Experimental investigations and modeling of extracting natural products from plants : from batch to continuous processes

Abstract

In 2020, 241 million infection cases of malaria were reported worldwide causing approximately 627000 deaths mainly in African countries. The number of infections increased by 6 % and the fatalities by 12 % compared to the previous year 2019 [World malaria report 2021]. World Health Organization (WHO) recommended Artemisinin (ARTE) as the first-line treatment of malaria. ARTE is produced by chemical synthesis, semi-synthetically or by extraction from plants and subsequent purification. Due to the complexity and expenses related to the synthetic processes, the isolation of ARTE from sweet wormwood (Artemisia annua L.) is recommended to provide the increasing quantities required on the international market. In pharmaceutical industry, batch-wise extraction of valuable target components from plants is the state of the art. Less activities have been devoted to develop continuous extraction techniques. The research described in this thesis focused on studying continuous counter-current extraction of ARTE from Artemisia annua L. with joint isolation of dihydroartemisinic acid (DHAA), which is known to be a precursor for the biosynthesis of ARTE. It was shown that DHAA could be oxidized photocatalytically to ARTE, which allows increasing the overall ARTE yield of the extraction process. For the mentioned photoreaction, the additional co-extraction of chlorophyll is desirable since it acts as an efficient green photosensitizer. This thesis will present results regarding the determining distribution equilibria and extraction rates. Exploiting analogies to chemical reaction engineering this information is incorporated into a model which describes steady state counter-current solid liquid extraction processes. The model allows identifying suitable operating conditions, which maximize the production of ARTE. Finally, results of continuous extraction experiments carried out with a self-developed pilot plant will be presented to demonstrate the general applicability of the concept and the efficiency of the process.

Im Jahr 2020 wurden weltweit 241 Millionen Malaria-Infektionen dokumentiert, die zu etwa 627000 Todesfällen führten. Die meisten Erkrankungen traten auf dem afrikanischen Kontinent auf. Die Zahl der Infektionen stieg um 6 % und die Zahl der Todesfälle um 12 % im Vergleich zum Vorjahr 2019 [Weltmalariabericht 2021]. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt Artemisinin (ARTE) als präferiertes Mittel zur Behandlung von Malaria. ARTE wird über chemische Synthese, semisynthetisch oder durch Extraktion aus Pflanzenmaterial mit anschließender Aufreinigung produziert. Aufgrund der Komplexität der Synthese und der dadurch entstehenden hohen Kosten ist es empfehlenswert ARTE aus dem Einjährigen Beifuß (Artemisia annua L.) zu isolieren, um die steigende Nachfrage an ARTE auf dem internationalen Markt decken zu können. Derzeit ist in der pharmazeutischen Industrie die chargenweise Extraktion von wertvollen Zielsubstanzen aus Pflanzen der Stand der Technik. Bisher wurde vergleichsweise wenig Aufwand betrieben, kontinuierliche Extraktionstechniken zu entwickeln. Diese Arbeit widmet sich der systematischen Erforschung der kontinuierlichen gleichzeitigen Gegenstromextraktion aus Artemisia annua L. von ARTE und Dihydroartemisininsäure (DHAA), welche eine Vorstufe in der Biosynthese von ARTE darstellt. DHAA kann photokatalytisch zu ARTE oxidiert werden, was eine Steigerung der Gesamtausbeute an ARTE in extraktionsbasierten Produktionsprozessen ermöglicht. Für die Photoreaktion ist auch die zusätzliche Koextraktion von Chlorophyll von Bedeutung, da dieses als effizienter Photosensibilisator wirkt. In dieser Arbeit werden Ergebnisse zu den ermittelten Verteilungsgleichgewichten und Extraktionsgeschwindigkeiten vorgestellt. Unter Verwendung von Analogiebetrachtungen zur Quantifizierung reversibler chemischer Reaktion werden diese Informationen in ein entwickeltes stationäres Modell eingebunden, welches den Gegenstromextraktionsprozess beschreibt. Das Modell erlaubt die Identifizierung geeigneter Betriebsbedingungen zur Maximierung der Produktion von ARTE. Schließlich werden an einer eigens entwickelten Pilotenanlage ermittelte experimentelle Versuchsergebnisse zur kontinuierlichen Extraktion präsentiert, um die Umsetzbarkeit des Konzeptes und die Effizienz des Prozesses zu demonstrieren.