Opracowanie systemu sprzętu do ekstrakcji roślin wspomaganej ultradźwiękowo

Większość skutecznych składników roślin istnieje w komórkach. Jak skutecznie je wydobyć i zastosować w branżach takich jak biomedycyna i chemia spożywcza. Na tym etapie jest to jeden z głównych ośrodków badawczych w zakresie tematów badań naukowych. Badanie zaawansowanych procesów ekstrakcji i opracowywanie wydajnego sprzętu do ekstrakcji roślin jest kluczem do badania ekstrakcji skutecznych składników z roślin.

Rozbijanie ultradźwiękowe jest skuteczną metodą niszczenia komórek lub organelli. Jego mechanizm polega na zjawisku kawitacji, począwszy od wytwarzania, wzrostu i fragmentacji pęcherzyków, gdy na roztwór działa ultradźwięk. Fala uderzeniowa i siła ścinająca wywołana zjawiskiem kawitacji powodują lizę komórek, a skuteczne składniki w komórkach są natychmiast uwalniane do rozpuszczalnika, poprawiając w ten sposób skuteczność ekstrakcji i skracając czas ekstrakcji. Zastosowanie technologii zakłóceń ultradźwiękowych do ekstrakcji roślin charakteryzuje się dużą szybkością ekstrakcji, wysoką szybkością ekstrakcji i dobrą selektywności. Co więcej, ekstrakcja ultradźwiękowa ma zalety dużej jednorazowej objętości przetwarzania, dobrej powtarzalności i prostej obsługi. Dlatego technologia ekstrakcji ultradźwiękowej jest szeroko stosowana w ekstrakcji skutecznych składników z roślin. Technologia ta osiągnęła pewne wyniki i odegrała ważną rolę w dziedzinie ekstrakcji roślin.

Rozwój sprzętu do ekstrakcji roślin wspomaganej ultradźwiękowo

Sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej na skalę laboratoryjną obejmuje głównie ekstraktory ultradźwiękowe z kąpielą wodną i ekstraktory ultradźwiękowe z sondą, a mianowicie ultradźwiękowe urządzenia czyszczące i ultradźwiękowe kruszarki komorowe. Przetwornik ultradźwiękowy myjki ultradźwiękowej jest adsorbowany na dnie wanny ze stali nierdzewnej. Jego cechą charakterystyczną jest to, że do pracy wykorzystuje kombinację wielu przetworników, a całkowita moc ultradźwiękowa może być stosunkowo duża, ale moc na jednostkę objętości jest niewielka. Przetwornik sondy ultradźwiękowej kruszarki komórkowej można umieścić w dowolnym wymaganym pojemniku ekstrakcyjnym. Jego cechą charakterystyczną jest to, że wykorzystuje pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy o dużej mocy, który jest skupiony w celu zwiększenia mocy na jednostkę objętości, ale całkowita moc jest stosunkowo niewielka. Efekt ekstrakcji ultradźwiękowego ekstraktora sondy jest lepszy niż ekstraktora ultradźwiękowego w kąpieli wodnej.

Istniejący w Chinach sprzęt do ekstrakcji roślin jest w całości przeznaczony do produkcji przemysłowej, a pojemność zbiornika ekstrakcyjnego jest duża, co nie nadaje się do nauczania i badań naukowych. Dzięki dochodzeniu rozumiemy aktualny stan i trend rozwoju technologii i sprzętu do ekstrakcji aktywnych składników roślinnych w kraju i za granicą. Mając na uwadze specyficzną sytuację i rzeczywiste potrzeby Szkoły Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu Huaqiao, zaprojektowaliśmy zbiornik ekstrakcyjny, który łączy w sobie zewnętrzną cyrkulację grzewczą, urządzenia do kruszenia ultradźwiękowego i mieszadła elektrycznego w połączeniu z istniejącymi warunkami i zasobami sprzętowymi, a także wyprodukowaliśmy system sprzętu do ekstrakcji roślin wspomaganej ultradźwiękowo z sondą, składający się z urządzenia grzewczego, urządzenia ekstrakcyjnego i urządzenia sterującego. Kluczem do rozwoju tego urządzenia jest konstrukcja zbiornika ekstrakcyjnego.

1.1 Urządzenie grzewcze

Większość dostępnych na rynku urządzeń do ekstrakcji ultradźwiękowej typu sonda wykorzystuje ogrzewanie łaźni powietrznej i stałą temperaturę. Temperatura ogrzewania jest nierówna i niełatwa do utrzymania stabilności. Bardzo łatwo jest spowodować miejscowe przegrzanie, koksowanie i sklejenie, co znacząco wpływa na jakość ekstraktu i efektywność ekstrakcji roślin. Do ogrzewania zewnętrznego wykorzystywana jest kąpiel wodna o super stałej temperaturze, a pompa obiegowa łaźni wodnej służy do wprowadzania gorącej wody do płaszcza zbiornika ekstrakcyjnego w celu ogrzania materiału w zbiorniku ekstrakcyjnym, dzięki czemu materiał nagrzewa się szybko i utrzymuje się na stałym poziomie w wymaganej temperaturze ekstrakcji; unika się w ten sposób zjawiska koksowania i przemian jądrowych spowodowanych bezpośrednim kontaktem materiału stałego w zbiorniku ekstrakcyjnym ze ścianą i dnem cylindra grzewczego.

1.2 Urządzenie do ekstrakcji

W porównaniu z tradycyjnym statycznym zbiornikiem ekstrakcyjnym lub zbiornikiem ekstrakcyjnym z mieszaniem, to urządzenie ekstrakcyjne łączy w sobie urządzenie ultradźwiękowe i elektryczne urządzenie mieszające, co nie tylko upraszcza sprzęt i oszczędza miejsce, ale także wykorzystuje efekt synergiczny zaawansowanego procesu ekstrakcji ultradźwiękowej i mieszania elektrycznego, aby materiał był równomiernie nagrzany, unikając zniszczenia aktywności ekstraktu wrażliwego na ciepło z powodu nadmiernej temperatury lokalnej, zapewniając w ten sposób jakość ekstraktu.

Zbiornik ekstrakcyjny opisany w tym artykule jest wykonany ze stali nierdzewnej, a korpus zbiornika ma cylindryczną beczkę z płaszczem, o średnicy beczki 20 cm, wysokości 50 cm, stosunku średnicy do wysokości 2:5 i objętości około 15 litrów. Górna pokrywa zbiornika ekstrakcyjnego wyposażona jest w otwór do wprowadzenia sondy ultradźwiękowej (40) i otwór dostępowy do pręta mieszającego mieszadła elektrycznego (26). Jednocześnie rurka łącząca czujnik temperatury, rurka próbkująca i rurka odpowietrzająca (interfejsy o średnicy 10 mm każdy) służą do monitorowania temperatury ekstrakcji i efektu ekstrakcji w czasie rzeczywistym. Zbiornik ekstrakcyjny ma małą pojemność, prostą konstrukcję i jest łatwy w obsłudze. Nadaje się do eksperymentalnego nauczania i eksperymentów naukowych.

1.3 Urządzenie sterujące

Synergistyczne działanie kąpieli wodnej o super stałej temperaturze i pompy wody obiegowej pozwala na automatyczną kontrolę temperatury cyrkulacji ekstraktu; automatyczny kolektor krokowy i system pomp obiegowych służą do automatycznego pobierania próbek ekstraktu, w celu monitorowania parametrów procesu ekstrakcji i zapewnienia efektywności ekstrakcji.

2 Skład i zasada działania układu wyposażenia

System urządzeń do ekstrakcji opisany w tym artykule obejmuje głównie łaźnię wodną o bardzo stałej temperaturze, zbiornik do ekstrakcji roślin, kruszarkę ultradźwiękową, mieszadło elektryczne, automatyczny kolektor częściowy i inne komponenty.

System sprzętu wykorzystuje technologię ekstrakcji ultradźwiękowej do ekstrakcji roślin. Jego zasadą działania jest wykorzystanie zjawiska kawitacji, działania mechanicznego i efektu termicznego ultradźwięków w celu promowania szybkiego uwalniania skutecznych składników ekstraktu do rozpuszczalnika, aby osiągnąć cel szybkiej ekstrakcji. Skuteczność kruszenia ultradźwiękowego zależy od częstotliwości dźwięku, energii dźwięku, czasu przetwarzania, stężenia komórek i rodzaju komórek.

Podczas procesu roboczego systemu urządzeń do ogrzewania i dokładnej kontroli wymaganej temperatury ekstrakcji wykorzystywana jest łaźnia wodna o bardzo stałej temperaturze. Wstępnie podgrzaną kąpiel wodną wprowadza się do płaszcza zbiornika ekstrakcyjnego, a materiał jest szybko podgrzewany i automatycznie kontrolowany przez obiegową łaźnię wodną. Ponieważ temperatura łaźni wodnej ma szeroki kontrolowany zakres, jest ona bardziej odpowiednia do ekstrakcji produktów naturalnych w niskiej temperaturze. Zastosowano konstrukcję zbiornika ekstrakcyjnego ze stali nierdzewnej z płaszczem, a materiał jest podgrzewany za pomocą łaźni wodnej z płaszczem, co sprzyja równomiernemu nagrzewaniu materiału i pozwala uniknąć lokalnego koksowania. Dodając sondę ultradźwiękową na górze zbiornika i stosując ultradźwiękową kruszarkę komórkową do ekstrakcji ultradźwiękowej, można znacznie poprawić skuteczność ekstrakcji aktywnych składników rośliny. Jednocześnie do zbiornika ekstrakcyjnego dodaje się mieszadło elektryczne, które stale miesza i obraca materiał w zbiorniku ekstrakcyjnym, co sprzyja poprawie wydajności ekstrakcji. Automatyczny kolektor częściowy służy do ustalania pobierania próbek z podziałem czasu, analizy aktywnych składników rośliny, monitorowania efektu ekstrakcji i umożliwienia kontrolowania procesu ekstrakcji w czasie rzeczywistym.

3 Charakterystyka systemu urządzeń do ekstrakcji roślin

1) W tym systemie wyposażenia zastosowano konstrukcję zbiornika ekstrakcyjnego, która łączy w sobie zewnętrzne ogrzewanie cyrkulacyjne kąpieli wodnej, kruszenie ultradźwiękowe i elektryczne urządzenie mieszające. Ma zalety wysokiej sprawności cieplnej, niskiego zużycia energii, dobrej jakości ekstraktu i wysokiej wydajności ekstrakcji. Rozwiązuje problemy związane z niską wydajnością ekstrakcji, długim czasem ekstrakcji, niską wydajnością i wysokim zużyciem energii w tradycyjnych metodach ekstrakcji, takich jak ekstrakcja, prasowanie, ekstrakcja i ekstrakcja zwrotna.

2) Mały sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej sprzedawany obecnie na rynku jest ogólnie drogi, a najniższa cena wynosi 50 000 juanów za sztukę. Ponadto wszyscy wykorzystują łaźnie powietrzne do podgrzewania materiałów i nie można zagwarantować stabilności; lub ponieważ zbiornik ekstrakcyjny ma duży rozmiar i pojemność (ponad 40 litrów), zajmuje dużo miejsca i zużywa dużo materiałów, co nie nadaje się do użytku laboratoryjnego. Zbiornik ekstrakcyjny tego systemu urządzeń ekstrakcyjnych jest niewielki, prosty w konstrukcji i łatwy w obsłudze. Jest bardziej odpowiedni do eksperymentalnego nauczania i eksperymentów naukowych, odzwierciedlając zalety niskiej ceny i dobrej jakości.

3) Wykorzystując oryginalną łaźnię wodną o bardzo stałej temperaturze, kruszarkę ultradźwiękową, automatyczny kolektor schodkowy i pompę perystaltyczną oraz inne zasoby sprzętowe, a także korzystając z niektórych akcesoriów, takich jak mieszadła elektryczne do odpadów, po przetworzeniu, transformacji, połączeniu i dopasowaniu, ten system sprzętu do ekstrakcji jest zaprojektowany i wyprodukowany; nie tylko osiąga cel i wymagania projektu, ale także w pełni wykorzystuje wartość efektywną zużytego sprzętu, oszczędza fundusze eksperymentalne i zwiększa inwestycje.

Wniosek

Zewnętrzny system obiegu grzewczego w połączeniu z technologią wspomaganą ultradźwiękami służy do projektowania i produkcji sprzętu eksperymentalnego odpowiedniego do ekstrakcji skutecznych składników produktów naturalnych, osiągając cele polegające na poprawie wydajności termicznej, przyspieszeniu prędkości ekstrakcji i zwiększeniu szybkości ekstrakcji. Został on faktycznie zastosowany w eksperymencie ekstrakcji polifenoli z herbaty i osiągnął dobre wyniki i ma pewną wartość praktyczną. Oczekuje się, że ten system sprzętu będzie miał szerokie perspektywy zastosowania w ekstrakcji polisacharydów, polifenoli i flawonoidów z roślin.