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Schönheitsmittel und Sternenstaub

Hochdruckextraktion mit CO2 für feinste Trennung und edle Stoffe

Er trägt zwar den Namen der römischen Göttin der Liebe und Schönheit, seine Oberfläche ist jedoch alles andere als einladend. Auf dem Planeten Venus ist es extrem heiß, und es herrscht dort ein Druck wie in der Tiefsee. Unter diesen ungemütlichen Umständen nimmt das Kohlendioxid, aus dem seine Atmosphäre zu 96 Prozent besteht, die „überkritische“ Form an: Es weist gleichzeitig die Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten auf. Das trägt zwar nicht dazu bei, die Venus reizvoller zu machen, aber zumindest ist überkritisches CO2 ein Stoff, der bei uns auf der Erde in den Dienst der Schönheit tritt.

Das Verfahren heißt Hochdruckextraktion, auch als SFE (Supercritical Fluid Extraction) bekannt. Es bietet ungeahnte Möglichkeiten, Stoffe selektiv und bei größter Schonung der beteiligten Materialien voneinander zu trennen. In großem Maßstab wurde die Methode zum ersten Mal bei der Entkoffeinierung von Kaffee eingesetzt. Kaffee ist ein empfindliches pflanzliches Produkt mit zahllosen Inhaltsstoffen, von denen nur einer entfernt werden soll. Gesundheitsschädliche Lösemittel scheiden aus, da sie das Produkt ungenießbar machen würden. Andere verfügbare Methoden würden das komplexe Aroma zu sehr beeinträchtigen. Das bei der Hochdruckextraktion eingesetzte CO2 kann dagegen gezielt nur das Koffein herauslösen, ohne andere Komponenten zu beeinträchtigen.

Wenn ein Gas über den sogenannten kritischen Punkt hinaus erhitzt und unter höheren als den kritischen Druck gesetzt wird, geht es in den überkritischen Zustand über. Nun lässt sich nicht mehr unterscheiden, ob es gasförmig oder flüssig ist, denn überkritische Fluide besitzen die hohe Dichte einer Flüssigkeit und die niedrige Viskosität (Zähflüssigkeit) eines Gases. Beim Übergang in diesen Zustand steigt das Lösungsvermögen sprunghaft um eine Größenordnung an.

Meistens wird CO2 für die SFE verwendet. Das Gas erreicht seinen kritischen Punkt bereits bei 31 Grad Celsius und einem Druck von 74 bar. Der zu bearbeitende Stoff muss also nur wenig über Zimmertemperatur erhitzt werden – ein wesentlicher Vorteil dieses Gases, nicht nur bei empfindlichen Pflanzenprodukten. Nach der Extraktion wird es vollständig verdampft und kann in einem geschlossenen Kreislauf anschließend wieder als Lösungsmittel verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil des SFE-Verfahrens besteht darin, dass es sich punktgenau auf unterschiedliche Stoffe einstellen lässt, erläutert Professor Béla Simándi, der an der Technischen Universität Budapest die Forschungsgruppe Hochdruckextraktion leitet. „Zum Beispiel können wir bei Heil- und Gewürzpflanzen ätherische Öle und andere ölige Bestandeile sehr leicht voneinander trennen. Dafür müssen wir nur Druck und Temperatur verändern. Bei der herkömmlichen Methode wäre ein mehrfacher Wechsel der Lösungsmittel nötig.“ Die Herstellung flüssiger Gewürze und Kräuterextrakte für Kosmetik und Naturheilverfahren gehört zu den Schwerpunkten der Budapester SFE-Gruppe. „Die Extrakte bewahren ihre Eigenschaften – Duft, Geschmack und Farbe – über sehr lange Zeit unverändert“, erklärt der Forschungsleiter. „Sie lassen sich genauer und gleichmäßiger zumischen und machen es möglich, mit den Rezepturen unabhängig vom Jahrgang immer die gleichen Ergebnisse zu erzielen.“

Mit der Hochdruckextraktion kann man sogar Enantiomere trennen. Das sind Stoffe, die sich bei identischem molekularem Aufbau nur durch die spiegelverkehrte Anordnung ihrer Atome unterscheiden, wie zum Beispiel die links- und rechtsdrehenden Milchsäuren. Die Budapester Forschungsgruppe hat das SFE-Verfahren als erste bei der Trennung von Enantiomeren eingesetzt, die auch für die Herstellung von Arzneimitteln von großer Bedeutung sind. „In der Regel ist nur eines der beiden Enantiomere eines Wirkstoffs für die Heilkraft zuständig“, erläutert Dr. Edit Székely, wissenschaftliche Mitarbeiterin der SFE-Gruppe. „Das andere ist im besten Fall neutral, im schlechtesten Fall schädlich.“

Die Hochdruckextraktion wird inzwischen in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt, so in der Chemie und Petrochemie, Biotechnologie, Papierherstellung oder im Umweltschutz. Sie hilft bei der Regeneration von Aktivkohlefiltern, bei der Aufbereitung von Altöl oder von Pharmazie-Abwässern sowie bei der Dekontamination verseuchter Böden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung sogenannter Aerogele. Dabei werden in einem Gel die flüssigen Anteile durch ein überkritisches Gas ersetzt, das anschließend verdampft. Übrig bleiben hochporöse Festkörper, bei denen bis zu 99,98 Prozent des Volumens aus Poren bestehen. Sie weisen die bisher niedrigste Dichte auf, die wir bei Festkörpern kennen, sind also extrem leicht und zugleich sehr stabil. Ihre Feinstruktur macht sie unter anderem als Auffangmatrix für kleinste Staubpartikel geeignet. Sie wurden deshalb auch an Bord der Raumsonde Stardust eingesetzt, um Kometenstaub einzufangen. Die Staubpartikel und Moleküle werden im Aerogel so langsam abgebremst, dass sie thermisch nicht zerstört werden. So gelang es zum ersten Mal, Material eines Kometen unbeschadet zur Erde zu bringen.

Verfahrensvorteile im Überblick

  • Gesundheitlich unbedenkliches Lösemittel
  • Lösemitteleigenschaften können durch Veränderung von Druck und Temperatur variiert werden
  • Selektive Trennung auch schwerflüchtiger Stoffe möglich
  • Aromaerhaltende Zerlegung von Naturstoffen
  • Schonende Extraktion temperaturempfindlicher Inhaltsstoffe
  • CO2 ist inert und reagiert nicht mit dem Produkt
  • Nicht entflammbar, nicht explosiv
  • Keine Umweltbelastung, keine Emissionsprobleme durch Kreislaufführung

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