Sviluppo di un sistema di apparecchiature per l'estrazione delle piante assistito da ultrasuoni

La maggior parte degli ingredienti efficaci nelle piante si trovano nelle cellule. Come estrarli in modo efficiente e applicarli a settori come la biomedicina e la chimica alimentare. Questo è uno dei punti caldi della ricerca su argomenti di ricerca scientifica in questa fase. L’esplorazione di processi di estrazione avanzati e lo sviluppo di apparecchiature efficienti per l’estrazione delle piante sono la chiave per studiare l’estrazione di ingredienti efficaci nelle piante.

La distruzione ultrasonica è un metodo efficace per distruggere cellule o organelli. Il suo meccanismo è il fenomeno della cavitazione dalla generazione, crescita, fino alla frammentazione delle bolle quando gli ultrasuoni agiscono sulla soluzione. L'onda d'urto e la forza di taglio causate dal fenomeno della cavitazione provocano la lisi delle cellule e gli ingredienti efficaci nelle cellule vengono immediatamente rilasciati nel solvente, migliorando così l'efficienza di estrazione e riducendo il tempo di estrazione. L'uso della tecnologia di interruzione ad ultrasuoni per l'estrazione delle piante ha le caratteristiche di elevata velocità di estrazione, elevata velocità di estrazione e buona selettività. Inoltre, l'estrazione ad ultrasuoni presenta i vantaggi di un ampio volume di lavorazione una tantum, di una buona ripetibilità e di un funzionamento semplice. Pertanto, la tecnologia di estrazione ad ultrasuoni è ampiamente utilizzata nell'estrazione di ingredienti efficaci nelle piante. Questa tecnologia ha ottenuto determinati risultati e ha svolto un ruolo importante nel campo dell'estrazione delle piante.

Sviluppo di apparecchiature per l'estrazione delle piante assistita da ultrasuoni

Le apparecchiature di estrazione ad ultrasuoni su scala di laboratorio comprendono principalmente estrattori a ultrasuoni a bagnomaria ed estrattori a ultrasuoni con sonda, ovvero pulitori ad ultrasuoni e frantoi di cellule ad ultrasuoni. Il trasduttore ultrasonico del pulitore ad ultrasuoni è adsorbito sul fondo del bagno in acciaio inossidabile. La sua caratteristica è che utilizza una combinazione di più trasduttori per funzionare e la potenza ultrasonica totale può essere relativamente grande, ma la potenza per unità di volume è piccola. Il trasduttore della sonda del frantoio di cellule ad ultrasuoni può essere inserito in qualsiasi contenitore di estrazione richiesto. La sua caratteristica è che utilizza un singolo trasduttore ultrasonico ad alta potenza, che è focalizzato per aumentare la potenza per unità di volume, ma la potenza totale è relativamente piccola. L'effetto di estrazione dell'estrattore a ultrasuoni della sonda è migliore di quello dell'estrattore a ultrasuoni del bagnomaria.

Le attrezzature per l'estrazione delle piante esistenti in Cina sono tutte di tipo industriale e la capacità del serbatoio di estrazione è elevata, il che non è adatta all'insegnamento e alla ricerca scientifica. Attraverso l'indagine, comprendiamo lo stato attuale e la tendenza di sviluppo della tecnologia e delle attrezzature per l'estrazione dei principi attivi vegetali in patria e all'estero. In considerazione della situazione specifica e delle reali esigenze della Scuola di Ingegneria Chimica dell'Università di Huaqiao, abbiamo progettato un serbatoio di estrazione che combina la circolazione esterna del riscaldamento, dispositivi di frantumazione ad ultrasuoni e agitazione elettrica in combinazione con le condizioni esistenti e le risorse dell'attrezzatura, e abbiamo prodotto un sistema di apparecchiature per l'estrazione delle piante assistita da ultrasuoni a sonda costituito da un dispositivo di riscaldamento, un dispositivo di estrazione e un dispositivo di controllo. Il design del serbatoio di estrazione è la chiave per lo sviluppo di questa attrezzatura.

1.1 Dispositivo di riscaldamento

La maggior parte delle apparecchiature di estrazione ad ultrasuoni a sonda disponibili in commercio utilizzano il riscaldamento del bagno d'aria e la temperatura costante. La temperatura di riscaldamento non è uniforme e non è facile mantenere la stabilità. È molto facile causare surriscaldamento locale, coking e incollaggio, che influiscono notevolmente sulla qualità dell'estratto e sull'efficienza dell'estrazione della pianta. Per il riscaldamento esterno viene utilizzato un bagnomaria a temperatura super costante e una pompa di circolazione del bagnomaria viene utilizzata per introdurre acqua calda nella camicia del serbatoio di estrazione per riscaldare il materiale nel serbatoio di estrazione, in modo che il materiale si riscaldi rapidamente e sia costante alla temperatura di estrazione richiesta; evitando così il fenomeno del coking e del cambiamento nucleare causato dal contatto diretto tra il materiale solido nella vasca di estrazione e la parete e il fondo del cilindro riscaldante.

1.2 Dispositivo di estrazione

Rispetto al tradizionale serbatoio di estrazione statico o al serbatoio di estrazione con agitazione, questa attrezzatura di estrazione combina il dispositivo ad ultrasuoni e il dispositivo di agitazione elettrica, che non solo semplifica l'attrezzatura e consente di risparmiare spazio, ma utilizza anche l'effetto sinergico del processo avanzato di estrazione ad ultrasuoni e agitazione elettrica per rendere il materiale uniformemente riscaldato, evitando la distruzione dell'attività dell'estratto sensibile al calore a causa dell'eccessiva temperatura locale, garantendo così la qualità dell'estratto.

Il serbatoio di estrazione in questo articolo è realizzato in acciaio inossidabile e il corpo del serbatoio adotta un design a botte cilindrica rivestita con un diametro della canna di 20 cm, un'altezza di 50 cm, un rapporto diametro-altezza di 2:5 e un volume di circa 15 litri. Il coperchio superiore del serbatoio di estrazione è progettato con un foro di inserimento della sonda a ultrasuoni (40) e una porta di accesso all'asta di agitazione dell'agitatore elettrico (26). Allo stesso tempo, un tubo di collegamento del rilevatore di temperatura, un tubo di campionamento e un tubo di sfiato (interfacce con un diametro di 10 ciascuna) sono progettati per monitorare la temperatura di estrazione e l'effetto di estrazione in tempo reale. Il serbatoio di estrazione ha una capacità ridotta, una struttura semplice ed è facile da usare. È adatto per l'insegnamento sperimentale e gli esperimenti di ricerca scientifica.

1.3 Dispositivo di controllo

L'effetto sinergico del bagnomaria a temperatura super costante e della pompa di circolazione dell'acqua viene utilizzato per ottenere il controllo automatico della temperatura di circolazione dell'estratto; il collettore automatico passo-passo e il sistema di pompa di circolazione vengono utilizzati per campionare automaticamente l'estratto, in modo da monitorare i parametri del processo di estrazione e garantire l'efficienza dell'estrazione.

2 Composizione e principio di funzionamento del sistema di apparecchiature

Il sistema di attrezzatura per l'estrazione in questo articolo comprende principalmente un bagnomaria a temperatura super costante, un serbatoio per l'estrazione delle piante, un frantoio per celle a ultrasuoni, un agitatore elettrico, un collettore parziale automatico e altri componenti.

Il sistema di apparecchiature utilizza la tecnologia di estrazione ad ultrasuoni per l'estrazione delle piante. Il suo principio di funzionamento è quello di utilizzare il fenomeno della cavitazione, l'azione meccanica e l'effetto termico degli ultrasuoni per favorire il rapido rilascio degli ingredienti efficaci dell'estratto nel solvente per raggiungere lo scopo di un'estrazione rapida. L'efficienza della frantumazione ad ultrasuoni dipende dalla frequenza del suono, dall'energia sonora, dal tempo di lavorazione, dalla concentrazione cellulare e dal tipo di cellula.

Durante il processo di funzionamento del sistema di apparecchiature, viene utilizzato un bagno d'acqua a temperatura super costante per riscaldare e controllare accuratamente la temperatura di estrazione richiesta. Il bagnomaria preriscaldato viene introdotto nella camicia del serbatoio di estrazione e il materiale viene rapidamente riscaldato e controllato automaticamente dal bagnomaria circolante. Poiché la temperatura del bagnomaria ha un ampio intervallo controllabile, è più adatta per l'estrazione a bassa temperatura di prodotti naturali. Viene adottato il design del serbatoio di estrazione in acciaio inossidabile rivestito e il materiale viene riscaldato dal bagnomaria rivestito, che favorisce il riscaldamento uniforme del materiale ed evita la coking locale. Aggiungendo una sonda ad ultrasuoni nella parte superiore del serbatoio e utilizzando un frantoio di cellule ad ultrasuoni per l'estrazione ad ultrasuoni, l'efficienza di estrazione dei principi attivi della pianta può essere notevolmente migliorata. Allo stesso tempo, un agitatore elettrico viene aggiunto al serbatoio di estrazione per agitare e girare continuamente il materiale nel serbatoio di estrazione, il che contribuisce a migliorare l'efficienza di estrazione. Un raccoglitore parziale automatico viene utilizzato per impostare il campionamento a divisione di tempo, analizzare i principi attivi della pianta, monitorare l'effetto di estrazione e rendere il processo di estrazione controllabile in tempo reale.

3 Caratteristiche del sistema di attrezzature per l'estrazione delle piante

1) Questo sistema di apparecchiature adotta un design del serbatoio di estrazione che combina il riscaldamento a circolazione esterna del bagno d'acqua, la frantumazione ad ultrasuoni e il dispositivo di agitazione elettrica. Presenta i vantaggi di un'elevata efficienza termica, un basso consumo energetico, una buona qualità dell'estratto e un'elevata velocità di estrazione. Risolve i problemi di bassa efficienza di estrazione, lunghi tempi di estrazione, bassa resa ed elevato consumo di energia nei metodi di estrazione tradizionali come estrazione, pressatura, estrazione ed estrazione a riflusso.

2) Le piccole apparecchiature di estrazione ad ultrasuoni attualmente vendute sul mercato sono generalmente costose, con il prezzo più basso di 50.000 yuan per unità. Inoltre, tutti utilizzano bagni d'aria per riscaldare i materiali e la stabilità non può essere garantita; oppure perché il serbatoio di estrazione è di grandi dimensioni e capacità (più di 40 litri), occupa molto spazio e utilizza molti materiali, il che non è adatto all'uso in laboratorio. Il serbatoio di estrazione di questo sistema di attrezzatura di estrazione è di piccole dimensioni, semplice nella struttura e facile da usare. È più adatto per l'insegnamento sperimentale e gli esperimenti di ricerca scientifica, riflettendo i vantaggi del prezzo basso e della buona qualità.

3) Utilizzando l'originale bagnomaria a temperatura super costante, il frantoio a cellule ultrasoniche, il collettore automatico a gradini e la pompa peristaltica e altre risorse dell'attrezzatura, e utilizzando alcuni accessori come agitatori elettrici per rifiuti, dopo la lavorazione, trasformazione, combinazione e abbinamento, questo sistema di attrezzatura di estrazione è progettato e prodotto; non solo raggiunge lo scopo e i requisiti del progetto, ma sfrutta anche appieno il valore effettivo delle apparecchiature di scarto, risparmia fondi sperimentali e aumenta gli investimenti.

Conclusione

Il sistema di circolazione del riscaldamento esterno combinato con la tecnologia assistita da ultrasuoni viene utilizzato per progettare e produrre apparecchiature sperimentali adatte all'estrazione di componenti efficaci di prodotti naturali, raggiungendo gli obiettivi di miglioramento dell'efficienza termica, accelerazione della velocità di estrazione e aumento della velocità di estrazione. È stato effettivamente applicato all'esperimento di estrazione dei polifenoli nel tè, ha ottenuto buoni risultati e ha un certo valore pratico. Si prevede che questo sistema di apparecchiature avrà ampie prospettive di applicazione nell'estrazione di polisaccaridi, polifenoli e flavonoidi dalle piante.