Extraktionsverfahren im Vergleich
Nachhaltigkeit durch Mikrowellentechnologie
Energieeffizienz, neue Technologien und der wirtschaftliche Umgang mit Ressourcen gewinnen an Bedeutung – auch im Laborbereich. Mit geringem Strom- und Lösungsmittelverbrauch lassen sich mit Hilfe der Mikrowellentechnik hochselektiv einzelne, auch temperaturempfindliche, Substanzen aus Pflanzenmaterial isolieren.
Mikrowellen sind hochfrequente, elektromagnetische Wellen, die den ionenhaltigen, polaren Zellsaft der Pflanzen anregen, dabei erwärmen und schonende Trennungen ermöglichen. Die punktgenaue Energieübertragung durch Magnetrone bzw. auf Halbleiter basierende Mikrowellengeneratoren in den Frequenzen von 915 MHz bis 2,45 GHz erzeugen ein homogenes Mikrowellenfeld im Reaktionsraum. Durch die Variabilität der eingebrachten Frequenzen, des Druckes und der Temperatur können Isolierungsverfahren beschleunigt und optimiert werden [1]. Vom Labormaßstab lässt sich die Mikrowellentechnologie direkt auf einen kontinuierlichen, industriellen Maßstab übertragen. Durch die dosierte, punktgenaue Energieaufnahme werden Überhitzungen, Zersetzungen, das Auftreten von weiteren Produkten reduziert, und es ist möglich, komplexe, temperaturempfindliche Naturstoffmoleküle zu isolieren [2, 3].
Die Mikrowellentechnologie kommt in Chemie, Biotechnologie und Pharmazie zum Einsatz. Aus der Liste der pharmazeutischen, medizinisch-wirksamen Naturstoffe wurden 18 Pflanzen mit der Mikrowellentechnologie und der Mazeration isoliert, analysiert und die Ergebnisse den jeweiligen Ausbeuten gegenübergestellt [4]. Die Mikrowellen-unterstützte Extraktion (PMAE; engl.: pressurized microwave-assisted extraction) wurde bei einer Temperatur von 40 °C bis 80 °C, einem Druck von 10 bar und 150 Watt in 30 Minuten durchgeführt. Durch Mazeration erhielt man nach 24-stündiger Einwirkzeit bei Raumtemperatur einen methanolischen Auszug. In der Grafik (Bild 2) wird das Verhältnis der gemessenen, gravimetrischen Ausbeute der PMAE im Vergleich zum Verfahren der Mazeration aufgezeigt. Bei vergleichsweisen Ausbeuten zeigt die PMAE wesentlich kürzere Isolierungszeiten. Bild 3 zeigt zwei Chromatogramme von Extrakten aus zwei Verfahren, PMAE und Mazeration, im Vergleich.
Die Mikrowellentechnologie kann in vielen Fällen kontinuierliche, Zeit- und Energie-aufwendige Extraktionsverfahren, wie Mazeration, Abkochen, Aufgüsse, Wasserdampfdestillation, Ultraschall-, Soxhlet- und Flüssigkeitsverfahren mit überkritischem CO2, ersetzen.
Literatur
[1] Practical Microwave Synthesis for Organic Chemists, Strategies, Instruments and Protocols; C. Oliver Kappe, Doris Dallinger, S. Shaun Murphree, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
[2] E. Martina, J. Ramaiola, M. Urbana, F. Branco, S. Collina: Microwave-assisted extraction of coumarin and related compounds from Melilotus offizinal is (L.) Pullas as an alternative to soxhlet and ultrasound-assisted extraction, J. of Chromatography A, 1125 (2006) 147–151
[3] M. Turk, C. Mathe, A.-S. Fabiano-Tixier, D. Carnaroglio, F. Chemat: Parameter optimization in microwave-assisted distillation of frankincense essential oil, C.R. Chimie 21 (2018) 622–627
[4] N. E. Masota, G. Vogg, E. Heller, U. Holzgrabe: Comparison of extraction efficiency and selectivity between low-temperature pressurized microwave- assisted extraction and prolonged maceration, Arch.Pharm. (2020) 353 e2000147
AUTOREN
Prof. Dr. Gerald Grübler, Ursula Steiner, Dr. Eberhard Heller
Strategische Beratung in Research und Development
www.profdrgruebler.de
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