Hocheffiziente Wasserextraktion mit Power-Ultraschall

Die Wasserextraktion von Pflanzenstoffen (z. B. Kalt- oder Warmwasserextraktion, Druckwasserextraktion und unterkritische Wasserextraktion) kann durch Ultraschall effizient verbessert werden. Die ultraschallunterstützte Wasserextraktion führt nicht nur zu höheren Ausbeuten und kürzerer Verarbeitungszeit, sondern auch zu einem geringeren Energieverbrauch, milderen Extraktionsbedingungen und qualitativ hochwertigen Extrakten im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionsverfahren. Die Wasserextraktion mit Ultraschall wird erfolgreich für die Extraktion zahlreicher pflanzlicher Verbindungen eingesetzt, darunter Alkaloide, Flavonoide, Glykoside, phenolische Verbindungen und Polysaccharide.

Ultraschall-Wasserextraktion von bioaktiven Substanzen

Ultraschallextraktoren wie der UP400St (400W, 24kHz) intensivieren die herkömmliche Extraktion von Pflanzen mit Wasser.Wasser ist das polarste Lösungsmittel, was es zu einem hervorragenden Lösungsmittel für polare Verbindungen macht. Da es ungiftig und umweltfreundlich ist, wäre Wasser das ideale Lösungsmittel für jeden Pflanzenextrakt. Weniger polare und unpolare Bestandteile lösen sich jedoch nur schlecht oder gar nicht in Wasser. Außerdem wäre der Extraktionsprozess in Wasser ohne jegliche Förderung des Stofftransfers unglaublich langsam und damit unwirtschaftlich. Hochintensiver Niederfrequenz-Ultraschall ist eine sehr effiziente Extraktionstechnik, die für eine intensive Durchmischung und einen intensiven Stofftransport sorgt. Daher bietet die Ultraschallextraktion bekanntermaßen erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Extraktionsverfahren. Zu diesen Vorteilen gehören höhere Ausbeuten, schnelle Verarbeitung, schneller Chargenwechsel sowie kontinuierliche Inline-Extraktion, die Verwendung umweltfreundlicher Lösungsmittel, milde Extraktionsbedingungen, die die Extraktverbindungen erhalten, Sicherheit im Betrieb und einfache Skalierbarkeit auf große Durchsätze für die kommerzielle Produktion. (vgl. Zabot et al., 2021)

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Industrielles Ultraschallextraktionssystem mit 16kW für die kontinuierliche Inline-Herstellung von hochwertigen Pflanzenextrakten aus Wasser als Extraktionsmittel.

MultiSonoReactor mit 4x 4kW für die großtechnische (Massen-)Produktion von Pflanzenextrakten mit Wasser als Extraktionslösungsmittel. Der MultiSonoReactor kann für synergistische Extraktionseffekte auch unter Druck gesetzt und beheizt werden.

Verbesserte Heißwasserextraktion durch Ultraschallbehandlung

Die Parameter, die bei der Wasserextraktion die Extraktion der Pflanzen bestimmen, sind Temperatur, Zeit, Druck und Oberfläche des Pflanzenmaterials. Ein Heißwasserextrakt kann aufgrund der hohen Temperatur des Wassers in relativ kurzer Zeit hergestellt werden.
Die Lösung: Die Ausbeute und die Extraktionsrate können durch Rühren mit Ultraschall erheblich gesteigert werden. Heißes Wasser allein ist nur begrenzt in der Lage, Zellstrukturen aufzubrechen, und hohe Temperaturen schädigen oder zerstören häufig hitzelabile Verbindungen, so dass die Extraktqualität leidet. Wird die Ultraschallextraktion mit der Heißwasserextraktion kombiniert, kann die Temperatur drastisch gesenkt werden (z. B. von 100 °C auf 50 °C), was den thermischen Abbau der extrahierten pflanzlichen Inhaltsstoffe verhindert, die Gesamtausbeute erhöht und Energie spart. Das Prinzip der Ultraschallextraktion ist die Ultraschallkavitation. Bei der Ultraschallkavitation (oder akustischen Kavitation) handelt es sich um rein mechanische Kräfte, die die Zellwände aufbrechen, die Zielsubstanzen freisetzen und den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem Wasser (Lösungsmittel) verbessern. Daher liefert die Wasserextraktion mit Ultraschall hervorragende Extraktionsergebnisse.

Verbesserte Kaltwasserextraktion durch Ultraschallbehandlung

Die Kaltwasserextraktion (Kaltwasseraufguss) ist wesentlich ineffizienter, da die Verwendung von heißem Wasser vermieden wird. Kaltes Wasser oder Wasser mit Raumtemperatur extrahiert botanische Verbindungen nicht sehr gut, da das kalte Wasser nur sehr langsam in das Pflanzenmaterial eindringt und der Stofftransport fast vernachlässigbar ist. Der Vorteil der Kaltwasserextraktion liegt in der Vermeidung eines Temperaturanstiegs, wodurch der thermische Abbau von wärmeempfindlichen Verbindungen verhindert wird. Die sehr geringe Extraktionsdynamik macht die herkömmliche Kaltwasserextraktion jedoch für die kommerzielle Produktion unpraktikabel. Deshalb wird die Kaltwasserextraktion aufgrund ihrer Langsamkeit und Ineffizienz fast ausschließlich im Versuchsstadium eingesetzt.
Die Lösung: Mit der Einführung der Ultraschallextraktion in die Kaltwasserextraktion können die Langsamkeit und Ineffizienz der Kaltwasserextraktion leicht überwunden werden. Die ultraschallverstärkte Kaltwasserextraktion ermöglicht es, kalte Extraktionstemperaturen beizubehalten und gleichzeitig intensive Scherkräfte in das fest-flüssige Medium einzuleiten. Durch den Ultraschallextraktionsmechanismus werden die Zellwände geöffnet und die pflanzlichen Inhaltsstoffe rasch an das Wasser abgegeben. Die Kaltwasserextraktion und -infusion mit Ultraschall verwandelt die Kaltwässerung in ein hocheffizientes Verfahren, das hohe Erträge und hochwertige Extrakte in kurzer Extraktionszeit liefert.

Die Ultraschallextraktion ist ein schnelles und schonendes Extraktionsverfahren zur Herstellung hochwertiger Pilzextrakte mit Wasser als Lösungsmittel. Im Video wird der Ultraschallextraktor UP400St für die Extraktion von Heilpilzen verwendet.

Kaltwasser-Pilzextraktion mit UP400St und 22-mm-Sonde

Druckwasserextraktion kombiniert mit Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallextraktion zeichnet sich durch eine Mikromischung aus, die durch Vibrationen eine stärkere Diffusion des Lösungsmittels in das Partikelinnere und aus dem Partikelinneren an die Oberfläche fördert, wodurch der Stofftransport intensiviert wird. Außerdem wird durch die Beschallung die Partikelgröße des zellulären Materials verringert, was zu einer verbesserten Wirkung der ultraschallunterstützten Druckflüssigkeitsextraktion führt. Kleinere Partikel von ca. 0,68 mm zeigen höhere Ausbeuten als größere Partikel (ca. 1,05 mm), da eine größere Oberfläche einen deutlich erhöhten Stofftransport und damit verbesserte Extraktionsausbeuten ermöglicht. (vgl. Zabot et al., 2021)

Industrieller Sonden-Ultraschall-Extraktor für die Isolierung von Pflanzen auf Wasserbasis.

Mit Ultraschall verstärkte Wasserextraktion von Pflanzenmaterial in Wasser: Ultraschallgerät UIP1000hdT in einem großen Becherglas, das eine Pflanzenaufschlämmung enthält. Hier wird Wasser als Lösungsmittel verwendet, aber die Ultraschallextraktion ist mit jeder Art von Lösungsmittel kompatibel.

Vorteile der Ultraschallextraktion

  • Höhere Ausbeute
  • Schnelle Extraktion
  • Hochwertige Extrakte
  • Mildes, nicht-thermisches Verfahren
  • "grüne" Lösungsmittel
  • kostengünstig
  • einfache und sichere Bedienung
  • geringe Investitions- und Betriebskosten
  • 24/7 Betrieb unter hoher Last
  • grüne, umweltfreundliche Methode

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Effiziente Kaltwasserextraktion unter Druck mit Power-Ultraschall

Industrielle Ultraschallgeräte für die phytochemische Extraktion mit Wasser als Lösungsmittel: Ultraschallsonde mit druckbeaufschlagbarem Durchflusszellenreaktor für die Inline-Extraktherstellung.Unter hohem Druck wird das Eindringen von kaltem Wasser in das Pflanzengewebe erleichtert, und wasserlösliche Phytochemikalien werden ohne thermische Zersetzung aufgelöst. Die Hochdruck-Kaltwasserextraktionsmethode kann mit Ultraschall kombiniert werden, um die Isolierung polarer und unpolarer pflanzlicher Inhaltsstoffe zu verbessern. Wasser als ungiftiges, billiges und umweltfreundliches Lösungsmittel ist eine attraktive Alternative zu organischen Lösungsmitteln, insbesondere wenn es um die Herstellung von pflanzlichen Lebensmitteln, Therapeutika und Nahrungsergänzungsmitteln geht.
Für eine ultraschallverstärkte Kaltwasserextraktion unter Druck wird eine Ultraschallsonde (Sonotrode) in den Extraktionsbehälter oder die Durchflusszelle integriert. Tank oder Durchflusszelle werden in der Regel mit Drücken zwischen 5 und 100 bar beaufschlagt, abhängig von den zu extrahierenden Substanzen. Hielscher Ultrasonics liefert auch maßgeschneiderte industrielle Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen, die mit einem Druck von bis zu 300 bar beaufschlagt werden können, so dass Sie den optimalen Druck für Ihren Extraktionsprozess einstellen können.

Extraktion mit superkritischem Wasser durch Sonikation verbessert

Eine ultraschallverstärkte unterkritische Wasserextraktion ist eine weitere synergetische Technik, bei der Leistungsultraschall den Stoffaustausch zwischen Feststoff und Flüssigkeit verbessert. Unterkritische Wasserextraktion (SWE) – auch bekannt als Heißwasserextraktion unter Druck oder Extraktion mit überhitztem Wasser – ist eine weniger gebräuchliche Technik für die Extraktion von Pflanzenstoffen mit geringerer Polarität. Bei der unterkritischen Wasserextraktion wird Wasser in seinem überkritischen Zustand als Lösungsmittel verwendet.
Was ist unterkritisches Wasser und warum ist unterkritisches Wasser ein gutes Lösungsmittel für die Extraktion von weniger polaren Pflanzenstoffen? "Wasser besitzt viele thermodynamische Eigenschaften, die stark von Temperatur und Druck abhängen. Je nach Bedingungen können sein Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig), sein thermisches Verhalten, seine Dichte oder seine Viskosität verändert werden. Durch Erhöhen von Temperatur und Druck über den so genannten kritischen Punkt hinaus (der bei 221 bar und 374 °C liegt) kann Wasser in den überkritischen Zustand übergehen. Bei unterkritischen Bedingungen, die Temperaturen zwischen 100 °C und der kritischen Temperatur (374 °C) und einem Druck zwischen 1 bar und dem kritischen Druck (221 bar) entsprechen, um eine Verdampfung zu vermeiden, nimmt die Polarität des Wassers ab; dies macht Wasser zu einem besseren Lösungsmittel für die Extraktion verschiedener organischer bioaktiver Verbindungen." (Li und Chemat, 2019)
Wenn Ultraschall mit unterkritischer Wasserextraktion kombiniert wird, kann die Extraktionseffizienz verbessert werden, indem die Extraktausbeute erhöht und die Extraktionszeit verkürzt wird. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte der Druck im geschlossenen Druckreaktor oder Durchflusszellenreaktor mindestens doppelt so hoch sein wie der Dampfdruck des Wassers. (Eine Tabelle mit dem Dampfdruck von Wasser finden Sie am Ende dieser Seite.)
Huang et al. (2010) untersuchten die Extraktionswirkung von niederfrequentem Hochleistungsultraschall in Kombination mit unterkritischer Wasserextraktion. Dazu wurde eine Ultraschallsonde in den Kessel eines unterkritischen Wasserextraktionsgeräts gekoppelt, um ätherisches Öl aus Lithospermum erythrorhizon zu extrahieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die ultraschallunterstützte Verstärkungswirkung von 20 KHz besser war als die von 36 KHz und mit der Ausgangsleistung (von 0 bis 250 W) zunahm. Die Ausbeute der unterkritischen Wasserextraktion stieg durch die Ultraschallschwingung (250 W, 20 KHz) bei einer Temperatur von 160 °C und einem Druck von 5 MPa während eines 25-minütigen Extraktionsverfahrens von 1,87 % auf 2,39 %. Durch die Ultraschallbehandlung konnte nicht nur die Extraktionsausbeute, sondern auch die Extraktionsgeschwindigkeit verbessert und damit Zeit gespart werden.
Die ultraschallunterstützte unterkritische Wasserextraktion kann bei niedrigeren Drücken (z. B. 5 barg) als die herkömmliche unterkritische Wasserextraktion (z. B. 10 MPa) durchgeführt werden, was Energiekosten spart und das Extraktionsverfahren sicherer macht.

Hochleistungs-Ultraschallextraktor für die Isolierung von Phytochemikalien im Batch-Betrieb.

Die Ultraschall-Wasserextraktion von Phytochemikalien aus Pflanzen kann im Chargen- und im Dauerbetrieb erfolgen. Das Bild zeigt den 1000-Watt-Ultraschallgenerator UIP1000hdT bei der Batch-Extraktion von pflanzlichen Stoffen.

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Die Vorteile der Ultraschallextraktion von botanischen Stoffen

Sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die industrielle Umsetzung zeigen, dass die ultraschallgestützte Extraktion eine zuverlässige und einfach zu bedienende Technik ist, die keine technischen Vorkenntnisse oder eine intensive Ausbildung erfordert. Eine sehr hohe Extraktionseffizienz, hohe Ausbeuten, niedrige Betriebskosten sowie geringe Investitionskosten (insbesondere im Vergleich zu anderen Techniken wie der CO2 Extraktoren) und niedrige Energiekosten sind die Hauptvorteile der Sonden-Ultraschall-Extraktoren.
Weitere Vorteile, die die Ultraschallextraktionstechnik zur bevorzugten Methode machen, sind hohe Extraktqualität durch niedrige Extraktionstemperaturen, zuverlässige Ergebnisse (Wiederholbarkeit / Reproduzierbarkeit), völlig lineare Skalierbarkeit auf jede Produktionsstufe sowie geringer Wartungsaufwand.
"Weitere Vorteile der Ultraschallsondenextraktion sind die einfache Handhabung des Extrakts, die schnelle Durchführung, die Rückstandsfreiheit, die hohe Ausbeute, die Umweltfreundlichkeit, die verbesserte Qualität und die Verhinderung des Abbaus des Extrakts."
(vgl. Chemat und Khan, 2011)

Ultraschallextraktion und Reinigung von Phytochemikalien aus Pflanzen: Das Bild zeigt das Sonden-Ultraschallgerät UP400St, einen Büchi-Vakuumfilter und einen Rotor-Verdampfer für die Extraktion von Curcumin.

Extraktionsaufbau für die botanische Isolierung: Sonden-Ultraschallgerät UP400StBüchi-Vakuumfilter und Rotor-Verdampfer für die Extraktion von Phytochemikalien.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Wasserextraktion

Ultraschallsondenextraktor für die effiziente Freisetzung von Phytochemikalien und pflanzlichen Stoffen aus Pflanzen.Hielscher-Ultraschall-Extraktoren haben sich im Bereich der Pflanzenextraktion etabliert, unabhängig davon, welches Lösungsmittel verwendet wird. Hersteller extrahieren – sowohl kleinere, exklusive Nischenhersteller von Extrakten als auch große Massenproduzenten – finden in der breiten Produktpalette von Hielscher die ideale Ultraschallextraktionsanlage für ihre Produktionsanforderungen. Sowohl Batch- als auch kontinuierliche Inline-Verfahren sind sofort verfügbar und können ab Lager geliefert werden. Die Ultraschallextraktion ist für alle Lösungsmittel geeignet und kann flexibel für die Extraktion von Pflanzenmaterial eingesetzt werden. Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel ermöglicht die Herstellung von bio-zertifizierten Extrakten ohne die Verwendung von sehr teurem "Bio"-Ethanol. (Natürlich muss das Pflanzenmaterial biologisch angebaut sein, um einen biologischen Wasserextrakt herzustellen).

Hocheffiziente Extraktion mit Hielscher Ultrasonics

Hielscher-Ultraschall-Extraktoren sorgen für einen effizienten Aufschluss der Pflanzenzellen, eine Vergrößerung der Oberfläche des Pflanzenmaterials für das Eindringen des Lösungsmittels und einen Stoffaustausch für die Freisetzung von sekundären Pflanzenstoffen (Metaboliten). Hielscher-Extraktoren sind benutzerfreundlich konzipiert, schnell installiert und können sicher und intuitiv bedient werden.

Höchste Qualitätsstandards erfüllen – Designt & Hergestellt in Deutschland

Die ausgefeilte Hardware und die intelligente Software der Hielscher Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie zuverlässige Ultraschallextraktionsergebnisse aus Ihrem pflanzlichen Rohmaterial mit reproduzierbaren Ergebnissen und eine benutzerfreundliche, sichere Bedienung garantieren. Robustheit, Zuverlässigkeit, 24/7-Betrieb unter Volllast und einfache Bedienung aus Sicht des Anwenders sind weitere Qualitätsfaktoren, die Hielscher-Ultraschallgeräte auszeichnen.
Hielscher-Ultraschall-Extraktoren werden weltweit in der hochwertigen Phytochemie-Extraktion eingesetzt. Hielscher Ultraschallextraktoren liefern nachweislich hochwertige pflanzliche Verbindungen und werden nicht nur von kleineren Herstellern von Spezial- und Boutique-Extrakten verwendet, sondern vor allem in der industriellen Produktion von weithin erhältlichen Extrakten, Nahrungsergänzungsmitteln und Therapeutika. Dank ihrer robusten Hardware und intelligenten Software lassen sich Hielscher-Ultraschallprozessoren einfach bedienen und überwachen.

Automatische Datenprotokollierung

Hielscher-Ultraschallgeräte können über eine Browsersteuerung ferngesteuert werden. Die Beschallungsparameter können überwacht und exakt an die Prozessanforderungen angepasst werden.Um die Produktionsstandards von Lebensmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und therapeutischen Produkten zu erfüllen, müssen die Produktionsprozesse detailliert überwacht und protokolliert werden. Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics verfügen über eine automatische Datenprotokollierung. Durch diese intelligente Funktion werden alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Temperatur, Druck und Zeit automatisch auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird. Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine kontinuierliche Prozessstandardisierung und Produktqualität. Durch den Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe revidieren und das Ergebnis auswerten.
Ein weiteres benutzerfreundliches Feature ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Per Browser-Fernsteuerung können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Möchten Sie mehr über die Vorteile der Wasserextraktion mit Ultraschall aus Pflanzenmaterial erfahren? Nehmen Sie jetzt Kontakt mit uns auf, um Ihren Prozess zur Herstellung von Pflanzenextrakten zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter geben Ihnen gerne weitere Informationen über die Ultraschallextraktion, unsere Ultraschallsysteme und Preise!

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

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Bitte verwenden Sie das untenstehende Formular, um zusätzliche Informationen über unsere Ultraschallprozessoren, Anwendungen und Preise anzufordern. Gerne besprechen wir Ihr Verfahren mit Ihnen und bieten Ihnen ein Ihren Anforderungen entsprechendes Ultraschallsystem an!









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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Benchtop, in der Pilotanlage und in der industriellen Verarbeitung eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Technische Informationen zur Wasserextraktion mit Ultraschall

Herkömmliche Extraktionsverfahren wie Mazeration, Infusion, Perkolation, Abkochung, Rückflussextraktion, Wasserdampfdestillation, Sublimation und Pressen werden häufig zur Gewinnung von Arzneistoffen aus Pflanzen verwendet. Zu den Nachteilen dieser Methoden gehören ein zeitaufwändiger Prozess, geringe Reinheit und geringe Effizienz.

Prozessparameter, die die Ultraschallextraktion beeinflussen

Die ultraschallunterstützte Extraktion ist für ihre einzigartigen Eigenschaften und Vorteile bekannt, die die Sonikation zur überlegenen Extraktionstechnik im Vergleich zu konventionellen Extraktionsmethoden für pflanzliche Stoffe machen. Ein großer Vorteil der ultraschallunterstützten Extraktion liegt in der präzisen Anpassbarkeit der Ultraschallverarbeitungsfaktoren (wie Amplitude, Zeit, Temperatur, Druck), die es ermöglichen, den Ultraschallprozess optimal auf die Zielverbindung abzustimmen. Für jedes Pflanzenmaterial gibt es ideale Extraktionsparameter, bei denen die beste Ausbeute, Qualität und Extraktionsrate erzielt wird. Mit dem Ultraschallextraktionsverfahren lassen sich diese optimalen Extraktionsbedingungen perfekt anpassen.

Ultraschallamplitude

Die Amplitude ist die Schwingungsauslenkung der Ultraschallsonde (Sonotrode). Je größer die Amplitude ist, desto intensiver sind die Schwingungen und die Kavitation in der beschallten Flüssigkeit. Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf Hochleistungssonden-Ultraschallgeräte, die präzise einstellbare Amplituden liefern können. Kundenspezifische Sonden, die im 24/7-Dauerbetrieb bis zu 200µm liefern können, sind ab Lager lieferbar. Für noch höhere Amplituden können auch kundenspezifische Ultraschallsonotroden leicht hergestellt werden.
Die Amplitude ist eine – wenn nicht der einzige – ein wichtiger Parameter für eine effiziente Pflanzenextraktion. Hohe Amplituden erzeugen die erforderlichen Kräfte zum Aufbrechen der Zellwände und zur Freisetzung des intrazellulären Materials. Dadurch wird die Hochleistungs-Ultraschallbehandlung bei der Pflanzenextraktion so wirksam.

Zeit/Dauer der Ultraschallbehandlung

Die ultraschallgestützte Extraktion ist in der Regel wesentlich kürzer als herkömmliche Methoden, da die pflanzlichen Verbindungen durch die Beschallung mit wesentlich höheren Extraktionsraten freigesetzt werden. Die Ultraschallextraktion ermöglicht kürzere Extraktionsverfahren, wodurch die extrahierten Verbindungen vor Überarbeitung bewahrt werden. Ein kürzerer Prozess aufgrund von Ultraschall bedeutet einen höheren Durchsatz und eine höhere Extraktqualität.

Gepulste Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallpulsation ist ein Behandlungsmodus, bei dem die Ultraschallbehandlung durch definierte Pausenzyklen unterbrochen wird (z.B. 50% Tastverhältnis: 30 Sek. EIN, 30 Sek. AUS; 100% Duty Cycle: kontinuierliche Beschallung ohne Pausen) Das Duty Cycle des Ultraschalls (auch als Pulsmodus oder Ultraschallpulsationszyklen bezeichnet) bezieht sich auf den prozentualen Anteil der Zeit, in der der Ultraschall während einer Pulsperiode in das Medium eingekoppelt wird (Pulsdauer). Ein 50%iger Zyklusmodus wäre zum Beispiel 30 Sek. EIN, 30 Sek. AUS. Während des Pausenzyklus eines Arbeitszyklus kommt die beschallte Flüssigkeit für eine bestimmte Zeit (z.B. 30 Sek.) in einen ungestörten Zustand zurück, der gut für die Wärmeableitung ist, um eine angestrebte Verarbeitungstemperatur zu halten. Die Einschaltdauer der Beschallung ist für die Effizienz der Extraktion weniger wichtig, wird aber zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Prozesstemperatur verwendet.

Hydrostatischer Druck

Der Druck ist ein weiterer sehr wichtiger Parameter für Ultraschallverfahren. Die Anwendung von hydrostatischem Druck auf das beschallte Medium beeinflusst die Intensität der Kavitation. Unter erhöhten Druckbedingungen wird die Intensität der (akustischen) Ultraschallkavitation verstärkt. Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Typen von Ultraschall-Batch-Reaktoren und Durchflusszellen an, die für intensivere Beschallungsergebnisse unter Druck gesetzt werden können.

Extraktionstemperatur

Ultraschallextraktor UP400ST mit Temperatursensor.Wie jede mechanische Behandlung führt auch die Ultraschallbehandlung zu einem Temperaturanstieg, was dem 2. Dennoch handelt es sich bei der Ultraschallbehandlung um eine nicht-thermische Behandlungstechnik, da die ultraschallgestützten Behandlungen auf rein mechanischen Kräften (auch sonomechanische Kräfte genannt) beruhen. Die Extraktionstemperatur bei der Ultraschallextraktion kann effizient gesteuert und innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs gehalten werden. Alle digitalen Hielscher-Ultraschallprozessoren sind mit einem steckbaren Temperatursensor und einer intelligenten Software ausgestattet, mit der ein bestimmter Temperaturbereich für den Prozess eingestellt werden kann. Wird dieser Temperaturbereich überschritten, pausiert der Ultraschallprozessor, bis die Temperatur wieder im gewählten Bereich liegt und setzt dann automatisch den Beschallungsvorgang fort. Diese intelligente Funktion der Hielscher Ultraschallgeräte ermöglicht einen exakt steuerbaren Beschallungsprozess und optimale Ergebnisse.
Da die Extraktionstemperatur von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich sein kann, ist die Temperatur ein wichtiger Faktor, der bei der Optimierung des Ultraschallverfahrens nicht vernachlässigt werden sollte. So wurde beispielsweise festgestellt, dass 80 °C ideal sind, um eine maximale Ausbeute an Flavonoiden aus Sophora flavescens zu erzielen, während die besten Ergebnisse bei 50 °C für die Extraktion von Arabinoxylan aus Weizenkleie erzielt wurden.

Jedes Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion verwenden

Verschiedene pflanzliche Verbindungen haben unterschiedliche Polaritäten, die ihre Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln beeinflussen. So sind beispielsweise Saponine und Polysaccharide eher polar und weisen daher eine gute Löslichkeit in Wasser auf, da Wasser stark polar ist. Phenolische Verbindungen wie Anthocyane und Chlorogensäure hingegen sind recht unpolar und lösen sich daher besser in einem weniger polaren Lösungsmittel wie Ethanol. Um eine hohe Extraktionseffizienz zu erzielen, sollte die Wahl des Lösungsmittels daher in Abhängigkeit von der Löslichkeit der Zielverbindungen erfolgen. Wasser ist beispielsweise ein gutes Lösungsmittel für die Extraktion von polaren Verbindungen wie Psilocybin aus Pilzen sowie von Oligosacchariden, Glykosiden und Flavanoiden, während ein Ethanol-Wasser-Gemisch mit einer Ethanolkonzentration von 60 % (v/v) für die ultraschallgestützte Extraktion von z. B. Apigenin, Baicalin und Luteolin geeignet ist.
Lesen Sie mehr über Lösungsmittel, Polarität der Lösungsmittel und die am besten geeigneten Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion!

