Ultraschall-gestützte Tabak-Extraktion

Die konventionelle Tabakextraktion ist ein langsamer, zeitaufwendiger Prozess, bei dem giftige Lösungsmittel bei hohen Temperaturen verwendet werden, wodurch der Prozess gefährlich ist.

Die ultraschallunterstützte Extraktion von Alkaloiden aus Tabak kann mit Wasser oder milden Lösungsmitteln in einem schnellen Prozess von wenigen Minuten durchgeführt werden. Ultraschall extrahierte Alkaloide wie Nikotin aus Tabak werden in einem schnellen und hocheffizienten Verfahren freigesetzt, welches hohe Ausbeuten eines Vollspektrum-Extrakts (mit Nikotin, Nornikotin, Chlorogensäure (5-Kaffeylchinigsäure), Rutin, Kaffeesäure und Scopoletin, Solansol usw.) erzielt.

Ultraschall-Extraktion von Tabak

Die ultraschallunterstützte Extraktion (eng. ultrasonically assisted extraction = UAE) ist eine schnelle, effektive und bequeme Extraktionsmethode, die auf der Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall basiert. Intensive Ultraschallwellen erzeugen eine extrem schnelle Mikrobewegunge sowie akustische Kavitation in flüssig/fest-Systemen (z.B. pflanzliches Material in Lösungsmittel; Tabakblätter in Ethanol), was zu einem erhöhten Stoffaustausch sowie einem beschleunigten Extraktionsprozess führt. Im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Extraktionstechniken wie der überkritischen Flüssigkeitsextraktion und der Ionenpaar-Extraktion ist die ultraschall-gestützte Extraktion deutlich ökonomischer, umweltfreundlicher, sicherer und einfacher zu bedienen. Daher ist die Ultraschallextraktion die bevorzugte Extraktionstechnik, um bioaktive Verbindungen aus Pflanzenstoffen zu gewinnnen.
Mit der Ultraschallextraktion wird ein Vollspektrumextrakt produziert, welches Nikotin, das mit 94-98% des Gesamtalkaloidgehalts das Hauptalkaloid des Tabaks ist, sowie die Alkaloide Nornikotin, Anabasin, Anatabin, Cotininin und Myosmin enthält.

Die Ultraschall-Extraktion ist für die Herstellung von Pflanzenextrakten wie CBD aus Cannabis und Hanf weit verbreitet. Die Ultraschallextraktion ist eine sehr effiziente und schnelle Methode zur Isolierung von Pflanzenstoffen.

Ultraschall-Extraktion von Pflanzenstoffen, z.B. CBD und THC aus Cannabis

Die SonoStation von Hielscher Ultrasonics ist eine einfach zu bedienende Ultraschallanlage für den Produktionsmaßstab. (Zum Vergrößern anklicken!)

SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallprozessoren, gerührtem Tank und Pumpe – ist ein benutzerfreundliches System zur Extraktion.

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Vollspektrum-Tabak-Extrakte mittels Ultraschall

Alkaloide wie Nikotin und Nornikotin, Chlorogensäure, Phenole, Solanesol und andere bioaktive Verbindungen können durch Ultraschallextraktion schnell, effizient und sicher isoliert werden. Bei der konventionellen Tabakextraktion werden giftige Lösungsmittel wie Heptan bei hohen Temperaturen verwendet, was den Extraktionsprozess zu einem gefährlichen Verfahren macht. Der gesamte konventionelle Extraktionsprozess dauert ca. 24 Stunden und ist damit sehr zeitaufwendig.
Die Ultraschallextraktion kann als Kaltwasserextraktion oder mit milden Lösungsmitteln wie Ethanol oder einem Ethanol-Wasser-Gemisch bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Die Ultraschallbehandlung dauert einige Minuten, was die Extraktion zu einem schnellen Verfahren macht. Darüber hinaus ist der Prozess mit Wasser oder milden Lösungsmitteln absolut sicher und bedienerfreundlich.

Die beschallten Tabakblätter werden von den extrahierten Verbindungen im Lösungsmittel getrennt.

Die mit Ultraschall hergestellten Vollspektrum-Extrakte enthalten das primäre Alkaloid Nikotin sowie die sekundären oder Nebenalkaloide wie Anabasin oder 3-(2-Piperidinyl)pyridin, Anatabin oder 3-(2-1,2,3,6-Tetrahydropyridyl)pyridin, Cotinin oder 1-Methyl-5-(3-Pyridyl)-2-pyrrolidinon), 2,3'-Dipyridyl oder Isonicotein, N-Formylnornicotin oder 2-(3-Pyridyl)pyrrolidincarbaldehyd, Myosmin oder 3-(1-Pyrrolin-2-yl)pyridin, Nornicotin oder 3-(Pyrrolidin-2-yl)pyridin und beta-Nicotyrin oder 3-(1-Methylpyrrol-2-yl)pyridin.

Der Gehalt an diesen Alkaloiden variiert je nach Tabakart und Tabakprodukt. Während Nikotin mit 94-98% des Gesamtalkaloidgehalts das primäre Alkaloid ist, sind Nornicotin und Anatabin die beiden häufigsten sekundären Alkaloide, die jeweils ca. 2% bis 6% des Gesamtalkaloidgehalts von Tabak ausmachen.

Vorteile der Ultraschall-Tabakextraktion:

  • höhere Ausbeute
  • hohe Qualität
  • schnelle Extraktion
  • Mildes, nicht-thermisches Verfahren
  • Wasser oder Lösungsmittel
  • Einfach & sicherer Betrieb
Ultraschall-Tabakextraktion mit dem Ultraschallgerät UP400St (400W) und der Sonotrode S24d20L2 für höhere Nikotinausbeuten in kürzerer Verarbeitungszeit. Die Ultraschall-Tabakextraktion kann mit milden Lösungsmitteln betrieben werden und ist damit ein grünes, umweltfreundliches Verfahren.

Ultraschallextraktor UP400ST für die Extraktion von Nikotin aus Tabakblättern

Wählen Sie das ideale Lösungsmittel

Bei der Ultraschallextraktion können Sie aus verschiedenen Lösungsmitteln wählen, darunter Wasser, Alkohol, Ethanol, Methanol, Ethanol-Wasser-Gemische oder starke Lösungsmittel wie Heptan oder Hexan. Alle genannten Lösungsmittel wurden bereits erfolgreich getestet und haben sich als effektiv für die Isolierung von bioaktiven Verbindungen wie Alkaloiden, Terpenoiden, Phenolen und Solanesol aus Tabakpflanzenmaterialien erwiesen. Die Beschallung kann für die lösungsmittelfreien Kaltwasserextraktion (z.B. zur Herstellung bio-zertifizierter Extrakte) eingesetzt oder aber mit jedem anderen Lösungsmittel Ihrer Wahl kombiniert werden.
Erfahren Sie mehr über Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion von Pflanzenstoffen!

Hielscher ultrasonicator UP400St with sonotrode S24d22L2 for extraction of nicotine and harmala from tobacco leaves.

Ultraschall-Prozessor UP400St (400 Watt) zur Extraktion von Alkaloiden wie Nikotin und Harmala aus Tabakblättern.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Ultraschallprozessor UIP4000hdT (4kW) zur Extraktion von Pektinen in einem industriellen Inline-Prozess.Hielscher Ultraschallgeräte sind ein gängiges Extraktionswerkzeug für die Isolierung bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenstoffen. Hielscher liefert Ultraschallextraktoren für alle Prozessvolumina und ist dadurch in der Lage, Ihnen das am besten geeignete Ultraschallsystem für Ihre Bedürfnisse zu empfehlen. Angefangen bei kompakten, aber leistungsstarken Laborsysteme für Analysen und Machbarkeitsuntersuchungen bietet Hielscher die gesamte Palette von Labor- und Technikums-Ultraschallgeräten bis hin zu vollindustriellen Ultraschall -Reaktoren. Mit dem umfassenden Portfolio an Ultraschallprozessoren bietet Hielscher die ideale Ausstattung für Ihren Extraktionsprozess. Je nach Prozessvolumen und -ziel kann die Ultraschallextraktion im Batch- oder kontinuierlichen Durchflussmodus durchgeführt werden. Vielfältiges Zubehör wie Sonotroden, Boosterhörner, Durchflusszellen und Reaktoren ermöglichen es, den Ultraschallprozessor so auszustatten, dass er für die Prozessziele ideal aufgebaut ist.
Hielscher Ultraschallprozessoren lassen sich präzise steuern und die Prozessdaten werden automatisch auf der integrierten SD-Karte unserer digitalen Ultraschallsysteme aufgezeichnet. Die zuverlässige Kontrolle über die Prozessparameter sichert eine gleichbleibend hohe Produktqualität. Die automatische Datenaufzeichnung der Prozessparameter ermöglicht eine einfache Prozessstandardisierung und die Erfüllung der Good Manufacturing Practices (GMP).
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die einfache und sichere Bedienung sowie die geringe Wartung machen Hielscher Ultraschallsysteme zum zuverlässigen Arbeitstier in Ihrer Produktion.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml n.a. VialTweeter
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

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

Der industrielle Ultraschallgerät UIP2000hdT auf einem Sonderstand

UIP2000hdT, ein 2kW starkes Hochleistungs-Ultraschallgerät



Wissenswertes

Weshalb ist die Ultraschallextraktion so effektiv?

Die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) basiert auf der Einkopplung hochintensiver Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Slurry. Die akustischen Wellen erzeugen abwechselnde Hoch-/Niederdruckzyklen, die zum Phänomen der akustischen Kavitation führen. Das Phänomen der Ultraschall- oder akustischen Kavitation ist durch extreme, lokal begrenzte Bedingungen mit sehr hohen Drücken, Temperaturen und Scherkräften gekennzeichnet. In der Nähe der implodierenden Kavitationsblasen können Temperaturen von bis zu 5000K, Drücke von 1000 Atmosphären, Heiz-Kühl-Raten über 1010 K/s und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280m/s Geschwindigkeit gemessen werden, welche sehr hohe Scherkräfte und Turbulenzen in der Kavitationszone erzeugen. Die Kombination dieser Faktoren (Druck, Wärme, Scherung und Turbulenz) führt zu einem Aufbrechen der Zellen (Lyse) und zu einem verstärkten Stoffaustausch während des Extraktionsprozesses. Dadurch wird die Flüssig-Fest-Extraktion von Phytokonstituenten aus Pflanzenzellen gefördert. Die Ultraschallextraktionstechnik wird häufig für die erfolgreiche und effiziente Extraktion von Flavonoiden, Polysacchariden, Alkaloiden, Phytosterolen, Polyphenolen und Pigmenten aus Pflanzen eingesetzt.

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].

Tabak

Als Tabakpflanzen werden verschiedene Pflanzen der Gattung Nicotiana und der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceae) bezeichnet. Neben der allgemein verwendeten Bezeichnung für die Pflanze beschreibt Tabak auch die Produkte, die aus den getrockneten Blättern der Tabakpflanze hergestellt werden. Während Nicotiana tabacum die Hauptpflanze ist, welche für die Tabak- und Nikotinproduktion verwendet wird, gibt es über 70 Tabak-Pflanzenarten. N. tabacum ist die vorherrschende Art, die für Tabakprodukte verwendet wird, jedoch ist die potentere Variante N. rustica auf der ganzen Welt zu finden.
Tabak enthält das stimulierende Alkaloid Nikotin sowie die Harmala-Alkaloide. Getrocknete und getrocknete Tabakblätter werden hauptsächlich zum Rauchen in Zigaretten, Zigarren, Pfeifen, Shishas sowie E-Zigaretten, E-Zigarren, E-Pfeifen und Vaporizern verwendet. Alternativ können sie auch als Schnupftabak, Kautabak, Dipptabak und Snus konsumiert werden.

Die Tabakpflanzenfamilie enthält verschiedene (Unter-)Arten, die unterschiedliche Alkaloid- und Geschmacksprofile aufweisen.
Orienttabak (Nicotiana tabacum L.) ist eine Tabakart, die hauptsächlich in der Türkei, Griechenland und angrenzenden Gebieten angebaut wird und für die kommerzielle Produktion von Zigaretten, Zigarren und Kautabak verwendet wird. Er hat einen starken charakteristischen Geschmack, ist relativ nikotinarm und reich an reduzierenden Zuckern, Säuren und flüchtigen Aromaölen, die den Tabakprodukten ein intensives Aroma verleihen.

Es sind 67 natürlich vorkommende Tabakarten bekannt. Nachfolgend sind die häufigsten Arten aufgeführt:

  • Nicotiana acuminata (Graham) Hook. - Vielblütentabak
  • Nicotiana africana Merxm.
  • Nicotiana alata Link & Otto - geflügelter Tabak, Jasmin-Tabak, Tanbaku (persisch)
  • Nicotiana attenuata Torrey ex S. Watson - Kojoten-Tabak
  • Nicotiana benthamiana Domin
  • Nicotiana clevelandii A. Gray
  • Nicotiana glauca Graham - Baumtabak, Brasilianischer Baumtabak, Strauchtabak, Senfbaum
  • Nicotiana glutinosa L.
  • Nicotiana langsdorffii Weinm.
  • Nicotiana longiflora Cav.
  • Nicotiana occidentalis H.-M. Wheeler
  • Nicotiana obtusifolia M. Martens & Galeotti - Wüstentabak, „Tabaquillo“
  • Nicotiana otophora Griseb.
  • Nicotiana plumbaginifolia Viv.
  • Nicotiana quadrivalvis Pursh
  • Nicotiana rustica L. - Aztekentabak, Mapacho
  • Nicotiana suaveolens Lehm. - Australischer Tabak
  • Nicotiana sylvestris Speg. & Comes - Südamerikanischer Tabak, Waldtabak
  • Nicotiana tabacum L. - kommerzieller Tabak, der für die Herstellung von Zigaretten, Zigarren, Kautabak usw. angebaut wird.
  • Nicotiana tomentosiformis Goodsp.

Die drei folgenden Arten sind künstlich erzeugte Hybride:

  • Nicotiana × didepta N. debneyi × N. tabacum
  • Nicotiana × digluta N. glutinosa × N. tabacum
  • Nicotiana × sanderae Hort. ex Wats. N. alata × N. forgetiana

Tabakarten
Der Trocknungs- und anschließende Alterungsprozess von Tabakblättern führt zu einer langsamen Oxidation und zum Abbau der vorhandenen Carotinoide im Tabakblatt. Durch die Oxidation werden bestimmte Verbindungen in den Tabakblättern synthetisiert, die zu süßen Heu-, Tee-, Rosenöl- oder fruchtig-aromatischen Geschmacksnoten führen, welche für die „Sanftheit“ des Rauches verantwortlich ist. Stärke wird in Zucker umgewandelt, der anschließend Proteine glykatisiert und zu fortgeschrittenen Glykationsendprodukten (AGEs) oxidiert wird. Dies ist ein Karamellisierungsprozess, der dem Rauch auch sein Aroma verleiht.
Die Zubereitungs- und Trocknungsmethode des Tabaks beeinflusst seine endgültigen Aromaeigenschaften. Die Trocknung kann durch Luft-, Feuer-, Rauch- und Sonnen-Trocknung erreicht werden. So enthält z.B. geräucherter Tabak (z.B. aus Frankreich) nur geringe Mengen an Alkaloiden, während luftgetrockneter Burley-Tabak (z.B. aus Guatemala) für seinen hohen Gehalt an Alkaloiden bekannt ist.