Hielscher Ultraschalltechnik

Die Effizienteste Extraktionsmethode für Botanische Extrakte

Sind Sie auf der Suche nach einem leistungsfähigen und zuverlässigen Extraktionsgerät zur Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte? Hier finden Sie einen Vergleich gängiger Extraktionstechniken wie der Ultraschallextraktion, überkritischen CO2 Extraktion, Ethanol-Extraktion, Mazeration u.a. sowie deren Vor- und Nachteile.

Was sind botanische Extrakte?

Zu botanische Materialien zählen Pflanzenteile, wie z.B. Blätter, Blütenblätter, Blüten, Stängel, Wurzeln und Rinde. Diese botanischen Materialien enthalten hochwirksame bioaktive Verbindungen (Phytochemikalien), welche in Lebensmitteln und Getränken, Nahrungsergänzungsmitteln, Therapeutika und Pharmazeutika sowie in kosmetischen Produkten verwendet werden. Prominente Beispiele für botanische Extrakte sind Antioxidantien, Vitamine (z.B. Vitamin A, C, E, K; B-Vitamine), Proteine (z.B. Hanf, Soja), Polyphenole, Flavonoide, Terpene, Cannabinoide (z.B. CBD, CBG, THC), Oligosaccharide und Lipide (z.B. Omega-3 aus Leinsamen oder Hanfsamen).
Antioxidantien wirken als starker Abwehrmechanismus, der die Körperzellen vor Schäden durch Alterung, Stress, Entzündungen und Krankheiten schützt. Die Forschung zeigt auch, dass Antioxidantien zur Stärkung des Immunsystems beitragen und krebshemmende Eigenschaften aufweisen können. Darüber hinaus verhindern Antioxidantien die Oxidation von Produkten und verlängern dadurch deren Stabilität und Haltbarkeit. Daher werden Antioxidantien vielen Lebensmitteln, Getränken, Nahrungsergänzungsmitteln, Therapeutika und kosmetischen Produkten zugesetzt. Prominente Beispiele für Antioxidantien sind Vitamin E (α-Tocopherol), Vitamin C (Ascorbinsäure), Beta-Carotin und Glutathion.
Antioxidantien und andere bioaktive Verbindungen können entweder aus natürlichen Materialien wie Pflanzen oder Algen extrahiert oder künstlich synthetisiert werden. Bioaktive Verbindungen, die aus einer natürlichen Quelle extrahiert werden, weisen eine höhere Bioverfügbarkeit, Bioverträglichkeit und damit eine erhöhte Wirksamkeit auf. Daher werden in hochwertigen Ergänzungsmitteln natürlich extrahierte Phytochemikalien verwendet.

Extraktion von qualitativ hochwertiger botanischer Extrakte

Für hochwertige botanische Extrakte ist nicht nur das Rohmaterial (Pflanzenmaterial) entscheidend, sondern auch die angewandte Extraktionstechnik. Pflanzenextrakte sind temperaturempfindlich, d.h. sie werden durch Hitze geschädigt und zersetzt. Es ist daher wichtig, eine nicht-thermische Extraktionsmethode zu wählen.
Die Auswahl des Extraktionslösungsmittels ist ein weiterer wichtiger Faktor, der die Extraktqualität beeinflusst. Lösungsmittel wie Hexan, Methanol, Butan und andere harsche Chemikalien können das Extrakt kontaminieren. Auch wenn die Lösungsmittel nach der Extraktion entfernt werden, können oftmals Spuren der toxischen Lösungsmittel im endgültigen Extrakt nachgewiesen werden. Wasser, Alkohol, Ethanol, Glyzerin oder Pflanzenöle sind sichere, ungiftige Lösungsmittel und von der FDA für den Konsum zugelassen.

UP400St - leistungsstarker Ultraschall-Extraktor. (Zum Vergrößern anklicken!)

Botanische Extraktion mit dem Ultraschallgerät UP400St

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Ultraschall-Extraktion Mazeration CO2 Extraktion Soxhlet Perkolation
Lösungsmittel kompatibel mit fast jedem Lösungsmittel Wasser, wässrige und nichtwässrige Lösungsmittel Organische Lösungsmittel Wasser, wässrige und nichtwässrige Lösungsmittel CO2
Temperatur nicht-thermische Extraktion,
präzise Temperaturkontrolle
Raumtemperatur unter Hitze Umgebungstemperatur,
gelegentlich wird Wärme angewendet
über der kritischen
Temperatur von 31°C
Druck sowohl atmosphärischer als auch
erhöhter Druck möglich
atmosphärisch atmosphärisch atmosphärisch sehr hohe Drücke
(über dem kritischen Druck von 74 bar)
Verarbeitungsdauer Schnell sehr langsam langsam sehr langsam moderat
Lösungsmittelbedarf niedrig,
hohe Feststoffladung an Pflanzenmaterial
im Lösungsmittel, insbesondere wenn eine Durchflusszelle
verwendet wird
hoch moderat hoch große Mengen an
Überkritisches CO2
Polarität des natürlichen Extrakts abhängig vom Lösungsmittel;
zur Extraktion unpolarer und polarer
Verbindungen wird eine zweistufige Extraktion
mit zwei Lösungsmitteln empfohlen
abhängig vom Lösungsmittel abhängig vom Lösungsmittel abhängig vom Lösungsmittel abhängig vom Druck
(unter höheren Drücken polarer)
Flexibilität/Skalierbarkeit für Batch- und Inline-Extraktion,
Lineare Skalierbarkeit
nur Batch-Extraktion,
begrenzte Skalierbarkeit
nur Batch-Extraktion,
begrenzte Skalierbarkeit
nur Batch-Extraktion,
begrenzte Skalierbarkeit
nur Batch-Extraktion,
begrenzte lineare Skalierbarkeit,
sehr teuer
Vorteile der Ultraschall-Extraktion auf einen Blick:

  • hohe Erträge
  • hohe Qualität
  • Vollspektrum-Extrakte
  • schnelles Verfahren
  • Kompatibel mit allen Lösungsmitteln
  • einfach und sicher zu bedienen
  • Lineare Skalierbarkeit
  • umweltfreundlich
  • schneller ROI

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion?

Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Wirkprinzip der Ultraschallkavitation bzw. akustischen Kavitation und ist eine rein mechanische Behandlung. Ähnlich wie ein High-Shear-Mixer erzeugt ein Ultraschallgerät nur mechanische Scherkräfte im Prozessmedium. Die Ultraschallextraktion selbst ist eine nicht-thermische, chemikalienfreie Extraktionstechnik.
Was ist akustische Kavitation? – Akustische oder Ultraschall-Kavitation tritt auf, wenn hochintensive, Der UIP4000hdT ist ein 4000 Watt starker Inline-Ultraschalldispergierer.niederfrequente Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit bzw. Slurry eingekoppelt wird. Diese Slurry kann beispielsweise aus pflanzlichem Material in einer Flüssigkeit (Lösungsmittel) bestehen. Hochleistungs-Ultraschall wird über einen mit einer Sonotrode ausgestatteten Ultraschallprozessor in die botanische Slurry eingetragen. Hochenergetische Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen, wodurch das Phänomen der akustischen Kavitation entsteht. Akustische Kavitation oder Ultraschall-Kavitation führt lokal zu extremen Bedingungen wie sehr hohen Druckunterschieden und hohen Scherkräften. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und interpartikuläre Kollisionen Effekte wie Partikelschlagung, Sonoporation (die Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellaufschluss. Zusätzlich erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Turbulenzen und Agitation, was den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel fördert. Die Ultraschallbehandlung ist eine hocheffiziente Methode, um Stofftransportprozesse zu intensivieren. Ultraschall-Kavitation und die dadurch hervorgerufenen Mechanismen wie Mikrodurchmischung, Flüssigkeitsstrahlen, sowie Kompression und Dekompression im Medium führt zum Zellsufschluss und der Freisetzung des intrazellulären Materials.
Abhängig vom Rohstoff kann der Ultraschall-Extraktionsprozess hohe Intensitäten erfordern, z.B. um starre Pflanzenzellen oder hartes Material mit hohem Zelluloseanteil aufzubrechen. Ultraschallgeräte mit Sonotrode, sogennante Ultraschallstabschwinger, können sehr hohe Amplituden erzeugen, welche notwendig sind, um effektive Kavitation zu erzeugen. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallextraktoren her, die problemlos Amplituden von 200µm im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezifische hochamplitudige Sonotroden (Ultraschallspitzen) an.
Zur Intensivierung der Kavitation werden druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen eingesetzt. Mit steigendem Druck werden Kavitations- und Kavitationsscherkräfte intensiver und verbessern dadurch die Ultraschalleffekte.

Die Ultraschallextraktion erhöht den Ölertrag von Speiseölen wie nativem Olivenöl extra, Avocadoöl, Kokosöl und Leinsamenöl.

UIP4000hdT, ein 4kW starker Ultraschallprozessor für die botanische Extraktion

Extrahieren von Phyto-Chemikalien und bioaktiven Verbindungen mittels Ultraschall

Die Ultraschall-Extraktion wird zur Freisetzung und Isolierung einer Vielzahl bioaktiver Verbindungen (sog. Phytochemikalien) aus pflanzlichen Stoffen eingesetzt.
Die folgende Liste gibt Ihnen einen kleinen Überblick über ultraschall-extrahierte Phytochemikalien:

Lösungsmittel für die Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschallextraktion ist mit allen gängigen Lösungsmitteln kompatibel. Am häufigsten werden Ethanol, Wasser, Ethanol/Wasser-Gemisch, Glyzerin und Pflanzenöle für die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Stoffen verwendet, da diese Lösungsmittel als sicher gelten und einfach zu verwenden sind.
Lesen Sie mehr über Lösungsmittel, die für die Ultraschallextraktion verwendet werden!

Die Vorteile der Ultraschall-Ethanol-Extraktion

Ethanol wird als für den Konsum sicher eingestuft (u.a. von der FDA für den Konsum zugelassen). Aufgrund seiner Wirksamkeit und seiner weitreichenden Solvenz ist Ethanol eines der am häufigsten für die Ultraschallextraktion verwendeten Lösungsmittel. Die Ultraschall-Ethanol-Extraktion übertrifft andere Lösungsmittel und andere Extraktionstechnologien an Kosteneffizienz sowie durch ihre lineare Skalierbarkeit, Einfachheit und Sicherheit.
Die hervorragende Effizienz von Ethanol als Lösungsmittel resultiert aus seiner chemischen Zusammensetzung: Ethanol besteht aus einer Kohlenwasserstoffgerüst und einer einzelnen Hydroxylgruppe. Diese chemische Zusammensetzung ermöglicht es Ethanol, ein sehr breites Spektrum von Substanzen zu lösen und zu extrahieren, u.a. Polyphenole, Flavonoide, Terpene, Cannabinoide und Lipide (Öle).
Beispielsweise erfordert die Ultraschall-Ethanol-Extraktion von Cannabinoiden keine Winterisierung (Entwachsung), ein Schritt, der bei anderen Extraktionsmethoden wie der CO2 Extraktion notwendig ist um Wachse aus dem Extrakt zu entfernen.

Die Ethanolextraktion hat je nach der Temperatur des Ethanols unterschiedliche Effekte. Nikotingewinnung aus getrockneten Tabakblättern mit dem Ultraschallgerät UP400StErwärmtes Ethanol wird häufig zur Herstellung von Vollspektrum-Extrakten verwendet, die wegen ihrer Entouragewirkung geschätzt werden. Dagegen wird eiskaltes Ethanol vorzugsweise zur Herstellung von Kräuter- oder Cannabis-Destillaten verwendet. Die Extraktion in eiskaltem Ethanol erfordert keine anschließende Filtration. Da es sich bei der Ultraschallextraktion um eine nicht-thermische Behandlung handelt, kann sie mit heißem/warmem oder gekühltem/eiskaltem Ethanol durchgeführt werden. Ummantelte Ultraschallreaktoren tragen dazu bei, die gewünschte Verarbeitungstemperatur während des Extraktionsprozesses aufrechtzuerhalten. Die digitale Steuerung und die intelligente Software des Ultraschallprozessors überwacht die Verarbeitungstemperatur über einen steckbaren Temperatursensor. Das Ultraschallgerät kann sogar so programmiert werden, dass die Extraktionsbehandlung gestoppt oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Bereich verlässt.

Kaufen Sie das effizientesten Ultraschall-Extraktionsgerät

Die Hochleistungs-Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind in jeder Größe erhältlich - vom kompakten Laborgerät, mittelgroßen Pilot- und Technikumsanlagen bis hin zur vollindustriellen Hochleistungs-Ultraschallanlagen, welche mehrere Tonnen pro Stunde verarbeiten können. Abhängig vom Durchsatz können Hielscher Ultraschall-Extraktionssysteme im Batch- oder kontinuierlichen Inline-Betrieb eingesetzt werden. Die Wahl des Lösungsmittels bleibt Ihnen überlassen, da Hielscher Ultraschall-Extraktoren in Kombination mit jedem beliebigen Lösungsmittel eingesetzt werden können. Alle Ultraschall-Extraktionsgeräte sind einfach und sicher zu bedienen. Hielscher bietet Ihnen je nach Rohstoff, Prozesskapazitäten und Leistungsvorgabe das für Sie am besten geeignete Ultraschallgerät an.
Ultraschall-Extraktionsverfahren werden vom Rohmaterial, Lösungsmittel und Durchsatz beeinflusst. Verschiedene Zubehörteile wie Sonotroden (Ultraschallstäbe) in verschiedenen Größen und Formen, Booster-Hörner, Durchflusszellen mit verschiedenen Volumina und Geometrien, steckbare Temperatur- und Drucksensoren und viele andere Accessoires stehen zur Verfügung, um den idealen Ultraschallaufbau für Ihren Extraktionsprozess zusammenzustellen.
Die Industrieprozessoren der hdT-Serie von Hielscher lassen sich komfortabel und benutzerfreundlich per Browser-Fernsteuerung bedienen.Die Prozesskontrolle ist entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Daher sind alle digitalen Modelle mit intelligenter Software ausgestattet, die es Ihnen ermöglicht, Extraktionsparameter einzustellen, zu überwachen und zu nachzuregeln. Dank der präzisen Steuerung von Amplitude, Beschallungszeit und Pulsmodus können optimale Prozessergebnisse wie z.B. eine überlegene Ausbeute und höchste Extraktqualität erzielt werden. Die automatische Datenaufzeichnung des Beschallungsprozesses ist die Grundlage für die Prozessstandardisierung und Reproduzierbarkeit / Wiederholbarkeit, welche für Good Manufacturing Practices (GMP) erforderlich sind.

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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Ultraschallprozessor UIP2000hdT (2kW) mit gerührtem Reaktor

Ultraschall-Homogenisator UIP2000hdT (2kW) mit kontinuierlich gerührtem Batch-Reaktor

Literatur / Literaturhinweise



Allerlei Wissenswertes

Welches Wirkprinzip hat CO2 als Lösungsmittel?

CO2 , das auf über 90 Grad Fahrenheit erhitzt und mit ca. 7 Pa unter Druck gesetzt wird, gilt als überkritisch. Überkritisches CO2 wirkt wie ein Lösungsmittel, das Öle löst.

Warum müssen manche Cannabis-Extrakte winterisiert werden?

Durch die Winterisierung eines Extraktes werden unerwünsche Bestandteile (Wachse) aus dem Rohextrakt entfernt. Um ein Rohextrakt zu winterisieren, wird das Cannabisrohextrakt mit Ethanol gemischt. Anschließend wird die Lösung stark gekühlt (z.B. im Gefrierschrank). Die Kälte ermöglicht die Trennung der Verbindungen durch Unterschiede in ihren Schmelz- und Ausfällungspunkten. Durch das starke Kühlen fallen die Fette und Wachse mit höheren Schmelzpunkten aus und können dann durch Filtrieren, Zentrifugieren, Dekantieren oder andere Trennverfahren entfernt werden. Anschließend muss das Ethanol aus der Lösung entfernt werden. Dies wird durch Sieden erreicht. Ethanol siedet und verdampft bei 78,5°C atmosphärischem Druck. Dadurch erhält man ein reines flüssiges Cannabisölextrakt.

Antioxidantien und ihre positiven Effekte als Nährstoffe

Antioxidantien wirken als starker Abwehrmechanismus, der die Körperzellen vor Schäden durch Alterung, Stress, Entzündungen und Krankheiten schützt. Die Forschung zeigt auch, dass Antioxidantien zur Stärkung des Immunsystems beitragen und krebshemmende Eigenschaften aufweisen können.
Antioxidantien sind Moleküle, die freie Radikale neutralisieren. Freie Radikale und andere reaktive Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species; ROS) entstehen entweder durch natürliche, lebensnotwendige Stoffwechselprozesse im menschlichen Körper oder durch externen Quellen wie der Auswirkungen von Röntgenstrahlen, Ozon, Zigarettenrauch, Luftschadstoffen und toxischen Chemikalien. Freie Radikale entstehen in vielen chemischen Kettenreaktionen im Körper als Ergebnis des aeroben Stoffwechsels. Die Bildung und Exposition gegenüber freien Radikalen ist Teil vieler Stoffwechselprozesse und kann nicht vermieden werden. Ein gesunder Körper kommt mit der normalen Bildung freier Radikale zurecht, fängt sie ein und wandelt sie in unschädliche Moleküle um. Bei belastenden Ereignissen oder unter schädlichen Umweltbedingungen steigt die Belastung durch freie Radikale jedoch deutlich an und ruft Entzündungen und Alterungsprozesse hervor. Eine gute, gesunde Ernährung liefert Antioxidantien, welche oxidative freie Radikale unschädlich machen.

Es gibt zwei Kategorien von Antioxidantien, die unterschieden werden können: Zum einen die antioxidativen Enzyme (z.B. Superoxid-Dismutasen, Katalase, Glutathionperoxidase) und zum anderen die antioxidativen Nährstoffe, zu denen Vitamine, Mineralien und verschiedene Phytochemikalien gehören. Einige wichtige Kategorien der antioxidativen Nährstoffen sind unten aufgeführt:

  • Vitamin E (α-Tocopherol), Vitamin C (Ascorbinsäure), Beta-Carotin
  • Glutathion, Ubiquinol und Harnsäure
  • Selen
  • Flavonoide (polyphenolische Pigmente)

Vitamin C, Harnsäure, Bilirubin, Albumin und Thiole sind hydrophile, radikal-fangende Antioxidantien, während Vitamin E und Ubiquinol lipophile, radikal-fangende Antioxidantien sind.
Die Potenz bzw. Wirkkraft von Antioxidantien in Nahrungsmitteln wird als ORAC-Wert (Oxygen Radical Absobance Capacity) gemessen. Laut Angaben der USDA haben folgende Lebensmittel die höchsten ORAC-Werte und damit die stärkste antioxidative Wirkung:

    • Trockenpflaumen: 5770
    • Rosinen: 2830
    • Heidelbeeren: 2400

Obst und Gemüse sind reich an Antioxidantien. Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Methode, um bioaktive Verbindungen wie Antioxidantien, Vitamine und Polyphenole aus Obst und Gemüse freizusetzen und zu isolieren.

  • Brombeeren: 2036
  • Grünkohl: 1770
  • Erdbeeren: 1540
  • Spinat: 1260
  • Himbeeren: 1220
  • Rosenkohl: 980
  • Pflaumen: 949
  • Alfalfa-Sprossen: 930
  • Brokkoli: 890
  • Rote Beete: 840
  • Orangen: 750
  • Rote Trauben: 739
  • Rote Paprika: 710
  • Kirschen: 670
  • Kiwifrucht: 602
  • Pampelmuse: 483
  • Zwiebel: 450
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.