Hocheffiziente Wasserextraktion mit Leistungsultraschall

Die Wasserextraktion pflanzlicher Verbindungen (z. B. Kalt- oder Heißwasserextraktion, Wasserextraktion unter Druck und Extraktion mit subkritischem Wasser) lässt sich durch Ultraschall effizient verbessern. Die ultraschallunterstützte Wasserextraktion liefert nicht nur höhere Ausbeuten und verkürzt die Verarbeitungszeit, sondern führt im Vergleich zu konventionellen Extraktionsverfahren auch zu einem geringeren Energieverbrauch, milderen Extraktionsbedingungen und hochwertigen Extrakten. Die Ultraschall-Wasserextraktion wird erfolgreich zur Gewinnung zahlreicher pflanzlicher Verbindungen eingesetzt, darunter Alkaloide, Flavonoide, Glykoside, phenolische Verbindungen und Polysaccharide.

Ultraschall-Wasserextraktion bioaktiver Verbindungen

Wasser ist das polarste Lösungsmittel und eignet sich daher hervorragend als Lösungsmittel für polare Verbindungen. Aufgrund seiner ungiftigen und umweltfreundlichen Eigenschaften wäre Wasser das ideale Lösungsmittel für jeden Pflanzenextrakt. Weniger polare und unpolare Komponenten lösen sich jedoch schlecht oder gar nicht in Wasser. Zudem wäre der Extraktionsprozess in Wasser ohne eine Förderung des Stofftransports äußerst langsam und damit unwirtschaftlich. Hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall ist ein sehr effizientes Extraktionsverfahren, das eine intensive Durchmischung und einen intensiven Stofftransport ermöglicht. Daher ist die Ultraschallextraktion für ihre erheblichen Vorteile gegenüber konventionellen Extraktionsmethoden bekannt. Zu diesen Vorteilen zählen höhere Ausbeuten, eine schnelle Verarbeitung, schnelle Chargenwechsel sowie eine kontinuierliche Inline-Extraktion, der Einsatz umweltfreundlicher Lösungsmittel, milde Extraktionsbedingungen, die die Extraktbestandteile schonen, Betriebssicherheit und eine einfache Skalierbarkeit auf hohe Durchsätze für die kommerzielle Produktion. (vgl. Zabot et al., 2021)

Durch Ultraschall verbesserte Heißwasserextraktion

Die Parameter, die die Gewinnung pflanzlicher Inhaltsstoffe bei der Wasserextraktion bestimmen, sind Temperatur, Zeit, Druck und Oberfläche des Pflanzenmaterials. Aufgrund der hohen Wassertemperatur lässt sich ein Heißwasserextrakt in relativ kurzer Zeit herstellen.
Die Lösung: Ausbeute und Extraktionsgeschwindigkeit lassen sich durch Ultraschallrühren deutlich steigern. Heißes Wasser allein kann Zellstrukturen nur begrenzt aufbrechen, und hohe Temperaturen schädigen oder zerstören häufig thermolabile Verbindungen, wodurch die Extraktqualität leidet. Wird die Ultraschallextraktion mit der Heißwasserextraktion kombiniert, lässt sich die Temperatur drastisch senken (z. B. von 100°C auf 50°C). Dies verhindert den thermischen Abbau der extrahierten pflanzlichen Inhaltsstoffe, erhöht die Gesamtausbeute und spart Energie. Ultraschallkavitation ist das Prinzip, auf dem das Phänomen der Ultraschallextraktion beruht. Ultraschallkavitation (oder akustische Kavitation) wirkt durch rein mechanische Kräfte, die Zellwände aufbrechen, die Zielverbindungen freisetzen und den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem Wasser (Lösungsmittel) verbessern. Dadurch liefert die Ultraschall-Wasserextraktion hervorragende Extraktionsergebnisse.

Durch Ultraschall verbesserte Kaltwasserextraktion

Die Kaltwasserextraktion (Kaltwasserinfusion) ist deutlich ineffizienter, da auf heißes Wasser verzichtet wird. Kaltes oder raumtemperiertes Wasser extrahiert pflanzliche Verbindungen nicht besonders gut, da kaltes Wasser nur sehr langsam in das Pflanzenmaterial eindringt und der Stofftransport nahezu vernachlässigbar ist. Der Vorteil der Kaltwasserextraktion liegt darin, dass jeglicher Temperaturanstieg vermieden und damit der thermische Abbau hitzeempfindlicher Verbindungen verhindert wird. Die sehr geringe Extraktionsdynamik macht die konventionelle Kaltwasserextraktion jedoch für die kommerzielle Produktion unpraktikabel. Deshalb wird die Kaltwasserinfusion aufgrund ihrer Langsamkeit und Ineffizienz fast ausschließlich im Versuchsstadium eingesetzt.
Die Lösung: Durch den Einsatz von Ultraschall bei der Kaltwasserextraktion lassen sich die Langsamkeit und Ineffizienz des Einweichens in kaltem Wasser leicht überwinden. Die durch Ultraschall intensivierte Kaltwasserextraktion ermöglicht es, niedrige Extraktionstemperaturen beizubehalten und gleichzeitig starke Scherkräfte in das Fest-Flüssig-Medium einzutragen. Durch den Mechanismus der Ultraschallextraktion werden Zellwände geöffnet und die pflanzlichen Verbindungen rasch in das Wasser freigesetzt. Die Ultraschall-Kaltwasserextraktion und -infusion machen aus dem Einweichen in kaltem Wasser einen hochwirksamen Prozess, der innerhalb kurzer Extraktionszeiten hohe Ausbeuten und hochwertige Extrakte liefert.

Wasserextraktion unter Druck in Kombination mit Ultraschall

Die Ultraschallextraktion zeichnet sich durch Mikromischung aus, die durch Schwingungen eine stärkere Diffusion des Lösungsmittels in die Partikel und vom Partikelinneren zur Oberfläche fördert und so den Stofftransport intensiviert. Darüber hinaus verringert die Ultraschallbehandlung die Partikelgröße des Zellmaterials, wodurch die Wirkung der ultraschallunterstützten Druckflüssigkeitsextraktion verbessert wird. Kleinere Partikel von etwa 0,68 mm liefern höhere Ausbeuten als größere Partikel (etwa 1,05 mm), da eine größere Oberfläche einen deutlich stärkeren Stofftransport und damit höhere Extraktionsausbeuten ermöglicht. (vgl. Zabot et al., 2021)

Wirksame Kaltwasserextraktion unter Druck mit Leistungsultraschall

Unter hohem Druck wird das Eindringen von kaltem Wasser in pflanzliches Gewebe erleichtert, und wasserlösliche sekundäre Pflanzenstoffe werden gelöst, ohne eine thermische Zersetzung zu verursachen. Die Hochdruck-Kaltwasserextraktion lässt sich mit Ultraschall kombinieren, um die Isolierung polarer und unpolarer pflanzlicher Inhaltsstoffe zu verbessern. Wasser ist als ungiftiges, preiswertes und umweltfreundliches Lösungsmittel eine attraktive Alternative zu organischen Lösungsmitteln, insbesondere bei der Herstellung pflanzlicher Lebensmittel, Therapeutika und Nahrungsergänzungsmittel.
Für eine durch Ultraschall intensivierte Kaltwasserextraktion unter Druck wird eine Ultraschallsonotrode in den Extraktionstank oder die Durchflusszelle integriert. Tank oder Durchflusszelle werden normalerweise je nach den zu extrahierenden Zielverbindungen mit Drücken zwischen 5 und 100 barg beaufschlagt. Hielscher Ultrasonics liefert sogar kundenspezifische industrielle Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen, die mit bis zu 300barg beaufschlagt werden können, sodass sich der optimale Druck für Ihren Extraktionsprozess einstellen lässt.
 

