Das Funktionsprinzip der Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschallextraktion ist die bevorzugte Technik zur Isolierung bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Stoffen. Durch Beschallung wird eine vollständige Extraktion erreicht, so dass in einer sehr kurzen Extraktionszeit überlegene Extraktausbeuten erzielt werden. Als solch effiziente Extraktionsmethode ist die Ultraschall-Extraktion kosten- und zeitsparend und führt gleichzeitig zu qualitativ hochwertigen Extrakten, welche für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel verwendet werden.

Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschall-Extraktion wird in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt, um bioaktive Verbindungen wie Vitamine, Polyphenole, Polysaccharide, Cannabinoide und andere Phytochemikalien aus Pflanzen freizusetzen. Die ultraschall-gestützte Extraktion basiert auf dem Prinzip der akustischen bzw. ultraschall-induzierten Kavitation.

Auf welchem Wirkprinzip basiert akustische Kavitation?

Bei der Ultraschallextraktion werden Ultraschallwellen mit hoher Leistung und niedriger Frequenz in eine Aufschlämmung aus pflanzlichem Material in einem Lösungsmittel eingekoppelt. Hochleistungs-Ultraschallwellen werden über einen sondenartigen Ultraschallprozessor in die Aufschlämmung eingekoppelt. Die hochenergetischen 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 Temperaturen, Drücken, Heiz-/Kühlraten, Druckunterschieden und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, führen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen den Partikeln zu Effekten wie Oberflächenablösung, Erosion, Partikelzerfall, Sonoporation (Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellauflösung. Außerdem führt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien zu Makroturbulenzen und Mikrovermischung. Die Beschallung mit Ultraschall ist ein effizientes Mittel zur Verbesserung von Stoffübertragungsprozessen, da die Beschallung zu Kavitation und den damit verbundenen Mechanismen wie Mikrobewegung durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließender Zersetzung der Zellwände sowie zu hohen Heiz- und Kühlraten führt.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode können sehr hohe Amplituden erzeugen, die notwendig ist, um intensive Kavitation zu erzeugen. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallprozessoren her, die problemlos Amplituden von 200µm im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezielle hochamplitudige Sonotroden (Ultraschallstäbe) 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 basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Effekte der Ultraschall-Extraktion

Zellaufschluss und verbesserter Stoffaustausch mittels Ultraschall
Ultraschall kann Extraktionsprozesse sowohl durch Zellaufschluss als auch durch Verbesserung des Stoffaustausches der Festsstoffe aus der Zellmatrix in das Lösungsmittel verbessern.
Die Sonoporation, die Perforation von Zellwänden und Membranen mittels Ultraschall, erhöht die Durchlässigkeit der Zellwände und Membranen und ist meist ein Zwischenschritt, bevor die Zellen durch Beschallung vollständig zerstört werden.
Die mechanischen Effekte der ultraschall-induzierten Kavitation, wie Wärme- und Druckunterschiede, Schockwellen, Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen und Mikroströmungen, verstärken das Eindringen des Lösungsmittels in das Zellinnere und verbessern den Stoffaustausch zwischen Zelle und Lösungsmittel, so dass die interzellulären Materialien in das Lösungsmittel überführt werden.

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

Ultraschall-Extraktionssysteme

Hielscher Ultraschallprozessoren sind Hochleistungs-Extraktionssysteme, die zuverlässig produzieren und einfach und sicher zu bedienen sind. Abhängig von Ihrem Rohmaterial, Ihren Prozessleistungen und Ihrem Leistungsziel bietet Ihnen Hielscher das geeigneteste Ultraschallgerät an. Unser Produktportfolio reicht von kompakten, leistungsstarken Handultraschallgeräten über Technikumssystem bis hin zu vollindustriellen Ultraschallgeräten, die mehrere Tonnen pro Stunde verarbeiten können.
Hielscher Ultraschall-Extraktoren können sowohl für Batch- als auch für die kontinuierliche Inline-Extraktion eingesetzt werden und sind mit jedem beliebigen Lösungsmittel kompatibel.
Verschiedenes Zubehör wie Sonotroden (Sonden) in verschiedenen Größen und Formen, Booster-Hörner, Durchflusszellen mit verschiedenen Volumina und Geometrien, ansteckbare Temperatur- und Drucksensoren und viele andere Accessoires stehen zur Verfügung, um das ideale Ultraschall-Setup für Ihren Extraktionsprozess zusammenzustellen.
Alle unsere digitalen Modelle sind mit intelligenter Software ausgestattet, mit der Sie die Extraktionsparameter einstellen, überwachen und regulieren können. Dank der präzisen Steuerung von Amplitude, Beschallungszeit und Puls-Modus können optimale Prozessergebnisse wie überlegene Ausbeute und höchste Extraktqualität erzielt werden. Die automatische Datenaufzeichnung der Beschallungsprozesse bildet die Grundlage für die Prozessstandardisierung und Reproduzierbarkeit / Wiederholbarkeit, welche für Good Manufacturing Practices (GMP) erforderlich sind.

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: