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Hidrodestilación ultrasónica de aceites esenciales

  • La extracción convencional de aceites esenciales es cara y requiere mucho tiempo.
  • La extracción ultrasónica proporciona un mayor rendimiento y una calidad superior del extracto.
  • Los ultrasonidos pueden llevarse a cabo como método de extracción con disolventes o con agua. Alternativamente, la sonicación puede combinarse con los sistemas de extracción tradicionales para mejorar la eficacia y la calidad.

Hidrodestilación de extractos botánicos

La extracción por ultrasonidos es una técnica muy eficaz para producir altos rendimientos de extractos botánicos como los aceites esenciales.La hidrodestilación es una variante de la destilación por vapor. Para la extracción por hidrodestilación, el material vegetal se remoja durante algún tiempo en agua, después de lo cual la mezcla se calienta y los materiales volátiles son arrastrados por el vapor, condensados y separados. Es un proceso de extracción común para separar los compuestos fitoquímicos del material vegetal. La destilación al vapor es una técnica habitual para aislar aceites esenciales, por ejemplo, para perfumería.
Dado que muchos compuestos orgánicos tienden a descomponerse a altas temperaturas sostenidas, la industria está dando un paso adelante para utilizar métodos de procesamiento suaves alternativos, que ofrecen mejores resultados de extracción (calidad superior, mayor rendimiento). La hidrodestilación ultrasónica es una técnica de extracción suave, pero muy eficaz, que se utiliza para producir aceites esenciales de alta calidad.

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Los aceites esenciales pueden producirse eficazmente a partir de plantas mediante hidrodestilación asistida por ultrasonidos.

La extracción ultrasónica y la hidrodestilación ultrasónica mejoran significativamente la producción de aceites esenciales.

En este vídeo se muestra la extracción por ultrasonidos del lúpulo (humulus lupulus). Con el ultrasonicador UP200Ht se extrae cariofileno y otros compuestos.

Extracción ultrasónica del lúpulo con UP200Ht con sonda S2614

Vídeo en miniatura

 

Retos de la producción convencional de aceites esenciales

Los problemas de las técnicas de extracción tradicionales, como la destilación al vapor, radican en las enormes cantidades de material vegetal que se necesitan para extraer aceites esenciales a escala comercial. Para 1 kg de aceite esencial de lavanda se necesitan aproximadamente 200 kg de flores frescas de lavanda, para 1 kg de aceite de rosa se necesitan entre 2,5 y 5 toneladas métricas de pétalos de rosa y para 1 kg de aceite esencial de limón la materia prima consiste en aproximadamente 3.000 limones. Por lo tanto, los aceites esenciales son muy caros. En el caso del absoluto de rosa, el precio ronda los 20.000 euros (21.000 dólares estadounidenses) por litro.
Para obtener ventajas en cuanto a rentabilidad y competitividad, los productores de aceites esenciales deben aplicar métodos de extracción más eficientes y eficaces. Las técnicas favorables de extracción por ultrasonidos superan a los métodos de extracción tradicionales por sus condiciones de extracción suaves, sus altos rendimientos y la calidad superior del extracto. La sonicación puede realizarse como extracción con o sin disolventes. Alternativamente, la extracción por ultrasonidos puede combinarse con los sistemas de extracción habituales, por ejemplo Extracción Soxhletextracción de Clevenger, CO2 supercrítico, hidrodestilación óhmica, etc. (Sono-SoxhletSono-Clevenger, Sono-scCO2, hidrodestilación óhmica ultrasónica).

Ventajas de la extracción por ultrasonidos y de la hidrodestilación

La extracción e hidrodestilación asistida por ultrasonidos es hoy en día una técnica consolidada para la producción de aceites esenciales de alta calidad. Como técnica de extracción no térmica, la sonicación evita la degradación térmica de los compuestos termosensibles. Al mismo tiempo, aumenta significativamente la eficacia de la extracción y el rendimiento de los aceites esenciales. Descubra a continuación las ventajas de la producción de aceites esenciales por ultrasonidos:

  1. Alta eficacia de extracción: La extracción mediante un ultrasonido con sonda aísla los aceites esenciales de forma más eficaz que los métodos de extracción tradicionales, como la destilación al vapor o la extracción con disolventes. Esto se debe a que las ondas sonoras provocan cavitación en el líquido, lo que ayuda a romper las paredes celulares del material vegetal y liberar más cantidad de aceite esencial.
  2. Menor tiempo de extracción: La extracción por ultrasonidos permite extraer aceites esenciales en mucho menos tiempo que los métodos de extracción tradicionales. Esto se debe a que las intensas ondas sonoras generadas por una sonda ultrasónica pueden penetrar más profundamente en el material vegetal, alterar la célula vegetal con una eficacia superior y, por tanto, extraer el aceite esencial de forma más rápida y eficaz.
  3. Mejora de la calidad del aceite esencial: Como la extracción por ultrasonidos es un tratamiento no térmico, puede producir aceites esenciales de mayor calidad que los métodos de extracción tradicionales. Esto se debe a que las ondas ultrasónicas pueden extraer el aceite esencial sin dañar los delicados compuestos aromáticos que confieren al aceite su fragancia y sus propiedades terapéuticas.
  4. Eficiencia energética: La extracción por ultrasonidos es un método de extracción energéticamente eficiente en comparación con los métodos tradicionales, como la destilación por vapor, que requiere mucha energía para producir vapor.
  5. Respetuoso con el medio ambiente: La ultrasonicación es una técnica de extracción limpia y respetuosa con el medio ambiente, ya que no requiere el uso de disolventes o productos químicos, que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.

Estos beneficios convierten la extracción ultrasónica de aceites esenciales en una técnica muy eficaz y económica que ofrece muchas ventajas sobre los métodos de extracción tradicionales.

La extracción ultrasónica es significativamente más eficaz y rápida que otras técnicas de extracción alternativas, como la extracción con dióxido de carbono supercrítico (SCO2) y la extracción Soxhlet.

La extracción por ultrasonidos requiere muy poco tiempo y genera los mejores rendimientos de extracción. La comparación entre la extracción con dióxido de carbono supercrítico (sCO2), la extracción asistida por ultrasonidos (EAU), la extracción con dióxido de carbono supercrítico combinada con la técnica de oscilación de presión (SCE-PST) y la extracción Soxhlet muestra que la EAU es la técnica de extracción más eficaz y rápida.

Principio de funcionamiento de la extracción ultrasónica de aceites esenciales

La ultrasonicación puede aplicarse para la extracción eficaz de aceites esenciales. Las ondas ultrasónicas aíslan eficazmente los compuestos bioactivos, incluidos los aceites esenciales volátiles.Se ha demostrado que la extracción por ultrasonidos proporciona mayores rendimientos de extracción y reduce el consumo de energía. El principio de funcionamiento de la extracción por ultrasonidos es la implosión de burbujas generada por la cavitación ultrasónica. La cavitación ultrasónica / acústica genera microchorros de líquido que destruyen las glándulas que contienen lípidos en el tejido vegetal. De este modo, se mejora la transferencia de masa entre la célula y el disolvente y se libera el aceite esencial. Una gran ventaja de los modernos extractores ultrasónicos actuales es el control preciso de los parámetros de funcionamiento (por ejemplo, intensidad ultrasónica, temperatura, tiempo de tratamiento, presión, tiempo de retención, etc.). El aumento del rendimiento de los aceites esenciales, así como una menor degradación térmica, una alta calidad y un buen perfil de aroma y sabor están científicamente demostrados. (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Mientras que otras técnicas modernas de extracción sólo ofrecen una capacidad limitada para su ampliación a la producción industrial, la potencia de la extracción ultrasónica para su ampliación a nivel industrial ya está demostrada. Por ejemplo, el rendimiento de la extracción de aceites esenciales de cítricos japoneses aumentó un 44% en comparación con los métodos de extracción tradicionales. (Mason et al. 2011).

Sono-Clevenger para la extracción de aceites esenciales. Imagen de Pingret et al., 2014.

Clevenger con Ultrasonidos UP200Ht
(©Pingret et al., 2014)

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Proceso ultrasónico por lotes para la extracción de hierbas utilizando el sonicador UP400S

Extracción ultrasónica e hidrodestilación

 

El vídeo muestra un proceso de extracción con el sonicador de sonda UP400St de Hielscher para la extracción de romero cortado y seco en una mezcla de agua y etanol a bajas temperaturas. El UP400St de Hielscher es un procesador ultrasónico de alto rendimiento diseñado para diversas aplicaciones, como la preparación de muestras y los procesos de extracción.

Extracción de romero con un homogeneizador ultrasónico UP400St

Vídeo en miniatura

 

Pretratamiento ultrasónico para la extracción de aceites esenciales

Para la extracción por ultrasonidos de aceite esencial a partir de material vegetal (por ejemplo, lavandín, salvia, cítricos, etc.), se puede utilizar un sistema de sonicación tipo sonda como el UIP2000hdT para la extracción a escala de banco, piloto y de producción. El sistema de extracción puede configurarse como un sistema por lotes o en línea.
Para la extracción por lotes con ultrasonidos, se recomienda un recipiente con un baño de agua fría alrededor. El baño de agua permite evitar un aumento indeseado de la temperatura y la degradación resultante. Para la extracción del aceite esencial de lavandín, las flores de lavanda se extraen con, por ejemplo, 2 litros de agua destilada durante un tiempo de extracción de 30 minutos. La amplitud ultrasónica se ajusta al 60%. Tras el pretratamiento ultrasónico, se retira la flor de lavanda y se realiza una destilación al vapor convencional para extraer el aceite esencial.
Para la extracción en línea, el procesador ultrasónico está equipado con un sonotrodo y una célula de flujo. Para la refrigeración, el reactor de la célula de flujo está equipado con una camisa de refrigeración. Para el pretratamiento ultrasónico, el material vegetal macerado se bombea a través de la cámara de reacción, donde pasa directamente por la zona de cavitación. Otra ventaja de la extracción ultrasónica en línea es la posibilidad de presurizar la cámara de reacción para aumentar el efecto de extracción.
El pretratamiento ultrasónico antes de la hidrodestilación aumenta el rendimiento de los aceites esenciales extraídos y mejora la tasa de extracción – El resultado es un procedimiento más eficaz.

Los aceites esenciales pueden extraerse eficazmente por sonicación
 

Ventajas de la extracción por ultrasonidos y de la hidrodestilación

  • Rápida & extracción eficaz
  • Proceso suave no térmico
  • Extractos de alta calidad
  • alto rendimiento
  • Espectro aromático completo
  • Menos materia prima
  • Extracción verde
Instalación de hidrodestilación por ultrasonidos compuesta por la sonda de ultrasonidos UP200S de Hielscher y una instalación de destilación. Este sistema de extracción se conoce como Sono-Clevenger.

Sono-Clevenger con sonda ultrasónica UP200S: Un sistema de hidrodestilación intensificada por ultrasonidos para el aislamiento altamente eficaz de aceites esenciales.
(©Rasouli et al. 2021)

Estudio de Caso: Hidrodestilación ultrasónica del aceite esencial de Satureja khuzistanica

Rasouli et al. (2021) investigaron la eficacia de la extracción de aceites esenciales de la planta herbácea Satureja khuzistanica Jamzad comparando la hidrodestilación tradicional y la Clevenger intensificada por ultrasonidos (Sono-Clevenger). Se compararon ambas técnicas de extracción, hidrodestilación y Clevenger ultrasónico, en cuanto a tiempo de aislamiento, rendimiento y calidad de los aceites esenciales obtenidos. Los resultados muestran que, si bien el perfil químico y las propiedades biológicas de los aceites esenciales obtenidos son ambos de alta calidad comparable, el método de extracción por ultrasonidos mejora la eficacia del rendimiento del aislamiento del aceite esencial hasta en un 40%. Las imágenes de micrografía electrónica de barrido (SEM) de las hojas de Satureja tratadas revelan una disrupción más eficaz de las paredes celulares de la planta por ultrasonidos. Como resultado, se observó una mejora en la extracción de aceite esencial de alrededor del 40% en comparación con la metodología de hidrodestilación convencional.
Este estudio subraya los resultados de muchos otros informes, en los que se ha investigado el pretratamiento ultrasónico antes de la hidrodestilación y se ha demostrado que la ultrasonicación tipo sonda mejora tanto la calidad como la cantidad del aceite esencial, al tiempo que disminuye el tiempo de extracción y el consumo de energía en comparación con las técnicas convencionales.
 

Sono-Clevenger es el método de hidrodestilación intensificado por ultrasonidos, que proporciona mayores rendimientos de aceite esencial en un tiempo de procesamiento más corto.

La comparación del rendimiento de extracción en función del tiempo para la hidrodestilación y el método sono-clevenger: La extracción ultrasónica de aceite esencial con un Sono-Clevenger proporciona mayores rendimientos de aceite esencial en un tiempo de extracción más corto.
(©Rasouli et al. 2021)

 
 

Hojas de Satureja hidrodestilación vs ultrasonidos Sono Clevenger

SEM de hojas de Satureja: (A) tras hidrodestilación durante 4 horas, y (B) tras tratamiento con sono-clevenger durante 60 min. El tratamiento Sono-Clevenger más corto proporciona una mejor disrupción celular y, por tanto, mayores rendimientos de aceite esencial.
(©Rasouli et al. 2021)

 

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Extractores ultrasónicos para la hidrodestilación de aceites esenciales

Los extractores por ultrasonidos de potencia de Hielscher están disponibles para instalaciones de sobremesa, plantas piloto y plantas industriales. Nuestros procesadores de ultrasonidos se controlan con precisión y pueden suministrar amplitudes muy elevadas (hasta 200 µm en el caso de los ultrasonidos industriales, amplitudes superiores bajo pedido) para generar un campo acústico intenso. Todos nuestros dispositivos de ultrasonidos, desde los de laboratorio hasta los sistemas industriales, están fabricados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, en condiciones de uso intensivo.
Los extractores ultrasónicos de Hielscher pueden probarse a escala de banco para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. Posteriormente, todos los resultados del proceso pueden escalarse linealmente hasta la plena producción industrial. Nuestra larga experiencia en el procesamiento por ultrasonidos nos permite asesorar y ayudar a nuestros clientes desde las primeras pruebas y la optimización del proceso hasta la puesta en marcha de una operación industrial altamente eficiente.
Visite nuestro laboratorio técnico y centro de procesos para explorar las capacidades de los sistemas de ultrasonidos de Hielscher.
Nuestros robustos sistemas ultrasónicos pueden utilizarse para la sonicación por lotes y en línea. Para la producción de aceites esenciales, se puede lograr una combinación sinérgica instalando una sonda ultrasónica en una instalación de hidrodestilación convencional. También se pueden reequipar fácilmente las líneas de producción existentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
15 a 150L De 3 a 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Un Soxhlet en combinación con ultrasonidos da como resultado un alto rendimiento y un reducido tiempo de extracción (clic para ampliar)

Configuración Sono-Soxhlet utilizando el sonicador UP200Ht para mejorar los resultados de extracción
(©Djenni, et al., 2012)



Literatura / Referencias

Información interesante

Extraído con éxito por ultrasonidos

Se ha demostrado que con la extracción ultrasónica se obtienen mejores resultados de extracción. La extracción ultrasónica proporciona mayores rendimientos, extractos de alta calidad con un perfil completo de compuestos / aromas y un espectro completo de sabores.
hierbas & hojas: hierbabuena, menta, stevia, cannabislúpulo, albahaca, tomillo, pimienta, orégano, salvia, hinojo, perejil y eucalipto, Oliva, té verde, té negro, boldotabaco, menta, mejorana, etc.
Flores (attars): Rosa, lavanda, ylang-ylang, jazmín, pachulí, nardo, mimosa, etc.
Frutas: naranja, cítricos, limón, frambuesa, tomate, manzana, arándano, arándanos, mandarina, uvas, Olivaazufaifo, etc.
Especias: azafráncilantro, jengibrelaurel, nuez moscada, canela, cúrcuma, vainilla, clavo, nuez moscada, macis, etc.
madera & corteza: madera de agar, roble, sándalo, cedro, pino, canela, etc.

Los extractos botánicos contienen todo el espectro de compuestos activos y fitoquímicos, de modo que el aceite esencial contiene lípidos, terpenos y terpenoides, fenoles, alcaloides, flavonoides, compuestos carbonílicos, antioxidantes, vitaminas, pigmentos, enzimas, etc.
Ejemplos de moléculas extraídas: monoterpenos y monoterpeneoides, sesquiterpenos, limoneno, carvona, a-pineno, limoneno, 1,8-cineol, cis-ocimeno, trans-ocimeno, 3-octanona, beta-caroteno, α-pineno, alcanfor, canfeno, β-pineno, mirceno, paracimeno, limoneno, γ-terpineno, linalool, mirtenol, mirtenal, carvona.
Los aceites esenciales muestran efectos antioxidantes y antimicrobianos, lo que los convierte, además de en su aroma y sabor, en un ingrediente beneficioso también para productos alimenticios y médicos.
Los aceites esenciales, por ejemplo, de lavanda, menta y eucalipto, se producen principalmente por destilación al vapor. La materia prima vegetal, como flores, hojas, madera, corteza, raíces, semillas y cáscaras, se extrae por destilación al agua mientras se remoja y se hierve con agua en un aparato de destilación.

hidrodestilación

Para la hidrodestilación, se diferencian dos formas: la destilación por agua y la destilación por vapor.
Para el aislamiento de los aceites esenciales por destilación acuosa, el material vegetal se introduce en agua para hervirlo. Para la destilación por vapor, se inyecta vapor en/a través del material vegetal. Debido a la influencia del agua caliente y del vapor, el aceite esencial se libera de las glándulas lipídicas del tejido vegetal. El vapor de agua que se evapora transporta el aceite fuera del material vegetal. Después, el vapor se condensa en un condensador mediante enfriamiento indirecto con agua. Del condensador, el extracto destilado (aceite esencial) pasa a un separador, donde el aceite se separa automáticamente del agua destilada.

extracción con disolventes

Debido a su eficacia, la mayoría de los aceites esenciales, por ejemplo para la industria de perfumes y fragancias, se producen por extracción con disolventes, utilizando disolventes volátiles, por ejemplo hexano, cloruro de dimetileno o éter de petróleo. La principal ventaja de la extracción con disolventes frente a la destilación es que se puede mantener una temperatura uniforme (aprox. 50°C) durante el proceso. Dado que las temperaturas más elevadas provocan la degradación de los compuestos de los aceites esenciales, los aceites extraídos con disolventes se caracterizan por una mayor integridad de sus compuestos volátiles y un olor más natural.
CO supercrítico2 también ha demostrado ser un excelente disolvente orgánico, por lo que es otro método alternativo para la extracción de aceites aromáticos de productos botánicos.

Disolventes de extracción

Entre los disolventes orgánicos tradicionales para la extracción se encuentran el benceno, el tolueno, el hexano, el éter dimetílico, el éter de petróleo, el cloruro de dimetileno, el acetato de etilo, la acetona o el etanol.
El etanol se utiliza para extraer compuestos aromáticos de materiales vegetales secos, así como de aceites impuros o concretos que se han producido en primer lugar mediante extracción con disolventes orgánicos, expresión o enfluoración. Los extractos de etanol a partir de materiales secos se conocen como tinturas. Las tinturas no deben confundirse con los lavados con etanol, que se llevan a cabo para purificar aceites y concretos con el fin de obtener absolutos.
Cuando se utiliza agua como fluido de extracción, el proceso se denomina extracción sin disolventes.

aceites esenciales

Los aceites esenciales se producen por extracción a partir de material vegetal. Como materia prima pueden utilizarse diversos tipos de partes de plantas, por ejemplo, flores (como rosa, jazmín, clavel, clavo, mimosa, romero, lavanda), hojas (como menta, Ocimum spp, hierba limón, jamrosa), hojas y tallos (p. ej., geranio, pachulí, petitgrain, verbena, canela), corteza (p. ej., canela, casia, canella), madera (p. ej., cedro, sándalo, pino), raíces (p. ej., angélica, sasafrás, vetiver, saussurea, valeriana), semillas (p. ej., hinojo, cilantro, clavo, mimosa, romero, lavanda).p. ej. hinojo, cilantro, alcaravea, eneldo, nuez moscada), frutos (bergamota, naranja, limón, enebro), rizomas (p. ej. jengibre, cálamo, cúrcuma, lirio) y gomas o exudados oleorresinosos (p. ej. bálsamo del Perú, Myroxylon balsamum, storax, mirra, benjuí).

Concreto y absoluto

Hormigón es el término para la masa semisólida que se obtiene mediante la extracción con disolventes de material vegetal fresco. El material vegetal fresco se extrae principalmente con disolventes no polares, como benceno, tolueno, hexano o éter de petróleo. Tras el proceso de extracción, el disolvente se evapora, de modo que se obtiene un residuo semisólido de aceites esenciales, ceras, resinas y otros fitoquímicos lipofílicos (hidrofóbicos). Este es el llamado hormigón.
Para obtener un absoluto a partir del hormigón, éste debe tratarse con un alcohol fuerte en el que puedan disolverse determinados componentes.

Producción ultrasónica de nanoemulsiones

El interés por utilizar nanoemulsiones como sistemas de administración de ingredientes alimentarios lipofílicos y como portadores de compuestos activos en productos farmacéuticos y cosméticos está aumentando considerablemente debido a su gran claridad óptica, su buena estabilidad física y su capacidad para aumentar la biodisponibilidad. Ultrasonidos Emulsificar prepara microemulsiones y nanoemulsiones estables que garantizan los mejores resultados en el producto final.
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.

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