Ēterisko eļļu ultraskaņas hidrodestilācija

Tradicionālā ēterisko eļļu ekstrakcija ir dārga un laikietilpīga. Apstrāde ar ultraskaņu intensificē ekstrakciju, nodrošinot lielāku iznākumu un augstāku ekstrakta kvalitāti. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces var viegli integrēt jebkurā tradicionālā hidrodestilācijas sistēmā, lai uzlabotu efektivitāti un kvalitāti.

Ēterisko eļļu hidrodestilācija no augu materiāla

Hidrodestilācija ir tvaika destilācijas paveids, ko izmanto fitoķīmisko savienojumu ekstrakcijai no augu materiāla. Šajā procesā augu materiālu noteiktu laiku mērcē ūdenī, pēc tam maisījumu karsē. Gaistošie savienojumi tiek aiznesti ar tvaiku, pēc tam kondensēti un atdalīti. Tvaika destilāciju, no kuras šī metode ir atvasināta, plaši izmanto ēterisko eļļu izdalīšanai – piemēram, parfimērijā.
Tā kā daudzi organiskie savienojumi ilgstoši augstā temperatūrā mēdz sadalīties, rūpniecībā arvien biežāk izmanto saudzīgas alternatīvas apstrādes metodes, kas nodrošina labākus rezultātus (augstāku kvalitāti un lielāku iznākumu). Ultraskaņas hidrodestilācija ir viena no šādām metodēm – saudzīga, taču ļoti efektīva ekstrakcijas metode, ko izmanto augstas kvalitātes ēterisko eļļu ražošanai.

Tradicionālās ēterisko eļļu ražošanas problēmas

Tradicionālo ekstrakcijas metožu, piemēram, tvaika destilācijas, problēma ir milzīgais augu materiāla daudzums, kas nepieciešams ēterisko eļļu ekstrakcijai komerciālā mērogā. Lai iegūtu 1kg (2 1/4 lb) lavandas ēteriskās eļļas, nepieciešami aptuveni 200kg (440lb) svaigu lavandas ziedu, 1kg rožu eļļas iegūšanai nepieciešamas 2,5 līdz 5 metriskās tonnas rožu ziedlapu, bet 1kg citrona ēteriskās eļļas iegūšanai kā izejviela nepieciešami aptuveni 3 000 citronu. Tāpēc ēteriskās eļļas ir ļoti dārgas. Rožu absolūta cena ir aptuveni 20 000€ (21,000US$) par litru.
Lai iegūtu priekšrocības rentabilitātes un konkurētspējas ziņā, ēterisko eļļu ražotājiem jāievieš efektīvākas un iedarbīgākas ekstrakcijas metodes. Ultraskaņas ekstrakcijas izdevīgās metodes pārspēj tradicionālās ekstrakcijas metodes ar saudzīgiem ekstrakcijas apstākļiem, lielu iznākumu un augstāku ekstrakta kvalitāti. Apstrādi ar ultraskaņu var veikt gan ekstrakcijā ar šķīdinātāju, gan ekstrakcijā bez šķīdinātāja. Alternatīvi ekstrakciju ar ultraskaņas zondi var kombinēt ar parastajām ekstrakcijas sistēmām, piemēram, Soksleta ekstrakciju, ekstrakciju Clevenger aparātā, superkritisko CO2, omisko hidrodestilāciju utt. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ultraskaņas omiskā hidrodestilācija).

Sono-Clevenger ar ultraskaņas zondi UP200S: ar ultraskaņu intensificēta hidrodestilācijas iekārta ļoti efektīvai ēterisko eļļu izdalīšanai.
(©Rasouli et al. 2021)

Ultraskaņas ekstrakcijas un hidrodestilācijas apvienošanas priekšrocības

Ultraskaņas asistēta ekstrakcija un hidrodestilācija mūsdienās ir nostiprinājusies metode augstas kvalitātes ēterisko eļļu ražošanai. Kā netermiska ekstrakcijas metode apstrāde ar ultraskaņu novērš siltumjutīgu savienojumu termisko noārdīšanos. Vienlaikus būtiski palielinās ekstrakcijas efektivitāte un ēterisko eļļu iznākums. Tālāk ir aprakstītas ēterisko eļļu ražošanas ar ultraskaņu priekšrocības:

1. Augsta ekstrakcijas efektivitāte: Ekstrakcijā ar zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci ēteriskās eļļas tiek izdalītas efektīvāk nekā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm, piemēram, tvaika destilāciju vai ekstrakciju ar šķīdinātāju. Tas ir tāpēc, ka skaņas viļņi šķidrumā izraisa kavitāciju, kas palīdz sagraut augu materiāla šūnu sieniņas un atbrīvot vairāk ēteriskās eļļas.
2. Īsāks ekstrakcijas laiks: Ar ultraskaņas ekstrakciju ēteriskās eļļas var ekstrahēt daudz īsākā laikā nekā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm. Tas ir tāpēc, ka ultraskaņas zondes radītie intensīvie skaņas viļņi var iespiesties dziļāk augu materiālā, efektīvāk sagraut augu šūnas un tādējādi ātrāk un iedarbīgāk ekstrahēt ēterisko eļļu.
3. Uzlabota ēteriskās eļļas kvalitāte: Tā kā ekstrakcija ar ultraskaņu ir netermiska apstrāde, ar to var iegūt augstākas kvalitātes ēteriskās eļļas nekā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm. Tas ir tāpēc, ka ultraskaņas viļņi var ekstrahēt ēterisko eļļu, nebojājot jutīgos aromātiskos savienojumus, kas piešķir eļļai smaržu un terapeitiskās īpašības.
4. Energoefektivitāte: Ekstrakcija ar ultraskaņu ir energoefektīva ekstrakcijas metode salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm, piemēram, destilāciju ar ūdens tvaiku, kurā tvaika ražošanai nepieciešams daudz enerģijas.
5. Videi draudzīga metode: Apstrāde ar ultraskaņu ir tīra un videi draudzīga ekstrakcijas metode, jo tai nav nepieciešami šķīdinātāji vai ķīmiskas vielas, kas var kaitēt videi.

Šīs priekšrocības padara ēterisko eļļu ekstrakciju ar ultraskaņu par ļoti efektīvu un ekonomisku metodi, kas piedāvā daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm.

Superkritiskā oglekļa dioksīda (sCO₂), ar ultraskaņu veicinātas ekstrakcijas (UAE), superkritiskās oglekļa dioksīda ekstrakcijas apvienojumā ar spiediena maiņas metodi (SCE-PST) un Soksleta ekstrakcijas salīdzinājums rāda, ka UAE ir visefektīvākā un ātrākā ekstrakcijas metode.

Zinātnisks pētījums: ēterisko eļļu hidrodestilācija ar ultraskaņu

• Ekstrakcijas izejviela: Kaltētas timiāna, salvijas, melisas, lavandas un raudenes lapas
• Palielināts ēterisko eļļu iznākums: līdz pat 29,58% vairāk EO
• Īsāks apstrādes laiks

Nesen veikts Nenciu et al. (2026) pētījums parādīja ar ultraskaņu veicinātas hidrodestilācijas priekšrocības ēterisko eļļu iegūšanā no timiāna, salvijas, melisas, lavandas un raudenes. Kaltēts augu materiāls tika sajaukts ar ūdeni, iepriekš apstrādāts ar Hielscher UP400St zondes tipa sonikatoru un pēc tam destilēts ar ūdens tvaiku. Akustiskā kavitācija sagrauj augu audus un eļļu saturošās dziedzeru struktūras, veicinot gaistošo savienojumu izdalīšanos pirms destilācijas. Optimizētos apstākļos – 1 cm liela izmēra biomasas daļiņas, 150 W ultraskaņas jauda un 85 minūšu ekstrakcija – ēteriskās eļļas iznākums palielinājās no 1,42 līdz 1,84% v/w, kas ir pieaugums līdz pat 29,58% salīdzinājumā ar parasto 120 minūšu hidrodestilāciju. GC-MS analīze apstiprināja katrai eļļai raksturīgos savienojumus, tostarp karvakrolu raudenē, timolu timiānā, citrālu un geraniālu melisā, cineolu un kamparu salvijā, kā arī linalolu un linalilacetātu lavandā. Rezultāti rāda, ka iepriekšēja apstrāde ar ultraskaņu var palielināt ēteriskās eļļas iznākumu un saīsināt hidrodestilācijas laiku, tādējādi uzlabojot ēterisko eļļu ražošanas kopējo efektivitāti.

Ar ultraskaņu veicinātas hidrodestilācijas (UAHD) iekārta: (a) sonikators UP400St (b) hidrodestilācijas bloks; (c) tvaika kondensācijas + dzesēšanas sistēma
Attēls un pētījums: Nenciu et al., 2026

Lielāks ēteriskās eļļas iznākums: ekstrakcija ar ultraskaņu pirms hidrodestilācijas

Ēteriskās eļļas ekstrakcijai no augu materiāla (piemēram, lavandīna, salvijas, citrusaugiem u. c.) ar ultraskaņu var izmantot zondes tipa ultraskaņas apstrādes sistēmu, piemēram, UIP2000hdT, lai veiktu ekstrakciju galda iekārtu, pilotiekārtu un ražošanas mērogā. Ekstrakcijas sistēmu var izveidot kā porciju vai caurplūdes sistēmu.
Ekstrakcijai ar ultraskaņu porciju režīmā ieteicams izmantot trauku, kuru aptver auksta ūdens vanna. Ūdens vanna ļauj izvairīties no nevēlamas temperatūras paaugstināšanās un tās izraisītas noārdīšanās. Lavandīna ēteriskās eļļas ekstrakcijai lavandas ziedus ekstrahē, piemēram, ar 2L destilēta ūdens, un ekstrakcijas ilgums ir 30 min. Ultraskaņas amplitūdu iestata uz 60%. Pēc priekšapstrādes ar ultraskaņu lavandas ziedus izņem un veic parasto destilāciju ar tvaiku, lai iegūtu ēterisko eļļu.
Caurplūdes ekstrakcijas sistēmā ultraskaņas procesors ir aprīkots ar sonotrodi un plūsmas šūnu. Dzesēšanai plūsmas šūnas reaktors ir aprīkots ar dzesēšanas apvalku. Priekšapstrādei ar ultraskaņu macerēto augu materiālu sūknē caur reakcijas kameru, kur tas plūst tieši caur kavitācijas zonu. Vēl viena ekstrakcijas ar ultraskaņu caurplūdes režīmā priekšrocība ir iespēja paaugstināt spiedienu reakcijas kamerā, lai pastiprinātu ekstrakcijas efektu.
Priekšapstrāde ar ultraskaņu pirms hidrodestilācijas palielina ekstrahēto ēterisko eļļu iznākumu un uzlabo ekstrakcijas ātrumu – tādējādi padarot visu procesu efektīvāku.

Gadījuma izpēte: Satureja khuzistanica ēteriskās eļļas hidrodestilācija ar ultraskaņu

Rasouli et al. (2021) pētīja ēterisko eļļu ekstrakcijas efektivitāti no ārstniecības auga Satureja khuzistanica Jamzad, salīdzinot tradicionālo hidrodestilāciju un ar ultraskaņu intensificētu ekstrakciju Klevendžera aparātā (Sono-Clevenger). Viņi salīdzināja abas ekstrakcijas metodes – hidrodestilāciju un ekstrakciju Klevendžera aparātā ar ultraskaņu –, vērtējot iegūto ēterisko eļļu izdalīšanas laiku, iznākumu un kvalitāti. Rezultāti liecina, ka, lai gan iegūto ēterisko eļļu ķīmiskais profils un bioloģiskās īpašības abos gadījumos ir salīdzināmi augstā kvalitātē, ekstrakcijas metode ar ultraskaņu palielina ēterisko eļļu izdalīšanas iznākuma efektivitāti līdz pat 40%. Apstrādāto Satureja lapu skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli atklāj efektīvāku augu šūnu sieniņu sagraušanu, izmantojot ultraskaņu. Rezultātā tika novērots ēterisko eļļu ekstrakcijas uzlabojums par aptuveni 40% salīdzinājumā ar parasto hidrodestilācijas metodi.
Šis pētījums apstiprina daudzu citu ziņojumu rezultātus, kuros pētīta priekšapstrāde ar ultraskaņu pirms hidrodestilācijas un pierādīts, ka apstrāde ar zondes tipa ultraskaņas ierīci uzlabo gan ēteriskās eļļas kvalitāti, gan palielina tās daudzumu, vienlaikus samazinot ekstrakcijas laiku un enerģijas patēriņu salīdzinājumā ar parastajām metodēm.
 

Ekstrakcijas iznākuma salīdzinājums atkarībā no laika hidrodestilācijai un sono-clevenger metodei: ēterisko eļļu ekstrakcija ar ultraskaņu, izmantojot Sono-Clevenger, nodrošina lielāku ēteriskās eļļas iznākumu īsākā ekstrakcijas laikā.
(©Rasouli et al. 2021)

Satureja lapu SEM attēli: (A) pēc 4 stundu hidrodestilācijas un (B) pēc 60 min ilgas sono-clevenger apstrādes. Īsāka Sono-Clevenger apstrāde nodrošina labāku šūnu sagraušanu un tādējādi lielāku ēteriskās eļļas iznākumu.
(©Rasouli et al. 2021)

Ultraskaņas ekstraktori ēterisko eļļu hidrodestilācijai

Hielscher lieljaudas ultraskaņas ekstraktori ir pieejami uzstādīšanai uz laboratorijas galda, pilotiekārtās un rūpnieciskajās iekārtās. Mūsu ultraskaņas procesori ir precīzi vadāmi un var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas (rūpnieciskajām ultraskaņas ierīcēm līdz 200µm, lielākas amplitūdas pēc pieprasījuma), lai radītu intensīvu akustisko lauku. Visas mūsu ultraskaņas ierīces – no laboratorijas ierīcēm līdz rūpnieciskajām sistēmām – ir paredzētas darbībai 24/7 lielas slodzes apstākļos.
Hielscher ultraskaņas ekstraktorus var izmēģināt laboratorijas galda mērogā, lai pārbaudītu procesa īstenojamību un optimizētu procesu. Pēc tam visus procesa rezultātus var lineāri mērogot līdz pilna mēroga rūpnieciskajai ražošanai. Mūsu ilggadējā pieredze apstrādē ar ultraskaņu ļauj mums konsultēt un atbalstīt klientus no pirmajiem izmēģinājumiem un procesa optimizācijas līdz ļoti efektīvas rūpnieciskās ražošanas ieviešanai.
Apmeklējiet mūsu tehnisko laboratoriju un procesu centru, lai iepazītu Hielscher ultraskaņas sistēmu iespējas!
Mūsu izturīgās ultraskaņas sistēmas var izmantot apstrādei ar ultraskaņu gan porcijās, gan plūsmā. Ēterisko eļļu ražošanā sinerģisku kombināciju var panākt, uzstādot ultraskaņas zondi parastā hidrodestilācijas iekārtā. Var arī viegli modernizēt esošās ražošanas līnijas.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Ēterisko eļļu ultraskaņas ekstrakcijas darbības princips

Ir pierādīts, ka ultraskaņas ekstrakcija nodrošina lielāku ekstrakcijas iznākumu un samazina enerģijas patēriņu. Ultraskaņas ekstrakcijas darbības princips ir ultraskaņas kavitācijas izraisīta burbuļu implozija. Ultraskaņas / akustiskā kavitācija rada šķidruma mikrostrūklas, kas sagrauj lipīdus saturošos dziedzerus augu audos. Tādējādi uzlabojas masas pārnese starp šūnu un šķīdinātāju un atbrīvojas ēteriskā eļļa. Būtiska mūsdienu ultraskaņas ekstraktoru priekšrocība ir precīza darbības parametru kontrole (piemēram, ultraskaņas intensitāte, temperatūra, apstrādes laiks, spiediens, uzturēšanās laiks utt.). Lielāks ēterisko eļļu iznākums, kā arī mazāka termiskā noārdīšanās, augsta kvalitāte un labs aromāta un garšas profils ir zinātniski pierādīti (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Lai gan citas mūsdienīgas ekstrakcijas metodes piedāvā tikai ierobežotas iespējas palielināt mērogu līdz rūpnieciskajai ražošanai, ultraskaņas ekstrakcijas mērogošanas iespēja līdz rūpnieciskajam līmenim jau ir pierādīta. Piemēram, Japānas citrusaugļu ēterisko eļļu ekstrakcijas iznākums tika palielināts par 44% salīdzinājumā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm (Mason et al. 2011).

Literatūra / Atsauces

• 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.