הידרודיסטילציה אולטרסונית של שמנים אתריים

המיצוי המקובל של שמנים אתריים יקר וגוזל זמן. סוניקציה מגבירה את המיצוי ומביאה לתפוקות גבוהות יותר ולאיכות תמצית מעולה יותר. ניתן לשלב בקלות את מכשירי הסוניקציה של Hielscher בכל מערכת הידרודיסטילציה מקובלת לשיפור היעילות והאיכות.

הידרודיסטילציה של שמנים אתריים מחומר צמחי

הידרודיסטילציה היא וריאציה של זיקוק בקיטור המשמשת למיצוי תרכובות פיטוכימיות מחומר צמחי. בתהליך זה משרים את החומר הצמחי במים למשך פרק זמן מוגדר, ולאחר מכן מחממים את התערובת. תרכובות נדיפות נישאות עם הקיטור, ולאחר מכן מעובות ומופרדות. זיקוק בקיטור, השיטה שממנה נגזרה ההידרודיסטילציה, משמש בדרך כלל לבידוד שמנים אתריים – למשל, בתעשיית הבשמים.
מאחר שתרכובות אורגניות רבות נוטות להתפרק בחשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות, התעשייה מאמצת יותר ויותר שיטות עיבוד חלופיות ומתונות המניבות תוצאות טובות יותר (איכות מעולה יותר ותפוקות גבוהות יותר). הידרודיסטילציה אולטרסונית היא אחת מהשיטות הללו – שיטת מיצוי מתונה אך יעילה ביותר המשמשת להפקת שמנים אתריים באיכות גבוהה.

אתגרים בהפקה מקובלת של שמנים אתריים

הבעיות בשיטות המיצוי המסורתיות, כגון זיקוק בקיטור, נובעות מהכמויות העצומות של חומר צמחי הנדרשות למיצוי שמנים אתריים בקנה מידה מסחרי. להפקת 1kg (2 1/4 lb) של שמן אתרי מלבנדר נדרשים כ־200kg (440lb) של פרחי לבנדר טריים, להפקת 1kg של שמן ורדים נדרשים בין 2.5 ל־5 טונות מטריות של עלי כותרת של ורדים, ולהפקת 1kg של שמן אתרי מלימון נדרשים כחומר גלם כ־3,000 לימונים. לכן שמנים אתריים יקרים מאוד. מחירו של אבסולוט ורדים הוא כ־20,000€ (21,000US$) לליטר.
כדי להשיג יתרונות מבחינת רווחיות וכושר תחרות, על יצרני שמנים אתריים ליישם שיטות מיצוי יעילות ואפקטיביות יותר. שיטות המיצוי האולטרסוני המועילות עולות על שיטות המיצוי המסורתיות בזכות תנאי מיצוי מתונים, תפוקות גבוהות ואיכות תמצית מעולה יותר. ניתן לבצע סוניקציה כמיצוי מבוסס ממס או כמיצוי ללא ממס. לחלופין, ניתן לשלב מיצוי אולטרסוני באמצעות גשוש במערכות מיצוי נפוצות, כגון מיצוי Soxhlet, מיצוי Clevenger, CO2 במצב סופר־קריטי, הידרודיסטילציה אוהמית וכו׳ (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, הידרודיסטילציה אוהמית אולטרסונית).

Sono-Clevenger עם גשוש אולטרסוני UP200S: מערך הידרודיסטילציה מוגבר באמצעות אולטרסאונד לבידוד יעיל ביותר של שמנים אתריים.
(©Rasouli et al. 2021)

יתרונות השילוב של מיצוי אולטרסוני והידרודיסטילציה

מיצוי והידרודיסטילציה בסיוע אולטרסאונד הם כיום שיטה מבוססת להפקת שמנים אתריים באיכות גבוהה. כשיטת מיצוי שאינה תרמית, סוניקציה מונעת פירוק תרמי של תרכובות רגישות לחום. במקביל, יעילות המיצוי ותפוקות השמנים האתריים עולות במידה ניכרת. להלן היתרונות של הפקת שמנים אתריים באמצעות אולטרסאונד:

1. יעילות מיצוי גבוהה: מיצוי באמצעות מכשיר אולטרסוני בעל גשוש מבודד שמנים אתריים ביעילות רבה יותר משיטות מיצוי מסורתיות, כגון זיקוק בקיטור או מיצוי בממס. הסיבה לכך היא שגלי הקול גורמים לקוויטציה בנוזל, המסייעת בפירוק דופנות התאים של החומר הצמחי ובשחרור כמות גדולה יותר של השמן האתרי.
2. זמן מיצוי קצר יותר: מיצוי אולטרסוני יכול למצות שמנים אתריים בזמן קצר בהרבה משיטות מיצוי מסורתיות. הסיבה לכך היא שגלי הקול העוצמתיים הנוצרים באמצעות גשוש אולטרסוני יכולים לחדור עמוק יותר לתוך החומר הצמחי, לפרק את תאי הצמח ביעילות מעולה יותר, ובכך למצות את השמן האתרי במהירות ובאפקטיביות רבות יותר.
3. איכות משופרת של השמן האתרי: מכיוון שמיצוי אולטרסוני הוא טיפול שאינו תרמי, הוא יכול להפיק שמנים אתריים באיכות גבוהה יותר מזו המתקבלת בשיטות מיצוי מסורתיות. זאת משום שגלים אולטרסוניים יכולים למצות את השמן האתרי בלי לפגוע בתרכובות הארומטיות העדינות המעניקות לשמן את ניחוחו ואת תכונותיו הטיפוליות.
4. יעילות אנרגטית: מיצוי אולטרסוני הוא שיטת מיצוי יעילה מבחינה אנרגטית בהשוואה לשיטות מסורתיות, כגון זיקוק בקיטור, הדורש אנרגיה רבה להפקת קיטור.
5. ידידותיות לסביבה: סוניקציה היא טכניקת מיצוי נקייה וידידותית לסביבה, שכן היא אינה מחייבת שימוש בממסים או בכימיקלים העלולים להזיק לסביבה.

יתרונות אלה הופכים את המיצוי האולטרסוני של שמנים אתריים לטכניקה יעילה ביותר וחסכונית, המציעה יתרונות רבים על פני שיטות מיצוי מסורתיות.

השוואה בין מיצוי בפחמן דו-חמצני סופרקריטי (sCO₂), מיצוי בסיוע אולטרסאונד (UAE), מיצוי בפחמן דו-חמצני סופרקריטי בשילוב טכניקת שינויי לחץ (SCE-PST) ומיצוי סוקסלט מראה כי UAE היא טכניקת המיצוי היעילה והמהירה ביותר.

מחקר מדעי: הידרודיסטילציה אולטרסונית של שמנים אתריים

• חומר הגלם למיצוי: עלים מיובשים של קורנית, מרווה, מליסה רפואית, לבנדר ואורגנו
• תפוקת שמנים אתריים מוגברת: עד 29.58% יותר EO
• זמן עיבוד קצר יותר

מחקר עדכני של Nenciu ועמיתיו (2026) הדגים את היתרונות של הידרודיסטילציה בסיוע אולטרסאונד להפקת שמנים אתריים מקורנית, מרווה, מליסה רפואית, לבנדר ואורגנו. חומר צמחי מיובש עורבב במים, עבר טיפול מקדים באמצעות סוניקטור מסוג גשושית Hielscher UP400St ולאחר מכן זוקק בקיטור. קוויטציה אקוסטית מפרקת רקמות צמחיות ומבנים בלוטיים המכילים שמן, ובכך מקלה על שחרור תרכובות נדיפות לפני הזיקוק. בתנאים המיטביים – חלקיקי ביומסה בגודל 1 cm, הספק אולטרסוני של 150 W ומיצוי במשך 85 דקות – תפוקת השמן האתרי עלתה מ-1.42 ל-1.84% v/w, שיפור של עד 29.58% בהשוואה להידרודיסטילציה קונבנציונלית במשך 120 דקות. אנליזת GC-MS אישרה את נוכחות התרכובות האופייניות לכל שמן, ובהן קרבקרול באורגנו, תימול בקורנית, ציטראל וגראניאל במליסה רפואית, סינאול וקמפור במרווה, ולינלול ולינליל אצטט בלבנדר. התוצאות מראות כי טיפול מקדים אולטרסוני יכול להגדיל את תפוקת השמן האתרי ולקצר את זמן ההידרודיסטילציה, ובכך לשפר את היעילות הכוללת של הפקת שמנים אתריים.

מערכת הידרודיסטילציה בסיוע אולטרסאונד (UAHD): (a) סוניקטור UP400St (b) יחידת הידרודיסטילציה; (c) עיבוי קיטור + מערכת קירור
תמונה ומחקר: Nenciu et al., 2026

תפוקת שמן אתרי גבוהה יותר: מיצוי אולטרסוני לפני הידרודיסטילציה

למיצוי אולטרסוני של שמן אתרי מחומר צמחי (כגון לבנדין, מרווה, הדרים וכו׳), ניתן להשתמש במערכת סוניקציה מסוג גשוש, כגון UIP2000hdT, למיצוי בקנה מידה שולחני, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה של ייצור. ניתן להתקין את מערכת המיצוי כמערכת לעיבוד באצוות או כמערכת לעיבוד בזרימה רציפה.
למיצוי אולטרסוני באצוות מומלץ להשתמש במכל המוקף באמבט מים קרים. אמבט המים מאפשר למנוע עלייה בלתי רצויה בטמפרטורה ואת הפירוק הנובע ממנה. למיצוי שמן אתרי מלבנדין, מבצעים מיצוי של פרחי לבנדר באמצעות, למשל, 2L של מים מזוקקים למשך זמן מיצוי של 30 min. המשרעת האולטרסונית מוגדרת ל-60%. לאחר הטיפול המקדים האולטרסוני, מוציאים את פרח הלבנדר ומבצעים זיקוק קונבנציונלי בקיטור למיצוי השמן האתרי.
במערך המיצוי בזרימה רציפה, המעבד האולטרסוני מצויד בסונוטרודה ובתא זרימה. לצורכי קירור, ריאקטור תא הזרימה מצויד במעטפת קירור. לצורך הטיפול המקדים האולטרסוני, החומר הצמחי שהושרה נשאב דרך תא התגובה, שבו הוא עובר ישירות דרך אזור הקוויטציה. יתרון נוסף של המיצוי האולטרסוני בזרימה רציפה הוא האפשרות להפעיל לחץ בתא התגובה כדי להגביר את השפעת המיצוי.
הטיפול המקדים האולטרסוני לפני ההידרודיסטילציה מגדיל את תפוקת השמנים האתריים הממוצים ומשפר את קצב המיצוי – ובכך מביא לתהליך יעיל יותר בכללותו.

חקר מקרה: הידרודיסטילציה אולטרסונית של שמן אתרי מ-Satureja khuzistanica

Rasouli ואח׳ (2021) חקרו את יעילות המיצוי של שמנים אתריים מצמח המרפא Satureja khuzistanica Jamzad באמצעות השוואה בין הידרודיסטילציה מסורתית לבין מיצוי ב-Clevenger המוגבר באמצעות אולטרסאונד (Sono-Clevenger). הם השוו בין שתי טכניקות המיצוי, הידרודיסטילציה ומיצוי ב-Clevenger אולטרסוני, מבחינת זמן ההפרדה, התפוקה ואיכות השמנים האתריים שהתקבלו. התוצאות מראות כי בעוד שהפרופיל הכימי והתכונות הביולוגיות של השמנים האתריים שהתקבלו הם באיכות גבוהה ודומה בשתי השיטות, שיטת המיצוי האולטרסוני משפרת את יעילות התפוקה של הפרדת השמן האתרי בעד 40%. תמונות ממיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של עלי Satureja שטופלו מגלות פירוק יעיל יותר של דופנות תאי הצמח באמצעות סוניקציה. כתוצאה מכך, נצפה שיפור של כ-40% במיצוי השמן האתרי בהשוואה לשיטת ההידרודיסטילציה הקונבנציונלית.
מחקר זה מחזק את תוצאותיהם של דיווחים רבים אחרים, שבהם נחקר הטיפול המקדים האולטרסוני לפני ההידרודיסטילציה והוכח כי סוניקציה באמצעות גשוש משפרת הן את איכות השמן האתרי והן את כמותו, תוך הפחתת זמן המיצוי וצריכת האנרגיה בהשוואה לטכניקות הקונבנציונליות.
 

השוואת תפוקת המיצוי כתלות בזמן עבור הידרודיסטילציה ושיטת sono-clevenger: מיצוי אולטרסוני של שמן אתרי באמצעות Sono-Clevenger מניב תפוקות גבוהות יותר של שמן אתרי בזמן מיצוי קצר יותר.
(©Rasouli et al. 2021)

תמונות SEM של עלי Satureja: (A) לאחר הידרודיסטילציה במשך 4 שעות, ו-(B) לאחר טיפול sono-clevenger במשך 60 min. הטיפול הקצר יותר ב-Sono-Clevenger מביא לפירוק תאים טוב יותר ובכך לתפוקות גבוהות יותר של שמן אתרי.
(©Rasouli et al. 2021)

מערכות מיצוי אולטרסוניות להידרודיסטילציה של שמנים אתריים

ממצי האולטרסאונד רב־העוצמה של Hielscher זמינים להתקנה במערכות שולחניות, במתקני פיילוט ובמפעלים תעשייתיים. המעבדים האולטרסוניים שלנו ניתנים לבקרה מדויקת ויכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד (עד 200µm במכשירים אולטרסוניים תעשייתיים, ואמפליטודות גבוהות יותר לפי בקשה) ליצירת שדה אקוסטי עז. כל המכשירים האולטרסוניים שלנו, ממערכות מעבדה ועד מערכות תעשייתיות, בנויים לפעולה 24/7 בתנאי עבודה תובעניים.
ניתן לבדוק את הממצים האולטרסוניים של Hielscher בקנה מידה שולחני לצורך בדיקות היתכנות ואופטימיזציה של התהליך. לאחר מכן ניתן להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של כל תוצאות התהליך עד לייצור תעשייתי מלא. ניסיוננו הרב בעיבוד אולטרסוני מאפשר לנו לייעץ ללקוחותינו ולסייע להם מהבדיקות הראשונות ומאופטימיזציית התהליך ועד ליישום תפעול תעשייתי יעיל ביותר.
בקרו במעבדה הטכנית ובמרכז התהליכים שלנו כדי להכיר את יכולותיהן של המערכות האולטרסוניות של Hielscher!
המערכות האולטרסוניות העמידות שלנו מתאימות לסוניקציה במנות ובזרימה רציפה בקו. לייצור שמנים אתריים ניתן להשיג שילוב סינרגטי באמצעות התקנת גשוש אולטרסוני במערכת הידרודיסטילציה קונבנציונלית. ניתן גם לשדרג בקלות קווי ייצור קיימים.

הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

עקרון הפעולה של מיצוי אולטרסוני של שמנים אתריים

הוכח כי מיצוי אולטרסוני מגדיל את תפוקת המיצוי ומפחית את צריכת האנרגיה. עקרון הפעולה של מיצוי אולטרסוני הוא קריסת בועות הנוצרת עקב קוויטציה אולטרסונית. קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית יוצרת מיקרו־סילוני נוזל ההורסים את הבלוטות המכילות ליפידים ברקמת הצמח. כך משתפר מעבר המסה בין התא לממס והשמן האתרי משתחרר. יתרון מרכזי של הממצים האולטרסוניים המודרניים של ימינו הוא הבקרה המדויקת על פרמטרי התפעול (למשל עוצמה אולטרסונית, טמפרטורה, זמן טיפול, לחץ, זמן שהייה וכו'). תפוקה מוגברת של שמנים אתריים, לצד פירוק תרמי מופחת, איכות גבוהה ופרופיל ארומה וטעם טוב, הוכחו מדעית (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
בעוד ששיטות מיצוי מודרניות אחרות מציעות יכולת מוגבלת בלבד להגדלת קנה המידה לייצור תעשייתי, היכולת להגדיל את קנה המידה של המיצוי האולטרסוני לרמה תעשייתית כבר הוכחה. לדוגמה, תפוקת המיצוי של שמנים אתריים מפירות הדר יפניים הוגדלה ב־44% בהשוואה לשיטות המיצוי המסורתיות (Mason et al. 2011).

ספרות / מקורות

• 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.