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?

Extraktion mittels Ultraschall wird erzielt, wenn leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Slurry eingekoppelt werden, welche z.B. aus pflanzlichem Material in einem Lösungsmittel besteht. Hochenergetische Ultraschallwellen werden von einem Ultraschallprozessor über eine Sonotrode (Ultraschallstab) in die Slurry eingekoppelt. Hochenergetische Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen, welche das Phänomen der akustischen Kavitation hervorrufen. Akustische oder Ultraschall-Kavitation führt lokal zu extremen Temperatur- und Druckschwankungen und erzeugt hohe Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Gewebe usw.) implodieren, erzeugen die Flüssigkeitsstrahlen und interpartiklulare Kollisionen Effekte wie Oberflächenabtrag, Erosion, die Zerschlagung von Partikeln, Sonoporation (die Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) sowie Zellaufschluss. Zusätzlich erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikrovermischung. Die Beschallung mittels Ultraschall ist eine effiziente Methode, welche den Stoffaustausch verbessert, da Ultraschall-Kavitation und die damit verbundenen Mechanismen wie Mikroturbulenzen, Kompression und Dekompression etc. zum Zellaufschluss führen.
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 Ultraschallsysteme: