استخراج عصاره (عصاره گیری) به روش التراسونیک و نحوۀ کار هموژنایزر صنعتی

عصاره گیری با اولتراسونیک بهترین روش برای جداسازی ترکیبات فعال زیستی از مواد گیاهی است. با استفاده از امواج فراصوت می توان به استخراج کامل رسید و در نتیجه عصاره با بازده بسیار بالا و در زمان بسیار کوتاهی استخراج می شود. استخراج التراسونیک (عصاره گیری با اولتراسونیک) از آنجایی که یک روش استخراج کارآمد است، در هزینه و زمان صرفه جویی می کند، در حالی که منجر به عصاره های با کیفیت بالا می شود که برای مواد غذایی، مکمل ها و داروها استفاده می شود.

استخراج عصاره (عصاره گیری) با التراسونیک

استخراج اولترا سونیک در صنایع غذایی، مکمل های غذایی و داروسازی برای آزادسازی ترکیبات فعال زیستی مانند ویتامین ها، پلی فنل ها، پلی ساکاریدها، کانابینوئیدها و سایر مواد شیمیایی گیاهی از گیاهان دارویی استفاده می شود. استخراج به کمک اولتراسونیک بر اساس اصل کاویتاسیون آکوستیک یا کاویتاسیون اولتراسونیک استوار است.

مزایای استخراج التراسونیک

• با بازده بالا

• با کیفیت برتر

• عصاره های طیف کامل

• فرآیند سریع

• سازگار با هر حلالی

• آسان و ایمن برای کارکردن

• مقیاس پذیری خطی

• بازگشت سرمایۀ سریع

• سازگار با محیط زیست

کاویتاسیون آکوستیک چگونه کار می کند؟

استخراج اولتراسونیک زمانی حاصل می‌شود که امواج التراسونیک با قدرت بالا و فرکانس پایین در یک دوغاب متشکل از مواد گیاهی در یک حلال تابیده شوند. امواج آلتراسونیک پرقدرت از طریق یک پردازنده اولتراسونیک نوع پروب به داخل دوغاب فرستاده می شوند. امواج فراصوت بسیار پرانرژی از طریق مایع عبور می کنند و چرخه های متناوب فشار بالا / فشار پایین ایجاد می کنند که منجر به پدیده کاویتاسیون صوتی می شود. کاویتاسیون آکوستیک یا اولتراسونیک به صورت موضعی منجر به دماهای شدید، فشارها، نرخ گرمایش/سرمایش، اختلاف فشار و نیروهای برشی بالا در محیط می‌شود. هنگامی که حباب‌های کاویتاسیون بر روی سطح جامدات (مانند ذرات، سلول‌های گیاهی، بافت‌ها و غیره) منفجر می‌شوند، ریز جت‌ها و برخورد بین ذره‌ای اثراتی مانند لایه‌برداری سطحی، فرسایش، تجزیه ذرات، سونوپوراسیون (سوراخ شدن دیواره‌های سلولی و غشای سلولی) و تخریب سلولی ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، انفجار حباب‌های کاویتاسیون در محیط مایع باعث ایجاد آشفتگی‌های ماکرو و اختلاط میکرو می‌شود. تابش اولتراسونیک روشی کارآمد برای بهبود فرآیندهای انتقال جرم است، زیرا فراصوت منجر به کاویتاسیون و مکانیسم‌های مرتبط با آن مانند حرکت میکرو توسط جت‌های مایع، فشرده‌سازی و گسترده سازی در مواد و در نتیجه تخریب دیواره‌های سلولی و همچنین ایجاد نرخ سرمایش و گرمایش بسیار زیاد می‌شود.

دستگاههای اولتراسونیک نوع پروب می توانند دامنه های بسیار بالایی تولید کنند که برای ایجاد کاویتاسیون موثر ضروری است. شرکت دانش بنیان فناوری ایرانیان پژوهش نصیر (فاپن) استخراج کننده های اولتراسونیک با کارایی بالا تولید می کند که به راحتی می توانند دامنه های 200 میکرومتر را در عملکرد مداوم 24/7 ایجاد کنند.

راکتورهای اولتراسونیک و فلوسل ها برای تشدید کاویتاسیون استفاده می شود. با افزایش فشارها، کاویتاسیون و نیروهای برشی حفره ای مخرب تر می شوند و در نتیجه اثرات استخراج اولتراسونیک را بهبود می بخشند.

اثرات استخراج اولتراسونیک

تخریب سلول اولتراسونیک و افزایش انتقال جرم التراسونیک می تواند به فرآیندهای استخراج هم از طریق تخریب در سلول و هم با افزایش انتقال جرم در لایه مرزی اطراف ماتریکس جامد کمک کند. سونوپوراسیون (سوراخ شدن دیواره‌های سلولی و غشاها)، نفوذپذیری دیواره‌های سلولی و غشاها را افزایش می‌دهد و اغلب یک مرحله میانی قبل از اینکه سلول‌ها به طور کامل توسط فراصوت از هم گسیخته شوند است.

اثرات مکانیکی کاویتاسیون ناشی از امواج فراصوت، مانند اختلاف حرارت و فشار، امواج ضربه، نیروهای برشی، جت‌های مایع و جریان میکرو، نفوذ حلال را به داخل سلول تشدید می‌کند و انتقال جرم بین سلول و حلال را بهبود می‌بخشد. در نتیجه مواد بین سلولی به حلال منتقل می شوند.

تجهیزات استخراج التراسونیک

دستگاههای هموژنایزر ایرانی شرکت فاپن، سیستم‌های استخراج با کارایی بالا هستند که کارکرد آن‌ها ساده و ایمن است. شرکت فاپن، با توجه به مواد خام، ظرفیت های فرآیند و هدف خروجی شما، مناسب ترین دستگاه التراسونیک را به شما ارائه می دهد. مجموعه محصولات ما از دستگاه های اولتراسونیک آزمایشگاهی تا واحدهای اولتراسونیک کاملاً صنعتی که قادر به پردازش چندین تن در ساعت هستند را شامل می شود. استخراج کننده های شرکت فاپن را می توان برای استخراج ناپیوسته درون بچ و پیوسته درون خطی استفاده کرد و در ترکیب با هر حلالی قابل استفاده است.

لوازم جانبی مختلفی مانند سونوترودها (پروب ها) با اندازه‌ها و اشکال مختلف، هورن های بوستر، فلوسل ها با حجم‌ها و هندسه‌های مختلف، سنسورهای دما و فشار قابل اتصال و بسیاری ابزارهای دیگر برای جمع‌آوری تنظیمات اولتراسونیک ایده‌آل برای فرآیند استخراج شما در دسترس هستند.

همه مدل‌های دیجیتال ما مجهز به نرم‌افزار هوشمند هستند که به شما امکان تنظیم، نظارت و تنظیم پارامترهای استخراج را می‌دهد. با توجه به کنترل دقیق دامنه، زمان فراصوت و چرخه های زمانی، می توان به نتایج فرآیند بهینه مانند عملکرد برتر و بالاترین کیفیت عصاره دست یافت. استحکام تجهیزات فراصوت فاپن امکان عملکرد 24/7 در وظایف سنگین و در محیط‌های سخت را فراهم می‌کند.

خوب است بدانید

عصارۀ گیاهی

عصاره های گیاهی ترکیبات زیست فعالی هستند که از مواد گیاهی مانند گیاهان، گل ها، برگ ها، ساقه ها، ریشه ها و سایر قسمت های گیاه جدا می شوند. ترکیبات زیست فعال مانند ویتامین ها، آنتی اکسیدان ها، پلی فنل ها، پلی ساکاریدها، کانابینوئیدها و سایر مولکول های گیاهی به عنوان افزودنی های غذایی کاربردی، مواد مغذی، آرایشی، دارویی و همچنین رنگ های طبیعی استفاده می شوند.

اهمیت تابش فراصوت:

تابش امواج فراصوت با مبدلی که معمولاً به شکل حمام فراصوت [ⁱ] یا پروب فراصوت [ⁱⁱ] است، انجام میشود. انتشار امواج فراصوت در محیط مایع سبب حفره‌سازی صوتی می‌گردد و نتیجة آن تشکیل، رشد و فروپاشی حباب‌ها همراه با انتشار جریان صوتی است. فروپاشی حباب می‌تواند منجر به غلظت بسیار زیاد انرژی ناشی از تبدیل انرژی جنبشی حرکت مایع به حرارت دادن محتویات حباب شود. دمای محلی 5000 کلوین و فشار 1000 اتمسفر همراه با خنک شدن فوق العاده سریع، وسیله‌ای برای انجام واکنش‌های شیمیایی در شرایط شدید فراهم می‌کنند[ⁱⁱⁱ]. با عبور امواج فراصوت از میان محیط مایع، امواج سینوسی در محیط پخش می‌شوند. در طول مرحلة رقیق شدن در نیم‌دورة فراصوت، هنگامی که فشار متراکم ‌شده در محیط به اندازة کافی زیر فشار هوا یا فشار استاتیک باشد، حباب‌های درون محیط رشد می‌کنند. هسته‌های احتمالی برای وقوع حفره‌سازی حباب‌های گازی هستند که در دیواره‌ها و شکاف‌های راکتور به دام افتاده‌اند و یا حباب‌های کوچکی هستند که از قبل در محیط حضور داشتند. اگر دامنة فشار امواج فراصوت به اندازة کافی بالا باشد، حباب‌ها به سرعت دچار انبساط می‌شوند (بیش از دو برابر اندازة اصلی). رشد حباب با تبخیر آب در سطح داخلی آن همراه است (فرض بر این است که محیط واکنش فقط آب است) و مولکول‌های بخار آب در حباب پخش می‌شوند[^iv]. تعدادی از حباب‌هایی که به حداکثر رشد خود می‌رسند، ناپایدارند و دچار فروپاشی می‌شوند. فروپاشی حباب‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و به‌همین دلیل این فرایند به‌صورت بی‌دررو اتفاق می‌افتد.

مولکول‌های بخار وارد شده به حباب در طول انبساط، در فاز فشرده‌سازی به طرف سطح داخلی حباب حرکت می‌کنند و در آنجا داخلی متراکم می‌شوند. لحظات نهایی فروپاشی حباب، حرکت شعاعی حباب سریع انجام می‌شود و همة مولکول‌های بخار آب قادر نیستند بر روی دیوارة حباب جایگزین شوند. پس همة مولکول‌های بخاری که به سطح حباب نزدیک می‌شوند نمی‌توانند به آن بچسبند و مجبور به تراکم می‌شوند. در نتیجه بخار آب در حباب به دام می‌افتد و در معرض دماهای شدید و شرایط فشار تولید شده در حباب در زمان فروپاشی قرار می‌گیرد. در نهایت مولکول‌های بخار آب دچار گسستگی می‌شوند و رادیکال‌ها تولید می‌شوند. سرعت تولید رادیکال‌ها وابسته به تعداد کل مولوکول‌های آب موجود در حباب در طول فروپاشی، شدت فروپاشی (یعنی مقدار دما و فشار موجود در حباب در لحظة فروپاشی) و تعداد حبابها در محیط است. رادیکال‌ها باعث سریع شدن واکنش‌های شیمیایی می‌شوند[^v].

نکتة قابل ذکر این است که خصوصیات پدیده‌هایی که در سونوراکتورها دخیل هستند برای طراحی بهینه فرایندهای شیمیایی مهم هستند [^vi].

اثرات شیمیایی سونوشیمی:

اثر اصلی شیمیایی ناشی از انتشار امواج فراصوت در محیط مایع تولید رادیکال‌ها از طریق فروپاشی گذرای حفرة حباب است که واکنش‌ها را تسریع می‌کند[v].

اثرات فیزیکی سونوشیمی:

اثرات فیزیکی ناشی از انتشار امواج فراصوت چندین مورد است. این اثرات عمدتا باعث جابجایی‌های قوی در محیط مایع از طریق مکانیسم‌های مختلف هستند که در زیر شرح داده شده اند:

جریان صوتی

انتشار امواج فراصوت در محیط مایع باعث ایجاد دامنة حرکت نوسانی کوچک عناصر مایع در اطراف موقعیت میانی می‌شود. این پدیده Microstreaming(ریز جریان) نامیده می‌شود[^vii]. سرعت آن به‌صورت = V داده می‌شود که فشار میدان نوسانی موج فراصوت، چگالی محیط و c سرعت صوت در محیط است.

ریز آشفتگی

حرکت شعاعی حفرة حباب باعث حرکت نوسانی مایع در مجاورت خودش می‌شود که Microturbulence (آشفتگی کوچک) نامیده می‌شود. این پدیده به شرح زیر است: در طول فاز انبساط، مایع از مرکز حباب جابجا می‌شود. درطول فاز فروپاشی مایع به طرف حباب کشیده می‌شود چنانکه آنرا پر می‌کند و در واقع خلأ ایجاد شده با کاهش سایز حباب با مایع پر می‌شود. متوسط سرعت آشفتگی کوچک وابسته به دامنة نوسان حباب است. با این حال باید توجه داشت که این پدیده تنها در ناحیه بسته مجاورت حباب اتفاق می‌افتد. سرعت آن در فاصله ای دور از حباب خیلی سریع کاهش می‌یابد[v].

موج شوک یا شاک ویو

همانطور که در بالا ذکر شد در طول حرکت شعاعی فشرده‌سازی ، عناصر مایع مجاور حباب، به سمت دیوارة حباب همگرا می‌شوند. برای یک حباب گاز (حاوی گاز غیر متراکم مانند هوا) فشرده‌سازی بی‌دررو اتفاق می‌افتد. در نقطة حداقل شعاع (حداکثر فشرده‌سازی) دیوارة حباب دچار توقف ناگهانی و برگشت پذیر با سرعت بالا می‌شود[v]. این بازتاب موج شوک را می‌سازد که در محیط پخش می‌شود. در واقع موج شوک ناشی از حرکت مایع اطراف حباب تولید میشود که در انتهای فاز فشرده‌سازی تمایل به حرکت به سمت خارج از مرکز حباب دارد.

اولین تحقیقات مربوط به تاثیر ویسکوزیته برای وقوع موج شوک اولیه در مایعات بیش از 50 سال پیش توسط پوریتسکی، زباباخین و20 سال پیش توسط برنن انجام شد. در نتیجه نشان داده‌شد که موج شوک در مایعات با ویسکوزیتة به اندازة کافی بالا مانند گلیسیرین ناپدید می‌شود. علاوه بر این، بررسی عددی و تجربی Hegedus و همکارانش نشان دادکه شکل گیری امواج شوک نه تنها وابسته به عدد ماخ لحظه‌ای است، بلکه به عدد Reynolds لحظه ای به صورت = (r(t) r ̇(t)) /ϑ نیز بستگی دارد ، که r(t) شعاع حباب وابسته به زمان و ϑ ویسکوزیته سینماتیک است[^viii].

با توجه به کاهش سریع ویسکوزیته در مایعات با افزایش دما، تاثیر ویسکوزیته به دمای پایین برای مایعات محدود می‌شود. از سوی دیگر، برنن دریافت که دینامیک حباب و موج شوک عمدتا تحت تاثیر فشار بخار است البته در صورتیکه دمای مایع حدود 70-80 درصد از دمای جوش خود باشد[^ix]. در کاربردهای واقعی، مانند زمینه‌های به سرعت در حال توسعه از تکنولوژی فراصوت، امواج شوک تولید شده از یک فروپاشی حباب می‌تواند به روش‌های مختلفی استفاده شود. به عنوان مثال برای کاهش وزن مولکولی پلیمرها، برای افزایش بازده کاتالیز ناهمگن و یا برای مخلوط کردن دو مایع ناپیوسته برای تولید امولسیون‌های بسیار پایدار[viii].

میکروجت

حباب در طول حرکت شعاعی هندسة کروی خود را تا زمانی که حرکت مایع در مجاورت آن متقارن و یکنواخت است نگه می‌دارد، در نتیجه گرادیان فشار وجود ندارد. اما اگر حباب نزدیک به مرز قرار بگیرد (جامد-مایع یا گاز-مایع یا مایع-مایع) از حرکت مایع در نزدیکی آن مرز ممانعت می‌شود و نتیجه رشد گرادیان فشار نزدیک آن است. این غیر یکنواختی فشار نتیجه‌اش از دست دادن هندسة کروی حباب است. در طول حرکت شعاعی نامتقارن بخشی از حباب که در معرض فشار بالاتر است زودتر از بقیة حباب دچار فروپاشی می‌شود که این باعث افزایش تولید جت مایع با سرعت بالا می شود. با این حال جهت این جت وابسته به خصوصیات مرزی است. برای یک مرز سخت میکروجت‌ها به سمت مرز هدایت می‌شوند درحالیکه برای یک مرز آزاد میکروجت‌ها به دور از مرز هدایت می‌شوند. سرعت میکروجت‌ها در محدودة m/s 120- 150 تخمین زده‌شده‌است. در مورد مرزهای سخت این جت‌ها می‌توانند باعث آسیب شدید در نقطة ضربه شوند و سطح را ساییده کنند[v].

قیمت دستگاه هموژنایزر ایرانی

قیمت دستگاه هموژنایزر ایرانی بسته به نوع دستگاه هموژنایزر آزمایشگاهی، دستگاه هموژنایزر نیمه صنعتی و دستگاه هموژنایزر صنعتی متفاوت است. معمولاً توان دستگاه هموژنایزر نیمه صنعتی 3 تا 5 برابر دستگاه هموژنایزر آزمایشگاهی است ولی قیمت آن در حدود2 تا 2.5 برابر قیمت هموژنایزر آزمایشگاهی می باشد. همچنین توان یک دستگاه هموژنایزر صنعتی در حدود 3 تا 5 برابر دستگاه هموژنایزر نیمه صنعتی و 10 تا 14 برابر دستگاه هموژنایزر آزمایشگاهی است ولی قیمت هموژنایزر صنعتی در حدود 2 تا 3 برابر دستگاه هموژنایزر نیمه صنعتی می باشد. ولی به هر حال قیمت هموژنایزر قیمت بسیار مقرون به صرفه ای است چون دستگاه التراسونیک (اولتراسونیک) با درآمدزایی بسیار بالا قیمت دستگاه التراسونیک (اولترا سونیک) را جبران می کند.

جهت کسب اطلاع از قیمت دستگاه هموژنایزر آزمایشگاهی و قیمت دستگاه هموژنایزر صنعتی با شرکت فناوری ایرانیان پژوهش نصیر (فاپن) تماس بگیرید. همکاران ما ضمن مشاوره دقیق در خصوص خرید دستگاه هموژنایزر مورد نیاز صنعت شما، خرید دستگاه التراسونیک مقرون به صرفه را به شما پیشنهاد می دهند. زیرا خرید دستگاه هموژنایزر با توجه به طیف وسیع هموژنایزر ایرانی ساخت شرکت فاپن و قیمت دستگاه التراسونیک ایرانی که بسیار پایین تراز نمونه های اروپایی و حتی چینی می باشد نیاز به امکان سنجی، تست آزمایشگاهی، تست نیمه صنعتی یا پایلوت و تست صنعتی دارد تا بهترین نتیجه در خرید دستگاه هموژنایزر را داشته باشد.

برای مشاهده دستگاه های نصب و راه اندازی شده در صنایع غذایی لینک های زیر را ببینید:

نصب و راه اندازی سامانه عصاره گیری التراسونیک

https://www.aparat.com/v/agRAm

سامانه عصاره گیری التراسونیک

https://www.aparat.com/v/mcqux

تولید سس بالزامیک با التراسونیک

https://www.aparat.com/v/uxoVe

تولید نانوامولسیون با دستگاه التراسونیک هموژنایزر نیمه صنعتی

https://www.aparat.com/v/EMQDZ

پرمیل التراسونیک

https://www.aparat.com/v/r9BFR

i - Yadav, R. S., Mishra, P., & Pandey, A. C. (2008). Growth mechanism and optical property of ZnO nanoparticles synthesized by sonochemical method. Ultrasonics sonochemistry, 15(5), 863-868.

ii - Prasad, K., Pinjari, D. V., Pandit, A. B., & Mhaske, S. T. (2010). Synthesis of titanium dioxide by ultrasound assisted sol–gel technique: effect of amplitude (power density) variation. Ultrasonics sonochemistry, 17(4), 697-703.

iii - Suslick, K. S., & Price, G. J. (1999). Applications of ultrasound to materials chemistry. Annual Review of Materials Science, 29(1), 295-326.

iv - Atchley, A. A., & Prosperetti, A. (1989). The crevice model of bubble nucleation. The Journal of the Acoustical Society of America, 86(3), 1065-1084.

v - Kuppa, R., & Moholkar, V. S. (2010). Physical features of ultrasound-enhanced heterogeneous permanganate oxidation. Ultrasonics sonochemistry, 17(1), 123-131.

vi - Jüschke, M., & Koch, C. (2012). Model processes and cavitation indicators for a quantitative description of an ultrasonic cleaning vessel: Part I: Experimental results. Ultrasonics sonochemistry, 19(4), 787-795.

vii - Leighton, T. G. (1995). Bubble population phenomena in acoustic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry, 2(2), S123-S136.

viii - Garen, W., Hegedűs, F., Kai, Y., Koch, S., Meyerer, B., Neu, W., & Teubner, U. (2016). Shock wave emission during the collapse of cavitation bubbles. Shock Waves, 26(4), 385-394.

ix - Akhatov, I., Lindau, O., Topolnikov, A., Mettin, R., Vakhitova, N., & Lauterborn, W. (2001). Collapse and rebound of a laser-induced cavitation bubble. Physics of Fluids, 13(10), 2805-2819.