Die Effizienteste Extraktionsmethode für Pflanzliche Stoffe

Sind Sie auf der Suche nach einer leistungsfähigen und zuverlässigen Extraktionsanlage zur Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte? Hier finden Sie einen Vergleich gängiger Extraktionsverfahren wie Ultraschallextraktion, überkritische CO2-Extraktion, Ethanolextraktion, Mazeration u.a. und deren Vor- und Nachteile.

Botanische Extraktion mit Ultraschall im Vergleich zu alternativen Techniken

Die Extraktion von pflanzlichen Stoffen kann mit verschiedenen Techniken erfolgen. Effizienz, Extraktausbeute und Qualität werden jedoch stark von der verwendeten Extraktionsmethode und dem Protokoll beeinflusst. Mazeration, überkritische CO2-Extraktion, Perkolation und Soxhlet-Extraktion sind gängige Extraktionsmethoden, die oft unzureichende Extraktionsergebnisse liefern.
Die ultraschallgestützte Extraktion ist eine hochentwickelte Isolationstechnik, die den herkömmlichen Extraktionsmethoden in mehreren Punkten überlegen ist.
Die ultraschallbasierte Extraktion mit einer Ultraschallsonde ist eine hochwirksame Methode zur Extraktion von Verbindungen aus Pflanzen und anderen Materialien. Im Vergleich zu anderen Methoden wie Mazeration, CO2-Extraktion, Perkolation und Mikrowellenextraktion zeichnet sich die Extraktion mit einer Ultraschallsonde durch mehrere Vorteile aus:

• Schnellere Extraktion: Mit der Ultraschallsondenextraktion können Verbindungen viel schneller extrahiert werden als durch Mazeration und Perkolation. Dies liegt daran, dass Ultraschallwellen Kavitationsblasen im Lösungsmittel erzeugen, die Mikroschocks erzeugen, die dazu beitragen, die Zellwände aufzubrechen und die Verbindungen schneller freizusetzen.
• Höherer Ertrag: Mit der Ultraschallsondenextraktion kann eine höhere Ausbeute an Verbindungen gewonnen werden als mit Mazeration, CO2-Extraktion und Perkolation. Dies liegt daran, dass die Ultraschallwellen dazu beitragen, mehr der Zielverbindungen aus dem zu extrahierenden Material freizusetzen.
• Mehr Effizienz: Die Ultraschallsondenextraktion ist effizienter als die Mazeration, die CO2-Extraktion, die Perkolation und die Soxhlet-Extraktion, da weniger Lösungsmittel benötigt wird, um die gleiche Menge an Verbindungen zu extrahieren. Dies liegt daran, dass die Ultraschallwellen die Löslichkeit der Zielverbindungen im Lösungsmittel erhöhen.
• Vielseitigkeit: Die Sondenextraktion mit Ultraschall kann zur Extraktion eines breiten Spektrums von Verbindungen aus verschiedenen Materialien verwendet werden, darunter sowohl hydrophile als auch hydrophobe Verbindungen. Das bedeutet, dass sich Ultraschall auch hervorragend für die Herstellung von Vollspektrumextrakten eignet.
• Geringe Kosten: Die Ultraschallsondenextraktion ist im Allgemeinen kostengünstiger als die CO2-Extraktion, die Perkolation, die Mazeration und die Soxhlet-Extraktion, da sie keine Hochdruckgeräte und keine zeitintensive Arbeit erfordert.
• Umweltfreundlich: Ultraschallsonden ermöglichen eine umweltfreundliche Extraktion, da im Vergleich zu anderen Methoden weniger Lösungsmittel und Energie benötigt werden und weniger Abfall anfällt. Obwohl die Beschallung mit allen Lösungsmitteln kompatibel ist, können aufgrund der hohen Effizienz von Ultraschallgeräten giftige Lösungsmittel weitgehend vermieden werden. Ethanol, wässriges Ethanol und Wasser sind ausgezeichnete Lösungsmittel für die botanische Ultraschallextraktion.

Im Vergleich zu herkömmlichen botanischen Extraktionsverfahren bietet die Ultraschallsondenextraktion erhebliche Vorteile, was die breite Anwendung der Ultraschallextraktion für zahlreiche bioaktive Verbindungen aus Pflanzen erklärt.

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.

Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Extraktion von Pflanzen mit einer Ultraschallsonde

Wie extrahiert man bioaktive Verbindungen aus Pflanzen mit Hilfe der Sonden-Ultraschalltechnik? Im Folgenden finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Extraktion von Phytochemikalien und bioaktiven Verbindungen aus Pflanzenmaterial wie Blättern, Blütenblättern, Fruchtkörpern, Stängeln, Wurzeln oder Rhizomen!

1. Zunächst wird das Pflanzenmaterial gemahlen oder in kleine Stücke gehackt, um die Oberfläche für die Extraktion zu vergrößern.
2. Das Pflanzenmaterial wird dann mit einem Lösungsmittel (z. B. Ethanol oder Wasser) vermischt, um die Polyphenole zu extrahieren.
3. Die Sonden-Ultraschallbehandlung wird dann zur Unterstützung des Extraktionsprozesses eingesetzt, indem hochintensive, niederfrequente Ultraschallwellen von ca. 20 kHz auf das Gemisch angewendet werden. Dies führt zu akustischer Kavitation und einer schnellen Vibration des Lösungsmittels, was den Aufschluss und die Zersetzung der Pflanzenzellen und die Freisetzung bioaktiver Substanzen wie Polyphenole, Flavonoide und Vitamine fördert.
4. Anschließend wird das Gemisch gefiltert, um das feste Pflanzenmaterial von der Flüssigkeit zu trennen, die die extrahierten bioaktiven Verbindungen enthält.
5. Die Flüssigkeit wird dann verdampft oder weiterverarbeitet, um das Lösungsmittel zu entfernen und die bioaktiven Moleküle zu konzentrieren.
6. Das Endprodukt ist ein bioaktiver Extrakt, der in verschiedenen Anwendungen wie Nahrungsergänzungsmitteln, funktionellen Lebensmitteln und Kosmetika eingesetzt werden kann.

Hinweis: Dies ist ein Überblick über das Verfahren; die spezifischen Bedingungen (Lösungsmittel, Verhältnis von Pflanzenmaterial zu Lösungsmittel, Extraktionsdauer, Ultraschallleistung usw.) können je nach Pflanzenquelle und gewünschtem Gehalt an bioaktiven Substanzen variieren.

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion?

Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Arbeitsprinzip der akustischen Ultraschallkavitation und ist eine rein mechanische Behandlung. Ähnlich wie ein High-Shear-Mischer erzeugt ein Ultraschallgerät nur mechanische Scherkräfte im Prozessmedium. Die Ultraschallextraktion selbst ist eine nichtthermische, chemiefreie Extraktionstechnik.
Was ist akustische Kavitation? – Akustische oder Ultraschallkavitation tritt auf, wenn leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Aufschlämmung aus pflanzlichem Material in einer Flüssigkeit (Lösungsmittel) eingekoppelt werden. Hochleistungs-Ultraschallwellen werden über einen sondenartigen Ultraschallprozessor in die botanische Aufschlämmung eingekoppelt. Hochenergetische Ultraschallwellen bewegen sich durch die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen, was zu dem Phänomen der akustischen Kavitation führt. Akustische oder Ultraschallkavitation führt lokal zu extremen Bedingungen wie sehr hohen Druckunterschieden und hohen Scherkräften. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Gewebe usw.) implodieren, führen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen den Partikeln zu Effekten wie Partikelzerfall, Sonoporation (Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellauflösung. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Turbulenzen und Agitation, die den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel fördern. Die Beschallung mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Methode zur Verbesserung der Stoffübertragungsprozesse, da die Beschallung zu Kavitation und den damit verbundenen Mechanismen wie Mikrobewegung durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließendem Aufbrechen der Zellwände führt.
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.

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:

• CBD und andere Cannabinoide aus Cannabis und Hanf
• Terpene
• Ingwer
• Rosmarin
• Capsaicin aus Chilis
• Koffein aus Kaffeebohnen
• Astaxanthin aus Algen
• Allicin aus Knoblauch
• Katechine (EGEC) aus Tee
• Propolis
• Ellagitannine aus Granatapfel
• Ayurvedische Kräuterextrakte
• Nikotin aus Tabak
• Ätherische Öle
• Phytochemikalien aus der Brennnessel
• Pektine aus Zitrusfruchtschalen
• Polyphenole aus Mangoschalen
• Taraxacin und Taraxasterol aus Löwenzahn

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).
Zum Beispiel erfordert die Ultraschall-Ethanol-Extraktion von Cannabinoiden keine Winterisierung (Entwachsen), ein Schritt, der bei anderen Extraktionsmethoden wie der CO2-Extraktion erforderlich ist, um die Wachse zu entfernen.

Bei der Ethanolextraktion treten je nach Ethanoltemperatur unterschiedliche Wirkungen auf. Erhitztes Ethanol wird häufig zur Herstellung von Vollspektrumextrakten verwendet, die wegen ihrer entourage Wirkung geschätzt werden. Dagegen wird eiskaltes Ethanol vorzugsweise zur Herstellung von Kräuter- oder Cannabisdestillaten verwendet. Die Extraktion in eiskaltem Ethanol erfordert keine anschließende Filtration. Da die Ultraschallextraktion ein nicht-thermisches Verfahren ist, kann sie mit heißem/warmem oder gekühltem/eiskaltem Ethanol durchgeführt werden. Ummantelte Ultraschallreaktoren helfen dabei, die gewünschte Verarbeitungstemperatur während der Behandlung aufrechtzuerhalten. Die digitale Steuerung und intelligente Software des Ultraschallgeräts überwacht die Verarbeitungstemperatur über steckbare Temperatursensoren und kann so programmiert werden, dass die Extraktionsbehandlung gestoppt oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Bereich überschreitet.

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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 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 Ultraschallhomogenisatoren: