Wie KI die Extraktion wertvoller Pflanzenverbindungen transformieren könnte

Die früheste Medizin, die dem Menschen bekannt ist, bestand aus Pflanzen mit aktiven Verbindungen, die Schmerzen lindern, Fieber senken, Krankheiten bekämpfen usw. Bis heute ist die Pharmakobotanik ein sehr wichtiges Feld der modernen Medizin, und seltene Moleküle werden regelmäßig in gängigen und weniger verbreiteten Pflanzen gefunden, um neue Therapien zu entwickeln.

Ein Problem ist, dass diese Verbindungen medizinisch sehr wirksam sein können, aber nur in geringen Mengen in einer Pflanze vorkommen oder die Pflanze schwer zu kultivieren ist. In beiden Fällen bedeutet das, dass das resultierende Medikament sehr teuer sein kann, besonders wenn es keinen praktikablen Weg gibt, die gewünschte Verbindung chemisch zu synthetisieren.

Daher kann jede Verbesserung, die die Extraktion aktiver Moleküle aus Pflanzen optimiert, massive wirtschaftliche und medizinische Auswirkungen haben.

Ein Team iranischer Forscher an der Islamic Azad University, der Tarbiat Modares University und der Isfahan University of Technology hat KI eingesetzt, um die Extraktion wertvoller Verbindungen mit superkritischem CO₂ zu optimieren. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in CO2 Utilization¹ unter dem Titel “Nachhaltige CO₂-basierte Prozessintensivierung für die Extraktion von Nepeta crispa ätherischem Öl mittels ultraschallunterstütztem superkritischem CO₂: Optimierung und maschinelles Lernmodell”.

Extraktion der Pflanzenpharmakopöe

Eine breite Palette von Kräutern und aromatischen Pflanzen, die aufgrund ihrer wertvollen Eigenschaften und Nutzen, die größtenteils ihren ätherischen Ölen zugeschrieben werden, hat umfangreiche Anwendungen in der pharmazeutischen, Lebensmittel-, Kosmetik-, Lack- und Chemieindustrie gefunden. Ätherische Öle sind flüchtige Bestandteile, die aus komplexen chemischen Gemischen mit verschiedenen Molekültypen bestehen.

• Mögliche Kontamination der extrahierten Produkte durch den Einsatz organischer Lösungsmittel.
• Erforderlichkeit der nachfolgenden Lösungsmittelentfernung.
• Toxizität und Entflammbarkeit der Lösungsmittel.
• Hohe Betriebskosten und erheblicher Energieaufwand, um akzeptable Ausbeuten zu erzielen.

In den letzten Jahren hat die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) viel Aufmerksamkeit wegen ihrer überlegenen Ergebnisse (Ausbeuten, Lösungsmittelverbrauch, Geschwindigkeit) durch akustische Kavitation erhalten, die Pflanzenzellwände zerstört und die Freisetzung bioaktiver Verbindungen und ätherischer Öle erleichtert.

Gleichzeitig werden superkritische Fluide (SCFs), insbesondere superkritisches Kohlendioxid (SC‑CO₂), zunehmend als effektive Alternative zu herkömmlichen Extraktionsmedien anerkannt.

Ein superkritisches Fluid ist ein Stoff, der über einen Punkt hinaus unter Druck steht, an dem sich die eindeutigen flüssigen und gasförmigen Phasen auflösen. Es ist technisch gesehen ein Gas, verhält sich jedoch meist wie eine Flüssigkeit.

Zu den Vorteilen von CO₂ zählen seine Nicht‑Explosivität, Nicht‑Toxizität, niedrige Kosten, Nicht‑Entflammbarkeit und Nicht‑Korrosivität. Es bewahrt zudem die natürliche Integrität bioaktiver Verbindungen und kann durch präzise Kontrolle von Druck und Temperatur eine hohe Selektivität bei der Extraktion bieten.

Optimierung der superkritischen CO2‑basierten Extraktion

Die tatsächliche Effizienz der Extraktion mit superkritischem CO₂ hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter Druck, Extraktionszeit, Co‑Lösungsmittelvolumen, Temperatur, Partikelgröße und Durchflussrate von CO₂. Daher kann es recht schwierig sein, die ideale Konfiguration für eine gegebene Verbindung in einer bestimmten Pflanze zu finden, und dies war bislang ebenso sehr Kunst wie Wissenschaft.

Statistische und mathematische Modelle können helfen, sind jedoch in der Praxis komplex zu erstellen.

Um eine solche Methode zu optimieren, nutzten die Forscher einen Machine‑Learning‑Algorithmus namens ANFIS (Adaptive Neuro‑Fuzzy Inference System) und den Partikelschwarmoptimierungs (PSO)‑Algorithmus.

Perfektionierung der Extraktion mit CO2 & KI

Pflanzenauswahl & Tests

Nepeta crispa wurde von den Forschern als Testpflanze gewählt. Verschiedene Nepeta‑Arten besitzen ein breites Spektrum biologischer Aktivitäten, wie antibakterielle, antivirale und antimykotische Effekte. In der traditionellen Medizin wurde N. crispa als Hustenstiller, Krampflöser, Diuretikum, Schweißmittel, Asthmamedikament, Emmenagogum und Beruhigungsmittel verwendet.

Quelle: WorldPlant

Die Forscher vergleichen die Extraktion aktiver Verbindungen aus dieser Pflanze mit drei verschiedenen Methoden:

• SC‑CO₂ unter optimalen Bedingungen
• Hydrodestillation
• Ultraschallunterstützte Extraktion

Es wurden 19 chemische Verbindungen identifiziert, die 97‑99 % der insgesamt extrahierten ätherischen Öle ausmachen, wobei superkritisches CO₂ die produktivste Methode war und nahezu eine perfekte Ausbeute erzielte. Die Gesamtzusammensetzung und das qualitative Profil der ätherischen Öle waren über alle Techniken hinweg vergleichbar.

Quelle: CO2 Utilization

Entwicklung & Testen des KI‑Modells

Verschiedene Konfigurationen mit unterschiedlichen Typen und Zahlen von Eingangsvariablen (Temperatur, Druck, Massenstromrate und Co‑Lösungsmittelvolumen) wurden untersucht, wobei ANFIS Backpropagation‑ und Hybrid‑Algorithmen einsetzte, um neuro‑fuzzy Systeme zu optimieren.

Quelle: CO2 Utilization

Insgesamt hatte die Temperatur nur geringen Einfluss auf die Extraktion, während Druck und CO₂‑Durchflussrate wichtiger waren, und die Zugabe eines Co‑Lösungsmittels (Ethanol) war ebenfalls bedeutend.

Um zu prüfen, ob das Modell zur Vorhersage der superkritischen CO₂‑Extraktion genau war, testeten die Wissenschaftler es anhand mehrerer Experimente. Die Vorhersage der Ausbeute stimmte in jedem Fall fast perfekt mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Die optimalen Betriebsbedingungen für den Prozess wurden gefunden: ein Druck von 34 MPa, eine Temperatur von 112 °F / 44,8 °C, eine Massenstromrate von 1,1 g/min und ein Co‑Lösungsmittelvolumen von 370 µL.

Die Zukunft der Ressourcennutzung

Diese Studie ist ein Beispiel dafür, wie selbst relativ einfache KI‑Systeme für Nischenanwendungen mit bedeutenden Auswirkungen eingesetzt werden können. In diesem Fall die Optimierung der Extraktion medizinischer Moleküle aus Pflanzen, was potenziell zu neuen oder günstigeren Therapien führen und gleichzeitig die ökologische Belastung durch Ressourcengewinnung reduzieren kann, indem erneuerbare und nicht‑verschmutzende Ressourcen genutzt werden.

Wenn diese Systeme skalieren, könnte der wirtschaftliche Nutzen über die botanische Extraktion hinausgehen und Chancen für industrielle Gaslieferanten, Prozess‑Engineering‑Firmen, Automatisierungsanbieter und KI‑Unternehmen schaffen, die Herstellern helfen, Kosten zu senken und den Durchsatz zu erhöhen.

Superkritisches CO₂ wird voraussichtlich immer häufiger eingesetzt, zum Beispiel beim bahnbrechenden “Chaotan One“‑Superkritisch‑CO₂‑Turbinen‑Test in China, bei dem herkömmlicher überkritischer Dampf durch CO₂ ersetzt wird, um die Energieproduktion der Turbine radikal zu verbessern.

Investitionen in industrielle CO2‑Anwendungen

Linde Plc

Linde ist eines der weltweit größten Industrie‑Gasunternehmen, neben Wettbewerbern wie Air Products and Chemicals (APD ) (folgen Sie dem Link zu unserem Bericht über dieses Unternehmen), mit einem Umsatz von bis zu 34 Mrd. $ im Jahr 2025. Das Unternehmen wurde 1879 in Deutschland gegründet und 2018 mit einem anderen Branchengiganten, Praxair, fusioniert.

Heute ist Linde in der Produktion sowohl reiner Gase, die aus der Atmosphäre gewonnen werden, einschließlich seltener Gase, als auch von Industrien erzeugter Gase wie LNG (Helium), Kohlenwasserstoffe (Ethylen, Propan, CO, CO₂) sowie Wasserstoffproduktion aktiv.

Quelle: Linde

Der Umsatz ist geografisch von den Amerikas (45 % des Umsatzes) und der EMEA‑Region (25 %) dominiert. Da fast jeder industrielle Prozess diese Gase benötigt, ist die Kundenbasis von Linde sehr diversifiziert, wobei die größten bedienten Branchen Chemie & Energie (21 % des Umsatzes), Fertigung (21 %), Gesundheitswesen (17 %) und Bergbau (13 %) sind.

Je nach Gas und Kunde produziert Linde entweder direkt am Industriestandort mit diesen Gasen oder in zentralen Anlagen und transportiert sie anschließend zum Endnutzer.

Quelle: Linde

Industriegase sind ein Sektor, in dem Skalierung ein nachhaltiger Wettbewerbsvorteil ist, da sie dem Unternehmen helfen, einen Ruf für Zuverlässigkeit (schnelle Lieferungen, reaktive Versorgung) aufzubauen und Kapital‑ und F&E‑Kosten über ein größeres Produktionsvolumen und ein umfangreiches Vertriebsnetz zu reduzieren.

Sowohl grüner Wasserstoff als auch CO₂‑Abscheidung bieten dem Unternehmen mehr Wachstumspotenzial als „nur“ das globale Wachstum der industriellen Produktion, da sie neue Möglichkeiten im Energiesektor eröffnen.

Quelle: Linde

Neueste Linde (LIN) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie Referenziert

^{1. Mitra Amani, Nedasadat Saadati Ardestani, Seyyed Mohammad Ghoreishi. Nachhaltige CO₂-basierte Prozessintensivierung für die Extraktion von Nepeta crispa ätherischem Öl mittels ultraschallunterstütztem superkritischem CO₂: Optimierung und maschinelles Lernmodellg. CO2 Utilization. 10 Juli 2026. Artikel: 103519. Band: Volume 110. 10.1016/j.jcou.2026.103519}