Ultraschall übertrifft andere Extraktionsmethoden an Geschwindigkeit

Das schnelle Verfahren der Ultraschallextraktion und die daraus resultierende Zeitersparnis bei der Herstellung von Pflanzenextrakten ist einer von vielen Vorteilen der Ultraschallextraktion von bioaktiven botanischen Verbindungen. Die Ultraschallextraktion wurde wissenschaftlich mit alternativen Extraktionstechniken wie der überkritischen CO2-Extraktion, der Mazeration, der thermischen Rückfluss-, Soxhlet- oder Mikrowellenextraktion verglichen. Die Forschungsergebnisse belegen den erheblichen Vorteil der Ultraschallextraktion hinsichtlich Extraktionsgeschwindigkeit und Ausbeute.

Ultraschallextraktion als Schnell-Extraktionsverfahren

Die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen ist bekannt für ihre hohe Ausbeute, die hohe Qualität der Extrakte, die kurze Extraktionszeit, den geringen Energieverbrauch und die Möglichkeit, mit sehr milden Lösungsmitteln zu arbeiten. All diese Faktoren tragen zur außerordentlichen Gesamteffizienz der Ultraschallextraktion bioaktiver Bestandteile aus Pflanzenmaterialien bei.
Nachfolgend finden Sie eine Auswahl an wissenschaftlichen Forschungsberichten, in denen die Ultraschallextraktion (auch ultraschall-gestützte Extraktion / UAE) mit anderen Extraktionsverfahren wie Mazeration, Soxhlet, Wärmereflux, überkritisches CO2und Mikrowellenextraktion verglichen wurde.

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Die Ultraschallextraktion übertrifft andere Extraktionsverfahren durch hohe Geschwindigkeit (kürzere Dauer), höhere Ausbeute und bessere Extraktqualität.

Ultraschallgerät UP400St für die Hochgeschwindigkeitsextraktion von pflanzlichen Stoffen im Batch-Verfahren

Extraktionsanwendung Extraktionszeit mit Ultraschall Zeit bei alternativer Extraktionsmethode Zusätzliche Informationen Quelle
Extraktion von Anthocyanen aus Myrtenbeeren 5 min 15 min
Mikrowelle
Ultraschallgerät UP200S Gonzalez et al. (2019)
Extraktion von Boldo-Blättern 5-30 min 15-90 min
Mazeration
Ultraschallgerät UIP1000hdT
"Wir stellen fest, dass die Ausbeute bei einer Beschallungsdauer von 5 bis 30 Minuten einer Ausbeute bei konventioneller Mazeration bei 15 bis 90 Minuten entspricht: UAE benötigt ein Drittel der Zeit, um die löslichen Bestandteile der Blätter bei der herkömmlichen Mazeration zu extrahieren".
Petigny et al., 2013
Extraktion der Gesamtphenole und Flavonoide aus Salbei 11 min 30 min
konventionelle Extraktion mit Wasserbadschüttler bei 60ºC
Ultraschall-Extraktoren
UP100H, UP400S
Dent et al., 2015
Extraktion von Olivenblatt-Polyphenolen 21 min 60min
konventionelle Wärme-Rückfluss-Extraktion
Ultraschallgerät UP400S Dobrinčić et al., 2020
Extraktion bioaktiver Phenole aus Malva sylvestris Blättern 49 min
48°C bei 110W
5 h
gerührte Extraktion bei 150 U/min
Ultraschallgerät UP200S
Die HPLC-Analyse ergab, dass die Konzentration der bioaktiven Phenole unter optimalen Ultraschall- UAE Bedingungen signifikant anstieg (p≺0,05).
Bimakr et al., 2017
Extraktion von Lipiden aus den Samen der Wintermelone (Benincasa hispida) ∼36 min Überkritische Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) (∼50 min), überkritisches CO2 (∼97 min), und die konventionelle Soxhlet-Extraktion (∼360 min) Ein Vergleich von superkritischem Kohlendioxid (sCO2), ultraschall-gestützter Extraktion (UAE), überkritischer Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) und Soxhlet-Extraktion zeigt, dass UAE die effizienteste und schnellste Extraktionstechnik ist. Bimakr et al. (2015)
Die Ultraschallextraktion ist wesentlich effizienter und schneller als alternative Extraktionsverfahren wie die Extraktion mit superkritischem Kohlendioxid (SCO2) und die Soxhlet-Extraktion.

Ein Vergleich von superkritischem Kohlendioxid (sCO2), ultraschall-gestützter Extraktion (UAE), überkritischer Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) und Soxhlet-Extraktion zeigt, dass UAE die effizienteste und schnellste Extraktionstechnik ist.

Die Vorteile der Ultraschallextraktion von botanischen Stoffen

  • Hohe Extraktionseffizienz
  • Hervorragende Extraktionsausbeute
  • schnelles Verfahren
  • Niedrige Temperaturen
  • Geeignet zur Extraktion thermolabiler Verbindungen
  • Kompatibel mit allen Lösungsmitteln
  • Geringer Energieverbrauch
  • Grüne, umweltfreundliche Extraktionstechnik
  • einfache und sichere Bedienung
  • geringe Investitions- und Betriebskosten
  • 24/7 Betrieb unter hoher Last

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Express-Isolierung bioaktiver Komponenten

Die hochmodernen Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglichen eine schnelle Extraktion von hochwertigen Biomolekülen aus Pflanzen. Die volle Kontrolle über die Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Energiezufuhr ermöglichen hoch-effiziente und schonendste Extraktionsbedingungen, wodurch unbeschädigte, hoch-bioaktive Extrakte produziert werden. Die Optimierung der Ultraschallextraktionsparameter, wie z.B. die Partikelgröße des Rohmaterials, die Art des Lösungsmittels, das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel und die Extraktionszeit, kann auf höchste Effizienz und ideale Gesamtergebnisse optimiert werden. Da es sich bei der Ultraschallextraktion um eine nicht-thermische Extraktionsmethode handelt, kann eine thermischer Zersetzung der bioaktiven Inhaltsstoffe vermieden werden, wodurch eine hervorragende Extraktqualität erzielt wird.
Insgesamt machen die zahlreichen Vorteile wie die hohe Ausbeute, die kurze Extraktionszeit, die niedrige Extraktionstemperatur und der geringere Bedarf an Lösungsmitteln die Beschallung zur bevorzugten Extraktionsmethode.

Die botanische Extraktion mit Ultraschall bringt höhere Ausbeuten. Der Hielscher UIP2000hdT, 2000 Watt Homogenisator ist leistungsfähig genug, um Chargen von 10 bis 120 Litern leicht zu extrahieren.

Ultraschall-Extraktion von pflanzlichen Stoffen - 30 Liter / 8 Gallonen Batch

Der Vergleich von Ultraschall- und Mikrowellenextraktion zeigt, dass die Extraktion von Anthocyanen aus Myrtenbeeren mit Ultraschall effizienter ist.

Ultraschall übertrifft Mikrowellen bei der Extraktion von Anthocyanen aus Myrtenbeeren. Ultraschall (US) ist dreimal schneller als die Mikrowellenextraktion.


Die Ultraschallextraktion von Gesamtphenolen und Flavonoiden aus Salbei ist deutlich schneller als die herkömmliche Extraktion in einem Wasserbadschüttler

Der Vergleich der Ultraschallextraktion und der konventionellen Extraktion mit einem Wasserbadschüttler zeigt, dass sich die Extraktionszeit für die Gesamtphenole und Flavonoide aus Salbei bei der Ultraschallextraktion deutlich verringert. Die Ultraschallextraktion benötigt nur ein Drittel der Extraktionszeit, welche für die Extraktion mit einem Wasserbadschüttler notwendig ist.

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Extraktion mit Ultraschall: Bewährt in Labor und Industrie

Die Ultraschallextraktion findet breite Anwendung bei der Extraktion jeder Art von bioaktiven Verbindungen aus Pflanzen, Pilzen, Algen, Bakterien und Säugetierzellen. Die Ultraschallextraktion hat sich als einfaches, kostengünstiges und hocheffizientes Verfahren etabliert, das andere traditionelle Extraktionstechniken durch höhere Extraktionsausbeuten und kürzere Verarbeitungszeiten übertrifft.
Mit der Verfügbarkeit von Labor-, Tisch-, Pilot- und vollindustriellen Ultraschallsystemen ist die Ultraschallextraktion heute eine etablierte und bewährte Technologie. Hielscher Ultraschallextraktoren werden weltweit in industriellen Verarbeitungsanlagen zur Herstellung von bioaktiven Substanzen mit Lebensmittel- und Pharmaziequalität eingesetzt.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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 UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion

Die Ultraschallextraktion ist eine weit verbreitete Methode zur Isolierung und Abtrennung bioaktiver Bestandteile aus Pflanzenmaterialien. Da die Beschallung mit jeder Art von Lösungsmittel kompatibel ist, kann das Ultraschallextraktionsverfahren im Hinblick auf bioaktive Verbindungen (d.h. die Zielverbindungen), ihre Polarität, Löslichkeit, Hitzeempfindlichkeit und andere Faktoren optimal gestaltet werden. Durch die spezifische Anpassung des Beschallungsprozesses an eine oder mehrere verschiedene Verbindungen kann der idealste Extraktionsaufbau gewählt werden, um ein Extrakt von außerordentlich hoher Qualität zu produzieren.
Ultraschallwellen, die in eine Flüssigkeit oder eine Slurry eingekoppelt werden, erzeugen intensive Vibrationen und akustische Kavitation. Die akustische Kavitation, auch Ultraschallkavitation genannt, ist durch lokal auftretende extrem hohe Druckunterschiede, Scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen gekennzeichnet. Diese Kräfte brechen Zellwände auf, zerstören pflanzliche Zellen und intensivieren den Stoffaustausch zwischen Zellinnerem und Lösungsmittel. Dadurch werden bioaktive Inhaltsstoffe effizient in das umgebende Lösungsmittel freigesetzt, aus dem die Zielmoleküle leicht isoliert und aufgereinigt werden können (z.B. mittels Rotorverdampfung, Dampfdestillation oder HPLC).

Ultraschalldisruptoren werden für Extraktionen aus Phytoquellen (z.B. Pflanzen, Algen, Pilze) eingesetzt.

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


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.