Hocheffiziente Artemisinin-Extraktion mittels Ultraschall

Artemisinin lässt sich durch Hochleistungs-Ultraschallbehandlung effizient extrahieren. Die Ultraschallextraktion erzielt mit milden Lösungsmitteln sehr hohe Artemisinin-Ausbeuten. Durch den Einsatz von Ultraschall wird der Extraktionsprozess drastisch beschleunigt. Die Prozessbedingungen in Ultraschallextraktoren lassen sich präzise steuern, wodurch der Abbau des wärmeempfindlichen Biomoleküls Artemisinin verhindert werden kann.

Artemisinin-Extraktion

Artemisinin ist ein bioaktives Molekül, das in den Drüsentrichomen der Pflanze Artemisia annua vorkommt. Es wird als Medikament gegen Malaria eingesetzt und zeigt großes Potenzial als Arzneimittel zur Behandlung verschiedener weiterer Erkrankungen, darunter Krebs und Infektionen mit SARS-CoV-2. Die traditionelle Extraktionsmethode verwendet toxische Lösungsmittel und ist ein teures, suboptimales Verfahren. Um Artemisinin in großem Maßstab unter ökologisch und wirtschaftlich günstigen Bedingungen herzustellen, ist eine effiziente und umweltfreundliche Extraktionstechnik erforderlich. Die Ultraschallextraktion ist eine weithin etablierte Extraktionsmethode, die mit Wasser oder Ethanol als nichttoxischen Lösungsmitteln eingesetzt werden kann. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die Ultraschallextraktion hohe Artemisinin-Ausbeuten erzielt, sodass die Artemisinin-Produktion rasch auf große Volumina skaliert werden kann. Ultraschallextraktionsanlagen für die industrielle Chargen- und Inline-Verarbeitung sind problemlos verfügbar.

Ultraschallextraktion von Artemisinin aus Artemisia annua

Der Einsatz von Leistungsultraschall zur Extraktion übertrifft andere Extraktionsmethoden in mehreren wesentlichen Punkten, darunter Ausbeute, Extraktionszeit, Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz.

Die Nachteile der traditionellen Artemisinin-Extraktion

Traditionelle Extraktionsmethoden für Artemisinin sind zeitaufwendig, können die bioaktiven Artemisinin-Moleküle durch die eingesetzten hohen Temperaturen schädigen und belasten die Umwelt stark durch die bei hohen Temperaturen verwendeten organischen Lösungsmittel. Außerdem ist in der nachgelagerten Verarbeitung eine aufwendige Reinigung erforderlich, um Verunreinigungen aus dem Rohextrakt zu entfernen.

Die Vorteile der Ultraschallextraktion von Artemisinin

Der Einsatz von Leistungsultraschall zur Extraktion hat mehrere positive Effekte, die den Extraktionsprozess intensivieren: Hochleistungsultraschall erzeugt akustische Kavitation. Diese akustische Kavitation fördert die Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe durch Zellaufschluss, sodass die eingeschlossenen Biomoleküle aus der Zellmatrix der Pflanze freigesetzt werden. Außerdem intensivieren die Kavitationskräfte den Stofftransport und befördern Biomoleküle wie Artemisinin effizient in das umgebende Lösungsmittel. Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion beruht auf den rein mechanischen Kräften der Kavitation. Damit ist die Beschallung eine nichtthermische, nichtchemische Extraktionstechnik. Als nichtthermisches Verfahren ist die Ultraschallextraktion besonders vorteilhaft, da Artemisinin eine wärmeempfindliche Verbindung ist, die sich bei höheren Temperaturen (z. B. 70°C) zersetzt. Folglich lässt sich Artemisia annua L. nicht in heißem Wasser auskochen, um Artemisinin zu gewinnen.

Umweltfreundliche Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion von Artemisinin

Zu den klassischen Extraktionslösungsmitteln für die Artemisinin-Produktion zählen Hexan, Petrolether und Dichlormethan. Die ultraschallgestützte Extraktion ist mit jedem Lösungsmittel kompatibel, einschließlich milder, umweltfreundlicher Lösungsmittel wie Ethanol oder Wasser. Die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit Ethanol ist ebenso effizient wie die Extraktion mit aggressiven Lösungsmitteln. Da Artemisinin schlecht wasserlöslich ist, können Cyclodextrine eingesetzt werden, um die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit kaltem Wasser zu verbessern.

Was macht die Ultraschallextraktion von Artemisinin so effizient?

Um die Vorteile der ultraschallgestützten Extraktion zu verstehen, muss das Wirkprinzip von Leistungsultraschall betrachtet werden. Der extraktionsverstärkende Mechanismus von Leistungsultraschall wird hauptsächlich auf das Phänomen der akustischen Kavitation zurückgeführt. Ultraschallkavitation verursacht Kollisionen zwischen Partikeln der pflanzlichen Biomasse, beispielsweise Blättern von Artemisia annua L., wodurch die Partikel zerbrechen und ihre Größe abnimmt. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche der pflanzlichen Feststoffe kollabieren, vergrößern Erosion und Sonoporation die Partikeloberfläche weiter. Der dadurch intensivierte Stofftransport erleichtert die Freisetzung von Molekülen wie Proteinen, Lipiden, Zuckern, Vitaminen, Antioxidantien, sekundären Pflanzenstoffen (z. B. Artemisinin) und Ballaststoffen. Durch Ultraschall erzeugte Scherkräfte verbessern das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix des Pflanzenmaterials sowie die Durchlässigkeit der Zellmembranen. Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls sind für die erhebliche Prozessintensivierung verantwortlich, die beim Einsatz der Ultraschallbehandlung zur Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe erzielt wird.

Leistungsultraschallwellen schließen die Zellstruktur von Pflanzen auf, setzen die bioaktiven Verbindungen frei und fördern den Stofftransport zwischen dem Pflanzenmaterial und dem Lösungsmittel (z. B. Ethanol).

Wissenschaftlich belegte Ergebnisse der Ultraschallextraktion von Artemisinin

In mehreren wissenschaftlichen Studien wurden die Effizienz und die praktische Anwendbarkeit der Ultraschallextraktion von Artemisinin aus Blättern von Artemisia annua untersucht.

Briars und Paniwnyk zeigten, „dass Ultraschall bei niedrigen Temperaturen die Ausbeute an Artemisinin aus A. annua um etwa 58% erhöht und die Extrakte im Vergleich zum herkömmlichen Einweichen reiner erscheinen; daher hat der Einsatz von Ultraschall während der Extraktion das Potenzial, kostengünstigere Behandlungen auf Artemisininbasis zu ermöglichen.“ (Briars und Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) untersuchten die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel. Der mittels Ultraschall hergestellte Artemisinin-Extrakt wurde mithilfe der Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) analysiert. Die Analyseergebnisse unterstrichen die Qualität des Extrakts. Aufgrund der guten Wiederholbarkeit des Prozesses und der Stabilität des extrahierten Artemisinins bietet die ultraschallgestützte Extraktion mit dem umweltfreundlichen und effizienten Monoether Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel vielversprechende Perspektiven für die Extraktion und Abtrennung bioaktiver Moleküle aus Pflanzen. Die Ultraschallextraktion mit Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel führte zu einer hohen Gesamteffizienz der Extraktion und hohen Artemisinin-Ausbeuten. (vgl. Zhang et al., 2017)

In einer weiteren Studie stellen Zhang et al. (2020) die Ultraschallextraktion von Artemisinin unter Verwendung von Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin vor. Die Zugabe von Cyclodextrin verbessert die Freisetzung der schlecht wasserlöslichen Verbindung Artemisinin und ermöglicht den Einsatz von Wasser als Lösungsmittel bei guten Extraktionsausbeuten. Die Ultraschallextraktion in Kombination mit Cyclodextrin erhöhte die Artemisinin-Menge auf 8,66 mg/g und damit deutlich über die entsprechende Menge von 1,70 mg/g, die in Wasser gewonnen wurde.

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für die Artemisinin-Produktion

Hochleistungs-Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in Forschung und Entwicklung sowie in der Produktion im kleinen, mittleren und vollständig kommerziellen Maßstab eingesetzt, unter anderem in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Arzneimittelherstellung. Hochleistungs-Ultraschallextraktoren intensivieren den Extraktionsprozess und erhöhen die Ausbeute, wodurch sich die Gesamteffizienz bei der Herstellung hochwertiger Extrakte verbessert. Hielscher Ultrasonics bietet Extraktionsanlagen für jedes Volumen und jede Verarbeitungskapazität. Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe ist Hielscher Ultrasonics Ihr zuverlässiger Partner für die Hochleistungs-Ultraschallextraktion aus Artemisia annua!

Leistungsstarke Ultraschallgeräte auf dem neuesten Stand der Technik

Die intelligenten Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und einstellen. Das Menü ist über ein digitales Farb-Touchdisplay und per Browser-Fernsteuerung zugänglich. Alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsdurchläufe überprüfen und vergleichen und den Artemisinin-Extraktionsprozess auf höchste Effizienz optimieren.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit zur Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte eingesetzt. Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher können problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) arbeiten. Mit Standardsonotroden lassen sich problemlos dauerhaft Amplituden von bis zu 200µm erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallextraktionssysteme häufig für Anwendungen unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.

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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: