Tief 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 arbeiten hervorragend in Kombination mit der Ultraschallextraktion und liefern hohe Extraktausbeuten von höchster Qualität. Erfahren Sie mehr über die Ultraschallextraktion mit natürlichen tief eutektischen Lösungsmitteln.

Was sind tief eutektische Lösungsmittel (DES)?

Tief eutektische Lösungsmittel, oft auch stark eutektische Lösungsmittel genannt (engl. deep eutectic solvents; DES) sind Mischungen aus mindestens einem Wasserstoffbrückenbindungsakzeptor (HBA) und einem Wasserstoffbrückenbindungsdonator (HBD), einschließlich Carbonsäuren und anderen erneuerbaren 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 Wasserstoffbrückenbindungs-Donatoren (HBDs) werden häufig Verbindungen wie Zucker, Aminosäuren, Carbonsäuren (z.B. Benzoesäure, Zitronensäure, Bernsteinsäure) oder Amine (z.B. Harnstoff, Benzamid) verwendet. Das chemische Wechselwirkungspotential der HBDs ist der Hauptfaktor für die Bildung und Effizienz von tiefen eutektischen Lösungsmitteln. In Verbindung mit den HBDs können auch Halogenidsalze wie Cholinchlorid oder Zinkchlorid verwendet werden. Andere DES auf Cholinchloridbasis werden mit Malonsäure, Phenol oder Glycerin gebildet. Aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindungen ist der Schmelzpunkt der tiefen eutektischen Lösungsmittel im Vergleich zu den Einzelkomponenten deutlich geringer. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungsmitteln (z. B. Ethanol, Methanol, Hexan, Butan etc.) sind DES nicht flüchtig, d.h. sie haben einen sehr niedrigen Dampfdruck und sind dadurch schwer entflammbar. Die Toxizität der stark eutektischen Lösungsmittel ist gering, ihre biologische Abbaubarkeit ist hoch, und die notwendigen Ausgangsstoffe sind preiswert, leicht und reichlich verfügbar sowie erneuerbar. Natürliche tief eutektische Lösungsmittel (NADESs) sind sogar noch umweltfreundlicher, da alle Ausgangsstoffe aus natürlichen Quellen stammen. DESs bieten außerdem eine anpassbare Solubilität, die auf der Chemie des gelösten Stoffes und der zur Herstellung des DES verwendeten Komponenten basiert. Einige NADES weisen eine hohe Viskosität auf und sind daher für die Batch-Extraktionwenige greeignet. NADES mit höherer Viskosität können jedoch erfolgreich als Lösungsmittel in der Ultraschallextraktion im kontinuierlichen Durchfluss eingesetzt werden.

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 Slurry bestehend aus dem pflanzlichen Rohstoff und dem (natürlichen) tief eutektischen Lösungsmittel, eingekoppelt. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnde Niederdruck-und Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen heranwachsen. 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 absorbieren können, so dass sie während eines Hochdruckzyklus heftig 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 mit Ultraschall erzeugten Turbulenzen und Scherkräfte brechen Pflanzenzellen auf und setzen die intrazellulären bioaktiven Verbindungen in das (natürliche) tief 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 tief 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 gibt Ihnen die Möglichkeit, die prozessverstärkende Kraft des Ultraschalls mit den bemerkenswerten lösenden Effekten und der hervorragenden Anpassbarkeit von tief eutektischen Lösemitteln zu kombinieren.
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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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