Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall Astaxanthin-Extraktion für höhere Erträge

  • Astaxanthin ist ein hochwirksames Antioxidans, das in Arzneimitteln und Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt wird.
  • Um hochwertiges Astaxanthin aus natürlichen Quellen wie Algen herzustellen, ist eine leistungsstarke Extraktionstechnik erforderlich.
  • Die Ultraschallextraktion ist eine mechanische Behandlung, die eine hohe Ausbeute an Astaxanthin in einer sehr kurzen Extraktionszeit ermöglicht.

Leistungsstarke Ultraschallgeräte für hochwertiges Astaxanthin

Ultraschall-Extraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen

Astaxanthin für Nahrungsergänzungsmittel, die von Mensch und Tier wegen ihrer gesundheitlichen Vorteile verzehrt werden, Astaxanthin wird aus Meeresfrüchten gewonnen oder aus der Alge H. pluvialis gewonnen. Haematococcus pluvialis ist eine grüne Mikroalge, die unter Stressbedingungen, wie z.B. hoher Salzgehalt, Stickstoffmangel, hohe Temperaturen und Licht, hohe Astaxanthingehalte produziert. Mit bis zu 9,2mg/g Astaxanthin pro Algenzelle (= bis zu 3,8% auf das Trockengewicht von H. pluvialis) akkumuliert der Haematococcus pluvialis einen sehr hohen Gehalt an natürlichem Astaxanthin und ist daher der bevorzugte Organismus für die Produktion von Astaxanthin.
Um Astaxanthin aus grünen Mikroalgen freizusetzen, müssen die Algenzellen gestört werden. Die Ultraschalltechnik ist für den Zellaufschluss, die Lyse und die Isolierung bioaktiver Verbindungen sowie für Lipide, Antioxidantien, Polyphenole und natürliche Pigmente etabliert. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt rein mechanische Kräfte, die durch Scherkräfte die Zellwände zerstören und die Freisetzung von bioaktiven Substanzen wie Astaxanthin bewirken.

Ultraschall-Extraktion von Astaxanthin aus Hefe

UIP4000hdT 4kW leistungsstarker Ultraschallprozessor für die ExtraktionPhaffia rhodozyma ist eine astaxanthinreiche Hefe. Die dicke Zellwand von P. rhodozyma, die hauptsächlich aus Glucan besteht und für die Zellsteifigkeit verantwortlich ist, macht den Zellaufschluss und die Astaxanthinisolierung jedoch zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Forscher (Gogate et al. 2015) fanden heraus, dass die Ultraschallextraktion in Kombination mit Milchsäure den Zellaufschluss verstärkt und die Extraktion von Astaxanthin aus P. rhodozyma zu einem grüneren, umweltfreundlicheren Prozess macht. Sie verwendeten Milchsäure als Medium für die Disruption und Ethanol als Lösungsmittel für die Extraktion. Die maximale Ausbeute an Astaxanthin (90%) wurde für den ultraschallunterstützten Extraktionsansatz basierend auf der Verwendung von 3 M Milchsäure, Disruptionszeit von 15 min erreicht. Leistungsstarke Ultraschallprozessoren wie die UIP4000hdT (4kW, siehe Bild links) in Kombination mit einem druckbeaufschlagbaren Durchflussreaktor ermöglichen die Erzeugung von sehr intensiver Kavitation. Kavitationsscherkräfte stören die Hefezellwände und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel.

Vorteile der Astaxanthin-Extraktion mit Ultraschall

  • Überlegene Rendite
  • Schnelle Extraktion – innerhalb weniger Minuten
  • Hochwertige Extrakte – Mild, nicht thermisch
  • Grüne Lösungsmittel (z.B. Wasser/Ethanol)
  • kostengünstig
  • einfache und sichere Bedienung
  • Niedrige Investitions- und Betriebskosten
  • 24/7 Betrieb unter hoher Belastung
  • Grüne, umweltfreundliche Methode

Ultraschall Astaxanthin-Extraktion – im Batch- oder Continuous Flow-Modus

UP400St mit Rührwerk im 8L-ExtraktionsbatchAstaxanthin ist eine lipophile Verbindung und kann in Lösungsmitteln (z.B. 48,0% Ethanol in Ethylacetat) und Ölen (z.B. Sojaöl) gelöst werden.
Batch: Ultraschallextraktionsprozesse können als einfache Batchprozesse oder als Inline-Behandlung betrieben werden, bei der das Medium kontinuierlich durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor geleitet wird.
Die Chargenverarbeitung ist ein einfaches Verfahren, bei dem die Extraktion chargenweise durchgeführt wird. Hielscher Ultrasonics bietet Ultraschallprozessoren für kleine bis große Chargen, d.h. 1L bis 120L.
Für die Verarbeitung von Chargen von 5 bis 10L empfehlen wir die Verwendung des UP400St mit Sonotrode S24d22L2D (siehe Bild links).
Für die Verarbeitung von Chargen von ca. 120L empfehlen wir die Verwendung des UIP2000hdT mit Sonotrode RS4d40L4 (siehe Bild oben rechts).

Durchfluss: Für größere Mengen und eine großtechnische Extraktion wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom durch einen Ultraschallreaktor geleitet, in dem die lösungsmittelhaltige/botanische Aufschlämmung intensiv sonifiziert wird.
Für ein Volumen von ca. 8L/min. empfehlen wir die UIP4000hdT mit Sonotrode RS4d40L3 und druckbeaufschlagbarer Durchflusszelle FC130L4-3G0

Ultraschallextraktion mit 2kW-System UIP2000hdT

UIP2000hdT (2kW) für die Chargenextraktion im Großmaßstab

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Hochleistungs-Ultraschallindikatoren für die Extraktion

Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren zur Herstellung hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Sonden bis hin zu robusten Tisch- und vollindustrialen Systemen, die hochintensiven Ultraschall für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Komponenten liefern (z.B. Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene etc.). Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernbedienung und viele weitere komfortable Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Berührung kommenden Teile) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, wartungsarm, einfach und sicher zu bedienen.
Colored touch display of the new hdT series of Hielscher's industrial ultrasonicatorsEin digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung der Ultraschallgeräte. Unsere Systeme sind in der Lage, von niedrigen bis zu sehr hohen Amplituden zu liefern. Für die Extraktion von chemischen Verbindungen wie Astaxanthin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch bekannt als Ultraschallsonden oder Hörner) an, die für die sensible Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Die speziellen Sonotroden von Hielscher für hohe Amplituden in Kombination mit druckbeaufschlagten Durchflusszellen erzeugen extreme kavitative Scherkräfte, die selbst sehr robuste Hefezellen zerstören. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung. Die automatisierten Ultraschall-Extraktionssysteme von Hielscher im industriellen Maßstab sind für hohe Produktionskapazitäten hochwertiger Extrakte bei gleichzeitiger Reduzierung von Arbeitsaufwand, Kosten und Energie ausgelegt.

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur

  • Gogate et al. (2015): Ultraschallunterstützte Intensivierung der Extraktion von Astaxanthin aus Phaffia rhodozyma. Indischer Chemieingenieur 2015, 57:3-4, 240-255.
  • Zou et al. (2013): Response Surface Methodik zur ultraschallunterstützten Extraktion von Astaxanthin aus Haematococcus pluvialis. Meeresdrogen 2013, 11, 1644-1655.


Wissenswertes

Sono-Extraktion

Die Ultraschallextraktion oder Sono-Extraktion basiert auf dem Prinzip der akustischen Kavitation.
Wenn intensive Ultraschallwellen auf Flüssigkeitssysteme angewendet werden, tritt akustische Kavitation auf, die das Phänomen der Erzeugung, des Wachstums und des eventuellen Kollapses von Vakuumblasen ist (siehe Bild unten). Während der Ausbreitung der Ultraschallwellen schwingen und wachsen die Vakuumblasen, bis sie einen Punkt erreichen, an dem sie nicht mehr Energie aufnehmen können. Auf dem Höhepunkt des Blasenwachstums kollabieren sie heftig, was lokal thermische, mechanische und chemische Effekte verursacht. Zu den mechanischen Effekten gehören hohe Drücke von bis zu 1000atm, Turbulenzen und intensive Scherkräfte. Diese Kräfte stören die Zellwände und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und den lösungsmittelfreien bioaktiven Verbindungen in die umgebende Flüssigkeit (d.h. Lösungsmittel).

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Die Ultraschallextraktion von Verbindungen aus Pflanzen und Zellgewebe ist gut erforscht. Die Anwendung von hochintensiven Ultraschallwellen fördert die Extraktionsprozesse erheblich. Neben der Prozessintensivierung – was zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt. – thermischer Abbau und Verlust temperaturempfindlicher Bestandteile wird verhindert, da die Ultraschallbehandlung eine nicht-thermische Behandlung ist. Darüber hinaus hat die Ultraschallextraktion niedrige Investitions- und Betriebskosten, reduziert den Einsatz von Lösungsmitteln und/oder ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicherer Lösungsmittel, was sie zu einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Extraktionstechnik macht. Im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionsmethoden wurde die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) aus der Lebensmittelindustrie übernommen, um bioaktive Verbindungen mit wirtschaftlichen Vorteilen herzustellen.

Ultraschalldisruptoren werden für Extraktionen aus Phytoquellen (z.B. Pflanzen, Algen, Pilze) eingesetzt.

Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Ressource: Vilkhu et al. 2011].

Astaxanthin

Astaxanthin zeichnet sich durch eine tiefrote Farbe aus. Es ist ein fettlösliches Pigment, das in Algen (z.B. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), Hefe (z.B. Phaffia rhodozyma), Lachs, Forelle, Krill, Garnelen und Krebsen vorkommt. Astaxanthin gilt als Super-Antioxidans, da seine antioxidative Wirksamkeit zehn- bis zwanzigmal stärker ist als bei vielen anderen Carotinoiden wie Beta-Carotin, Lutein und Zeaxanthin und hundertmal stärker als Alpha-Tocopherol (Vitamin E).
Astaxanthin (3,3′-Dihydroxy-β, β′-Carotin-4,4′-Dion) ist ein Keto-Carotinoid und gehört zu einer größeren Klasse von chemischen Verbindungen, die als Terpene (als Tetraterpenoid) bezeichnet werden und aus fünf Kohlenstoffvorläufern, Isopentenyldiphosphat und Dimethylallyldiphosphat bestehen. Astaxanthin wird als eine Art von Carotinoidverbindungen mit sauerstoffhaltigen Komponenten, nämlich Hydroxyl (-OH) oder Keton (C=O), wie Zeaxanthin und Canthaxanthin eingestuft. Astaxanthin ist ein Metabolit von Zeaxanthin und/oder Canthaxanthin, der sowohl Hydroxyl- als auch Ketonfunktionsgruppen enthält. Wie viele Carotinoide ist Astaxanthin ein fettlösliches Pigment und zeichnet sich durch seine rote Farbe aus. Carotinoide einschließlich Astaxanthin sind bekannt für ihre antioxidative Kapazität.
Astaxanthin ist ein rotes Pigment und stammt auf natürliche Weise aus den Regenwassermikroalgen (Haematococcus pluvialis) und der Hefe Xanthophyllomyces dendrorhous (auch bekannt als Phaffia rhodozyma). Die Algen unterliegen einem Stress durch eine oder eine Kombination von Bedingungen, die vom Nährstoffmangel, einem erhöhten Salzgehalt und übermäßigem Sonnenschein bis hin zur Bildung von Astaxanthin reichen. Die Arten, die diese gestressten Süßwasser-Mikroalgen konsumieren, wie Lachs, Forelle, Rote Goldbrasse, Flamingo, Krustentiere (z.B. Garnelen, Krill, Krabben, Hummer, Krebse), reflektieren die Pigmentierung der rot-orangen Farbtöne in ihrem Erscheinungsbild.
Als Ergänzung wird Astaxanthin wegen seiner gesundheitsfördernden und krankheitsverursachenden Wirkung verabreicht. Astaxanthin ist ein etabliertes Nutrazeutikum zur Verbesserung der Hautheilung (z.B. zur Reduzierung von Falten, Schäden durch Sonnenbrand etc.).
Darüber hinaus wird Astaxanthin zunehmend zur Behandlung von Alzheimer, Parkinson, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, hohem Cholesterinspiegel, Lebererkrankungen, altersbedingter Makuladegeneration und Krebsprävention eingesetzt.