Ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung zur Intensivierung der Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe

Die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung kombiniert ultraschallinduzierte Kavitation mit schneller, gleichmäßiger ohmscher Erwärmung, um die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Materialien zu intensivieren. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren und Verfahren mit nur einem Wirkprinzip liefert sie mehr sekundäre Pflanzenstoffe in deutlich kürzerer Zeit und reduziert zugleich den Energieverbrauch um bis zu 74%. Dieses Zusammenwirken beschleunigt den Stofftransport, minimiert den Lösungsmitteleinsatz und bietet einen saubereren, nachhaltigeren Extraktionsweg.

Extraktion durch ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung – schonend und dennoch sehr effizient

Die Extraktion durch ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung kombiniert eine gleichmäßige volumetrische Erwärmung mit mechanischer Homogenisierung durch Ultraschall, um sekundäre Pflanzenstoffe unter vergleichsweise schonenden Bedingungen effizient freizusetzen. Während bei der konventionellen ohmschen Erwärmung örtlich begrenzte Wärmekanäle und thermische Belastungen entstehen können, erzeugt der zusätzliche Ultraschall Kavitation und Mikroströmungen und bewirkt das Aufbrechen von Zellwänden. Diese Effekte vereinheitlichen die Leitfähigkeit und verteilen die Wärme gleichmäßiger. Dieses Zusammenwirken ermöglicht eine schnelle Extraktion bei geringerer effektiver thermischer Belastung, wodurch wärmeempfindliche sekundäre Pflanzenstoffe erhalten bleiben und der Gesamtenergiebedarf sinkt. Damit bietet die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung einen schonenden und zugleich leistungsfähigen Ansatz zur saubereren und nachhaltigeren Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektrodenbeschallung auf den elektrischen Strom. Zum Einsatz kommt ein Ultraschallhomogenisator Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) mit einer Erweiterung für elektrochemische Anwendungen und einer Titanelektrode, die zugleich als Sonotrode dient. Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure entstehen gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse.

Schonende Extraktionsbedingungen bei der ultraschallunterstützten ohmschen Erwärmung

In der Praxis liegen die Temperaturen bei der Extraktion aus Lebensmitteln und pflanzlichen Materialien typischerweise zwischen 40 und 70°C. Bei Materialien, die nicht wärmeempfindlich sind, können jedoch Temperaturen über 100°C erreicht werden.

Schonende Erwärmung (40–70 °C): häufig eingesetzt bei empfindlichen pflanzlichen Matrizes oder thermolabilen Verbindungen, wenn die Extraktion beschleunigt werden soll, ohne empfindliche sekundäre Pflanzenstoffe abzubauen.
Moderate bis starke Erwärmung (70–100 °C): üblich bei Prozessen, die auf ein schnelleres Aufbrechen der Zellwände und einen verbesserten Stofftransport abzielen, wobei die Temperaturen bei wässrigen Systemen weiterhin unter dem Siedepunkt bleiben.

Das Problem: Wärmekanäle bei der ohmschen Erwärmung

Die ohmsche Erwärmung beruht auf der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, während Strom durch eine pflanzliche Matrix fließt. Biologische Gewebe sind jedoch von Natur aus heterogen: Zellwände, Lufteinschlüsse und Feuchtigkeitsgradienten verursachen Unterschiede in der lokalen Leitfähigkeit. Da der Strom bevorzugt durch Bereiche mit höherer Leitfähigkeit fließt, bilden sich „Wärmekanäle“. Diese örtlich begrenzten Strompfade führen zu:

Ungleichmäßiger Erwärmung mit überhitzten Streifen neben unzureichend behandelten Bereichen.
Lokalen Überhitzungen, die das Risiko eines thermischen Abbaus empfindlicher sekundärer Pflanzenstoffe bergen.
Verringerter Effizienz, da die Extraktion durch Bereiche begrenzt wird, die weiterhin unzureichend erwärmt sind.

Dieses Problem ist in der Fachliteratur zur ohmschen Erwärmung gut bekannt; Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit begrenzen häufig die Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit.

Die Lösung: Ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung

Wenn Ultraschall mit ohmscher Erwärmung gekoppelt wird, wirken mehrere Ultraschalleffekte der Bildung von Wärmekanälen entgegen:

Kavitation und Mikroströmungen: Ultraschallkavitation erzeugt Scherkräfte und Mikrostrahlen, die fortlaufend Zellstrukturen aufbrechen und Flüssigkeiten durchmischen. Dadurch wird das Medium homogenisiert, und Leitfähigkeitsgradienten, die andernfalls zur Bildung von Wärmekanälen führen würden, werden ausgeglichen.
Verbesserte Elektroporation: Ultraschall schwächt Zellwände und Membranen und erhöht dadurch ihre Durchlässigkeit. Dies verringert lokale Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand und sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Stroms.
Verbesserte Wärmeübertragung: Akustische Strömungen fördern die Durchmischung auf mikroskopischer Ebene, bauen lokale Überhitzungen ab und verteilen die thermische Energie gleichmäßiger.
Synergistischer Zellaufschluss: Die Kombination aus mechanischem Aufbrechen durch Ultraschall und elektrischer Erwärmung durch die ohmsche Behandlung sorgt dafür, dass die Zellen ihre Inhaltsstoffe schneller freisetzen, bevor eine längere Erwärmung zu deren Abbau führen kann.

Die Vorteile der ultraschallunterstützten ohmschen Erwärmung

Anstelle einer unregelmäßigen, auf einzelne Kanäle konzentrierten Erwärmung erzeugt die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung ein stabiles, gleichmäßiges Temperaturprofil in der gesamten pflanzlichen Matrix. Daraus ergeben sich:

Höhere Ausbeuten an intakten sekundären Pflanzenstoffen, z. B. ätherischen Ölen.
Kürzere Extraktionszeiten, da Stofftransportbarrieren gleichmäßiger abgebaut werden.
Ein geringerer Gesamtenergieeintrag, da die Wärme effizienter genutzt wird.

Kurz gesagt wirkt Ultraschall der grundlegenden Schwäche der ohmschen Erwärmung – ihrer Anfälligkeit für eine ungleichmäßige Wärmeverteilung – entgegen und macht sie zu einem wesentlich besser kontrollierbaren, vorhersehbaren und skalierbaren Extraktionsverfahren.

Durch Ultraschall verbesserte ohmsche Erwärmung – was die Forschung zeigt

Kumar et al. (2023) verglichen die konventionelle Hydrodestillation nach Clevenger (CHD), die Hydrodestillation mit ohmscher Erwärmung (OHD), die ultraschallunterstützte Hydrodestillation (UAHD) und die ultraschallunterstützte Hydrodestillation mit ohmscher Erwärmung (UAOHD) hinsichtlich ihrer Wirksamkeit bei der Extraktion ätherischer Öle. Es wurde gezeigt, dass die ultraschallunterstützte Hydrodestillation mit ohmscher Erwärmung (UAOHD) die Effizienz der Extraktion aus pflanzlichen Materialien deutlich verbessert, indem sie die aufschließenden Wirkungen des Ultraschalls mit der schnellen, gleichmäßigen volumetrischen Erwärmung der ohmschen Behandlung verbindet. In Vergleichsversuchen mit indischem Basilikum, Zitronengras und Korianderblättern lieferte die ultraschallunterstützte Destillation mit ohmscher Erwärmung durchgehend höhere Ausbeuten an ätherischen Ölen als die konventionelle Hydrodestillation, die alleinige ohmsche Erwärmung oder die ultraschallunterstützte konventionelle Destillation. Die Extraktionszeiten wurden um bis zu 86% verkürzt, und der Energieverbrauch sank um etwa 74%, trotz einer höheren momentanen Leistungsaufnahme. Diese Verbesserungen beruhen auf synergistischen Mechanismen: Ultraschallinduzierte Kavitation und Mikroturbulenzen brechen die Drüsen auf, die ätherische Öle enthalten, während die ohmsche Erwärmung den Zellaufschluss durch Elektroporation und gleichmäßige innere Erwärmung beschleunigt. Gemeinsam ermöglichen sie einen schnelleren Stofftransport, eine sauberere Verarbeitung ohne Lösungsmittel und eine deutlich geringere Umweltbelastung. Damit stellt die ultraschallunterstützte Hydrodestillation mit ohmscher Erwärmung eine nachhaltige und skalierbare Alternative zur Herstellung ätherischer Öle dar.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektrodenbeschallung auf den elektrischen Strom in einem Elektrolyseaufbau mit H-Zelle. Zum Einsatz kommt ein Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit einer Erweiterung für elektrochemische Anwendungen und einer Titanelektrode, die zugleich als Sonotrode dient. Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure entstehen gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse. Die Ultraschallbehandlung kann die Wasserstoffproduktionsrate in der Elektrolysezelle erheblich steigern.

Ultraschallelektroden zur Verbesserung der ohmschen Erwärmung

Die Ultraschallelektroden von Hielscher bieten bei der ohmschen Erwärmung einen deutlichen Vorteil, da sie zwei sich ergänzende Mechanismen in einem einzigen Aufbau vereinen: die Zufuhr elektrischen Stroms und die Bewegung durch Ultraschall. Während die Elektrode den für die volumetrische Joule-Erwärmung erforderlichen Wechselstrom zuführt, erzeugt ihre gleichzeitige Schwingung bei 20 kHz Kavitation, Mikroströmungen und Scherkräfte, die pflanzliche Zellwände aufbrechen und das Medium homogenisieren. Diese doppelte Wirkung minimiert die Bildung von Wärmekanälen, sorgt für eine gleichmäßigere elektrische Leitfähigkeit und bewirkt dadurch eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Probe. Gleichzeitig beschleunigt der Extraktionseffekt des Ultraschalls den Stofftransport und fördert die Freisetzung intrazellulärer Verbindungen, wodurch Ausbeute und Qualität weiter verbessert werden. Im kommerziellen Einsatz bietet das Elektrodensystem UIP2000hdT von Hielscher (2000 W pro Elektrode) die für eine kontinuierliche industrielle Produktion erforderliche Robustheit, während kleinere Systeme wie der UP100H (100 W) und der VialTweeter als flexible Werkzeuge für Forschung und Prozessoptimierung im Labormaßstab dienen.
Erfahren Sie mehr über die Anwendungen der Ultraschallelektroden von Hielscher zur Intensivierung der ohmschen Erwärmung in der Lebensmittelindustrie!

Warum Hielscher Ultrasonics?

hohe Effizienz
modernste Technologie
Zuverlässigkeit und Robustheit
einstellbare, präzise Prozesssteuerung
Chargen- und Inline-Betrieb
für jedes Volumen
intelligente Software
intelligente Funktionen (z. B. Programmierbarkeit, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
einfach und sicher zu bedienen
wartungsarm
CIP (Reinigung ohne Demontage)

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte beziehungsweise Ultraschallelektroden zur ohmschen Erwärmung:

Chargenvolumen	Volumenstrom	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Designstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Auch unter rauen Bedingungen und in anspruchsvollen Umgebungen lassen sich die Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos einsetzen.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Referenzen

Kumar, R., Chopra, S., Choudhary, A.K. et al. (2023): Cleaner production of essential oils from Indian basil, lemongrass and coriander leaves using ultrasonic and ohmic heating pre-treatment systems. Scientific Reports 13, 4434 (2023).
Kutlu, N., Isci, A., Sakiyan, O., & Yilmaz, A. E. (2021): Effect of ohmic heating on ultrasound extraction of phenolic compounds from cornelian cherry (Cornus mas). Journal of Food Processing and Preservation, 45, e15818.

Häufig gestellte Fragen

Sind ohmsche Erwärmung und Joule-Erwärmung dasselbe?

Nicht ganz. Die Joule-Erwärmung ist das zugrunde liegende physikalische Phänomen: Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, wird elektrische Energie aufgrund des Materialwiderstands als Wärme dissipiert. Die ohmsche Erwärmung ist dagegen die technische Anwendung dieses Phänomens. Bei der ohmschen Erwärmung wird gezielt Wechselstrom durch ein Lebensmittel oder ein pflanzliches beziehungsweise biologisches Material geleitet, das als Widerstandsmedium wirkt, sodass innerhalb der Probe gleichmäßig Wärme entsteht.
Kurz gesagt beruht jede ohmsche Erwärmung auf der Joule-Erwärmung, aber nicht jede Joule-Erwärmung ist eine ohmsche Erwärmung. Die Joule-Erwärmung ist das Prinzip; die ohmsche Erwärmung ist das darauf aufbauende Verfahren.

Aus welchen Komponenten besteht ein System zur ohmschen Erwärmung?

Ein System zur ohmschen Erwärmung besteht typischerweise aus einer Stromversorgung, die Wechselstrom liefert, einer Behandlungskammer, die die Probe aufnimmt, und Elektroden an gegenüberliegenden Enden der Kammer, die den Stromfluss durch das Material ermöglichen. Ergänzt wird das System durch Sensoren zur Überwachung von Spannung, Stromstärke und Temperatur sowie durch Steuereinheiten zur Regelung der elektrischen Energiezufuhr und zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Erwärmung.

Was ist Joule-Erwärmung?

Joule-Erwärmung, auch Widerstandserwärmung genannt, bezeichnet die Erzeugung thermischer Energie beim Durchgang eines elektrischen Stroms durch ein leitfähiges Material. Die erzeugte Wärme ist dabei proportional zum Widerstand des Materials und zum Quadrat der Stromstärke.

Was ist der Unterschied zwischen ohmscher Erwärmung und Joule-Erwärmung?

Die ohmsche Erwärmung ist eine spezifische Anwendung der Joule-Erwärmung, bei der Wechselstrom direkt durch eine Lebensmittelmatrix oder eine biologische Matrix geleitet wird. Unter Nutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Materials entsteht dadurch eine gleichmäßige volumetrische Erwärmung. „Joule-Erwärmung“ bezeichnet hingegen das allgemeine physikalische Phänomen, während „ohmsche Erwärmung“ die darauf beruhende technische Verfahrenstechnologie bezeichnet.

Wo wird die ohmsche Erwärmung eingesetzt?

Die ohmsche Erwärmung wird in der Lebensmittelverarbeitung, bei der Extraktion aus pflanzlichen Materialien, der Pasteurisierung, der Sterilisierung und der Enzyminaktivierung eingesetzt. Auch in der Materialwissenschaft findet sie Anwendung bei Prozessen, die eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung ohne äußere Wärmeübertragungsbarrieren erfordern.

Was ist ein ohmsches Plasma?

Ein ohmsches Plasma bezeichnet einen Plasmazustand, in dem der hindurchfließende elektrische Strom Energie durch den elektrischen Widerstand dissipiert, wodurch die Plasmateilchen durch den Joule-Effekt erwärmt werden. Dieses Prinzip ist für den Plasmaeinschluss und die Fusionsforschung wichtig.

Welche Vorteile bietet die ohmsche Erwärmung in der Lebensmittelindustrie?

In der Lebensmittelindustrie bietet die ohmsche Erwärmung erhebliche Vorteile, darunter eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung, verringerte Temperaturgradienten, kürzere Verarbeitungszeiten, eine bessere Erhaltung von Nährstoffen und sensorischen Eigenschaften sowie eine höhere Energieeffizienz. Damit ist sie eine vielversprechende thermische „Clean-Label“-Technologie.