Ekstrakcja ultradźwiękowa nalewek i olejków ziołowych na bazie alkoholu

Nalewki ziołowe i ekstrakty roślinne na bazie oleju stosowane są od wieków do koncentracji cennych związków z liści, korzeni, kwiatów, nasion, kory i innych surowców roślinnych.

Jednak konwencjonalne procesy maceracji i moczenia mogą wymagać godzin lub nawet dni, aby osiągnąć wystarczającą ekstrakcję. Dla producentów komercyjnych może to oznaczać długie cykle przetwarzania, duże zbiorniki ekstrakcyjne, wysokie zużycie rozpuszczalnika i niespójną wydajność ekstrakcji.

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) oferuje nowoczesny sposób intensyfikacji ekstrakcji botanicznej poprzez wykorzystanie energii ultradźwiękowej o wysokiej częstotliwości w celu poprawy penetracji rozpuszczalnika, zakłócania struktur roślinnych i przyspieszania przenoszenia masy.

Od nalewek ziołowych w małych partiach po ekstrakcję olejków botanicznych na większą skalę, przetwarzanie ultradźwiękowe można zintegrować z istniejącymi procesami ekstrakcji lub zaprojektować jako system ciągłego przepływu.

---

Jak działa ekstrakcja ultradźwiękowa?

Przemysłowy system ekstrakcji ultradźwiękowej zazwyczaj składa się z:

Generator ultradźwiękowy + przetwornik + sonotroda/róg + naczynie ekstrakcyjne lub komora przepływowa

Generator ultradźwiękowy przetwarza energię elektryczną na sygnał o wysokiej częstotliwości. Przetwornik przetwarza ten sygnał na drgania mechaniczne, natomiast sonotroda przekazuje energię ultradźwiękową bezpośrednio do ośrodka ekstrakcyjnego.

Kiedy ultradźwięki rozprzestrzeniają się w cieczy, mogą wytwarzać mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne. Ich powstawanie, wzrost i zapadanie powodują intensywny lokalny ruch płynu, mikrostrumienie i siły ścinające.

Te efekty mogą pomóc:

· Poprawa penetracji rozpuszczalnika do materiału roślinnego

· Zakłócać lub osłabiać struktury komórek roślinnych

· Zwiększ kontakt rozpuszczalnika z materiałem botanicznym

· Zmniejszyć opór warstwy granicznej

· Zwiększenie przenoszenia masy

· Przyspieszenie uwalniania rozpuszczalnych związków docelowych

Dzięki temu obróbka ultradźwiękowa może znacznie zintensyfikować proces ekstrakcji w porównaniu z samym namacaniem pasywnym.

---

Ekstrakcja ultradźwiękowa nalewek ziołowych alkoholowych

W nalewkach na bazie alkoholu jako środki ekstrakcyjne powszechnie stosuje się etanol, wodę lub mieszaniny etanolu i wody.

Wybór rozpuszczalnika zależy od materiału botanicznego i związków docelowych.

Podczas konwencjonalnej maceracji rozpuszczalnik stopniowo wnika w strukturę rośliny i rozpuszcza rozpuszczalne związki. Proces ten w dużej mierze zależy od dyfuzji, wielkości cząstek, temperatury, składu rozpuszczalnika i czasu ekstrakcji.

Leczenie ultradźwiękowe wprowadza dodatkowy mechanizm.

Zwiększona penetracja rozpuszczalnika

Kawitacja ultradźwiękowa i strumienie akustyczne stale zakłócają płyn wokół cząstek roślin.

Może to poprawić kontakt rozpuszczalnika ekstrakcyjnego z powierzchnią rośliny, pomagając rozpuszczalnikowi dotrzeć do obszarów, które w innym przypadku mogłyby być mniej dostępne.

Ulepszone zakłócanie komórek

Efekty mechaniczne generowane przez ultradźwięki mogą osłabiać struktury komórek roślinnych i sprzyjać uwalnianiu związków wewnątrzkomórkowych.

W przypadku drobno zmielonych materiałów botanicznych obróbka ultradźwiękowa może być szczególnie przydatna jako etap intensyfikacji procesu.

Szybszy transfer masy

Po uwolnieniu związków z matrycy roślinnej muszą one migrować do otaczającego rozpuszczalnika.

Mieszanie ultradźwiękowe może zmniejszyć gradienty stężeń i poprawić ruch cieczy wokół cząstek, pomagając przyspieszyć ten etap przenoszenia masy.

---

Ekstrakcja ultradźwiękowa olejków ziołowych

Ekstrakcja botaniczna na bazie oleju stwarza inne wyzwania niż produkcja nalewki alkoholowej.

Wiele związków roślinnych ma ograniczoną rozpuszczalność w wodzie, ale można je ekstrahować do odpowiednich olejów jadalnych lub kosmetycznych.

Przykłady obejmują ekstrakty na bazie oleju wykonane z:

· Zioła

· Przyprawy

· Nasiona

· Kwiaty

· Liście

· Korzenie

· Proszki botaniczne

Celem jest na ogół przeniesienie pożądanych związków rozpuszczalnych w oleju lub częściowo rozpuszczalnych w oleju z matrycy roślinnej do oleju nośnego.

Obróbka ultradźwiękowa może poprawić interakcję między materiałem roślinnym a olejem, poprawiając zwilżanie, dyspersję i przenoszenie masy.

Lepszy kontakt roślin z olejem

Energia ultradźwiękowa wspomaga ruch płynu wokół cząstek stałych i może pomóc w rozproszeniu materiału botanicznego w fazie olejowej.

Zwiększa to efektywną powierzchnię kontaktu pomiędzy materiałem roślinnym a medium ekstrakcyjnym.

Poprawiona wydajność ekstrakcji

Intensyfikując transfer masy, ultradźwięki mogą pomóc skrócić czas wymagany w niektórych procesach ekstrakcji na bazie oleju.

Rzeczywista poprawa zależy od materiału botanicznego, wielkości cząstek, rodzaju oleju, temperatury, amplitudy ultradźwiękowej, czasu leczenia i stężenia substancji stałych.

Kontrolowane warunki przetwarzania

Wiele związków botanicznych jest wrażliwych na nadmierne ciepło.

Ekstrakcję ultradźwiękową można połączyć z monitorowaniem temperatury i chłodzeniem, aby utrzymać kontrolowaną temperaturę przetwarzania.

Jest to szczególnie przydatne podczas przetwarzania wrażliwych na ciepło składników roślinnych.

Kluczowe czynniki wpływające na ultradźwiękową ekstrakcję ziół

Nie ma jednego ustawienia ultradźwiękowego, które działałoby dla każdego zioła.

Należy opracować optymalny proces w zależności od surowca i pożądanego ekstraktu.

1. Częstotliwość ultradźwiękowa

Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i dużej mocy są powszechnie stosowane w zastosowaniach ekstrakcji przemysłowej.

Typowy system przemysłowy może pracować przy częstotliwości około 20 kHz , zapewniając silne efekty mechaniczne i kawitacyjne.

2. Amplituda ultradźwiękowa

Amplituda silnie wpływa na intensywność obróbki ultradźwiękowej.

Wyższa amplituda może generować silniejszą kawitację, ale nadmierna intensywność może podnieść temperaturę lub negatywnie wpłynąć na niektóre wrażliwe związki.

Dlatego optymalną amplitudę należy określić poprzez badanie procesu.

3. Temperatura ekstrakcji

Temperatura wpływa zarówno na kinetykę ekstrakcji, jak i stabilność związku.

System o kontrolowanej temperaturze może łączyć obróbkę ultradźwiękową z:

· Płaszcze chłodzące

· Wymienniki ciepła

· Chillery

· Czujniki temperatury

w celu utrzymania żądanej temperatury procesu.

4. Rozmiar cząstek

Zmniejszenie materiału roślinnego do odpowiedniego rozmiaru cząstek zwiększa dostępną powierzchnię.

Jednakże bardzo drobne cząstki mogą powodować problemy z filtracją, pompowaniem lub separacją.

Optymalna wielkość cząstek powinna równoważyć wydajność ekstrakcji z wymaganiami dalszego przetwarzania.

5. Stosunek rozpuszczalnika do ciała stałego

Stosunek materiału botanicznego do podłoża ekstrakcyjnego wpływa zarówno na wydajność ekstrakcji, jak i koszty operacyjne.

Obróbka ultradźwiękowa może pozwolić na optymalizację procesu bez prostego zwiększania zużycia rozpuszczalnika.

6. Czas przetwarzania

Jedną z głównych zalet ekstrakcji ultradźwiękowej jest możliwość skrócenia czasu ekstrakcji.

Jednak dłuższe leczenie nie zawsze jest lepsze. Nadmierne przetwarzanie może zwiększyć zużycie energii i może mieć wpływ na niektóre związki.