Stark eutektische Lösungsmittel für eine hocheffiziente Extraktion

Tief eutektische Lösungsmittel (engl. deep eutectic solvents; DES) und natürliche tief eutektische Lösungsmittel (engl. natural deep eutectic solvents; NADES) bieten als Extraktionslösungsmittel zahlreiche Vorteile und sind damit eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen organischen Lösungsmitteln. Tief eutektische Lösungsmittel funktionieren hervorragend in Kombination mit der Ultraschallextraktion und liefern hohe Extraktausbeuten von höchster Qualität. Erfahren Sie mehr über die Ultraschallextraktion mit natürlichen tief eutektischen Lösungsmitteln.

Wie verbessert Ultraschall die Extraktion mit tief eutektischen Lösungsmitteln?

Die Ultraschall-Extraktion in Kombination mit stark eutektischen Lösungsmitteln und natürlichen tief eutektischen Lösungsmitteln überzeugt durch mehrere Vorteile bei der Extraktion bioaktiver Verbindungen. Einer der Hauptvorteile ist die erhöhte Extraktionseffizienz von phenolischen Verbindungen und anderen Phytochemikalien aus natürlichen Quellen. Tiefeutektische Lösungsmittel sind für ihre hohe Extraktionseffizienz bekannt, die durch ultraschall-gestützte Extraktion noch gesteigert werden kann. Aufgrund ihrer Ungiftigkeit eignen sie sich hervorragend als Lösungsmittel für pharmazeutische Produkte und Lebensmittel. Dies macht die Ultraschallextraktion mit stark eutektischen Lösungsmitteln zu einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Methode für die Gewinnung bioaktiver Verbindungen. Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass die synergetische Verwendung von Ultraschall mit tief eutektischen Lösungsmitteln zu einer höheren Ausbeute an verschiedenen bioaktiven Verbindungen führt. Insgesamt bietet die Ultraschallextraktion in Kombination mit tief eutektischen Lösungsmitteln sowie natürlichen stark- eutektischen Lösungsmitteln einen effizienteren und umweltfreundlicheren Ansatz für die Extraktion bioaktiver Verbindungen.

Was sind tief eutektische Lösungsmittel (DES)?

Tief eutektische Lösungsmittel (DES) sind Gemische aus mindestens einem Wasserstoffbrückenbindungsakzeptor (engl. hydrogen bond acceptor - HBA) und einem Wasserstoffbrückenbindungsdonor (engl. hydrogen bond donor -HBD), darunter Carbonsäuren und andere erneuerbare Verbindungen. Laut Cai et al. (2019) ist "die starke Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkung zwischen HBA und HBD der wichtigste Faktor für die Bildung von DESs." [Cai et al. 2019]
Als Wasserstoffbrückenbindungsdonatoren werden häufig Verbindungen wie Zucker, Aminosäuren, Carbonsäuren (z. B. Benzoesäure, Zitronensäure, Bernsteinsäure) oder Amine (z. B. Harnstoff, Benzamid) verwendet. Das chemische Wechselwirkungspotenzial der Wasserstoffbrückenbindungsdonatoren ist der Hauptfaktor für die Bildung und die Effizienz von tief eutektischen Lösungsmitteln. Halogenidsalze wie Cholinchlorid oder Zinkchlorid können ebenfalls in Verbindung mit den Wasserstoffbrückenbindungsspendern verwendet werden. Andere tief eutektische Lösungsmittel auf Cholinchloridbasis werden mit Malonsäure, Phenol oder Glycerin gebildet. Aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindungen ist der Schmelzpunkt von tief eutektischen Lösungsmitteln im Vergleich zu ihren Einzelkomponenten deutlich reduziert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungsmitteln (z. B. Ethanol, Methanol, Hexan, Butan usw.) sind tief eutektische Lösungsmittel nicht flüchtig, d. h. sie haben einen sehr niedrigen Dampfdruck und sind daher schwer entflammbar. Die Toxizität tief eutektischer Lösungsmittel ist gering, ihre biologische Abbaubarkeit ist hoch, und die erforderlichen Ausgangsstoffe sind preiswert, leicht und reichlich verfügbar sowie erneuerbar.
Natürliche tief-eutektische Lösungsmittel (engl. Natural deep eutectic solvents - NADES) sind sogar noch umweltfreundlicher, da alle Ausgangsstoffe aus natürlichen Quellen stammen. (Natürlich) tief eutektische Lösungsmittel bieten zudem eine gut einstellbare Löslichkeit, die entsprechend der Chemie des gelösten Stoffes und der zur Herstellung tief eutektischer Lösungsmittel verwendeten Spezies angepasst wird. Einige natürliche tief eutektische Lösungsmittel weisen eine hohe Viskosität auf und sind daher für die Batch-Extraktion nicht sehr geeignet. Natürliche tief eutektische Lösungsmittel mit höherer Viskosität können jedoch erfolgreich als Lösungsmittel in der Durchflussextraktion mit Ultraschall eingesetzt werden.

Die nachstehende Tabelle zeigt einige beispielhafte Zusammensetzungen natürlicher tief eutektischer Lösungsmittel (NADES) für die Extraktion von Phytochemikalien:

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion mit tief eutektischen Lösungsmitteln?

Die Ultraschallextraktion basiert auf der sonomechanischen Wirkung von hochintensivem, niederfrequentem Ultraschall. Um die Extraktion von Pflanzenstoffen (d. h. bioaktiven Substanzen) durch Ultraschall zu fördern und zu intensivieren, werden Hochleistungs-Ultraschallwellen über eine Ultraschallsonde (auch Ultraschallhorn oder Sonotrode genannt) in das flüssige Medium, d. h. die Aufschlämmung, bestehend aus dem pflanzlichen Rohstoff und dem (natürlichen) tiefen eutektischen Lösungsmittel, eingekoppelt. Die Ultraschallwellen wandern durch die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnde Niederdruck-/Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während dieser Zyklen des Blasenwachstums treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblase ein, so dass sich die Vakuumblase in wachsende Gasblasen verwandelt. Nach dem Wachstum über mehrere Zyklen erreichen die Vakuumblasen eine bestimmte Größe, bei der sie keine Energie mehr aufnehmen können, so dass sie während eines Hochdruckzyklus gewaltsam implodieren. Die Blasenimplosion ist durch intensive Kavitationskräfte gekennzeichnet, die sehr hohe Temperaturen und Drücke von bis zu 4000K bzw. 1000atm sowie entsprechend hohe Temperatur- und Druckdifferenzen beinhalten. Diese durch Ultraschall erzeugten Turbulenzen und Scherkräfte brechen Pflanzenzellen auf und setzen die intrazellulären bioaktiven Verbindungen in das (natürliche) tiefe eutektische Lösungsmittel frei. Die Ultraschallextraktion öffnet die Zellstruktur der Pflanzen und intensiviert den Stoffaustausch zwischen Pflanzenmaterial und Lösungsmittel. Die Beschallung fördert dadurch die Wirksamkeit der natürlichen tiefen eutektischen Lösungsmittel. Die Ultraschallextraktion mit (natürlichen) tief eutektischen Lösungsmitteln führt zu außergewöhnlich hohen Ausbeuten innerhalb einer sehr kurzen Verarbeitungszeit.

Leistungsstarke Ultraschallwellen brechen die Zellstruktur der Pflanzen auf, setzen die bioaktiven Verbindungen frei und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Pflanzenmaterial und dem Lösungsmittel (z.B. dem tief eutektische Lösungsmittel).

Die Kombination von Ultraschallextraktion mit (natürlichen) tief eutektischen Lösungsmitteln bietet Ihnen die Möglichkeit, die prozessverstärkende Kraft des Ultraschalls mit den bemerkenswerten lösenden Effekten und der hervorragenden Gestaltungsmöglichkeit tief eutektischer Lösungsmittel zu kombinieren. Aufgrund der überlegenen Effizienz der Ultraschallextraktion, werden Ultrasonicators auch erfolgreich zur besonders schonenden Kaltwasserextraktion eingesetzt..
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Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Verwendung von stark eutektischen Lösungsmitteln

Die Ultraschallextraktion ist eine zuverlässige Prozesstechnologie, welche die Herstellung von hochwertigen Extrakten aus verschiedenen pflanzlichen sowie mit beliebigen Lösungsmitteln vereinfacht und beschleunigt. Die Ultraschallextraktion ist in hohem Maße mit (natürlichen) tief eutektischen Lösungsmitteln kompatibel, welche aufgrund ihres hervorragenden Lösungsvermögens, der Anpassungsfähigkeit an den Extrakt, der Nachhaltigkeit, der biologischen Abbaubarkeit und der Umweltfreundlichkeit als besonders vorteilhaft gelten. Die Kombination der Prozessintensivierung durch Leistungsultraschalls mit den Vorteilen (natürlicher) tief eutektischer Lösungsmittel verleiht dieser Verfahrenstechnik Überlegenheit auf vielen Ebenen. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics reicht vom kompakten Labor-Ultraschallgerät bis zur industriellen Extraktionsanlage. Alle Geräte sind natürlich für die Extraktion mit tief eutektischen Lösungsmitteln geeignet.
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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: