α-Tocopherol – Bioaktive Minorkomponenten aus Pflanzenölen

Ziel war die Entwicklung eines im Technikumsmaßstab anwendbaren adsorptiven Verfahrens, mit dem wertvolle bioaktive Minorkomponenten als zusätzliche wertschöpfende Produkte bei der Pflanzenverarbeitung gewonnen werden können. Hierzu haben wir polymere nanoskalige Adsorberpartikel in ein neues Verfahrenskonzept zur Stofftrennung eingebunden. Die polymeren Adsorberpartikel wurden dabei auf polymere Füllkörper aufgebracht und fixiert. Die beschichteten Füllkörper wurden in ein technisches Verfahren integriert und eine Versuchsanlage am Fraunhofer IGB entwickelt.

Die hier entwickelte Versuchsanlage zur Abtrennung von Wert- oder Störstoffen aus Pflanzenölen kann durch Anpassung des polymeren Adsorbermaterials auf weitere Trennaufgaben für biobasierte Öle oder Pflanzenextrakte übertragen werden.

Zur Erhöhung der Adsorptionsoberfläche können auch Füllkörper mit geringeren Packungsdichten und einem damit verbundenen geringerem freien Volumen verwendet werden.

Herausforderung: Selektive Abtrennung gering konzentrierter Minorkomponenten für zusätzliche Wertschöpfung

Nachwachsende Rohstoffe für die Herstellung von Biokraftstoffen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die hierbei eingesetzten Pflanzenöle aus beispielsweise Raps oder Soja enthalten auch verschiedene Minorkomponenten (Wert- oder Störstoffe). Zum einen sind im Biodiesel Störstoffe enthalten, die sich negativ auf die Qualität des Kraftstoffes auswirken können. Zum anderen finden sich in geringerer Menge auch wichtige Wertstoffe wie bioaktives Vitamin E (α-Tocopherol). Diese Wertstoffe werden bisher meist gemeinsam mit dem Biodiesel verbrannt.

Tocopherol spielt aufgrund seiner antioxidativen Eigenschaften im menschlichen Körper eine wichtige Rolle beim Schutz der Zellen vor schädlichen Sauerstoff-Einflüssen. Natürliche tocopherolhaltige Extrakte werden aus den Samen ölhaltiger Pflanzen, insbesondere Weizen, Mais, Soja und Baumwolle sowie Reis – allerdings häufig nur in geringen Konzentrationen – abgetrennt und angereichert. Synthetisch wird Vitamin E großtechnisch als ein racemisches Gemisch hergestellt. Da das synthetische Tocopherol relativ instabil ist, wird es meist mit einer Acetylgruppe versehen. Es besitzt dann keine antioxidativen Eigenschaften mehr. Bis zu 50 Prozent des aufgenommenen synthetischen Tocopherols können im Körper jedoch in natürliches Vitamin E umgewandelt werden.

Herstellung nanoskopischer polymerer Adsorberpartikel

Für die Abtrennung von bioaktivem α-Tocopherol aus Pflanzenölen wurden nanoskopisch dimensionierte Polymerpartikel mit freien Bindestellen an den Partikeloberflächen hergestellt. In dem vom Fraunhofer IGB patentierten NANOCYTES®-Verfahren haben wir hierzu geeignete Monomere mit sogenannten Vernetzern gemischt. Durch Einsatz der Miniemulsionspolymerisation erhielten wir so in einem Schritt nanoskopisch dimensionierte polymere Adsorberpartikel mit Größen von 200 bis 300 Nanometern [1, 2]. Durch Zugabe geeigneter Prägemoleküle und nachfolgendes Herauslösen (Extrahieren) der Prägemoleküle werden chemische Negativabdrücke auf den Partikeloberflächen erzeugt.

Für die Abtrennung von α-Tocopherol aus Pflanzenölen konnten wir so erfolgreich polymere Adsorberpartikel herstellen. Hierzu haben wir die Polymerzusammensetzung der Adsorberpartikel hinsichtlich einer maximalen Adsorption von α-Tocopherol optimiert [3]. Es adsorbieren bis zu 24 μg Tocopherol an 1 mg spezifischem Partikelmaterial.

Adsorptionskolonne mit partikelbeladenen Füllkörpern

Um die Adsorptionsoberfläche zu vergrößern, wurden die polymeren Adsorberpartikel anschließend auf polymere Füllkörper als Trägerstrukturen aufgebracht und in eine Adsorptionskolonne integriert. Für eine optimale Adsorption von Tocopherol an die Polymerpartikel sollte deren Konzentration in der Kolonne im Bereich bis 30 μg / mL liegen. Unbehandelte Füllkörper hingegen zeigten nur sehr geringe Adsorptionskapazitäten. Durch einen Wechsel des Lösungsmittels kann das Tocopherol anschließend mittels Extraktion vollständig von der Adsorberkolonne abgetrennt werden. Die Kolonnen stehen dann wieder für weitere Durchläufe zur Verfügung.

Somit steht nun eine Versuchsanlage für weitere Forschungsund Entwicklungsarbeiten zur Abtrennung verschiedener Minorkomponenten aus pflanzlichen Ölen, Pflanzenextrakten oder Biodiesel zur Verfügung. Die Anlage kann nach der Aufarbeitung der Ölsaaten in der Ölmühle, in der pflanzenverarbeitenden Industrie oder bei Biokraftstoffherstellern direkt vor Ort eingesetzt werden.

Literatur

[1] Tovar, G. E. M.; Kräuter, I.; Gruber, C. (2003) Topics in current chemistry 227, 125-144

[2] Schreiber, T. et al. (2009) Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1169, 1169-Q04-07

[3] Neumann, M. (2009) Entwicklung von molekular geprägten Polymernanopartikel zur Gewinnung von bioaktiven Minorkomponenten am Beispiel von alpha-Tocopherol, Fachhochschule Recklingshausen

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Fraunhofer-interne Projekts »Gewinnung von bioaktiven Minorkomponenten aus Pflanzen« im Rahmen des Programms Mittelstandsorientierte Eigenforschung (MEF) entwickelt.