Durch Ultraschall verbesserte Extraktion mit überkritischem Wasser

Die durch Ultraschall verstärkte Extraktion mit subkritischem Wasser ist ein weiteres synergistisches Verfahren, bei dem Leistungsultraschall den Stofftransport zwischen Feststoff und Flüssigkeit verbessert. Die Extraktion mit subkritischem Wasser (SWE) – auch als Heißwasserextraktion unter Druck oder Extraktion mit überhitztem Wasser bezeichnet – ist ein weniger häufig eingesetztes Verfahren zur Extraktion pflanzlicher Verbindungen mit geringerer Polarität. Bei der Extraktion mit subkritischem Wasser wird Wasser in seinem überkritischen Zustand als Lösungsmittel verwendet.
Was ist subkritisches Wasser, und warum eignet es sich als Lösungsmittel zur Extraktion weniger polarer Pflanzenstoffe? „Wasser besitzt zahlreiche thermodynamische Eigenschaften, die stark von Temperatur und Druck beeinflusst werden. Je nach Bedingungen lassen sich sein Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig), sein thermisches Verhalten, seine Dichte oder seine Viskosität verändern. Durch Erhöhung von Temperatur und Druck über einen als kritischen Punkt bezeichneten Punkt (definiert bei 221 bar und 374 °C) kann Wasser den überkritischen Zustand erreichen. Unter subkritischen Bedingungen, entsprechend Temperaturen zwischen 100°C und der kritischen Temperatur (374°C) sowie einem Druck zwischen 1 bar und dem kritischen Druck (221 bar) zur Vermeidung der Verdampfung, nimmt die Polarität von Wasser ab; dadurch wird Wasser zu einem besseren Lösungsmittel für die Extraktion verschiedener organischer bioaktiver Verbindungen.“ (Li und Chemat, 2019)
Durch die Kombination von Ultraschall mit der Extraktion mit subkritischem Wasser lässt sich die Extraktionseffizienz verbessern, indem die Extraktausbeute erhöht und die Extraktionszeit verkürzt wird. Für optimale Ergebnisse sollte der Druck im geschlossenen, druckbeaufschlagten Chargenreaktor oder Durchflusszellenreaktor mindestens das Doppelte des Dampfdrucks von Wasser erreichen. (Eine Tabelle zum Dampfdruck von Wasser finden Sie am Ende dieser Seite.)
Huang et al. (2010) untersuchten die Extraktionswirkung von niederfrequentem, leistungsstarkem Ultraschall in Kombination mit der Extraktion mit subkritischem Wasser. Dazu wird eine Sonotrode in den Kessel einer Anlage zur Extraktion mit subkritischem Wasser eingebracht, um ätherisches Öl aus Lithospermum erythrorhizon zu extrahieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der ultraschallunterstützte Verstärkungseffekt bei 20 KHz größer war als bei 36 KHz und mit der Ausgangsleistung (von 0 bis 250 W) zunahm. Die Ausbeute der Extraktion mit subkritischem Wasser stieg durch Ultraschallschwingungen (250 W, 20 KHz) bei einer Temperatur von 160°C und einem Druck von 5 MPa während eines Extraktionsvorgangs von 25 Minuten von 1,87% auf 2,39%. Die Ultraschallbehandlung konnte nicht nur die Extraktionsausbeute, sondern auch die Extraktionsgeschwindigkeit erhöhen und dadurch Zeit sparen.
Die ultraschallunterstützte Extraktion mit subkritischem Wasser kann bei niedrigeren Drücken (z. B. 5barg) durchgeführt werden als die konventionelle Extraktion mit subkritischem Wasser (z. B. 10MPa). Dies spart Energiekosten und macht das Extraktionsverfahren sicherer.

Die Vorteile der Ultraschall-Pflanzenextraktion

Sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die industrielle Anwendung zeigen, dass die ultraschallunterstützte Extraktion ein zuverlässiges und einfach zu bedienendes Verfahren ist, das weder technische Vorkenntnisse noch eine intensive Schulung erfordert. Eine sehr hohe Extraktionseffizienz, hohe Ausbeuten, niedrige Betriebskosten sowie geringe Investitionskosten (insbesondere im Vergleich zu anderen Verfahren wie CO₂-Extraktoren) und niedrige Energiekosten sind die wichtigsten Vorteile von Ultraschallextraktoren mit Sonotrode.
Weitere Vorteile, die die Ultraschallextraktion zur bevorzugten Methode machen, sind hochwertige Extrakte aufgrund niedriger Extraktionstemperaturen, zuverlässige Ergebnisse (Wiederholbarkeit / Reproduzierbarkeit), eine vollständig lineare Skalierbarkeit auf jede Produktionsgröße sowie ein geringer Wartungsaufwand.
„Weitere Vorteile der Ultraschallextraktion mit Sonotrode sind die einfache Handhabung des Extrakts, eine schnelle Durchführung, Rückstandsfreiheit, hohe Ausbeuten, Umweltfreundlichkeit, eine verbesserte Qualität und die Vermeidung des Abbaus von Extraktbestandteilen.“
(vgl. Chemat und Khan, 2011)

Extraktionsaufbau zur Isolierung pflanzlicher Inhaltsstoffe: Ultraschallgerät UP400St mit Sonotrode, Büchi-Vakuumfilter und Rotationsverdampfer zur Extraktion sekundärer Pflanzenstoffe.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Wasserextraktion

Die Extraktoren von Hielscher Ultrasonics sind im Bereich der Pflanzenextraktion fest etabliert, unabhängig vom verwendeten Lösungsmittel. Extrakthersteller – sowohl kleinere Hersteller exklusiver Nischenextrakte als auch großtechnische Massenproduzenten – finden im breiten Geräteportfolio von Hielscher die ideale Ultraschallextraktionsanlage für ihre Produktionsanforderungen. Anlagen für Chargenprozesse sowie für kontinuierliche Inline-Prozesse sind verfügbar und können ab Lager geliefert werden. Da die Ultraschallextraktion mit jedem Lösungsmittel kompatibel ist, lässt sie sich flexibel zur Extraktion jedes Pflanzenmaterials einsetzen. Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel ermöglicht die Herstellung biozertifizierter Extrakte, ohne sehr teures „Bio“-Ethanol einzusetzen. (Selbstverständlich muss das Pflanzenmaterial aus biologischem Anbau stammen, um einen wässrigen Bioextrakt herzustellen.)

Hocheffiziente Extraktion mit Hielscher Ultrasonics

Die Ultraschallextraktoren von Hielscher schließen Pflanzenzellen effizient auf, vergrößern die für das Eindringen des Lösungsmittels verfügbare Oberfläche des Pflanzenmaterials und verstärken den Stofftransport zur Freisetzung sekundärer Pflanzenstoffe (Sekundärmetaboliten). Die auf Benutzerfreundlichkeit ausgelegten Extraktoren von Hielscher lassen sich schnell installieren und sicher sowie intuitiv bedienen.

Höchste Qualitätsstandards – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Die ausgereifte Hardware und intelligente Software der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, zuverlässige Ultraschallextraktionsergebnisse aus Ihren pflanzlichen Rohstoffen zu gewährleisten – mit reproduzierbaren Ergebnissen und einer benutzerfreundlichen, sicheren Bedienung. Robustheit, Zuverlässigkeit, 24/7-Betrieb unter Volllast und eine aus Sicht des Bedienpersonals einfache Handhabung sind weitere Qualitätsmerkmale, die Ultraschallgeräte von Hielscher auszeichnen.
Extraktoren von Hielscher Ultrasonics werden weltweit zur hochwertigen Extraktion sekundärer Pflanzenstoffe eingesetzt. Die Ultraschallextraktoren von Hielscher liefern nachweislich hochwertige pflanzliche Verbindungen und werden nicht nur von kleineren Manufakturen für Spezial- und Boutique-Extrakte eingesetzt, sondern vor allem in der industriellen Herstellung allgemein im Handel erhältlicher Extrakte, Nahrungsergänzungsmittel und Therapeutika. Dank ihrer robusten Hardware und intelligenten Software lassen sich die Ultraschallprozessoren von Hielscher einfach bedienen und überwachen.

Automatische Datenprotokollierung

Um die Produktionsstandards für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und therapeutische Produkte zu erfüllen, müssen Produktionsprozesse detailliert überwacht und dokumentiert werden. Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics verfügen über eine automatische Datenprotokollierung. Dank dieser intelligenten Funktion werden alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Temperatur, Druck und Zeit automatisch auf einer integrierten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird. Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine fortlaufende Prozessstandardisierung und die Produktqualität. Durch den Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und deren Ergebnisse bewerten.
Eine weitere benutzerfreundliche Funktion ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Damit können Sie Ihren Ultraschallprozessor von jedem Standort aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Möchten Sie mehr über die Vorteile der Ultraschall-Wasserextraktion aus Pflanzenmaterial erfahren? Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Herstellungsprozess für Pflanzenextrakte zu besprechen! Unser erfahrenes Team informiert Sie gerne ausführlicher über die Ultraschallextraktion, unsere Ultraschallsysteme und Preise!

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

Technische Informationen zur Ultraschall-Wasserextraktion

Konventionelle Extraktionsmethoden wie Mazeration, Infusion, Perkolation, Dekoktion, Rückflussextraktion, Wasserdampfdestillation, Sublimation und Pressen werden häufig zur Gewinnung medizinischer Wirkstoffe aus Pflanzen eingesetzt. Zu den Nachteilen dieser Methoden zählen zeitaufwendige Prozesse, geringe Reinheit und niedrige Effizienz.

Prozessparameter, die die Ultraschallextraktion beeinflussen

Die ultraschallunterstützte Extraktion ist für ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile bekannt, die sie gegenüber konventionellen Methoden zur Extraktion pflanzlicher Verbindungen zum überlegenen Extraktionsverfahren machen. Ein wesentlicher Vorteil der ultraschallunterstützten Extraktion liegt in der präzisen Anpassbarkeit der Ultraschall-Prozessparameter (wie Amplitude, Zeit, Temperatur und Druck). Dadurch lässt sich der Ultraschallprozess optimal auf die Zielverbindung abstimmen. Für jedes Pflanzenmaterial gibt es ideale Extraktionsparameter, unter denen die beste Ausbeute, Qualität und Extraktionsgeschwindigkeit erreicht werden. Das Ultraschallextraktionsverfahren ermöglicht eine präzise Einstellung dieser optimalen Extraktionsbedingungen.

Ultraschallamplitude

Die Amplitude ist die Schwingungsauslenkung der Sonotrode. Je höher die Amplitude, desto intensiver sind die Schwingungen und die Kavitation in der beschallten Flüssigkeit. Hielscher Ultrasonics ist auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit Sonotrode spezialisiert, die präzise einstellbare Amplituden bereitstellen. Kundenspezifische Sonotroden, die im kontinuierlichen 24/7-Betrieb Amplituden von bis zu 200µm ermöglichen, sind ab Lager verfügbar. Für noch höhere Amplituden können ebenfalls problemlos kundenspezifische Ultraschallsonotroden gefertigt werden.
Die Amplitude ist einer der wichtigsten – wenn nicht der wichtigste – Parameter für eine effiziente Pflanzenextraktion. Hohe Amplituden erzeugen die erforderlichen Kräfte, um Zellwände aufzubrechen und das intrazelluläre Material freizusetzen. Dadurch ist die Hochleistungs-Ultraschallbehandlung bei der Pflanzenextraktion so wirksam.

Zeit / Dauer der Ultraschallbehandlung

Die ultraschallunterstützte Extraktion dauert in der Regel wesentlich kürzer als die Extraktion mit herkömmlichen Methoden, da die Beschallung pflanzliche Verbindungen mit deutlich höheren Extraktionsgeschwindigkeiten freisetzt. Ultraschall ermöglicht kürzere Extraktionsprozesse und schützt dadurch die extrahierten Verbindungen vor einer übermäßigen Behandlung. Eine durch Ultraschall verkürzte Verarbeitung bedeutet einen höheren Durchsatz und eine höhere Extraktqualität.

Gepulste Ultraschallbehandlung

Die gepulste Ultraschallbehandlung ist ein Betriebsmodus, bei dem die Ultraschallbehandlung durch definierte Pausenzyklen unterbrochen wird (z. B. 50% Einschaltdauer: 30 sec. EIN, 30 sec. AUS; 100% Einschaltdauer: kontinuierliche Beschallung ohne Pausen). Die relative Einschaltdauer des Ultraschalls (auch als Pulsmodus oder Ultraschall-Pulszyklen bezeichnet) gibt den prozentualen Zeitanteil an, während dessen innerhalb einer Pulsperiode Ultraschall in das Medium eingekoppelt wird (Pulsdauer). Ein Zyklusmodus mit 50% entspräche beispielsweise 30 sec. EIN und 30 sec. AUS. Während der Pause eines Schaltzyklus kehrt die beschallte Flüssigkeit für eine definierte Zeit (z. B. 30 sec.) in einen ungestörten Zustand zurück. Dies begünstigt die Wärmeabfuhr, um die angestrebte Prozesstemperatur einzuhalten. Die relative Einschaltdauer der Beschallung ist für die Extraktionseffizienz weniger wichtig, wird jedoch genutzt, um eine bestimmte Prozesstemperatur aufrechtzuerhalten.

Hydrostatischer Druck

Der Druck ist ein weiterer sehr wichtiger Parameter für Ultraschallprozesse. Die Beaufschlagung des beschallten Mediums mit hydrostatischem Druck beeinflusst die Intensität der Kavitation. Bei erhöhtem Druck nimmt die Intensität der Ultraschallkavitation (akustischen Kavitation) zu. Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Arten von Ultraschall-Chargenreaktoren und Durchflusszellen an, die unter Druck gesetzt werden können, um die Wirkung der Beschallung zu verstärken.

Extraktionstemperatur

Wie jede mechanische Behandlung verursacht auch die Ultraschallbehandlung einen Temperaturanstieg, was dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik entspricht. Dennoch ist die Ultraschallbehandlung ein nichtthermisches Verfahren, da ultraschallunterstützte Behandlungen auf rein mechanischen Kräften beruhen, die auch als sonomechanische Kräfte bezeichnet werden. Die Extraktionstemperatur lässt sich während der Ultraschallextraktion effizient regeln und innerhalb eines gewählten Temperaturbereichs halten. Alle digitalen Ultraschallprozessoren von Hielscher sind mit einem anschließbaren Temperatursensor und einer intelligenten Software ausgestattet, in der ein bestimmter Temperaturbereich für den Prozess festgelegt werden kann. Sobald dieser Temperaturbereich überschritten wird, pausiert das Ultraschallgerät, bis die Temperatur wieder im gewählten Bereich liegt, und setzt die Beschallung anschließend automatisch fort. Diese intelligente Funktion der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen präzise steuerbaren Beschallungsprozess und ideale Ergebnisse.
Da die Extraktionstemperatur je nach pflanzlicher Verbindung und Pflanze unterschiedlich sein kann, ist die Temperatur ein wichtiger Faktor, der bei der Optimierung des Ultraschallprozesses nicht vernachlässigt werden sollte. So erwiesen sich beispielsweise 80°C als ideal, um die maximale Ausbeute an Flavonoiden aus Sophora flavescens zu erzielen, während bei der Extraktion von Arabinoxylan aus Weizenkleie die besten Ergebnisse bei 50°C erreicht wurden.

Beliebige Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion verwenden

Verschiedene pflanzliche Verbindungen haben unterschiedliche Polaritäten, die ihre Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln beeinflussen. Saponine und Polysaccharide sind beispielsweise polarer und zeigen daher eine gute Wasserlöslichkeit, da Wasser stark polar ist. Phenolische Verbindungen wie Anthocyane und Chlorogensäure sind dagegen recht unpolar und lösen sich deshalb besser in einem weniger polaren Lösungsmittel wie Ethanol. Die Wahl des Lösungsmittels sollte daher auf die Löslichkeit der Zielverbindungen abgestimmt werden, um eine hohe Extraktionseffizienz zu erzielen. Wasser ist beispielsweise ein gutes Lösungsmittel zur Extraktion polarer Verbindungen wie Psilocybin aus Pilzen sowie von Oligosacchariden, Glykosiden und Flavonoiden; ein Ethanol-Wasser-Gemisch mit einer Ethanolkonzentration von 60% (v/v) eignet sich hingegen zur ultraschallunterstützten Extraktion von beispielsweise Apigenin, Baicalin und Luteolin.
Lesen Sie mehr über Lösungsmittel, Lösungsmittelpolarität und die am besten geeigneten Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion!

Wasser als Extraktionsmittel

Wasser ist das polarste Lösungsmittel und eignet sich zur Extraktion einer Vielzahl polarer Verbindungen. Zu seinen wichtigsten Vorteilen zählt die Fähigkeit, ein breites Spektrum an Substanzen zu lösen. Darüber hinaus ist es preiswert, ungiftig, sicher und nicht brennbar. Zu seinen Nachteilen gehört die starke Selektivität für polare Verbindungen aufgrund seiner hohen Polarität. Wegen seines hohen Siedepunkts von 100°C erfordert die Aufkonzentrierung des Extrakts (z. B. durch Destillation oder Rotationsverdampfung) viel Energie. Außerdem begünstigt Wasser das Wachstum von Bakterien und Schimmelpilzen.

Ultraschallfrequenz

Eine Ultraschallfrequenz von etwa 20kHz hat sich als die leistungsstärkste und effizienteste für die Pflanzenextraktion erwiesen. Die Frequenz beeinflusst die Effizienz der ultraschallunterstützten Extraktion medizinischer Wirkstoffe aus Pflanzen. Im Allgemeinen erzeugt eine niedrige Ultraschallfrequenz (d. h. etwa 20kHz) eine intensivere Kavitation (sonomechanische Effekte), wodurch die Wirksamkeit des Extraktionsverfahrens steigt.

Das Pflanzenmaterial

Pflanzenmaterialien können sich in der Struktur und Festigkeit ihrer Zellen stark unterscheiden. Je nach Zusammensetzung der Zellwand, die Cellulose, Hemicellulosen, Lignin, pektische Polysaccharide, Proteine, phenolische und nichtcellulosische Verbindungen sowie Wasser enthalten kann, können Zellwände fest oder weich sein. Verschiedene Pflanzenarten und Pflanzenteile enthalten unterschiedliche Arten und Mengen dieser Zellwandbestandteile. Deshalb benötigt jede Pflanzenart spezifische Prozessparameter für optimale Extraktionsergebnisse.
Da sich die Intensität präzise einstellen lässt, können Ultraschallextraktoren von Hielscher weiche und harte Zellwände zuverlässig aufbrechen. Weiche Zellwände benötigen möglicherweise eine weniger intensive Beschallung, während feste Zellstrukturen von einer intensiveren Behandlung profitieren.
Das Ausgangsmaterial für die Pflanzenextraktion kann frisch geerntet (feucht) oder getrocknet sein. Die Ultraschallextraktion eignet sich sowohl für frische/feuchte als auch für getrocknete Pflanzen. Die Partikelgröße der pflanzlichen Feststoffe ist ein weiterer wichtiger Faktor: Eine große Oberfläche (d. h. eine kleine Partikelgröße) ist vorteilhaft, da sie den durch Ultraschallkavitation erzeugten Scherkräften eine große Angriffsfläche bietet und so die Effizienz erhöht. Daher wird Pflanzenmaterial mazeriert oder zu kleinen Stücken vermahlen (etwa 3–5mm).

Warum ist die Ultraschallextraktion die beste Methode?

Effizienz

• Höhere Ausbeuten
• Schneller Extraktionsprozess – innerhalb weniger Minuten
• Hochwertige Extrakte – milde, nichtthermische Extraktion
• Umweltfreundliche Lösungsmittel (Wasser, Ethanol, Glycerin, Pflanzenöle, NADES usw.)

Einfachheit

• Plug-and-play – innerhalb weniger Minuten einrichten und betreiben
• Hoher Durchsatz – für die Extraktherstellung im großen Maßstab
• Chargenweiser oder kontinuierlicher Inline-Betrieb
• Einfache Installation und Inbetriebnahme
• Tragbar / fahrbar – tragbare Geräte oder Ausführungen auf Rollen
• Lineare Maßstabsvergrößerung – ein weiteres Ultraschallsystem parallel ergänzen, um die Kapazität zu erhöhen
• Fernüberwachung und -steuerung – über PC, Smartphone oder Tablet
• Keine Prozessüberwachung erforderlich – einrichten und starten
• Hohe Leistungsfähigkeit – ausgelegt für eine kontinuierliche 24/7-Produktion
• Robustheit und geringer Wartungsaufwand
• Hohe Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland
• Schnelles Befüllen und Entleeren zwischen den Chargen
• Leicht zu reinigen

Sicherheit

• Einfach und sicher zu betreiben
• Lösungsmittelfreie oder lösungsmittelbasierte Extraktion (Wasser, Ethanol, Pflanzenöle, Glycerin usw.)
• Keine hohen Drücke und Temperaturen
• ATEX-zertifizierte explosionsgeschützte Systeme verfügbar
• Einfach zu steuern (auch per Fernsteuerung)

Literatur / Quellen

• Ping-ping Huang, Ri-fu Yang, Tai-qiu Qiu, Wei Zhang & Chun-mei Li (2010): Ultrasound-Enhanced Subcritical Water Extraction of Volatile Oil from Lithospermum erythrorhizon. Separation Science and Technology, 45:10, 1433-1439.
• Zabot, G. L., Viganó, J., & Silva, E. K. (2021): Low-Frequency Ultrasound Coupled with High-Pressure Technologies: Impact of Hybridized Techniques on the Recovery of Phytochemical Compounds. Molecules, 26(17), 2021. 5117.
• Li, Ying; Chemat, Farid (2019): Plant Based „Green Chemistry 2.0“: Moving from Evolutionary to Revolutionary. Springer Science 2019.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk (2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.