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 Extraktionsprozess mit Ultraschall wird drastisch beschleunigt. Die Verarbeitungsbedingungen in Ultraschallextraktoren sind genau kontrollierbar, wodurch der Abbau des hitzeempfindlichen Biomoleküls Artemisinin verhindert werden kann.

Artemisinin-Extraktion

Artemisinin ist ein bioaktives Molekül, das in den Trichomdrüsen der Artemisia annua-Pflanze vorkommt. Es wird als Malariamittel verwendet und hat großes Potenzial für die Behandlung verschiedener anderer Krankheiten, darunter Krebs und SARS-CoV-2. Die herkömmliche Extraktionsmethode beinhaltet giftige Lösungsmittel und ist ein teures, nicht optimales Verfahren. Um Artemisinin in großem Maßstab unter umweltfreundlichen und wirtschaftlich günstigen Bedingungen herzustellen, ist eine effiziente und umweltfreundliche Extraktionstechnik erforderlich. Die Ultraschallextraktion ist eine weit verbreitete Extraktionsmethode, die in Kombination mit Wasser oder Ethanol als nichttoxischen Lösungsmitteln eingesetzt werden kann. Die Ultraschallextraktion hat bereits bewiesen, dass sie eine hohe Ausbeute an Artemisinin liefert, so dass die Artemisinin-Produktion schnell auf große Mengen skaliert werden kann. Ultraschall-Extraktionsgeräte für die Chargen- und Inline-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 zeitaufwändig, können die bioaktiven Artemisinin-Moleküle aufgrund der hohen Temperaturen schädigen und haben aufgrund der bei hohen Temperaturen verwendeten organischen Lösungsmittel eine hohe Umweltbelastung zur Folge. Darüber hinaus ist im nachgeschalteten Prozess eine umfangreiche Reinigung erforderlich, um Verunreinigungen aus dem Rohextrakt zu entfernen.

Die Vorteile der Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall

Die Anwendung von Hochleistungsultraschall 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. Außerdem verstärken die Kavitationskräfte den Stofftransport, wodurch die Biomoleküle wie Artemisinin effizient in das umgebende Lösungsmittel transportiert werden. Das Funktionsprinzip der Ultraschallextraktion ist auf die rein mechanischen Kräfte der Kavitation zurückzuführen. Dies bedeutet, dass die Beschallung eine nicht-thermische, nicht-chemische Extraktionstechnik ist. Da es sich um eine nicht-thermische Extraktionstechnik handelt, ist die Ultraschallextraktion besonders vorteilhaft, da Artemisinin eine thermisch empfindliche Verbindung ist, was bedeutet, dass höhere Temperaturen (z. B. 70 °C) seine Zersetzung bewirken. Daher 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, auch mit milden, grünen Lösungsmitteln wie Ethanol oder Wasser. Die Ultraschallextraktion von Artemisinin mit Ethanol ist im Vergleich zu scharfen Lösungsmitteln ebenso effizient. Da Artemisinin schlecht wasserlöslich ist, 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 des Leistungsultraschalls verstanden werden. Der Mechanismus zur Intensivierung der Extraktion durch Leistungsultraschall wird hauptsächlich auf das Phänomen der akustischen Kavitation zurückgeführt. Die Ultraschallkavitation führt zu Kollisionen zwischen den Partikeln der pflanzlichen Biomasse (z. B. den Blättern von Artemisia annua L.), was zu einer interpartikulären Fraktionierung und einer Verringerung 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, Phytochemikalien (z. B. Artemisinin) und Ballaststoffen. Durch die mit Ultraschall erzeugten Scherkräfte wird das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix der Pflanze bzw. die Durchlässigkeit der Zellmembranen verbessert. Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls sind für die signifikante Prozessintensivierung verantwortlich, die bei der Anwendung von Ultraschall für die Extraktion pflanzlicher Stoffe erreicht wird.

Hochintensive Ultraschallwellen brechen die pflanzliche Zellstruktur auf, setzen bioaktiven Verbindungen frei und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Pflanzenmaterial und Lösungsmittel (z.B. Ethanol).

Forschungserprobte Ergebnisse der Artemisinin-Extraktion mit Ultraschall

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

Briars und Paniwnyk zeigten, "dass Ultraschall bei niedrigen Temperaturen die Ausbeute an aus A. annua extrahiertem Artemisinin 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 Artemisinin-Basis herzustellen." (Briars und Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) untersuchten die Artemisinin-Extraktion mit 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 Artemisinin zeigt die ultraschallunterstützte Extraktion unter Verwendung des umweltfreundlichen und effizienten Monoethers Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel große Aussichten für die Extraktion und Abtrennung bioaktiver Moleküle aus pflanzlichen Stoffen. Die Ultraschallextraktion mit Propylenglykolmethylether (PGME) als Lösungsmittel führte zu einer hohen Gesamtextraktionseffizienz und hohen Artemisinin-Ausbeuten. (vgl. Zhang et al., 2017)

In einer anderen Studie stellen Zhang et al. (2020) die Ultraschallextraktion von Artemisinin unter Verwendung von Hydroxypropyl-β-cyclodextrin vor. Der Zusatz 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 Menge von 1,70 mg/g, die in Wasser erhalten wurde.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Artemisinin-Produktion

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind weltweit in R&D, kleine, mittelgroße und voll kommerzielle Produktionsebenen in verschiedenen Branchen wie der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Pharmaproduktion. Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren intensivieren den Extraktionsprozess, erhöhen die Ausbeute und verbessern so die Gesamteffizienz der Produktion hochwertiger Extrakte. Hielscher Ultrasonics bietet Extraktionsanlagen für jedes Volumen / jede Prozesskapazität. Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Pflanzenextraktion 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 Benutzerfreundlichkeit garantieren. Über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung abgerufen werden kann, lassen sich die Betriebseinstellungen einfach aufrufen und wählen. Dabei werden alle Verarbeitungsbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. Dies ermöglicht es Ihnen, frühere Beschallungsläufe zu überprüfen 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 Ultraschallhomogenisatoren: