1.3.1 Khái niệm trích ly bằng sóng siêu âm
Trích ly bằng sóng siêu âm là quá trình tách một hoặc một số chất tan trong nguyên liệu bằng dung môi có kết hợp sử dụng sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất trích ly.
Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly so với các phương pháp truyền thống dựa trên:
- Tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu. - Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách.
- Phá vỡ thành tế bào trên bề mặt và bên trong của vật liệu, giúp quá trình thoát chất tan được dễ dàng.
1.3.2 Cơ sở lý thuyết1.3.2.1 Trích ly 1.3.2.1 Trích ly
Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly. Những chất có hằng số điện môi gần nhau sẽ dễ hoà tan vào nhau.
Bản chất của quá trình trích ly là khuếch tán nên nên người ta thường dựa vào các định luật khuếch tán của FICK để giải thích và tính toán.
Chất lượng của sản phẩm thu được bằng phương pháp trích ly phụ thuộc vào dung môi để trích ly, vì thế dung môi dùng để trích ly cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách sản phẩm ra khỏi dung môi bằng phương pháp chưng cất, nhưng không được thấp quá vì sẽ gây tổn thất dung môi, dễ gây cháy và khó thu hồi dung môi (khó ngưng tụ).
- Dung môi không tác dụng hoá học với sản phẩm.
- Độ nhớt của dung môi bé để giảm thời gian trích ly (độ nhớt nhỏ khuếch tán nhanh). - Dung môi hoà tan nguyên liệu lớn nhưng không hoà tan tạp chất bé.
- Dung môi không ăn mòn thi ết bị, không gây mùi lạ cho sản phẩm, và đặc biệt là không độc hại.
- Dung môi phải rẻ tiền, dễ mua.
1.3.2.2 Tổng quan về sóng siêu âm• K hái niệm sóng siêu âm • K hái niệm sóng siêu âm
Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16-20 kHz), có tần số khoảng 20-100kHz. Ngoài ra, sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng.
Các đại lượng đặc trưng của sóng:
- Chu kì T (s): là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn. - Tần số f (Hz): là số chu kì thực hiện được trong 1 giây.
- Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một khoảng đơn vị thời gian.
- Độ dài bước sóng X (^m); là quãng đường mà sóng truyền được sau một khoảng thời gian bằng 1 chu kì (X=v.T=v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng X là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy kế nhau.[33]
The Frequency Ranges of the Sound
0 1 0 1 l ò 1 1 0 1 1 0 10 1 0 H um an hearing
C o n v e n tio n a l pow er u ltrasou n d Exten ded range for s o n o c h e m is try D ia g n o s tic ultrasound
16Hz - 18kHz 20kHz - 100kHz 20kHz - 2M H z 5 M H z - 10MHz
Hình 1.14: Phân loại các sóng theo tần số • Nguyên lý tác động của sóng siêu âm
s Hiện tượng xâm khí thực
Tuy nhiên sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do đó gây nên hiện tượng vật lý gọi là cavitation (sự tạo và vỡ bọt), quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với môi trường rắn - lỏng).
Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu kì dãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng, độ bền này thay đổi tuỳ theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng. Thông thường sự tạo - vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo - vỡ bọt diễn ra. Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những yếu tố này để hình thành cavitation.
Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thụ dần năng lượng của sóng vá sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quán tính. Nếu chu kì dãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được bọt khí được giãn ra ở nữa chu kì đầu và nữa chu kì còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn, bọt khí cũng hình thành theo quá trình ch ậm hơn.
Sự nén khí tạo ra nhiệt. Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, sự nén khí cũng diễn ra khi các bọt khí bị vỡ vào trong dưới áp lực của chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự toả nhiệt tại một điểm (hot - spot). Tuy nhiên, trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn. Hot - spot là yếu tố quyết định của âm hoá học trong môi trường đồng thể.
Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo dãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân
bằng hơi nước giữa bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình
kéo lớn hơn trong chu trình nén vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích
cỡ bọt khí cũng tăng lên trong m ỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định
mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến bọt khí nổ tung dữ
dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự “ sốc sóng” trong lòng chất
lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (55000C và 50MPa).
H ình 1.15: Cơ chế cavitation của sóng siêu âm
Trong môi trường lỏng - rắn, sự tạo - vỡ bọt khí xảy ra gần bề mặt phân cách lỏng - rắn thì nó khác so với trong hệ đồng thể. Trong hệ đồng thể thì quá trình vỡ bọt, bọt vẫn ở dạng hình cầu đối xứng. Tuy nhiên ở ranh giới phân cách rắn - lỏng thì sự vỡ bọt ở dạng bất đối xứng và tạo ra một sự phun chất lỏng với tốc độ rất cao.
H ình 1.16: Hình ảnh của một bóng kh í trong môi trường lỏng chiếu
xạ siêu âm vỡ gần bề mặt rắn. S ự có m ặt của bề mặt rắn là nguyên nhân của sự vỡ bất đối xứng, hình thành một vòi chất lỏng bắn vào
bề mặt rắn với tốc độ cao.
Cơ chế tác động năng lượng siêu âm trên hệ thống các chất ở môi trường lỏng chủ yếu là do sự tạo lổ hổng và các lực này có một ảnh hưởng nguy kịch lên hệ thống sinh học. Sự tạo lổ hổng do sóng âm chủ yếu được chia làm 2 loại: loại tạm thời và loại bền vững.
- Dạng bong bóng sủi trong nước chứa đầy khí hay hơi nước, trải qua sự dao động
không đều nhau và cuối cùng nổ tung. Điều này sinh ra nhiệt và áp suất tại chỗ cao sẽ phân huỷ các tế bào sinh học và làm biến tính các enzyme hiện diện. Các bong bóng nổ tung vào trong cũng sinh ra các lực biến dạng cao và các tia lỏng trong dung môi có thể đủ năng lượng
phá huỷ màng tế bào một cách cơ học. Cơ chế tác động kiểu này cũng từng được sử dụng ở quy mô nhỏ trong việc tẩy uế nguồn nước bị nhiễm bào tử vi sinh vật.
- Dạng lổ ổn định liên quan đến những bọt sủi mà dao động theo một dạng đều cho
nhiều chu trình âm thanh. Các bọt sủi cảm ứng các vi dòng có thể gây ra stress trong các chất lỏng xung quanh lên vài loài. Tác dụng này vì vậy mà cung cấp một lượng lớn mà không có sự nổ của các bọt sủi. Dạng tạo lổ trống này quan trọng trên một loạt các ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ sinh học.
Hiện tượng vi xoáy
Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được.[31][32]
1.3.3 C ác biến đổi tro n g q u á trìn h trích ly
Khi truyền sóng siêu âm qua môi trường lỏng, dưới tác dụng của sóng, các bọt khí bị kéo nén, sự tăng áp suất và nhiệt độ làm các bọt khí nổ vỡ, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” . Khi sự nổ vỡ của các bọt khí ở gần bề mặt pha rắn, xảy sự mất đối xứng, sinh ra tia dung môi có tốc độ cao vào thành tế bào, do đó làm tăng sự xâm nhập của dung môi vào tế bào và làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng. Điều này làm tăng sự truyền khối và phá vỡ cấu trúc tế bào. Sự nổ vỡ của các bọt khí làm tăng sự thoát ra của các chất nội bào vào dung dịch. Sử dụng nhiệt độ cao trong kĩ thuật UAE có thể làm tăng hiệu quả trích ly vì nó làm tăng sự hình thành và nổ vỡ các bọt khí.
1.3.4 T hiết bị p h á t sóng siêu âm
Thiết bị phát sóng siêu âm cũng phải gồm có 3 phần tối cần thiết sau:
- Bộ phận chuyển phần lớn điện năng thành dòng điện xoay chiều tần số cao để vận
hành bộ phận biến đổi.
- Bộ phận biến đổi chuyển dòng điện xoay chiều tần số cao thành những dao động. Phần
lớn thiết bị phát sóng siêu âm ngày nay sử dụng kỹ thuật áp điện. Hình dạng và kích thước của bộ phận này phụ thuộc vào tần số làm việc, bộ phận 20 kHz có chiều dài gấp đôi bộ phận 40 kHz. Năng lượng qua bộ biến đổi sẽ chuyển ngược lại thành bình phương tần số dao động,
vì vậy thiết bị năng lượng cao tần số thấp được chú trọng. Bộ phận biến đổi nối với hệ thống truyền sóng thông qua một thiết bị phụ (Povey M.I.W. and Mason T.J, 1998).
- Hệ thống truyền sóng sẽ truyền những dao động vào trong lòng chất lỏng. Trong thiết
bị phát sóng siêu âm dạng bể, bộ phận biến đổi được gắn ở đáy bể và truyền trực tiếp dao động vào chất lỏng trong bồn. Tuy nhiên, đối với thiết bị năng lượng cao (thiết bị dạng thanh/que) dao động được khuyếch đại và truyền vào môi trường lỏng nhờ thiết bị trung gian gắn với bộ phận biến đổi. Theo thời gian, đầu của bộ phận trung gian này có thể bị mòn và bị giảm chiều dài cần thiết vì vậy người ta phải lắp đầu có thể tháo gỡ được. [30]
1.17a 1.17b
H ình 1.17: Thiết bị phát sóng siêu âm trong phòng thí nghiệm
1.17a: Thiết bị phát sóng siêu âm dạng thanh 1.17b: Thiết bị phát sóng siêu âm dạng bể
1.3.5 C ác yếu tố ảnh hưởng đến q u á trìn h trích ly bằng sóng siêu âm.
1.3.5.1 Nguyên liệu
Tùy thuộc tính chất (nguyên liệu màng tế bào, chất nguyên sinh, một số tạp chất), trạng
thái rắn lỏng, cách thức chuẩn bị mẫu nguyên liệu (kích thước) sẽ ảnh hưởng rất lớn đến kết
quả trích ly.
Chẳng hạn, đối với kích thước vật liệu, quá trình trích ly xảy ra chủ yếu do thẩm thấu và khuếch tán nên kích thước vật liệu càng nhỏ, diện tích tiếp xúc càng lớn và hiệu quả trích ly càng cao. Nguyên liệu phải được xay nhỏ đến mức thích hợp để dung môi có điều kiện tiếp xúc trực tiếp với thành tế bào một cách dễ dàng, thúc đẩy quá trình chiết xuất nhanh chóng và
1.3.5.2 D ung môi
Lựa chọn dung môi trích ly; dung môi trích ly là các dung môi hoà tan được hợp chất cần trích ly. Khả năng đó của dung môi lại phụ thuộc một vài tính chất của nó như độ phân cực, độ nhớt, sức căng bề mặt...
Theo lý thuyết thì trích ly đạt hiệu suất cao khi dùng đúng dung môi với chất cần trích ly. Theo quy tắc chung là: các dung môi phân cực hoà tan các hợp chất phân cực tốt nhất và các dung môi không phân cực hòa tan các hợp chất không phân cực tốt n h ấ t. Ngoài ra, độ phận cực dựa vào hằng số phân cực của dung môi và được chia làm 3 loại;
+ Dung môi phân cực mạnh; nước, methanol, ethanol,...
+ Dung môi phân vừa và yếu; ethyl acetate, chloroform, dichloromethane, a c e to n ,. + Dung môi không phân cực; ete, ete dầu hỏa, n -hexan,...
1.3.5.3 N hiệt độ
Nhiệt độ trích ly có liên quan đến hiệu suất trích ly. Nhiệt độ tăng thì hàm lượng chất cần trích ly tăng. Tuy nhiên cần lưu ý để lựa chọn nhiệt độ phù hợp tránh làm oxi hóa chất cần tách.
1.3.5.4 T hời gian trích ly
Thời gian trích ly khi sử dụng sóng siêu âm thường ngắn hơn so với phương pháp truyền thống. Thông thường, thời gian trích ly càng dài thì hàm lượng chất trích ly càng tăng nhưng đối với một số trường hợp thì thời gian trích ly tăng thì hàm lượng chất trích ly giảm do ngoài chất cần trích ly thì dưới tác động của sóng siêu âm, một số chất khác cũng bị thoát ra.
1.3.5.5 Số lần trích ly
Tuỳ thuộc vào mẫu nguyên liệu và phương pháp trích mà số lần trích ly sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng chất thu được. Thường thì khi tăng số lần trích ly thì hàm lượng chất thu được tăng.
1.3.5.6 T ần số sóng âm , cường độ âm , m ật độ năng lượng âm
Cường độ âm gây bất lợi vì nó gây ra nhiều hiệu ứng phụ ảnh hưởng đến sự có mặt của trường âm như hiệu ứng nhiệt, xâm thực, sự tán s ắ c , .
Siêu âm với biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng với cường độ mạnh hơn. Bóng bóng được hình thành nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn do tăng áp suất hơi và giảm
1.3.5.7 K huấy trộ n
Trích ly lỏng - rắn là cần thiết cho sự phân đoạn các cấu tử từ nguyên liệu tự nhiên. Nhưng hiệu suất trích ly lỏng - rắn rất thấp bởi vì tốc độ truyền khối thấp. Sự khuấy đảo thường được dung để làm tăng tốc độ truyền khối nhưng tác động của sự khuấy đảo lên quá trình truyền khối rất giới hạn. Nguyên nhân chính là tốc độ trích ly được kiểm soát không chỉ bởi tốc độ truyền khối trong màng lỏng quanh mẫu nguyên liệu mà còn bởi tốc độ khuếch tán bên trong. Kết quả là, sự khuấy không ảnh hưởng đến tốc độ trích ly khi trở lực truyền khối trong màng lỏng độ nguyên liệ u ...
1.3.5.8 Tỷ lệ nguyên liệu : dung môi
Tỷ lệ nguyên liệu : dung môi càng nhỏ thì hiệu quả quá trình trích càng cao. Tuy nhiên, cần thiết phải nghiên cứu nhiều tỉ lệ nguyên liệu : dung môi thấp hơn để xác định tỉ lệ nguyên liệu : dung môi mà tại đó nó không tăng nữa ở các mức độ trích ly. Điều này đảm bảo việc sử dụng dung môi tiết kiệm nhất và hiệu quả nhất.
Ngoài ra tùy theo chất cụ thể mà còn nhiều yếu tố khác: pH, sử dụng chất kháng oxy hóa hỗ t r ợ .
1.3.6 Ứ ng dụng của sóng siêu âm và ưu, nhược điểm của việc sử dụng sóng siêu âm cho q u á trìn h trích ly. cho q u á trìn h trích ly.
a) Ứ ng dụng của sóng siêu âm
