Extraction assistée par Ultrasons

L’extraction solide-liquide est une opération visant à isoler des métabolites d’intérêts constitutifs de matrices végétales et animales plus ou moins complexes dans des domaines tels que la pharmacologie, la cosmétique, l’alimentation, et l’aromathérapie.

L’extraction liquide-liquide est une technique de séparation visant à extraire une substance spécifique à partir d’un mélange liquide depuis une phase liquide vers une autre phase liquide immiscibles entre-elles. En raison de sa polyvalence et de sa flexibilité elle est largement employée dans les secteurs pharmaceutiques et l’industrie chimique.

Les ultrasons de puissance font parties des technologies modernes applicables à l’extraction d’huiles essentielles, de flavonoïdes, d’alcaloïdes, de tanins et de protéines à l’échelle de la recherche en laboratoire et de celle de la production industrielle.

Test d’extraction végétale par ultrasons

Lorsque des ultrasons de suffisamment haute amplitude sont générés dans un liquide, des bulles de cavitation de tailles microscopiques vont être générées et vont implosées. L’implosion de ces bulles engendre des effet mécaniques et thermiques intenses à l’échelle locale dans le liquide à hauteur de 1000 bar et 5000 kelvin.

Ce processus facilite la libération de molécules d’intérêts en fragilisant les membranes cellulaire des plantes et des tissus et en augmentant la porosité de surface des particules végétales dans le cas de l’extraction solide-liquide.

La cavitation provoque un mélange important des liquides en fonction de la fréquence de fonctionnement et du design de l’équipement. Cela permet d’augmenter le contact entre deux phases immiscibles et de réduire le temps nécessaire pour atteindre un équilibre.

En comparaison avec des procédés plus conventionnels, l’extraction par ultrasons est souvent plus rapide et peut être réalisée à des températures modérées permettant ainsi de préserver l’intégrité des molécules extraites. En outre, il est également possible de diminuer les quantités de solvants utilisés et choisir des solvants moins nocifs dès lors que les molécules à extraire sont miscibles avec le solvant.

Il est néanmoins nécessaires comme tous procédés d’optimiser les paramètres d’extraction afin de garantir un résultat optimale :

• Puissance ultrasons ;
• Temps de sonication ;
• Cycle ultrasons ;
• Solvant d’extraction ;
• Préparation de la matière première.

Les équipements ultrasons du marché préconisés pour l’extraction fonctionnent aux alentours de 20kHz car les effets mécaniques sont importants et diminuent lorsque la fréquence augmente. Il est également généralement plus simple de concevoir un équipement délivrant une puissance conséquente à ces basses fréquences.

Néanmoins, il peut s’avérer utile voir optimale d’envisager une opération à plus haute fréquence en fonction du résultat final souhaité et selon le secteur.

Dans l’agroalimentaire par exemple, les microalgues sont une ressource biologique disponible, cultivable et contiennent de nombreuses molécules d’intérêts telles que des protéines, des polysaccharides et des pigments.

A titre d’exemple, les microalgues peuvent contenir jusqu’à deux fois plus de protéines que la viande ou les légumineuses et autant que certains insectes selon l’espèce. Cette ressource présente donc intérêt pour le secteur agroalimentaire pour l’alimentation humaine et/ou animale.

De nombreuses études démontrent le potentiel des ultrasons pour l’extraction des protéines provenant des microalgues à basse fréquence (de 20 à 40kHz). Néanmoins, travailler à des fréquences plus importantes (100kHz) pourrait permettre l’extraction d’autres métabolites que les protéines telles que des exopolysaccharides (Delran et al. 2023 (1)) ayant un intérêt industriel dans les industries alimentaires comme stabilisants, pharmaceutiques comme anti-inflammatoires et l’agriculture pour améliorer la rétention d’eau des sols.

Dans le secteur de l’énergie, la forte dépendance aux énergies fossiles et les résultantes de leurs consommations sur l’environnement ont fortement impactées la recherche et le développement d’énergies renouvelables comme la biomasse non-alimentaire (paille de blés, anas de lin, tiges de maïs…).

En effet, la biomasse peut être convertie en biogaz et carburants à partir des hémicelluloses et de la cellulose et en chaleur à partir de la lignine par combustion. La lignine trouve également des débouchés plus nobles en substituant certains produits pétroliers pour la fabrication de certains matériaux.

Afin d’exploiter la biomasse pour ces différentes utilisations et d’en optimiser le potentiel il est nécessaire de purifier et de séparer les composants de la matière végétale. En effet, par exemple la production de biogaz requiert la digestion des sucres de la biomasse par des microorganismes et enzymes et la lignine bloque leur accessibilité. Dans le cas du prétraitement d’anas de lin, Le couplage des ultrasons avec des méthodes conventionnelles de délignification permet d’éliminer plus rapidement et plus efficacement la lignine de la matière première améliorant ainsi le rendement en biogaz. En fonction des méthodes conventionnelles couplées avec les ultrasons, il a été observé une augmentation de la délignification comprise entre 8.5% et 135.5% (Kalawoun 2023 (2)).

Notons que dans ce cas, les meilleurs résultats ont été obtenus à 100kHz plutôt qu’à 22kHz, montrant ainsi que l’étude de la fréquence est également un paramètre d’optimisation des ultrasons pour un procédé dédié.

Afin d’étudier l’effet de la fréquence à petite échelle pour déployer les ultrasons à plus grande échelle, SinapTec dispose d’une technologie Cup-Horn.

Une question sur n’importe lequel de nos produits ci-dessous ? Besoin d’un devis ou d’informations complémentaires ?

Gamme Cup-Horn pour l’optimisation initiale de votre futur procédé d’extraction assistée par ultrasons

Le Cup-Horn est un outil de laboratoire visant à l’étude de la fréquence de 22kHz à 100kHz sur votre procédé d’extraction. Grâce à lui vous maîtriserez parfaitement l’ensemble des paramètres ultrasons ayant une influence sur l’extraction afin de juger si les ultrasons sont efficaces pour votre application et quantifier les résultats. Par suite, le changement d’échelle le plus pertinent possible est facilité.

Par suite nous élaborons ensemble un cahier des charges en fonctions de vos contraintes de production (emprise au sol, maintenance, extraction batch ou continue) et de vos résultats acquis.

La canalisation ultrasons pour un changement d’échelle efficace

La canalisation ultrasons est un tube vibrant offrant une homogénéité de traitement exceptionnelle que le procédé final nécessite une circulation continue ou une recirculation. Conçu en acier inoxydable, fabrication à façon, intégration modulaire, c’est la solution technique la plus flexible que nous proposons tout en gardant des spécifications d’efficacité ultrasons élevées !

Découvrez plus en détail notre pipe ultrasons.

Le barreau pour une intégration sur l’existant

Le barreau ultrasons peut s’adapter sur une cuve ou tuyauterie existante est conçu en titane plein pour les environnements sévères. Nos essais 24/7 pendant 1 an sur cette technologie n’ont pas entamé ses performances !

Ses ailettes permettent un streaming acoustique important de sorte à maximiser l’effet des ultrasons même sur des volumes conséquent.

Pour en savoir plus sur le barreau ultrasons.

Objectif : Passage d’une extraction batch de 500mL à 50L.

Contexte : Au cours d’une étude à l’échelle laboratoire, une entreprise a démontré l’efficacité des ultrasons pour l’extraction d’huiles essentielles à partir d’une matière première végétale. Désireuse de conserver les résultats obtenus mais d’augmenter sa capacité de production d’extraits de 500mL à 50L nous avons été contacté afin de répondre au mieux à sa demande.

Détermination des paramètres de fonctionnement : Les extractions ayant été réalisées avec un équipement de laboratoire non-SinapTec nous avons étudiés les données fournies par l’entreprise à savoir une puissance de 650W dissipée à l’aide d’une sonde de diamètre 6mm fonctionnant à 20kHz pendant 10 minutes (50% temps ON / 50% temps OFF).

Fort de notre expérience nous étions convaincu que la puissance indiquée était erronée compte tenu du diamètre de la sonde et du volume de 500mL. Nous avons donc suggéré de réaliser une simple étude calorimétrique pour avoir des certitudes sur la puissance de l’équipement qui finalement s’est avérée être de 35W.

Proposition SinapTec : Nous avons convenu avec le client que le meilleur moyen d’être certains d’un résultat serait de louer l’un de nos équipements capable de reproduire son résultat à l’échelle laboratoire. Nous avons déterminer l’équipement pouvant convenir pour cette location en nous basant sur un ratio d’énergie volumique entre les deux échelles en respectant le souhait du client d’arriver à un temps d’extraction de 30 minutes.

Résultats : Après avoir réalisé des essais lors de cette location, le client est satisfait des extraits obtenus conformes en tout point à ces essais tant qualitativement que quantitativement. En effet, ses analyses spectrophotométriques ont montrés que les principes actifs sont présents en quantité suffisante et sont non dégradés. Finalement, un équipement de type barreau a été fabriqué sur plan pour s’inclure dans une cuve finale.

Suivi : Le client utilise notre équipement depuis juin 2021 pour ses productions d’extraits à façon et en est satisfaite. Une seule alerte de notre générateur NexTgen en février 2024 due à un défaut de réglage. Cette alerte a été corrigée dans la journée grâce à notre logiciel PC et les outils de diagnostic qu’il permet.

Sous bien des aspects, l’extraction assistée par ultrasons est considérée comme une technique  plus respectueuse de l’environnement et extrêmement versatile au regard des matières premières à traiter. Elle peut s’adresser à de nombreux secteurs désireux d’intensifier leurs procédés actuels sur des installations existantes ou en cours de conception tout en conservant la qualité des extraits obtenus.

Finalement, il ne vous reste plus qu’à prendre contact avec nous pour échanger sur votre besoin et les fabuleux atouts de cette technologie que nous fabriquons et développons depuis 1984.

1. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106492
2. Application de la cavitation acoustique au prétraitement de la biomasse lignocellulosique issue du lin et à l’élaboration de catalyseurs pour le reformage catalytique