Wasser als Extraktionslösungsmittel

Wasser ist das polarste Lösungsmittel und eignet sich für die Extraktion einer breiten Palette polarer Verbindungen. Zu seinen wichtigsten Vorteilen gehört die Fähigkeit, eine Vielzahl von Substanzen zu lösen. Außerdem ist es billig, ungiftig, sicher und nicht brennbar. Zu seinen Nachteilen gehört die starke Selektivität für polare Verbindungen aufgrund seiner hohen Polarität. Aufgrund seines hohen Siedepunkts von 100 °C erfordert die Konzentration des Extrakts (z. B. durch Destillation oder Rotorverdampfung) einen hohen Energieaufwand. Außerdem ist Wasser anfällig für das Wachstum von Bakterien und Schimmelpilzen.

Ultraschallfrequenz

Die Ultraschallfrequenz um 20 kHz hat sich als die leistungsfähigste und effizienteste für die Pflanzenextraktion erwiesen. wirkt sich auf die Effizienz der ultraschallgestützten Extraktion bei der Gewinnung medizinischer Wirkstoffe aus Pflanzen aus. Im Allgemeinen erzeugt die niedrige Ultraschallfrequenz (d.h. bei ca. 20 kHz) eine intensivere Kavitation (sonomechanische Effekte), was zu einer höheren Wirksamkeit des Extraktionsverfahrens führt.

Das Pflanzenmaterial

Pflanzliche Materialien können in Bezug auf Struktur und Festigkeit ihrer Zellen stark variieren. Je nach Zusammensetzung der Zellwand, die Zellulose, Hemizellulosen, Lignin, pektische Polysaccharide, Proteine, phenolische und nichtzellulosehaltige Verbindungen sowie Wasser enthalten kann, können die Zellwände entweder fest oder weich sein. Verschiedene Pflanzenarten und -teile enthalten unterschiedliche Arten und Mengen dieser Zellwandbestandteile. Deshalb erfordert jede Pflanzenart spezifische Verarbeitungsparameter, um optimale Extraktionsergebnisse zu erzielen.
Da die Intensität genau eingestellt werden kann, lassen sich mit Hielscher Ultraschallextraktoren weiche und harte Zellwände zuverlässig aufbrechen. Weiche Zellwände können weniger intensiv beschallt werden, während feste Zellstrukturen von einer intensiveren Behandlung profitieren.
Das Rohmaterial für die botanische Extraktion kann frisch geerntet (nass) oder getrocknet sein. Die Ultraschallextraktion eignet sich sowohl für frische/nasse als auch für getrocknete Pflanzen. Die Partikelgröße der Pflanzenfeststoffe ist ein weiterer wichtiger Faktor: Eine große Oberfläche (d. h. eine kleine Teilchengröße) ist von Vorteil, da sie eine große Kontaktfläche für die Ultraschall-Kavitationsscherkräfte bietet, was zu einer höheren Effizienz führt. Daher wird das Pflanzenmaterial mazeriert oder in kleine Stücke (ca. 3-5 mm) zerkleinert.

Was macht die Ultraschallextraktion zur besten Methode?

Effizienz

  • Höhere Erträge
  • Schneller Extraktionsprozess – innerhalb weniger Minuten
  • Hochwertige Extrakte – milde, nicht thermische Extraktion
  • Grüne Lösungsmittel (Wasser, Ethanol, Glycerin, Pflanzenöle, NADES usw.)

Einfachheit

  • Plug-and-Play - Einrichtung und Betrieb innerhalb weniger Minuten
  • Hoher Durchsatz - Für die großtechnische Extraktproduktion
  • im Batch oder kontinuierlichen Inline-Betrieb
  • Einfache Installation und Inbetriebnahme
  • Bewegliche Systeme - tragbar oder auf Rollen montiert
  • Lineare Skalierung - fügen Sie weitere Ultraschallsysteme parallel hinzu, um die Kapazität zu erweitern.
  • Fernüberwachung und -steuerung - über PC, Smartphone oder Tablet
  • Keine Prozessüberwachung erforderlich - Gerät anschalten und laufen lassen
  • Leistungsstark - ausgelegt für den kontinuierlichen 24/7-Betrieb
  • Robustheit und geringer Wartungsaufwand
  • hohe Qualität – in Deutschland entwickelt und gebaut
  • Schnelle Be- und Entladung zwischen den Chargen
  • Leicht zu reinigen

Sicherheit

  • Einfach und sicher zu bedienen
  • Lösungsmittelfreie oder lösungsmittelbasierte Extraktion (Wasser, Ethanol, Pflanzenöle, Glycerin, etc.)
  • Keine hohen Drücke und Temperaturen
  • ATEX-zertifizierte explosionsgeschützte Systeme verfügbar
  • Einfache Bedienung (auch über Fernbedienung)


Literatur / Literaturhinweise

Tabelle: Dampfdruck von Wasser

Temperatur
in °C
Dampfdruck
in mmHg (Torr)
Dampfdruck
in Hektopascal hPa
-80 0,00041 0,00055
-75 0,000915 0,00122
-70 0,00196 0,00261
-65 0,00405 0,0054
-60 0,008101 0,0108
-55 0,0157 0,02093
-50 0,02952 0,03936
-45 0,05402 0,07202
-40 0,09631 0,1284
-39,5 0,1019 0,1359
-39 0,1078 0,1437
-38,5 0,114 0,1520
-38 0,1206 0,1607
-37,5 0,1274 0,1699
-37 0,1347 0,1796
-36,5 0,1423 0,1897
-36 0,1503 0,2004
-35,5 0,1587 0,2116
-35 0,1676 0,2235
-34,5 0,1769 0,2359
-34 0,1867 0,2490
-33,5 0,197 0,2627
-33 0,2078 0,2771
-32,5 0,2192 0,2923
-32 0,2311 0,3082
-31,5 0,2437 0,3249
-31 0,2568 0,3424
-30,5 0,2706 0,3608
-30 0,2851 0,3801
-29,5 0,3003 0,4004
-29 0,3162 0,4216
-28,5 0,333 0,4439
-28 0,3505 0,4673
-27,5 0,3688 0,4918
-27 0,3881 0,5174
-26,5 0,4083 0,5443
-26 0,4294 0,5725
-25,5 0,4515 0,6020
-25 0,4747 0,6329
-24,5 0,4989 0,6652
-24 0,5243 0,6991
-23,5 0,5509 0,7345
-23 0,5787 0,7716
-22,5 0,6078 0,8104
-22 0,6383 0,851
-21,5 0,6701 0,8934
-21 0,7034 0,9377
-20,5 0,7381 0,9841
-20 0,77451 1,0326
-19,5 0,81251 1,0833
-19 0,85222 1,1362
-18,5 0,89368 1,1915
-18 0,93698 1,2492
-17,5 0,98222 1,3095
-17 1,0295 1,3725
-16,5 1,0787 1,4382
-16 1,1302 1,5068
-15,5 1,1839 1,5783
-15 1,2399 1,653
-14,5 1,2983 1,7309
-14 1,3593 1,8122
-13,5 1,4228 1,8969
-13 1,489 1,9852
-12,5 1,5581 2,0773
-12 1,6300 2,1732
-11,5 1,705 2,2732
-11 1,7832 2,3774
-10,5 1,8646 2,4859
-10 1,9494 2,5990
-9,5 2,0377 2,7168
-9 2,1297 2,8394
-8,5 2,2254 2,9670
-8 2,325 3,0998
-7,5 2,4287 3,2380
-7 2,5366 3,3819
-6,5 2,6489 3,5316
-6 2,7657 3,6873
-5,5 2,8872 3,8492
-5 3,0134 4,0176
-4,5 3,1448 4,1927
-4 3,2813 4,3747
-3,5 3,4232 4,5639
-3 3,5707 4,7606
-2,5 3,724 4,9649
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-1,5 4,0486 5,3977
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-0,5 4,3987 5,8645
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14 11,993 15,990
15 12,795 17,058
16 13,642 18,188
17 14,539 19,384
18 15,487 20,647
19 16,489 21,983
20 17,546 23,393
21 18,663 24,882
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23 21,085 28,111
24 22,395 29,858
25 23,776 31,699
26 25,231 33,639
27 26,763 35,681
28 28,376 37,831
29 30,071 40,092
30 31,855 42,470
31 33,730 44,969
32 35,700 47,596
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45 71,968 95,950
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70 234,03 312,01
71 244,33 325,75
72 255,02 340,00
73 266,11 354,78
74 277,59 370,09
75 289,49 385,95
76 301,82 402,39
77 314,58 419,41
78 419,41 437,03
79 341,48 455,27
80 355,63 474,14
81 370,28 493,67
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83 401,10 534,76
84 417,30 556,35
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98 707,98 943,90
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100 760,00 1013,3
101 787,57 1050,0
102 815,86 1087,7
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105 906,07 1208,0
106 937,92 1250,5
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108 1004,42 1339,12
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111 1111,20 1481,48
112 1148,74 1531,53
113 1187,42 1583,10
114 1227,25 1636,20
115 1267,98 1690,50
120 1489,14 1985,36
125 1740,93 2321,05
130 2026,10 2701,24
135 2347,26 3129,42
140 2710,92 3614,26
145 3116,76 4155,34
150 3570,48 4760,25
175 6694,08 8924,71
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225 19123,12 25495,40
250 29817,84 39753,85
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300 64432,8 85903,3
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350 124001,6 165321,9
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371 159584,8 212762,2
372 161507,6 215325,8
373 163468,4 217939,9
373,946 165452,0 220584,5

Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.