivität aus. Darüber hinaus bietet die Ultraschallextraktion die Vorteile eines großen einmaligen Verarbeitungsvolumens, einer guten Wiederholbarkeit und einer einfachen Bedienung. Daher wird die Ultraschallextraktionstechnologie häufig bei der Extraktion wirksamer Inhaltsstoffe in Pflanzen eingesetzt. Diese Technologie hat bestimmte Ergebnisse erzielt und eine wichtige Rolle auf dem Gebiet der Pflanzenextraktion gespielt.

Entwicklung ultraschallunterstützter Pflanzenextraktionsgeräte

Ultraschallextraktionsgeräte im Labormaßstab umfassen hauptsächlich Wasserbad-Ultraschallextraktoren und Sonden-Ultraschallextraktoren, nämlich Ultraschallreiniger und Ultraschall-Zellbrecher. Der Ultraschallwandler des Ultraschallreinigers ist am Boden des Edelstahlbades adsorbiert. Seine Besonderheit besteht darin, dass für die Arbeit eine Kombination mehrerer Wandler verwendet wird und die gesamte Ultraschallleistung relativ groß sein kann, die Leistung pro Volumeneinheit jedoch gering ist. Der Sondenwandler des Ultraschall-Zellbrechers kann in jeden gewünschten Extraktionsbehälter eingesetzt werden. Sein Merkmal besteht darin, dass ein einzelner Hochleistungs-Ultraschallwandler verwendet wird, der so fokussiert ist, dass die Leistung pro Volumeneinheit größer wird, die Gesamtleistung jedoch relativ gering ist. Die Extraktionswirkung des Sonden-Ultraschallextraktors ist besser als die des Wasserbad-Ultraschallextraktors.

Die in China vorhandenen Anlagen zur Pflanzenextraktion sind ausschließlich industrieller Produktionsart und die Kapazität des Extraktionstanks ist groß, was für Lehre und wissenschaftliche Forschung nicht geeignet ist. Durch die Untersuchung verstehen wir den aktuellen Status und Entwicklungstrend der Technologie und Ausrüstung zur Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe im In- und Ausland. Im Hinblick auf die spezifische Situation und die tatsächlichen Bedürfnisse der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Huaqiao-Universität haben wir einen Extraktionstank entworfen, der externe Heizzirkulation, Ultraschallzerkleinerung und elektrische Rührgeräte in Kombination mit den vorhandenen Bedingungen und Ausrüstungsressourcen kombiniert, und ein sondenartiges, ultraschallunterstütztes Anlagenextraktionssystem hergestellt, das aus einem Heizgerät, einem Extraktionsgerät und einem Steuergerät besteht. Das Design des Extraktionstanks ist der Schlüssel zur Entwicklung dieser Ausrüstung.

1.1 Heizgerät

Die meisten im Handel erhältlichen Ultraschall-Extraktionsgeräte vom Sondentyp verwenden eine Luftbadheizung und eine konstante Temperatur. Die Heiztemperatur ist ungleichmäßig und es ist nicht einfach, die Stabilität aufrechtzuerhalten. Es kommt sehr leicht zu lokaler Überhitzung, Verkokung und Verklebung, was die Qualität des Extrakts und die Effizienz der Pflanzenextraktion stark beeinträchtigt. Für die externe Erwärmung wird ein Wasserbad mit extrem konstanter Temperatur verwendet, und eine Wasserbad-Umwälzpumpe wird verwendet, um heißes Wasser in den Mantel des Extraktionstanks einzuleiten, um das Material im Extraktionstank zu erhitzen, sodass sich das Material schnell erwärmt und konstant auf der erforderlichen Extraktionstemperatur bleibt; Dadurch wird das Phänomen der Verkokung und nuklearen Veränderung vermieden, das durch den direkten Kontakt zwischen dem Feststoff im Extraktionstank und der Wand und dem Boden des Heizzylinders verursacht wird.

1.2 Extraktionsgerät

Verglichen mit dem herkömmlichen statischen Extraktionstank oder dem Extraktionstank mit Rühren kombiniert dieses Extraktionsgerät das Ultraschallgerät und das elektrische Rührgerät, was nicht nur die Ausrüstung vereinfacht und Platz spart, sondern auch den synergistischen Effekt des fortschrittlichen Prozesses der Ultraschallextraktion und des elektrischen Rührens nutzt, um das Material gleichmäßig zu erhitzen, wodurch die Zerstörung der Aktivität des wärmeempfindlichen Extrakts aufgrund übermäßiger lokaler Temperaturen vermieden wird und so die Qualität des Extrakts sichergestellt wird.

Der Extraktionstank in diesem Artikel besteht aus Edelstahl und der Tankkörper hat ein ummanteltes zylindrisches Fassdesign mit einem Fassdurchmesser von 20 cm, einer Höhe von 50 cm, einem Durchmesser-zu-Höhe-Verhältnis von 2:5 und einem Volumen von etwa 15 l. Die obere Abdeckung des Extraktionstanks ist mit einer Ultraschallsonden-Einführungsöffnung (40) und einer Zugangsöffnung für den elektrischen Rührstab (26) ausgestattet. Gleichzeitig dienen ein Temperaturdetektor-Verbindungsrohr, ein Probenahmerohr und ein Entlüftungsrohr (Schnittstellen mit einem Durchmesser von jeweils 10) zur Überwachung der Extraktionstemperatur und des Extraktionseffekts in Echtzeit. Der Extraktionstank hat ein kleines Fassungsvermögen, einen einfachen Aufbau und ist einfach zu bedienen. Es eignet sich für experimentellen Unterricht und wissenschaftliche Forschungsexperimente.

1.3 Steuergerät

Der synergistische Effekt des Wasserbads mit extrem konstanter Temperatur und der Umwälzwasserpumpe wird genutzt, um eine automatische Steuerung der Umwälztemperatur des Extrakts zu erreichen. Der automatische Schritt-für-Schritt-Kollektor und das Umwälzpumpensystem werden zur automatischen Probenahme des Extrakts verwendet, um die Parameter des Extraktionsprozesses zu überwachen und die Extraktionseffizienz sicherzustellen.

2 Aufbau und Funktionsprinzip des Gerätesystems

Das Extraktionsausrüstungssystem in diesem Artikel umfasst hauptsächlich ein Wasserbad mit superkonstanter Temperatur, einen Pflanzenextraktionstank, einen Ultraschall-Zellbrecher, einen elektrischen Rührer, einen automatischen Teilkollektor und andere Komponenten.

Das Gerätesystem nutzt Ultraschall-Extraktionstechnologie zur Pflanzenextraktion. Sein Funktionsprinzip besteht darin, das Kavitationsphänomen, die mechanische Wirkung und die thermische Wirkung von Ultraschall zu nutzen, um die schnelle Freisetzung der wirksamen Inhaltsstoffe des Extrakts in das Lösungsmittel zu fördern und so den Zweck einer schnellen Extraktion zu erreichen. Die Effizienz der Ultraschallzerkleinerung hängt von der Schallfrequenz, der Schallenergie, der Verarbeitungszeit, der Zellkonzentration und dem Zelltyp ab.

Während des Arbeitsprozesses des Gerätesystems wird ein Wasserbad mit extrem konstanter Temperatur verwendet, um die erforderliche Extraktionstemperatur zu erhitzen und genau zu steuern. Das vorgewärmte Wasserbad wird in den Mantel des Extraktionsbehälters eingeführt und das Material wird durch das zirkulierende Wasserbad schnell erhitzt und automatisch gesteuert. Da die Wasserbadtemperatur über einen weiten kontrollierbaren Bereich verfügt, eignet sie sich besser für die Extraktion von Naturprodukten bei niedriger Temperatur. Das Design des ummantelten Extraktionstanks aus Edelstahl wird übernommen und das Material wird durch das ummantelte Wasserbad erhitzt, was zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Materials führt und lokale Verkokung vermeidet. Durch das Anbringen einer Ultraschallsonde an der Oberseite des Tanks und die Verwendung eines Ultraschall-Zellbrechers zur Ultraschallextraktion kann die Extraktionseffizienz der Wirkstoffe der Pflanze erheblich verbessert werden. Gleichzeitig wird dem Extraktionstank ein elektrischer Rührer hinzugefügt, um das Material im Extraktionstank kontinuierlich zu rühren und zu drehen, was zur Verbesserung der Extraktionseffizienz beiträgt. Mithilfe eines automatischen Teilsammlers wird eine Zeitmultiplex-Probenahme eingestellt, die Wirkstoffe der Pflanze analysiert, die Extraktionswirkung überwacht und der Extraktionsprozess in Echtzeit kontrollierbar gemacht.

3 Eigenschaften des Pflanzenextraktionsausrüstungssystems

1) Dieses Ausrüstungssystem verfügt über ein Extraktionstankdesign, das eine externe Wasserbadzirkulationsheizung, eine Ultraschallzerkleinerung und eine elektrische Rührvorrichtung kombiniert. Es bietet die Vorteile eines hohen thermischen Wirkungsgrads, eines geringen Energieverbrauchs, einer guten Extraktqualität und einer hohen Extraktionsrate. Es löst die Probleme der geringen Extraktionseffizienz, der langen Extraktionszeit, der geringen Ausbeute und des hohen Energieverbrauchs bei herkömmlichen Extraktionsmethoden wie Extraktion, Pressen, Extraktion und Rückflussextraktion.

2) Die derzeit auf dem Markt verkauften kleinen Ultraschall-Extraktionsgeräte sind im Allgemeinen teuer, mit dem niedrigsten Preis von 50.000 Yuan pro Einheit. Darüber hinaus verwenden sie alle Luftbäder zum Erhitzen der Materialien und die Stabilität kann nicht garantiert werden; oder weil der Extraktionstank groß ist und ein großes Fassungsvermögen hat (mehr als 40 l), viel Platz einnimmt und viele Materialien verbraucht, was für den Laborgebrauch nicht geeignet ist. Der Extraktionstank dieses Extraktionsausrüstungssystems ist klein, einfach aufgebaut und einfach zu bedienen. Es eignet sich besser für experimentellen Unterricht und wissenschaftliche Forschungsexperimente und spiegelt die Vorteile eines niedrigen Preises und einer guten Qualität wider.

3) Unter Verwendung des ursprünglichen Wasserbads mit superkonstanter Temperatur, des Ultraschall-Zellbrechers, des automatischen Stufensammlers und der peristaltischen Pumpe sowie anderer Ausrüstungsressourcen und unter Verwendung einiger Zubehörteile wie elektrischer Abfallrührer wird nach der Verarbeitung, Umwandlung, Kombination und Anpassung dieses Extraktionsausrüstungssystem entworfen und hergestellt; Es erfüllt nicht nur den Zweck und die Anforderungen des Designs, sondern nutzt auch den effektiven Wert von Altgeräten voll aus, spart Versuchsgelder und erhöht die Investitionen.

Abschluss

Das externe Heizzirkulationssystem in Kombination mit ultraschallunterstützter Technologie wird zur Entwicklung und Herstellung von Versuchsgeräten verwendet, die für die Extraktion wirksamer Bestandteile von Naturprodukten geeignet sind und die Ziele der Verbesserung der thermischen Effizienz, der Beschleunigung der Extraktionsgeschwindigkeit und der Erhöhung der Extraktionsrate erreichen. Es wurde tatsächlich auf das Tee-Polyphenol-Extraktionsexperiment in Tee angewendet und hat gute Ergebnisse erzielt und einen gewissen praktischen Wert. Es wird erwartet, dass dieses Gerätesystem breite Anwendungsaussichten bei der Extraktion von Polysacchariden, Polyphenolen und Flavonoiden aus Pflanzen haben wird.