Ултразвукова хидродестилация на етерични масла

Конвенционалното извличане на етерични масла е скъпо и отнема много време. Ултразвуковата обработка интензифицира екстракцията, което води до по-високи добиви и по-добро качество на екстракта. Ултразвуковите апарати на Hielscher могат лесно да бъдат интегрирани във всяка конвенционална система за хидродестилация за подобряване на ефективността и качеството.

Хидродестилация на етерични масла от растителни суровини

Хидродестилацията е разновидност на дестилацията с водна пара, използвана за извличане на фитохимични съединения от растителен материал. При този процес растителният материал се накисва във вода за определен период, след което сместа се нагрява. Летливите съединения се увличат от парата, след което се кондензират и отделят. Дестилацията с водна пара, от която произлиза този метод, обикновено се използва за изолиране на етерични масла – например в парфюмерията.
Тъй като много органични съединения са склонни да се разлагат при продължително излагане на високи температури, промишлеността все повече възприема щадящи алтернативни методи за обработка, които дават по-добри резултати (по-добро качество и по-високи добиви). Ултразвуковата хидродестилация е един такъв метод – щадящ, но високоефективен метод за екстракция, използван за производство на висококачествени етерични масла.

Предизвикателства при конвенционалното производство на етерични масла

Проблемите на традиционните методи за екстракция, като дестилацията с водна пара, се състоят в огромните количества растителен материал, необходими за извличане на етерични масла в търговски мащаб. За 1kg (2 1/4 lb) етерично масло от лавандула са необходими приблизително 200kg (440lb) свежи лавандулови цветове, за 1kg розово масло са нужни между 2,5 и 5 метрични тона розови венчелистчета, а за 1kg етерично масло от лимон суровината се състои от приблизително 3 000 лимона. Поради това етеричните масла са много скъпи. Цената на розовото абсолю е около 20 000€ (21,000US$) за литър.
За да постигнат предимства по отношение на рентабилността и конкурентоспособността, производителите на етерични масла трябва да внедрят по-ефективни и резултатни методи за екстракция. Благоприятните методи за ултразвукова екстракция превъзхождат традиционните методи за екстракция благодарение на щадящите условия на извличане, високите добиви и по-доброто качество на екстракта. Ултразвуковата обработка може да се извършва като екстракция с разтворител или без разтворител. Алтернативно, ултразвуковата екстракция със сонда може да се комбинира с обичайни системи за екстракция, например екстракция по Soxhlet, екстракция с апарат на Clevenger, свръхкритичен CO2, хидродестилация с омично нагряване и др. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ултразвукова хидродестилация с омично нагряване).

Sono-Clevenger с ултразвукова сонда UP200S: инсталация за хидродестилация, интензифицирана чрез ултразвук, за високоефективно изолиране на етерични масла.
(©Rasouli et al. 2021)

Предимства на комбинирането на ултразвукова екстракция и хидродестилация

Подпомаганите с ултразвук екстракция и хидродестилация днес са утвърден метод за производство на висококачествени етерични масла. Като нетермичен метод за екстракция, ултразвуковата обработка предотвратява термичното разграждане на чувствителните към топлина съединения. Същевременно ефективността на екстракцията и добивите на етерични масла се увеличават значително. По-долу са представени предимствата на ултразвуковото производство на етерични масла:

1. Висока ефективност на екстракцията: Екстракцията с ултразвуков апарат със сонда изолира етеричните масла по-ефективно от традиционните методи за екстракция, като дестилацията с водна пара или екстракцията с разтворител. Това се дължи на факта, че звуковите вълни предизвикват кавитация в течността, която спомага за разрушаването на клетъчните стени на растителния материал и освобождаването на повече етерично масло.
2. По-кратко време за екстракция: Ултразвуковата екстракция може да извлече етерични масла за много по-кратко време от традиционните методи за екстракция. Това се дължи на факта, че интензивните звукови вълни, генерирани от ултразвукова сонда, могат да проникнат по-дълбоко в растителния материал, да разрушат растителните клетки с по-висока ефективност и следователно да извлекат етеричното масло по-бързо и по-резултатно.
3. Подобрено качество на етеричното масло: Тъй като ултразвуковата екстракция е нетермична обработка, тя може да произведе етерични масла с по-високо качество от традиционните методи за екстракция. Това се дължи на факта, че ултразвуковите вълни могат да извлекат етеричното масло, без да увреждат деликатните ароматни съединения, които придават на маслото неговия аромат и терапевтични свойства.
4. Енергийна ефективност: Ултразвуковата екстракция е енергийно ефективен метод за извличане в сравнение с традиционните методи, като дестилацията с водна пара, която изисква много енергия за производството на пара.
5. Екологичност: Ултразвуковата обработка е чист и екологичен метод за екстракция, тъй като не изисква използването на разтворители или химикали, които могат да бъдат вредни за околната среда.

Тези предимства превръщат ултразвуковото извличане на етерични масла във високоефективен и икономичен метод, който предлага много предимства пред традиционните методи за екстракция.

Сравнението на свръхкритичен въглероден диоксид (sCO₂), подпомагана с ултразвук екстракция (UAE), екстракция със свръхкритичен въглероден диоксид, комбинирана с метод с циклична промяна на налягането (SCE-PST), и екстракция по Soxhlet показва, че UAE е най-ефективният и най-бързият метод за екстракция.

Научно изследване: ултразвукова хидродестилация на етерични масла

• Суровина за екстракция: Изсушени листа от мащерка, салвия, маточина, лавандула и риган
• Повишен добив на етерични масла: до 29,58% повече етерични масла
• По-кратко време за обработка

Скорошно изследване на Nenciu et al. (2026) демонстрира предимствата на подпомаганата с ултразвук хидродестилация за етерични масла от мащерка, салвия, маточина, лавандула и риган. Изсушен растителен материал е смесен с вода, предварително обработен с ултразвуков апарат със сонда Hielscher UP400St и впоследствие дестилиран с водна пара. Акустичната кавитация разрушава растителната тъкан и жлезистите структури, съдържащи масло, като улеснява освобождаването на летливи съединения преди дестилацията. При оптимизираните условия – частици биомаса с размер 1 cm, ултразвукова мощност 150 W и екстракция с продължителност 85 минути – добивът на етерично масло се увеличава от 1,42 на 1,84% v/w, което представлява подобрение с до 29,58% в сравнение с конвенционална хидродестилация с продължителност 120 минути. Анализът чрез GC-MS потвърждава характерните съединения на всяко масло, включително карвакрол в ригана, тимол в мащерката, цитрал и гераниал в маточината, цинеол и камфор в салвията и линалоол и линалилацетат в лавандулата. Резултатите показват, че предварителната ултразвукова обработка може да увеличи добива на етерично масло и да съкрати времето за хидродестилация, като по този начин подобрява общата ефективност на производството на етерични масла.

Инсталация за подпомагана с ултразвук хидродестилация (UAHD): (a) ултразвуков апарат UP400St (b) модул за хидродестилация; (c) система за кондензация на парата + охлаждане
Изображение и изследване: Nenciu et al., 2026

По-висок добив на етерично масло: ултразвукова екстракция преди хидродестилация

За ултразвуково извличане на етерично масло от растителен материал (например лавандин, салвия, цитруси и др.) може да се използва система за ултразвукова обработка със сонда, като UIP2000hdT, за екстракция в настолен, пилотен и производствен мащаб. Системата за екстракция може да се конфигурира като партидна или проточна система.
За ултразвуковата партидна екстракция се препоръчва съд, обграден от студена водна баня. Водната баня позволява да се избегне нежелано повишаване на температурата и произтичащото от него разграждане. За извличане на етерично масло от лавандин лавандуловите цветове се екстрахират например с 2L дестилирана вода при време за екстракция 30 min. Ултразвуковата амплитуда се настройва на 60%. След предварителната ултразвукова обработка лавандуловите цветове се отстраняват и се извършва конвенционална дестилация с водна пара за извличане на етеричното масло.
При проточната инсталация за екстракция ултразвуковият процесор е оборудван със сонотрод и проточна клетка. За охлаждане реакторът с проточна клетка е оборудван с охлаждаща риза. За предварителната ултразвукова обработка мацерираният растителен материал се изпомпва през реакционната камера, където преминава директно през кавитационната зона. Допълнително предимство на ултразвуковата проточна екстракция е възможността за повишаване на налягането в реакционната камера, за да се засили ефектът на екстракцията.
Предварителната ултразвукова обработка преди хидродестилация увеличава добива на извлечени етерични масла и подобрява скоростта на екстракция – което води до по-ефективна процедура като цяло.

Практическо изследване: ултразвукова хидродестилация на етерично масло от Satureja khuzistanica

Rasouli et al. (2021) изследват ефективността на извличане на етерични масла от билковото растение Satureja khuzistanica Jamzad, като сравняват традиционната хидродестилация и интензифицираната чрез ултразвук екстракция с апарат на Clevenger (Sono-Clevenger). Те сравняват двата метода за екстракция, хидродестилацията и ултразвуковата екстракция с апарат на Clevenger, по отношение на времето за изолиране, добива и качеството на получените етерични масла. Резултатите показват, че докато химичният профил и биологичните свойства на получените етерични масла са със сравнимо високо качество и при двата метода, методът на ултразвукова екстракция повишава ефективността по отношение на добива при изолиране на етерично масло с до 40%. Изображенията от сканираща електронна микроскопия (SEM) на обработените листа от Satureja разкриват по-ефективно разрушаване на растителните клетъчни стени чрез ултразвукова обработка. В резултат на това е наблюдавано подобрение на извличането на етерично масло с около 40% в сравнение с конвенционалния метод на хидродестилация.
Това изследване подкрепя резултатите от много други публикации, в които е изследвана предварителната ултразвукова обработка преди хидродестилация и е показано, че ултразвуковата обработка със сонда подобрява както качеството, така и количеството на етеричното масло, като същевременно намалява времето за екстракция и потреблението на енергия в сравнение с конвенционалните методи.
 

Сравнение на добива при екстракция като функция на времето за хидродестилацията и метода sono-clevenger: ултразвуковото извличане на етерично масло със Sono-Clevenger дава по-високи добиви на етерично масло за по-кратко време за екстракция.
(©Rasouli et al. 2021)

SEM на листа от Satureja: (A) след хидродестилация в продължение на 4 часа и (B) след обработка със sono-clevenger в продължение на 60 min. По-кратката обработка със Sono-Clevenger осигурява по-добро разрушаване на клетките и съответно по-високи добиви на етерично масло.
(©Rasouli et al. 2021)

Ултразвукови екстрактори за хидродестилация на етерични масла

Екстракторите на Hielscher с мощен ултразвук се предлагат за настолни, пилотни и промишлени инсталации. Нашите ултразвукови процесори позволяват прецизен контрол и могат да осигуряват много високи амплитуди (до 200µm за промишлените ултразвукови апарати, по-високи амплитуди при заявка), за да генерират интензивно акустично поле. Всички наши ултразвукови устройства, от лабораторните до промишлените системи, са проектирани за работа 24/7 при тежки експлоатационни условия.
Ултразвуковите екстрактори на Hielscher могат да бъдат изпитани в настолен мащаб за оценка на приложимостта и оптимизация на процеса. След това всички резултати от процеса могат да бъдат линейно мащабирани до пълномащабно промишлено производство. Дългогодишният ни опит в ултразвуковата обработка ни позволява да консултираме и подпомагаме клиентите си от първите изпитвания и оптимизацията на процеса до внедряването на високоефективна промишлена работа.
Посетете нашата техническа лаборатория и технологичен център, за да се запознаете с възможностите на ултразвуковите системи на Hielscher!
Нашите здрави ултразвукови системи могат да се използват за партидна и проточна ултразвукова обработка. За производството на етерични масла може да се постигне синергична комбинация чрез монтиране на ултразвукова сонда в конвенционална инсталация за хидродестилация. Модернизацията на съществуващи производствени линии също може да се извърши лесно.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Принцип на работа на ултразвуковото извличане на етерични масла

Доказано е, че ултразвуковата екстракция осигурява по-високи добиви при извличане и намалява потреблението на енергия. Принципът на работа на ултразвуковата екстракция е имплозията на мехурчетата, породена от ултразвуковата кавитация. Ултразвуковата / акустичната кавитация генерира течни микроструи, които разрушават съдържащите липиди жлези в растителната тъкан. По този начин се подобрява масопреносът между клетката и разтворителя и се освобождава етеричното масло. Основно предимство на днешните съвременни ултразвукови екстрактори е прецизният контрол върху работните параметри (например ултразвукова интензивност, температура, време за обработка, налягане, време на престой и др.). Повишеният добив на етерични масла, както и по-слабото термично разграждане, високото качество и добрият ароматен и вкусов профил са научно доказани (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Докато други съвременни методи за екстракция предлагат само ограничени възможности за мащабиране до промишлено производство, възможността за мащабиране на ултразвуковата екстракция до промишлено ниво вече е доказана. Например добивът при извличане на етерични масла от японски цитруси е увеличен с 44% в сравнение с традиционните методи за екстракция (Mason et al. 2011).

Литература / Източници

• Nenciu, Florin, Ana-Maria Tăbărașu, Cristina Fătu, Nicolae-Valentin Vlăduț, Iulian Voicea, Sorina Dinu (2026): Ultrasound-Assisted Hydrodistillation of Essential Oils for Eco-Friendly Biocontrol of Botrytis cinerea in Grapevines. Horticulturae 12, no. 9: 1054. 2026
• Rasouli, Seyed Reza; Nejad, Ebrahimi Samad; Rezadoost, Hassan (2021): Simultaneous ultrasound-assisted hydrodistillation of essential oil from aerial parts of the Satureja khuzistanica Jamzad and its antibacterial activity. Journal Of Medicinal Plants, Vol. 20, no. 80; 2021. 47–59.
• Dent, M.; Dragović-Uzelac, V; Elez Garofulić, I.; Bosiljkov, T.; Ježek, D.; Brnčić, M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound-assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from Sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q., 29 (3), 2015. 475–484.
• Djenni, Z.; Pingret, D.; Mason, T.J.; Chemat, F. (2013): Sono–Soxhlet: In Situ Ultrasound-Assisted Extraction of Food Products. Food Anal. Methods 6, 2013. 1229-1233.
• Li, Y.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): Essential Oils as Reagents in Green Chemistry, SpringerBriefs in Green Chemistry for Sustainability, 2014. p.9-20.
• Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 5750-5764.
• Pingret, D.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): An Improved Ultrasound Clevenger for Extraction of Essential Oils. Food Anal. Methods 7, 2014. 9–12.
• Sicaire, Anne-Gaëlle; Vian, Maryline Abert; Fine, Frédéric; Carré, Patrick; Tostain, Sylvain; Chemat, Farid (2016): Ultrasound induced green solvent extraction of oil from oleaginous seeds. Ultrasonics Sonochemistry (2016), Vol. 31. 319-329.
• Yoswathana, N.; Eshiaghi, M.N.; Jaturapornpanich, K. (2012): Enhancement of Essential Oil from Agarwood by Subcritical Water Extraction and Pretreatments on Hydrodistillation. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering Vol:6, No:5, 2012. 453-459.