Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Extraktion von Astaxanthin 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 wird als Nahrungsergänzungsmittel sowohl Menschen als auch Tieren verabreicht, da es zahlreiche gesundheitsfördernde Effekte mit sich bringt. Astaxanthin wird aus Meeresfrüchten oder aus der Alge H. pluvialis gewonnen. Haematococcus pluvialis ist eine grüne Mikroalge, die unter Stressbedingungen, wie z.B. hohem Salzgehalt, Stickstoffmangel, hohen Temperaturen und viel 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 aufgeschlossen werden. Die Ultraschalltechnik hat sich für den Zellaufschluss, die Lyse und die Isolierung von bioaktiven Verbindungen sowie von Lipiden, Antioxidantien, Polyphenolen und natürlichen Pigmenten etabliert. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt rein mechanische Kräfte, welche 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 intensiviert 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 die Ultraschall-Extraktion basierend auf der Verwendung von 3M Milchsäure bei einer Disruptionszeit von 15 min erreicht. Leistungsstarke Ultraschallprozessoren wie der UIP4000hdT (4kW, s. Bild links) in Kombination mit einem druckbeaufschlagbaren Durchflussreaktor ermöglichen die Erzeugung von sehr intensiver Kavitation. Kavitationsscherkräfte schießen die Hefezellwände auf und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel.

Vorteile der Astaxanthin-Extraktion mit Ultraschall

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

Ultraschall-gestützte Astaxanthin-Extraktion – im Batch oder im kontinuierlichen Durchfluss

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 im Inline-Verfahren betrieben werden. Im Inline- bzw. Durchflussverfahren wird Medium kontinuierlich durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor geführt.
Die Beschallung im Batch ist ein einfaches Verfahren, bei dem die Extraktion chargenweise durchgeführt wird. Hielscher Ultrasonics bietet Ultraschallprozessoren für die Verarbeitung kleiner bis großer Chargen im Batch, d.h. 1L bis 120L.
Für die Verarbeitung von Lotgrößen 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 Slurry intensiv beschallt wird.
Für ein Volumen von ca. 8L/min. empfehlen wir den UIP4000hdT mit Sonotrode RS4d40L3 und druckbeaufschlagbarer Durchflusszelle FC130L4-3G0

Ultraschallextraktion mit 2kW-System UIP2000hdT

UIP2000hdT (2kW) für die Extraktion im Großmaßstab

Informationen anfordern




Beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.


Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die Extraktion

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die Produktion hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen spezialisiert.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht vom kleinen, leistungsstarken Labor-Ultraschall bis hin zu robusten Benchtop- und Industrieystemen, welche hochintensiven Ultraschall für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Komponenten (z.B. Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene etc.) erzeugen. Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernsteuerung 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 sowie 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, das volle Spektrum von niedrigen bis zu sehr hohen Amplituden zu liefern. Für die Extraktion von chemischen Verbindungen wie Astaxanthin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch Ultraschallstab, -finger oder -horn genannt) an, die für die sensible Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Hielscher hat speziellen Sonotroden für hohe Amplituden in Kombination mit druckbeaufschlagten Durchflusszellen entwickelt, welche extrem intensive Kaviatation und Scherkräfte erzeugen. Diese hochintensiven Ultarschallkräfte zerstören selbst sehr robuste Hefezellen. Die Robustheit der Hielscher Ultraschallgeräte 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 im industriellen Maßstab sind für hohe Produktionskapazitäten hochwertiger Extrakte bei gleichzeitiger Reduzierung von Arbeitsaufwand, Kosten und Energie ausgelegt.

Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!

Fordern Sie weitere Informationen an!

Bitte nutzen Sie das Formular, um weitere Informationen über unsere Ultraschallgeräte und -prozesse anzufordern. Gerne bieten wir Ihnen ein passendes Ultraschallsystem für Ihre Anwendung an.









Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.


Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- und Technikumsmaßstab bis zur industriellen Produktion.

Literatur

  • Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
  • Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 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. Kavitation ist das Phänomen der Erzeugung, des Wachstums und des eventuellen Kollapses von Vakuumblasen in einer Flüssigkeit (siehe Bild unten). Während der Ausbreitung der Ultraschallwellen schwingen und wachsen die Vakuumblasen, bis sie einen Punkt erreichen, an dem sie keine weitere Energie mehr absorbieren können. Sobald eine Vakuumblase ihre maximale Größe erreicht hat, implodiert 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 schließen die Zellwände auf und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und den lösungsmittelfreien bioaktiven Verbindungen in die umgebende Flüssigkeit (d.h. Lösungsmittel).

Die ultraschall-erzeugte / akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, welche Zellen aufschließt und Zellwände aufbricht (sog. Lyse). (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 intensiviert die Extraktionsprozesse erheblich. Neben der Prozessintensivierung – welche zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt – wird eine thermischer Abbau und Verlust temperaturempfindlicher Bestandteile verhindert, da die Ultraschallbehandlung eine nicht-thermische Behandlungsmethode ist. Darüber hinaus sind mit der Ultraschallextraktion niedrige Investitions- und Betriebskosten verbunden. Außerdem reduziert Ultraschall den Einsatz von Lösungsmitteln und/oder ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicherer Lösungsmittel, was die Ultraschallextraktion zu einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Extraktionstechnik macht. Die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) wurde schnell in der Pharma- und Lebensmittelindustrie implementiert, 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)[Quelle: 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 als bei vielen anderen Carotinoiden wie z.B. Beta-Carotin, Lutein und Zeaxanthin sowie hundertmal stärker als Alpha-Tocopherol (Vitamin E) ist.
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 auch Zeaxanthin und Canthaxanthin - eingestuft. Astaxanthin ist ein Metabolit von Zeaxanthin und/oder Canthaxanthin, das sowohl Hydroxyl- als auch Ketonfunktionsgruppen enthält. Wie viele Carotinoide ist Astaxanthin ein fettlösliches Pigment und zeichnet sich durch seine rote Farbe aus. Carotinoide wie Astaxanthin sind für ihre antioxidative Kapazität bekannt.
Astaxanthin ist ein rotes Pigment und ist in der Natur in den Regenwassermikroalgen (Haematococcus pluvialis) und der Hefe Xanthophyllomyces dendrorhous (auch bekannt als Phaffia rhodozyma) zu finden. Werden die Algen Stress ausgestzt, z.B. durch Nährstoffmangel, erhöhtem Salzgehalt oder übermäßigem Sonnenschein bilden sie vermehrt Astaxanthin. Andere 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.
Aufgrund seiner gesundheitsfördernden und krankheitsbekämpfenden Effekte wird Astaxanthin als Nahrungsergänzungsmittel und Medikament verwendet. Astaxanthin ist ein weitverbeitetes 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.