Die effizienteste Extraktionsmethode für Pflanzenmaterial

Suchen Sie eine leistungsstarke und zuverlässige Extraktionsanlage zur Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte? Hier finden Sie einen Vergleich gängiger Extraktionsverfahren, darunter Ultraschallextraktion, Extraktion mit überkritischem CO2, Ethanolextraktion und Mazeration, sowie ihrer Vor- und Nachteile.

Pflanzenextraktion mit Ultraschall im Vergleich zu alternativen Verfahren

Die Extraktion von Pflanzenmaterial kann mit verschiedenen Verfahren erfolgen. Effizienz, Extraktionsausbeute und Qualität werden jedoch stark von der verwendeten Extraktionsmethode und dem jeweiligen Protokoll beeinflusst. Mazeration, Extraktion mit überkritischem CO2, Perkolation und Soxhlet-Extraktion sind gängige Extraktionsmethoden, die häufig unzureichende Extraktionsergebnisse liefern.
Die ultraschallbasierte Extraktion ist ein technisch ausgereiftes Isolierungsverfahren, das herkömmlichen Extraktionsmethoden in mehreren Punkten überlegen ist.
Die ultraschallbasierte Extraktion mit einer Sonotrode ist eine hochwirksame Methode zur Gewinnung von Verbindungen aus Pflanzen und anderen Materialien. Im Vergleich zu anderen Methoden wie Mazeration, CO2-Extraktion, Perkolation und Mikrowellenextraktion zeichnet sich die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode durch mehrere Vorteile aus:

• Schnellere Extraktion: Mit einer Ultraschallsonotrode lassen sich Verbindungen wesentlich schneller extrahieren als durch Mazeration und Perkolation. Das liegt daran, dass Ultraschallwellen im Lösungsmittel Kavitationsblasen erzeugen, die mikroskopische Stoßimpulse hervorrufen. Diese tragen dazu bei, Zellwände aufzubrechen und die Verbindungen schneller freizusetzen.
• Höhere Ausbeute: Die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode kann eine höhere Ausbeute an Verbindungen erzielen als Mazeration, CO2-Extraktion und Perkolation. Das liegt daran, dass die Ultraschallwellen dazu beitragen, mehr Zielverbindungen aus dem zu extrahierenden Material freizusetzen.
• Höhere Effizienz: Die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode ist effizienter als Mazeration, CO2-Extraktion, Perkolation und die Extraktion mit Soxhlet-Extraktoren, da sie weniger Lösungsmittel benötigt, um die gleiche Menge an Verbindungen zu extrahieren. Das liegt daran, dass die Ultraschallwellen dazu beitragen, die Löslichkeit der Zielverbindungen im Lösungsmittel zu erhöhen.
• Vielseitigkeit: Die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode eignet sich zur Gewinnung eines breiten Spektrums von Verbindungen aus verschiedenen Materialien, darunter sowohl hydrophile als auch hydrophobe Verbindungen. Damit eignet sich Ultraschall auch hervorragend zur Herstellung von Vollspektrumextrakten.
• Geringe Kosten: Die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode ist im Allgemeinen kostengünstiger als CO2-Extraktion, Perkolation, Mazeration und Soxhlet-Extraktion, da sie weder Hochdruckausrüstung noch zeitaufwendige Arbeiten erfordert.
• Umweltfreundlich: Ultraschallsonotroden ermöglichen eine umweltfreundliche Extraktion, da diese im Vergleich zu anderen Methoden weniger Lösungsmittel und Energie benötigt und weniger Abfall erzeugt. Obwohl die Beschallung mit allen Lösungsmitteln kompatibel ist, kann aufgrund der hohen Effizienz der Beschallung weitgehend auf toxische Lösungsmittel verzichtet werden. Ethanol, wässriges Ethanol und Wasser sind hervorragende Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion von Pflanzenmaterial.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Pflanzenextraktion bietet die Ultraschallextraktion mit einer Sonotrode erhebliche Vorteile. Dies erklärt den weitverbreiteten Einsatz der Ultraschallextraktion zur Gewinnung zahlreicher bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen.

Gewinnung hochwertiger Extrakte aus Pflanzenmaterial

Für hochwertige Pflanzenextrakte ist nicht nur der Rohstoff (das Pflanzenmaterial), sondern auch das angewandte Extraktionsverfahren entscheidend. Pflanzenextrakte sind temperaturempfindlich, das heißt, sie werden durch Wärme abgebaut. Daher ist die Wahl einer nichtthermischen Extraktionsmethode von entscheidender Bedeutung.
Die Auswahl des Extraktionslösungsmittels ist ein weiterer wichtiger Faktor, der die Qualität des Extrakts beeinflusst. Lösungsmittel wie Hexan, Methanol, Butan und andere aggressive Chemikalien können den Extrakt verunreinigen. Obwohl die Lösungsmittel nach der Extraktion entfernt werden, können im fertigen Extrakt Spuren toxischer Lösungsmittel verbleiben. Wasser, Alkohol, Ethanol, Glycerin oder Pflanzenöle sind sichere, ungiftige Lösungsmittel und von der FDA zum Verzehr zugelassen.

Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Pflanzenextraktion mit einer Ultraschallsonotrode

Wie werden bioaktive Verbindungen mithilfe einer Ultraschallsonotrode aus Pflanzen extrahiert? Nachfolgend finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen und bioaktiven Verbindungen aus Pflanzenmaterial wie Blättern, Blütenblättern, Fruchtkörpern, Stängeln, Wurzeln oder Rhizomen!

1. Zunächst wird das Pflanzenmaterial gemahlen oder in kleine Stücke zerkleinert, um die für die Extraktion verfügbare Oberfläche zu vergrößern.
2. Anschließend wird das Pflanzenmaterial mit einem Lösungsmittel (wie Ethanol oder Wasser) gemischt, um die Polyphenole zu extrahieren.
3. Danach wird die Extraktion durch Beschallung mit einer Sonotrode unterstützt, die niederfrequente Ultraschallwellen hoher Intensität mit etwa 20kHz in die Mischung einträgt. Dies erzeugt akustische Kavitation und schnelle Schwingungen des Lösungsmittels, wodurch die Desintegration und der Aufschluss der Pflanzenzellen sowie die Freisetzung bioaktiver Substanzen wie Polyphenolen, Flavonoiden und Vitaminen gefördert werden.
4. Anschließend wird die Mischung filtriert, um das feste Pflanzenmaterial von der Flüssigkeit mit den extrahierten bioaktiven Verbindungen zu trennen.
5. Die Flüssigkeit wird anschließend eingedampft oder weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen, um das Lösungsmittel zu entfernen und die bioaktiven Moleküle zu konzentrieren.
6. Das Endprodukt ist ein Extrakt mit einem hohen Gehalt an bioaktiven Substanzen, der in verschiedenen Anwendungen wie Nahrungsergänzungsmitteln, funktionellen Lebensmitteln und Kosmetika eingesetzt werden kann.

Hinweis: Dies ist ein Überblick über den Prozess. Die konkreten Bedingungen (Lösungsmittel, Verhältnis von Pflanzenmaterial zu Lösungsmittel, Extraktionsdauer, Ultraschallleistung usw.) können je nach pflanzlichem Ausgangsmaterial und gewünschtem Gehalt an bioaktiven Substanzen variieren.

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion?

Die Ultraschallextraktion beruht auf dem Wirkprinzip der durch Ultraschall erzeugten akustischen Kavitation und ist eine rein mechanische Behandlung. Ähnlich wie ein Hochschermischer erzeugt ein Ultraschallgerät ausschließlich mechanische Scherkräfte im Prozessmedium. Die Ultraschallextraktion selbst ist ein nichtthermisches, chemikalienfreies Extraktionsverfahren.
Was ist akustische Kavitation? – Akustische oder ultraschallinduzierte Kavitation entsteht, wenn leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Suspension aus Pflanzenmaterial und einer Flüssigkeit (Lösungsmittel) eingekoppelt werden. Leistungsstarke Ultraschallwellen werden über einen Ultraschallprozessor mit Sonotrode in die Pflanzensuspension eingekoppelt. Energiereiche Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die das Phänomen der akustischen Kavitation hervorrufen. Akustische oder ultraschallinduzierte Kavitation führt lokal zu extremen Bedingungen wie sehr hohen Druckdifferenzen und starken Scherkräften. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Feststoffen (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen Partikeln Effekte wie Partikelzerkleinerung, Sonoporation (die Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellaufschluss. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Turbulenzen und Durchmischung, wodurch der Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel gefördert wird. Die Beschallung ist eine hocheffiziente Methode zur Verbesserung von Stofftransportprozessen, da sie Kavitation und damit verbundene Mechanismen hervorruft, etwa mikroskopische Bewegungen durch Flüssigkeitsstrahlen sowie Kompression und Dekompression im Material mit anschließendem Aufbrechen der Zellwände.
Je nach Rohstoff kann der Ultraschallextraktionsprozess hohe Intensitäten erfordern, z. B. um starre Pflanzenzellen oder Material mit hohem Cellulosegehalt aufzubrechen. Ultraschallgeräte mit Sonotrode können sehr hohe Amplituden erzeugen, die für eine wirksame Kavitation erforderlich sind. Hielscher Ultrasonic stellt leistungsstarke Ultraschallextraktoren her, die im kontinuierlichen 24/7-Betrieb problemlos Amplituden von 200µm erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezielle Hochamplituden-Sonotroden an.
Zur Verstärkung der Kavitation werden druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen eingesetzt. Mit zunehmendem Druck wirken Kavitation und kavitationsbedingte Scherkräfte stärker aufschließend und verbessern dadurch die Wirkung der Ultraschallextraktion.

Sekundäre Pflanzenstoffe und bioaktive Verbindungen mit Ultraschall extrahieren

Die Ultraschallextraktion wird eingesetzt, um eine Vielzahl bioaktiver Verbindungen (sogenannte sekundäre Pflanzenstoffe) aus Pflanzenmaterial freizusetzen und zu isolieren.
Die folgende Liste gibt Ihnen einen kleinen Überblick über mittels Ultraschall extrahierte sekundäre Pflanzenstoffe:

• CBD und andere Cannabinoide aus Cannabis und Hanf
• Terpene
• Ingwer
• Rosmarin
• Capsaicin aus Chilis
• Koffein aus Kaffeebohnen
• Astaxanthin aus Algen
• Allicin aus Knoblauch
• Catechine (EGEC) aus Tee
• Propolis
• Ellagitannine aus Granatäpfeln
• Ayurvedische Kräuterextrakte
• Nikotin aus Tabak
• Ätherische Öle
• Sekundäre Pflanzenstoffe aus Brennnesseln
• Pektine aus Zitrusfruchtschalen
• Polyphenole aus Mangoschalen
• Taraxacin und Taraxasterol aus Löwenzahn

Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion

Die Ultraschallextraktion ist mit nahezu jedem Lösungsmittel kompatibel. Am häufigsten werden Ethanol, Wasser, Ethanol-Wasser-Gemische, Glycerin und Pflanzenöle zur Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenmaterial verwendet, da diese Lösungsmittel als unbedenklich für den Verzehr gelten und einfach zu handhaben sind.
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Die Vorteile der ultraschallgestützten Ethanolextraktion

Ethanol ist aufgrund seiner Sicherheit (von der FDA zum Verzehr zugelassen), seiner Wirksamkeit und seines breiten Lösungsvermögens eines der am häufigsten verwendeten Lösungsmittel bei der Ultraschallextraktion. Die ultraschallgestützte Ethanolextraktion übertrifft andere Lösungsmittel und Extraktionstechnologien hinsichtlich Kosteneffizienz, linearer Skalierbarkeit, Einfachheit und Sicherheit.
Die hervorragende Wirksamkeit von Ethanol als Lösungsmittel hängt mit seinem chemischen Aufbau aus einem Kohlenwasserstoffrest und einer einzelnen Hydroxylgruppe zusammen. Dieser chemische Aufbau ermöglicht es Ethanol, ein sehr breites Spektrum von Substanzen zu lösen und zu extrahieren, darunter Polyphenole, Flavonoide, Terpene, Cannabinoide und Lipide (Öle).
Beispielsweise erfordert die ultraschallgestützte Ethanolextraktion von Cannabinoiden keine Winterisierung (Entwachsung), die bei anderen Extraktionsmethoden wie der CO2-Extraktion zur Entfernung der Wachse erforderlich ist.

Die Ethanolextraktion zeigt je nach Temperatur des Ethanols unterschiedliche Wirkungen. Erwärmtes Ethanol wird häufig zur Herstellung von Vollspektrumextrakten eingesetzt, die wegen ihres Entourage-Effekts geschätzt werden. Eiskaltes Ethanol wird hingegen bevorzugt zur Herstellung von Kräuter- oder Cannabisdestillaten verwendet. Die Extraktion in eiskaltem Ethanol erfordert keine anschließende Filtration. Da die Ultraschallextraktion eine nichtthermische Behandlung ist, kann sie mit heißem oder warmem ebenso wie mit gekühltem oder eiskaltem Ethanol durchgeführt werden. Ultraschallreaktoren mit Temperiermantel helfen dabei, die gewünschte Prozesstemperatur während der Behandlung aufrechtzuerhalten. Die digitale Steuerung und die intelligente Software des Ultraschallgeräts überwachen die Prozesstemperatur über einen anschließbaren Temperatursensor und können so programmiert werden, dass die Extraktionsbehandlung gestoppt oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Bereich verlässt.

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Ultraschallextraktionsprozesse werden durch Rohstoff, Lösungsmittel und Durchsatz beeinflusst. Verschiedenes Zubehör wie Sonotroden unterschiedlicher Größen und Formen, Boosterhörner, Durchflusszellen mit unterschiedlichen Volumina und Geometrien, anschließbare Temperatur- und Drucksensoren sowie viele weitere Komponenten stehen zur Verfügung, um die ideale Ultraschallanlage für Ihren Extraktionsprozess zusammenzustellen.
Die Prozesssteuerung ist entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Daher sind alle digitalen Modelle mit intelligenter Software ausgestattet, mit der Sie die Extraktionsparameter einstellen, überwachen und anpassen können. Durch die präzise Steuerung von Amplitude, Beschallungsdauer und Tastverhältnis lassen sich optimale Prozessergebnisse wie hervorragende Ausbeuten und höchste Extraktqualität erzielen. Die automatische Datenaufzeichnung des Beschallungsprozesses bildet die Grundlage für die Prozessstandardisierung und Reproduzierbarkeit / Wiederholbarkeit, die für die Gute Herstellungspraxis (GMP) erforderlich sind.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: