Turbo-Extraktion von Zimt mit Ultraschall

Die traditionelle Zimtextraktion ist zeitaufwendig und relativ ineffizient. Die Ultraschallextraktion ist eine einfache, jedoch hocheffiziente Technik zur Prozessintensivierung, die die Extraktionszeit auf wenige Stunden verkürzt und gleichzeitig die Ausbeute an ätherischem Zimtöl erhöht.

Verbesserte Zimtextraktion mit Ultraschall

Die traditionelle Gewinnung von ätherischem Zimtöl erfolgt durch Wasserdampfdestillation von Zimtrinde und Zimtblättern. Die traditionelle Wasserdampfdestillation ist sehr langsam und zeitaufwendig. Je höher die angestrebte Zimtölausbeute, desto länger dauert die Wasserdampfdestillation. So kann die Wasserdampfdestillation einer Kesselfüllung Zimtblätter bis zu 12 Stunden dauern, während die Wasserdampfdestillation von Zimtrinde mehr als 24 Stunden in Anspruch nehmen kann. Die Ultraschallextraktion bricht die Zellstrukturen der Zimtrinde und der Zimtblätter auf, sodass das Zimtöl schnell und vollständig freigesetzt wird. Die Ultraschallextraktion beschleunigt die Wasserdampfdestillation erheblich, verkürzt die Verarbeitungszeit von einem ganzen Tag auf wenige Stunden und erhöht gleichzeitig die Ausbeute an ätherischem Zimtöl.
Die Ultraschallextraktion setzt das gesamte Spektrum der aromatischen Zimtverbindungen frei, darunter Zimtaldehyd, Linalool, Eugenol und Zimtsäure. Die Gewinnung eines Vollspektrumextrakts hochwertiger ätherischer Ölbestandteile ist der Grund für die überlegene Qualität ultraschallextrahierter Zimtöle. Insbesondere Zimtaldehyd als organischer Hauptbestandteil verleiht Zimt seinen charakteristischen Geschmack und Duft. Da die Ultraschallbehandlung ein nichtthermisches Verfahren ist, werden die ätherischen Ölbestandteile vor thermischem Abbau geschützt. Daher liefert die Ultraschallextraktion aromaintensive ätherische Öle, die höchsten Qualitätsstandards entsprechen.
Die Ultraschallextraktion kann sowohl bei Zimtrinde als auch bei Zimtblättern angewendet werden. Zimtblattöl hat einen stärkeren Duft als Zimtrindenöl. Zimtblätter enthalten große Mengen an Eugenol.

Warum die Ultraschallextraktion der Wasserdampfdestillation überlegen ist

Um ätherische Öle aus Zimt durch Wasserdampfdestillation zu gewinnen, müssen diese zunächst aus der Pflanzenmatrix freigesetzt werden, also aus den Pflanzenzellen in den Zimtblättern oder der Zimtrinde. Bei der Wasserdampfdestillation wird das pflanzliche Zimtmaterial bis zu 24 Stunden in Kesseln gekocht. Wärme allein ist beim Aufbrechen der Zellstrukturen und Freisetzen der eingeschlossenen ätherischen Öle relativ ineffizient. Im Allgemeinen werden die eingeschlossenen ätherischen Öle durch Kochen nicht vollständig freigesetzt, und größere Mengen an Restöl gehen verloren, da sie nicht extrahiert wurden. Nach dem thermischen Extraktionsprozess erfolgt die Wasserdampfdestillation. Dazu wird ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, nämlich ätherischem Öl und Wasser, zum Sieden gebracht. Das Gemisch beginnt zu sieden, wenn die Summe ihrer Dampfdrücke 760 mm Hg beträgt. Der Siedepunkt eines Gemischs aus Wasser und ätherischem Öl liegt somit unter dem Siedepunkt jeder einzelnen Komponente. Die traditionelle Hydrodestillation hat erhebliche Nachteile: Der lange Koch- und Verdampfungsprozess ist sehr zeit- und energieaufwendig.
Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischer Kavitation. Akustische Kavitation entsteht, wenn Leistungsultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden (z. B. eine Suspension aus pflanzlichem Material in einem Lösungsmittel oder Wasser). Die Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und verursachen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen, sogenannte Kavitationsblasen, die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Sobald sie eine bestimmte Größe erreicht haben und keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist durch starke Kavitationskräfte gekennzeichnet, darunter Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 100m/s. Diese kavitationsbedingten Schereffekte werden auch als sonomechanische Effekte bezeichnet. Die Ultraschallextraktion bioaktiver Moleküle wird hauptsächlich durch sonomechanische Effekte bewirkt: Die Bewegung und die Turbulenzen schließen Zellen auf und fördern den Stofftransport. Dadurch werden bioaktive Moleküle wie ätherische Öle, Polyphenole, Terpene und Cannabinoide aus der pflanzlichen Zellmatrix in das Lösungsmittel freigesetzt.
Der Vorteil der Ultraschallextraktion gegenüber dem traditionellen Verfahren aus Kochen und Wasserdampfdestillation liegt in der vergleichsweise höheren Extraktionsausbeute an ätherischen Ölen und anderen organischen Verbindungen in deutlich kürzerer Zeit. Die höheren Extraktionsausbeuten vermeiden Rohstoffverluste und machen die Extraktion wirtschaftlicher. Die durch Ultraschallextraktion erzielten Zeit- und Energieeinsparungen sind erheblich. Als nichtthermisches Verfahren schützt die Ultraschallextraktion temperaturempfindliche Verbindungen vor wärmebedingtem Abbau.
Die milden Temperaturen und die kurze Verarbeitungszeit sind wesentliche Vorteile der Ultraschallextraktion, da eine thermische Zersetzung der natürlichen Extrakte verhindert wird. Dies macht die Ultraschallextraktion hocheffizient, sodass die Ultraschallbehandlung ätherische Öle von überlegener Qualität liefert.

Fallstudien zur Zimtextraktion mit Ultraschall

Forschung und Industrie setzen die Ultraschallextraktion bereits zur Herstellung hochwertiger ätherischer Öle aus zahlreichen pflanzlichen Materialien ein, darunter Zimtblätter und Zimtrinde.

Ultraschallgestützte Hydrodestillation von Zimt

Chen et al. (2020) untersuchten die ultraschallgestützte Hydrodestillation und kamen zu dem Schluss, dass die Ultraschallbehandlung den Destillationsprozess erheblich verbesserte. Die ultraschallgestützte Wasserdampfdestillation lieferte höhere Zimtölausbeuten bei drastisch verkürzter Extraktionszeit. Mittels GC-MS-Analyse zeigten sie, dass die ultraschallgestützte Hydrodestillation im Vergleich zur traditionellen Hydrodestillation ein wertvolleres ätherisches Öl mit einem hohen Gehalt an der Hauptkomponente trans-Zimtaldehyd lieferte. Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM) bestätigte die Effizienz der Ultraschallbehandlung bei der Zimtölextraktion. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Stromverbrauchs und der CO2-Emissionen, dass die ultraschallgestützte Hydrodestillation der wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Ansatz ist. Chen et al. fassen daher zusammen, dass die ultraschallgestützte Hydrodestillation eine effiziente und umweltfreundliche Technologie zur Extraktion von ätherischem Zimtöl ist, die sowohl die Menge als auch die Qualität der Zimtöle verbessern kann.

Zimtextraktion mit Ultraschall unter Verwendung tiefeutektischer Lösungsmittel

Die Ultraschallextraktion mit tiefeutektischen Lösungsmitteln hat sich als überlegenes Verfahren erwiesen, um trans-Zimtaldehyd und Cumarin mit hohen Ausbeuten aus Zimtrinde zu extrahieren.
Unter optimalen Bedingungen lieferte dieses Verfahren höhere Gehalte an trans-Zimtaldehyd und Cumarin als konventionelle Verfahren (Rückflussextraktion, Soxhlet-Extraktion und Mazeration) mit organischen Lösungsmitteln (96% Ethanol). Als optimale Bedingungen für die Ultraschallextraktion mit natürlichen tiefeutektischen Lösungsmitteln erwiesen sich Cholinchlorid-Zitronensäure (ChCl-CA) mit einem Wasserzusatz von 40% und eine Extraktionszeit von 30 Minuten, um trans-Zimtaldehyd (9,24 ± 0,01 mg/g) und Cumarin (11,6 ± 0,11 mg/g) aus Zimtrinde (C. burmannii Blume) zu extrahieren. Weitere Untersuchungen sollten die pharmakologische Aktivität des aus Zimtrinde gewonnenen trans-Zimtaldehyds und Cumarins erforschen. (vgl. Aryati et al. 2020)

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche von Zimtrinde bei 1000-facher Vergrößerung; getrocknetes Pulver (a); nach Mazerationsextraktion (b); nach Rückflussextraktion (c); nach Soxhlet-Extraktion (d); nach Extraktion mit NADES-UAE ChCl-CA (e).
Studie und Abbildung von Aryati et al. 2020

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren

Die Ultraschallextraktion ist eine zuverlässige Verfahrenstechnologie, die die Herstellung hochwertiger ätherischer Öle erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Extraktionssystemen ab. Dadurch können wir bei Hielscher Ihnen das am besten geeignete Ultraschallgerät für Ihre angestrebte Verarbeitungskapazität anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie von Machbarkeitstests und der Prozessoptimierung bis zur Installation Ihres Ultraschallsystems im endgültigen Produktionsmaßstab.
Dank ihres geringen Platzbedarfs und ihrer vielseitigen Installationsmöglichkeiten lassen sich unsere Ultraschallextraktoren auch in Produktionsanlagen mit begrenztem Raumangebot integrieren. Ultraschallprozessoren sind weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel installiert.

Hielscher Ultrasonics – Ausgereifte Extraktionstechnik

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum leistungsstarker Ultraschallextraktoren vom kleinen bis zum großen Maßstab. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Extraktionsprozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschallanlage hängt von der angestrebten Kapazität, dem Volumen, dem Rohstoff, der chargenweisen oder Inline-Verarbeitung sowie dem Zeitplan ab.

Chargen- und Inline-Verarbeitung

Ultraschallgeräte von Hielscher können zur chargenweisen Verarbeitung und zur kontinuierlichen Verarbeitung im Durchfluss eingesetzt werden. Die chargenweise Ultraschallverarbeitung eignet sich ideal für Prozessversuche, die Optimierung und die Produktion im kleinen bis mittleren Maßstab. Für die Verarbeitung großer Mengen pflanzlicher Materialien (z. B. Zimtblätter und Zimtrinde) kann die Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Während die chargenweise Verarbeitung nur einen sehr einfachen Aufbau erfordert, ist sie zeit- und arbeitsaufwendiger. Ein kontinuierlicher Inline-Extraktionsprozess erfordert einen aufwendigeren Anlagenaufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohrleitungen und Tanks –, ist jedoch effizienter, schneller und mit deutlich weniger Arbeitsaufwand verbunden. Hielscher Ultrasonics bietet die für Ihr Extraktionsvolumen und Ihre Prozessziele am besten geeignete Extraktionsanlage.

Ultraschallextraktoren für jede Produktionskapazität

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotanlagen bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren, die ganze Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dieses umfassende Produktsortiment ermöglicht es uns, Ihnen den für Ihren Rohstoff, Ihre Verarbeitungskapazität und Ihre Produktionsziele am besten geeigneten Ultraschallextraktor anzubieten.
Ultraschall-Tischsysteme eignen sich ideal für Machbarkeitstests und die Prozessoptimierung. Die lineare Maßstabsvergrößerung auf Grundlage etablierter Prozessparameter ermöglicht es, die Verarbeitungskapazität sehr einfach von kleineren Chargen auf die kommerzielle Produktion im vollen Maßstab zu erhöhen. Die Maßstabsvergrößerung kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschallextraktors oder durch die parallele Kombination mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallextraktor.

Präzise regelbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich präzise regeln und sind damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude gehört zu den entscheidenden Prozessparametern, die die Effizienz und Wirksamkeit der Ultraschallextraktion ätherischer Öle aus Zimt beeinflussen.
Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Boosterhörner sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude in einem noch größeren Bereich verändern lässt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und die für anspruchsvolle Anwendungen erforderliche Ultraschallintensität bereitstellen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb realisieren.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, Ihre Zimtblätter und Zimtrinde unter den wirksamsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für beste Extraktionsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dadurch sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die Ihre Anforderungen an die Extraktion erfüllen.

Einfache, risikofreie Tests

Ultraschallprozesse lassen sich vollständig linear skalieren. Das bedeutet, dass jedes mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielte Ergebnis bei exakt gleichen Prozessparametern mit exakt gleichem Resultat auf einen größeren Maßstab übertragen werden kann. Dies macht die Ultraschallbehandlung ideal für risikofreie Machbarkeitstests, die Prozessoptimierung und die anschließende Umsetzung in der kommerziellen Produktion. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Ultraschallbehandlung Ihre Zimtextraktproduktion steigern kann.

Höchste Qualität – In Deutschland entwickelt und gefertigt

Als familiengeführtes Unternehmen in Familienbesitz setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu Arbeitspferden in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsmischer von Hielscher.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: