Ultraschallextraktion und ihr Funktionsprinzip

Die Ultraschallextraktion ist das bevorzugte Verfahren zur Isolierung bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenmaterial. Durch die Beschallung wird eine vollständige Extraktion erreicht, wodurch sich in sehr kurzer Extraktionszeit besonders hohe Extraktionsausbeuten erzielen lassen. Als besonders effizientes Extraktionsverfahren spart die Ultraschallextraktion Kosten und Zeit und liefert zugleich hochwertige Extrakte, die für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel verwendet werden.

Ultraschallextraktion

Die Ultraschallextraktion wird in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt, um bioaktive Verbindungen wie Vitamine, Polyphenole, Polysaccharide, Cannabinoide und andere sekundäre Pflanzenstoffe aus Pflanzenmaterial freizusetzen. Die ultraschallgestützte Extraktion beruht auf dem Funktionsprinzip der akustischen Kavitation, auch Ultraschallkavitation genannt.

Wie funktioniert akustische Kavitation?

Die Ultraschallextraktion erfolgt, wenn leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Suspension aus Pflanzenmaterial in einem Lösungsmittel eingekoppelt werden. Die leistungsstarken Ultraschallwellen werden über einen Ultraschallprozessor mit Sonotrode in die Suspension eingekoppelt. Energiereiche Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die zum Phänomen der akustischen Kavitation führen. Akustische Kavitation beziehungsweise Ultraschallkavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Aufheiz- und Abkühlraten, Druckunterschieden sowie hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Feststoffen wie Partikeln, Pflanzenzellen oder Geweben implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen Partikeln Effekte wie das Ablösen von Oberflächenschichten, Erosion, Partikelzerkleinerung, Sonoporation (die Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellaufschluss. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikrovermischung. Die Ultraschallbehandlung ist eine effiziente Möglichkeit, Stofftransportprozesse zu verstärken, da die Beschallung Kavitation und die damit verbundenen Mechanismen hervorruft: Mikrobewegungen durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließendem Aufbrechen der Zellwände sowie hohe Aufheiz- und Abkühlraten.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode können sehr hohe Amplituden erzeugen, die für eine wirksame Kavitation erforderlich sind. Hielscher Ultrasonic stellt Hochleistungs-Ultraschallextraktoren her, die problemlos Amplituden von 200µm im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezielle Sonotroden für hohe Amplituden an.
Druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen werden eingesetzt, um die Kavitation zu intensivieren. Mit steigendem Druck wirken Kavitation und kavitationsbedingte Scherkräfte stärker zerstörend und verbessern dadurch die Wirkung der Ultraschallextraktion.

Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischer Kavitation und den damit verbundenen hydrodynamischen Scherkräften

Wirkungen der Ultraschallextraktion

Zellaufschluss durch Ultraschall und Verstärkung des Stofftransports
Ultraschall kann Extraktionsprozesse sowohl durch Zellaufschluss als auch durch eine Verstärkung des Stofftransports in der Grenzschicht um die feste Matrix unterstützen.
Die Sonoporation, also die Perforation von Zellwänden und Membranen, erhöht deren Durchlässigkeit und ist häufig ein Zwischenschritt, bevor Zellen durch Beschallung vollständig aufgeschlossen werden.
Die mechanischen Effekte der ultraschallinduzierten Kavitation, wie Temperatur- und Druckunterschiede, Stoßwellen, Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen und Mikroströmungen, verstärken das Eindringen des Lösungsmittels in das Zellinnere und verbessern den Stofftransport zwischen Zelle und Lösungsmittel, sodass die interzellulären Stoffe in das Lösungsmittel überführt werden.

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

Geräte zur Ultraschallextraktion

Die Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind Hochleistungs-Extraktionssysteme, die einfach und sicher zu bedienen sind. Abgestimmt auf Ihren Rohstoff, Ihre Verarbeitungskapazitäten und Ihre angestrebte Produktionsmenge bietet Ihnen Hielscher das am besten geeignete Ultraschallgerät. Unser Produktportfolio reicht von kompakten, leistungsstarken Ultraschallhandgeräten über Tischsysteme bis hin zu Ultraschallanlagen für den industriellen Einsatz, die mehrere Tonnen pro Stunde verarbeiten können.
Die Extraktoren von Hielscher Ultrasonics lassen sich sowohl zur chargenweisen als auch zur kontinuierlichen Inline-Extraktion einsetzen und können mit jedem Lösungsmittel kombiniert werden.
Vielfältiges Zubehör wie Sonotroden in verschiedenen Größen und Formen, Boosterhörner, Durchflusszellen mit unterschiedlichen Volumina und Geometrien, anschließbare Temperatur- und Drucksensoren sowie zahlreiche weitere Zubehörteile stehen zur Verfügung, um die ideale Ultraschallkonfiguration für Ihren Extraktionsprozess zusammenzustellen.
Alle unsere digitalen Modelle sind mit intelligenter Software ausgestattet, mit der Sie Extraktionsparameter anpassen, überwachen und festlegen können. Durch die präzise Steuerung von Amplitude, Beschallungsdauer und relativer Einschaltdauer lassen sich optimale Prozessergebnisse wie besonders hohe Ausbeuten und höchste Extraktqualität erzielen. Die automatische Aufzeichnung der Beschallungsdaten bildet die Grundlage für die Prozessstandardisierung sowie die Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit, die für die Gute Herstellungspraxis (GMP) erforderlich sind.

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erreichen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: