Hocheffiziente Artemisinin-Extraktion mittels Ultraschall

Artemisinin lässt sich durch Hochleistungsbeschallung effizient extrahieren. Die Ultraschallextraktion liefert sehr hohe Ausbeuten an Artemisinin unter Verwendung milder Lösungsmittel. Der Prozess der Extraktion mit Ultraschall wird drastisch beschleunigt. Die Prozessbedingungen in Ultraschallextraktoren sind präzise steuerbar, wodurch eine Degradation des hitzeempfindlichen Biomoleküls Artemisinin verhindert werden kann.

Artemisinin-Extraktion

Artemisinin ist ein bioaktives Molekül, das in den Trichom-Drüsen der Artemisia annua-Pflanze vorkommt. Es wird als Anti-Malaria-Medikament verwendet und zeigt ein hohes Potenzial als Medikament für die Behandlung verschiedener anderer Krankheiten, einschließlich Krebs und SARS-CoV-2. Die traditionelle Extraktionsmethode beinhaltet giftige Lösungsmittel und ist ein teurer, suboptimaler Prozess. Um Artemisinin in großem Maßstab unter ökologisch und ökonomisch günstigen Bedingungen zu produzieren, wird eine effiziente und umweltfreundliche Extraktionstechnik benötigt. Die Ultraschallextraktion ist eine weithin etablierte Extraktionsmethode, die in Kombination mit Wasser oder Ethanol als nicht-toxischen Lösungsmitteln eingesetzt werden kann. Die Ultraschallextraktion hat bereits bewiesen, dass sie hohe Artemisinin-Ausbeuten liefert, so dass die Artemisinin-Produktion schnell auf große Mengen skaliert werden kann. Ultraschall-Extraktionsgeräte für die Batch- und In-Line-Verarbeitung auf industrieller Ebene sind bereits verfügbar.

Ultraschallextraktion von Artemisinin aus Artemisia annua

Die Verwendung von Leistungsultraschall für die Extraktion übertrifft andere Extraktionsmethoden in verschiedenen wichtigen Faktoren, darunter Ausbeute, Extraktionszeit, Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz.

Die Nachteile der traditionellen Artemisinin-Extraktion

Herkömmliche Extraktionsverfahren für Artemisinin sind zeitaufwendig, können die bioaktiven Moleküle Artemisinin aufgrund der angewandten hohen Temperaturen schädigen und haben aufgrund der verwendeten organischen Lösungsmittel bei hohen Temperaturen eine hohe Umweltbelastung. Zusätzlich ist im nachgelagerten Prozess eine umfangreiche Aufreinigung notwendig, um Verunreinigungen aus dem Rohextrakt zu entfernen.

Die Vorteile der Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall

Die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall zur Extraktion hat mehrere positive Effekte, die den Extraktionsprozess intensivieren: Hochleistungs-Ultraschall erzeugt akustische Kavitation. Diese akustische Kavitation fördert die Pflanzenextraktion durch Zellaufschluss, so dass die eingeschlossenen Biomoleküle aus der Zellmatrix der Pflanze freigesetzt werden. Zusätzlich verstärken die Kavitationskräfte den Stofftransport, wodurch die Biomoleküle wie z.B. Artemisinin effizient in das umgebende Lösungsmittel transportiert werden. Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion ist auf die rein mechanischen Kräfte der Kavitation zurückzuführen. Das heißt, die Beschallung ist eine nicht-thermische, nicht-chemische Extraktionstechnik. Die Tatsache, dass es sich um eine nicht-thermische Extraktionstechnik handelt, macht die Ultraschallextraktion besonders vorteilhaft, da Artemisinin eine thermisch empfindliche Verbindung ist, d.h. höhere Temperaturen (z.B. 70°C) führen zu seiner Zersetzung. Folglich konnte Artemisia annua L. nicht in heißem Wasser gekocht werden, um Artemisinin zu gewinnen.

Grüne Lösungsmittel für die Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall

Zu den klassischen Extraktionslösungsmitteln, die für die Artemisinin-Produktion verwendet werden, gehören Hexan, Petrolether oder Dichlormethan. Die ultraschallgesteuerte Extraktion ist mit jedem Lösungsmittel kompatibel, einschließlich milder, grüner Lösungsmittel wie Ethanol oder Wasser. Die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit Ethanol ist im Vergleich zu scharfen Lösungsmitteln ebenso effizient. Da Artemisinin eine schlechte Wasserlöslichkeit aufweist, können Cyclodextrine zur Verbesserung der Ultraschall-Kaltwasserextraktion von Artemisinin verwendet werden.

Was macht die Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall so effizient?

Um die Vorteile der ultraschallunterstützten Extraktion zu verstehen, muss das Funktionsprinzip von Leistungsultraschall verstanden werden. Der extraktionsverstärkende Mechanismus von Leistungsultraschall wird hauptsächlich auf das Phänomen der akustischen Kavitation zurückgeführt. Die Ultraschallkavitation verursacht Kollisionen zwischen den Partikeln der pflanzlichen Biomasse (z. B. Blätter von Artemisia annua L.), was zu einer interpartikulären Fraktionierung und Reduzierung der Partikelgröße führt. Wenn die Kavitationsblasen auf der Oberfläche der pflanzlichen Feststoffe kollabieren, vergrößern Erosion und Sonoporation die Partikeloberfläche weiter. Der dadurch intensivierte Stoffaustausch erleichtert die Freisetzung von Molekülen wie Proteinen, Lipiden, Zuckern, Vitaminen, Antioxidantien, Phyto-Chemikalien (z. B. Artemisinin) und Ballaststoffen. Durch die mit Ultraschall erzeugten Scherkräfte wird das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix der pflanzlichen Stoffe bzw. die Durchlässigkeit der Zellmembranen verbessert. Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls sind verantwortlich für die signifikante Prozessintensivierung, die bei der Anwendung von Ultraschall zur Extraktion von Pflanzenstoffen erreicht wird.

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

Forschungserprobte Ergebnisse der Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall

Es wurden mehrere wissenschaftliche Studien durchgeführt, um die Effizienz und Praktikabilität der Artemisinin-Extraktion aus Artemisia annua-Blättern mit Ultraschall zu untersuchen.

Briars und Paniwnyk zeigten, "dass Ultraschall bei niedrigen Temperaturen die Ausbeute an Artemisinin, das aus A. annua extrahiert wird, um etwa 58 % erhöht und die Extrakte im Vergleich zum konventionellen Steeping reiner erscheinen; daher hat die Verwendung von Ultraschall während der Extraktion das Potenzial für die Herstellung kostengünstigerer Behandlungen auf Artemisinin-Basis." (Briars und Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) untersuchten die Artemisinin-Extraktion mittels Ultraschall unter Verwendung von Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel. Der mit Ultraschall hergestellte Artemisinin-Extrakt wurde mit 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 zeigt die ultraschallunterstützte Extraktion unter Verwendung des grünen und effizienten Monoethers Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel große Aussichten bei der Extraktion und Abtrennung bioaktiver Moleküle aus Botanicals. Die Ultraschallextraktion mit Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel führte zu einer hohen Gesamtextraktionseffizienz und hohen Artemisinin-Ausbeuten. (vgl. Zhang et al., 2017)

In einer weiteren Studie stellen Zhang et al. (2020) die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin vor. Die Zugabe von Cyclodextrin verbessert die Freisetzung der schwer wasserlöslichen Verbindung Artemisinin und ermöglicht die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel mit guten Extraktionsausbeuten. Die Ultraschallextraktion in Kombination mit Cyclodextrin erhöhte die Artemisininmenge auf 8,66 mg/g, was deutlich mehr ist als die entsprechende in Wasser erhaltene Menge von 1,70 mg/g.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Artemisinin-Produktion

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind weltweit in R&D, kleine, mittlere und vollkommerzielle Produktionsebenen in verschiedenen Branchen wie z. B. in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungs- und Pharmaproduktion. Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren intensivieren den Extraktionsprozess, erhöhen die Ausbeute und verbessern so die Gesamteffizienz der Produktion hochwertiger Extrakte. Hielscher Ultrasonics bietet Extraktionsgeräte für jedes Volumen / jede Prozesskapazität. Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der botanischen Extraktion ist Hielscher Ultrasonics Ihr zuverlässiger Partner für die Hochleistungs-Ultraschallextraktion von Artemisia annua!

Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen

Die intelligenten Funktionen der Hielscher-Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und eine hohe Benutzerfreundlichkeit garantieren. Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung zugänglich ist, einfach aufrufen und anwählen. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet. Dies ermöglicht Ihnen, frühere Beschallungsläufe zu überarbeiten und zu vergleichen und den Artemisinin-Extraktionsprozess auf höchste Effizienz zu optimieren.
Hielscher Ultraschallsysteme werden weltweit für die Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte eingesetzt. Hielscher Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos hohe Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) fahren. Mit Standard-Sonotroden (Ultraschallsonden / -hörner) können Amplituden bis zu 200µm problemlos kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschallsonotroden zur Verfügung. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsaufwands werden unsere Ultraschall-Extraktionssysteme häufig für Hochleistungsanwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.

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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme: