Ultrasone hydrodistillatie van essentiële oliën
- De conventionele extractie van etherische oliën is duur en tijdrovend.
- Ultrasone extractie geeft een hogere opbrengst en een superieure extractkwaliteit.
- Ultrasoon kan worden uitgevoerd als extractiemethode op basis van oplosmiddelen of water. Ultrasoon kan ook worden gecombineerd met traditionele extractiesystemen om de efficiëntie en kwaliteit te verbeteren.
Hydrodistillatie van plantenextracten
Hydrodistillatie is een variant van stoomdestillatie. Voor de hydrodistillatie-extractie wordt plantaardig materiaal enige tijd geweekt in water, waarna het mengsel wordt verhit en vluchtige stoffen worden meegevoerd in de stoom, gecondenseerd en gescheiden. Het is een veelgebruikt extractieproces om fytochemische verbindingen van plantaardig materiaal te scheiden. Stoomdestillatie is een veelgebruikte techniek om essentiële oliën te isoleren, bijvoorbeeld voor parfums.
Omdat veel organische verbindingen de neiging hebben om bij hoge temperaturen te worden afgebroken, maakt de industrie steeds meer gebruik van alternatieve, milde verwerkingsmethoden die betere extractieresultaten opleveren (superieure kwaliteit, hogere opbrengsten). Ultrasone hydrodistillatie is een milde, maar zeer efficiënte extractietechniek die wordt gebruikt om etherische oliën van hoge kwaliteit te produceren.
Ultrasone extractie en ultrasone hydrodistillatie verbeteren de productie van essentiële olie aanzienlijk.
Uitdagingen van conventionele productie van etherische oliën
De problemen van de traditionele extractietechnieken zoals stoomdestillatie liggen in de enorme hoeveelheden plantmateriaal die nodig zijn om etherische oliën op commerciële schaal te extraheren. Voor 1 kg etherische lavendelolie is ongeveer 200 kg verse lavendelbloemen nodig, voor 1 kg rozenolie is tussen de 2,5 en 5 ton rozenblaadjes nodig en voor 1 kg etherische citroenolie bestaat de grondstof uit ongeveer 3000 citroenen. Daarom zijn etherische oliën erg duur. Voor roos absolue ligt de prijs rond de 20.000€ (21.000US$) per liter.
Om winstgevender en concurrerender te worden, moeten producenten van etherische oliën efficiëntere en effectievere extractiemethoden toepassen. De gunstige technieken van ultrasone extractie blinken uit boven traditionele extractiemethoden door milde extractieomstandigheden, hoge opbrengsten en superieure extractkwaliteit. Sonificatie kan worden uitgevoerd als extractie met of zonder oplosmiddelen. Als alternatief kan ultrasone sonde-extractie worden gecombineerd met gangbare extractiesystemen, bijv. Soxhlet extractieClevenger-extractie, superkritische CO2, Ohmse hydrodistillatie enz.Sono-SoxhletSono-Clevenger, Sono-scCO2, ultrasone Ohmse hydrodistillatie).
Voordelen van ultrasone extractie en hydrodistillatie
Ultrasone extractie en hydrodistillatie is tegenwoordig een gevestigde techniek voor de productie van hoogwaardige etherische oliën. Als niet-thermische extractietechniek voorkomt sonicatie thermische afbraak van warmtegevoelige verbindingen. Tegelijkertijd worden de extractie-efficiëntie en de opbrengst aan etherische oliën aanzienlijk verhoogd. Ontdek hieronder de voordelen van ultrasone etherische olieproductie:
- Hoge extractie-efficiëntie: Extractie met een ultrasone sonde isoleert essentiële oliën efficiënter dan traditionele extractiemethoden zoals stoomdestillatie of solventextractie. Dit komt doordat de geluidsgolven cavitatie in de vloeistof veroorzaken, waardoor de celwanden van het plantmateriaal worden afgebroken en er meer essentiële olie vrijkomt.
- Kortere extractietijd: Ultrasone extractie kan essentiële oliën in een veel kortere tijd extraheren dan traditionele extractiemethoden. Dit komt doordat de intense geluidsgolven die door een ultrasone sonde worden gegenereerd dieper in het plantmateriaal kunnen doordringen, de plantencel met superieure efficiëntie kunnen verstoren en daardoor de etherische olie sneller en efficiënter kunnen extraheren.
- Verbeterde kwaliteit van de essentiële olie: Omdat ultrasone extractie een niet-thermische behandeling is, kan het essentiële oliën van een hogere kwaliteit produceren dan traditionele extractiemethoden. Dit komt omdat ultrasone golven de essentiële olie kunnen extraheren zonder de delicate aromatische verbindingen te beschadigen die de olie zijn geur en therapeutische eigenschappen geven.
- Energiezuinig: Ultrasone extractie is een energiezuinige extractiemethode in vergelijking met traditionele methoden, zoals stoomdestillatie, waarbij veel energie nodig is om stoom te produceren.
- Milieuvriendelijk: Ultrasoon is een schone en milieuvriendelijke extractietechniek, omdat er geen oplosmiddelen of chemicaliën nodig zijn die schadelijk kunnen zijn voor het milieu.
Deze voordelen maken van ultrasone extractie van etherische oliën een zeer efficiënte en economische techniek die veel voordelen biedt ten opzichte van traditionele extractiemethoden.
Ultrasone extractie vereist slechts een zeer korte tijd en levert de beste extractieopbrengsten op. Uit een vergelijking van superkritische kooldioxide (sCO2), ultrasone extractie (UAE), superkritische kooldioxide-extractie gecombineerd met pressure swing-techniek (SCE-PST) en Soxhlet-extractie blijkt dat UAE de meest efficiënte en snelle extractietechniek is.
Werkingsprincipe van ultrasone etherische olie-extractie
Ultrasonic extraction has been proven to give higher extraction yields and to reduce the energy consumption. The working principle of ultrasonic extraction is the bubble implosion generated by ultrasonic cavitation. Ultrasonic? acoustic cavitation generates liquid micro-jets which destroy the lipid-containing glands in the plant tissue. Thereby, mass transfer between cell and solvent is improved and the essential oil is released. A major advantage of today’s modern ultrasonic extractors is the precise control over the operating parameters (e.g. ultrasonic intensity, temperature, treatment time, pressure, retention time etc.). Increased yield of essential oils as well as lower thermal degradation, high quality and a good aroma and flavour profile are scientifically proven (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Terwijl andere moderne extractietechnieken slechts beperkte mogelijkheden bieden voor opschaling naar industriële productie, is de potentie om ultrasone extractie op te schalen naar industrieel niveau al bewezen. Het extractierendement van etherische oliën van Japanse citrusvruchten werd bijvoorbeeld met 44% verhoogd vergeleken met de traditionele extractiemethoden. (Mason et al. 2011).
Ultrasone voorbehandeling voor de extractie van etherische oliën
Voor de ultrasone extractie van etherische olie uit plantaardig materiaal (bijv. lavandin, salie, citrusvruchten enz.) kan een sonicatiesysteem van het probe-type, zoals de UIP2000hdT, worden gebruikt voor extractie op laboratorium-, pilot- en productieschaal. Het extractiesysteem kan worden opgezet als een batch of inline systeem.
Voor de ultrasone batch-extractie wordt een container met een omringend koud waterbad aanbevolen. Het waterbad voorkomt een ongewenste temperatuurstijging en de daaruit voortvloeiende degradatie. Voor de lavandin etherische olie-extractie worden lavendelbloemen geëxtraheerd met bijvoorbeeld 2 liter gedestilleerd water gedurende een extractietijd van 30 minuten. De ultrasone amplitude wordt ingesteld op 60%. Na de ultrasone voorbehandeling wordt de lavendelbloem verwijderd en wordt conventionele stoomdestillatie uitgevoerd om de etherische olie te extraheren.
Voor de inline-extractieopstelling is de ultrasone processor uitgerust met een sonotrode en een stromingscel. Om te koelen is de doorstroomcelreactor uitgerust met een koelmantel. Voor de ultrasone voorbehandeling wordt het gemacereerde plantenmateriaal door de reactiekamer gepompt waar het direct door de cavitatiezone gaat. Een ander voordeel van de ultrasone inline extractie is de mogelijkheid om de reactiekamer onder druk te zetten om het extractie-effect te vergroten.
De ultrasone voorbehandeling vóór de hydrodistillatie verhoogt de opbrengst van de geëxtraheerde etherische oliën en verbetert de extractiesnelheid. – wat resulteert in een algehele efficiëntere procedure.
Voordelen van ultrasone extractie en hydrodistillatie
- Snel & efficiënte extractie
- Niet-thermisch, mild proces
- Extracten van hoge kwaliteit
- hoog rendement
- Volledig aromaspectrum
- Minder grondstoffen
- Groene extractie
Sono-Clevenger met ultrasone sonde UP200S: Een ultrasoon geïntensiveerde hydrodistillatieopstelling voor zeer efficiënte isolatie van essentiële olie.
Casestudie: Ultrasone hydrodistillatie van etherische olie uit Satureja khuzistanica
Rasouli et al. (2021) onderzochten de efficiëntie van de extractie van essentiële oliën uit de kruidenplant Satureja khuzistanica Jamzad door traditionele hydrodistillatie en ultrasoon geïntensiveerde Clevenger (Sono-Clevenger) met elkaar te vergelijken. Ze vergeleken beide extractietechnieken, hydrodistillatie en ultrasone Clevenger, met betrekking tot isolatietijd, opbrengst en kwaliteit van de verkregen etherische oliën. De resultaten tonen aan dat, hoewel het chemische profiel en de biologische eigenschappen van de verkregen etherische oliën beide van vergelijkbare hoge kwaliteit zijn, de ultrasone extractiemethode het rendement van de etherische olie-isolatie met wel 40% verbetert. De scanning electron micrograph (SEM) beelden van de behandelde Satureja bladeren laten een efficiëntere verstoring van de celwanden van de plant zien door ultrasoneren. Als gevolg hiervan is de extractie van etherische olie met ongeveer 40% verbeterd ten opzichte van de conventionele hydrodistillatiemethode.
Deze studie onderstreept de resultaten van vele andere rapporten waarin de ultrasone voorbehandeling vóór de hydrodistillatie is onderzocht en aangetoond dat ultrasone sondebehandeling zowel de kwaliteit als de kwantiteit van de etherische olie verbetert en tegelijkertijd de extractietijd en het energieverbruik vermindert in vergelijking met de conventionele technieken.
De vergelijking van de extractieopbrengst als functie van de tijd voor hydrodistillatie en de Sono-Clevenger methode: Ultrasone etherische olie-extractie met een Sono-Clevenger geeft een hogere opbrengst aan etherische olie binnen een kortere extractietijd.
SEM van Satureja-bladeren: (A) na hydrodistillatie gedurende 4 uur, en (B) na sono-clevenger behandeling gedurende 60 minuten. De kortere Sono-Clevenger behandeling geeft een betere celdisruptie en daardoor een hogere opbrengst aan etherische olie.
Ultrasone extractoren voor hydrodestillatie van etherische oliën
De krachtige ultrasone extractoren van Hielscher zijn beschikbaar voor laboratorium-, pilot- en industriële installaties. Onze ultrasone processors zijn nauwkeurig regelbaar en kunnen zeer hoge amplitudes leveren (tot 200 µm voor industriële ultrasone processors, hogere amplitudes op aanvraag) om een intens akoestisch veld te genereren. Al onze ultrasone apparaten, van laboratorium- tot industriële systemen, zijn gebouwd voor 24/7 gebruik onder zware omstandigheden.
Hielscher ultrasone extractoren kunnen op laboratoriumschaal worden getest voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Daarna kunnen alle procesresultaten lineair worden geschaald naar volledige industriële productie. Dankzij onze jarenlange ervaring in ultrasone verwerking kunnen we onze klanten adviseren en assisteren vanaf de eerste tests en procesoptimalisatie tot de implementatie van een zeer efficiënte industriële operatie.
Bezoek ons technisch lab en procescentrum en ontdek de mogelijkheden van Hielscher ultrasone systemen!
Onze robuuste ultrasone systemen kunnen worden gebruikt voor batch- en inline sonificatie. Voor de productie van etherische oliën kan een synergetische combinatie worden bereikt door een ultrasone sonde te installeren in een conventionele hydrodistillatieopstelling. Ook bestaande productielijnen kunnen eenvoudig achteraf worden aangepast.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
|---|---|---|
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op!? Vraag het ons!
Sono-Soxhlet opstelling met de sonicator UP200Ht voor betere extractieresultaten
Literatuur? Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Met succes geëxtraheerd door middel van ultrasoon
Van de volgende plantmaterialen en plantenweefsels is bewezen dat ultrasone extractie betere extractieresultaten oplevert. Ultrasone extractie geeft hogere opbrengsten, extracten van hoge kwaliteit met een compleet samenstellings-/aromaprofiel en een volledig smaakspectrum.
kruiden & bladeren: groene munt, munt, stevia, cannabisHop, basilicum, tijm, peper, oregano, salie, venkel, peterselie, eucalyptus, Olijf, groene thee, zwarte thee, boldotabak, pepermunt, marjolein, enz.
Bloemen (attars): Roos, lavendel, ylang-ylang, jasmijn, patchoeli, tuberoos, mimosa, enz.
Fruit: sinaasappel, citrus, citroen, framboos, tomaat, appel, bosbes, bosbessen, mandarijn, druiven, Olijfjujube, enz.
Kruiden: saffraankoriander, gemberlaurier, nootmuskaat, kaneel, kurkuma, vanille, kruidnagel, nootmuskaat, foelie enz.
hout & schors: agarhout, eik, sandelhout, cederhout, den, kaneelschors, enz.
De botanische extracten bevatten het volledige spectrum van actieve verbindingen en fytochemicaliën, zodat de essentiële olie lipiden, terpenen en terpenoïden, fenolen, alkaloïden, flavonoïden, carbonylverbindingen, antioxidanten, vitaminen, pigmenten, enzymen, enz. bevat.
Voorbeelden van geëxtraheerde moleculen: monoterpenen en monoterpeneoïden, sesquiterpenen, limoneen, carvon, a-pineen, limoneen, 1,8-cineool, cis-ocimeen, trans-ocimeen, 3-octanon, bèta-caroteen, α-pineen, kamfer, camfeen, β-pineen, myrceen, para-cymeen, limoneen, γ-terpineen, linalool, myrtenol, myrtenal, carvon.
Essentiële oliën hebben antioxiderende en antimicrobiële effecten, waardoor ze naast hun geur en smaak ook een heilzaam ingrediënt zijn voor voedingsmiddelen en medische producten.
Etherische oliën, bijvoorbeeld van lavendel, pepermunt en eucalyptus, worden meestal geproduceerd door stoomdestillatie. Ruw plantaardig materiaal zoals bloemen, bladeren, hout, schors, wortels, zaden en schillen worden geëxtraheerd door waterdistillatie terwijl ze in een destillatieapparaat worden geweekt en gekookt met water.
hydrodistillatie
Bij hydrodistillatie worden twee vormen onderscheiden: waterdistillatie en stoomdistillatie.
Voor de isolatie van etherische oliën door waterdestillatie wordt het plantmateriaal in water gelegd om te koken. Voor stoomdestillatie wordt stoom in/door het plantmateriaal geïnjecteerd. Onder invloed van heet water en stoom komt de etherische olie vrij uit de lipideklieren in het plantenweefsel. De verdampende waterstoom voert de olie uit het plantmateriaal. Daarna wordt de stoom gecondenseerd in een condensor door indirecte koeling met water. Vanuit de condensor stroomt het gedestilleerde extract (etherische olie) naar een separator, waar de olie zich automatisch scheidt van het distillaatwater.
solventextractie
Vanwege de efficiëntie worden de meeste etherische oliën, bijvoorbeeld voor de parfum- en geurindustrie, geproduceerd door middel van oplosmiddelextractie, waarbij vluchtige oplosmiddelen worden gebruikt, zoals hexaan, di-methyleenchloride of petroleumether. De belangrijkste voordelen van solventextractie ten opzichte van destillatie is dat tijdens het proces een uniforme temperatuur (ongeveer 50°C) kan worden gehandhaafd. Aangezien hogere temperaturen leiden tot de afbraak van essentiële olieverbindingen, worden oliën die met oplosmiddelen worden geëxtraheerd gekenmerkt door een grotere volledigheid van hun vluchtige verbindingen en een natuurlijkere geur.
Superkritisch CO2 blijkt ook een uitstekend organisch oplosmiddel te zijn en is daarom een andere alternatieve methode voor de extractie van aromatische oliën uit plantaardige producten.
Extractiemiddelen
Traditionele organische oplosmiddelen voor extractie zijn onder andere benzeen, tolueen, hexaan, dimethylether, petroleumether, di-methyleenchloride, ethylacetaat, aceton of ethanol.
Ethanol wordt gebruikt om geurstoffen te extraheren uit droge plantmaterialen, maar ook uit onzuivere oliën of concreties die eerst zijn geproduceerd door middel van organische oplosmiddelextractie, expressie of enfluerage. Ethanolextracten van droge materialen staan bekend als tincturen. Tincturen zijn niet te verwarren met ethanolwassen, die worden uitgevoerd om oliën en concreties te zuiveren om absoluten te verkrijgen.
Wanneer water wordt gebruikt als extractievloeistof, wordt het proces een oplosmiddelvrije extractie genoemd.
essentiële oliën
Etherische oliën worden geproduceerd door extractie uit plantaardig materiaal. Als grondstof kunnen verschillende plantendelen worden gebruikt, bijv. bloemen (bijv. roos, jasmijn, anjer, kruidnagel, mimosa, rozemarijn, lavander), bladeren (bijv. munt, Ocimum spp, citroengras, jamrosa), bladeren en stengels (bijv. geranium, patchouli, petitgrain, verbena, kaneel), schors (bijv. kaneel, cassia, canella), hout (bijv. ceder, sandel, den), wortels (bijv. engelwortel, sassafras, vetiver, saussurea, valeriaan), zaden (bijv.venkel, koriander, karwij, dille, nootmuskaat), vruchten (bergamot, sinaasappel, citroen, jeneverbes), wortelstokken (bijv. gember, kalmoes, curcuma, orris) en gommen of oleoresine afscheidingen (bijv. balsem van Peru, Myroxylon balsamum, storax, mirre, benzoë).
Beton en Absoluut
Beton is de term voor de halfvaste massa die wordt verkregen door oplosmiddelextractie van vers plantaardig materiaal. Het verse plantenmateriaal wordt meestal geëxtraheerd met niet-polaire oplosmiddelen zoals benzeen, tolueen, hexaan en petroleumether. Na het extractieproces wordt het oplosmiddel verdampt, zodat een halfvast residu van etherische oliën, wassen, harsen en andere lipofiele (hydrofobe) fytochemicaliën wordt verkregen. Dit is het zogenaamde beton.
Om een absolue uit beton te verkrijgen, moet het beton worden behandeld met een sterke alcohol waarin bepaalde bestanddelen kunnen worden opgelost.
Ultrasone productie van nano-emulsies
De interesse in het gebruik van nano-emulsies als afgiftesysteem voor lipofiele voedingsingrediënten en als drager voor actieve bestanddelen in farmaceutica en cosmetica neemt aanzienlijk toe vanwege hun hoge optische helderheid, goede fysische stabiliteit en vermogen om de biologische beschikbaarheid te vergroten. Ultrasoon Emulgering bereidt stabiele micro- en nano-emulsies die de beste resultaten in het eindproduct garanderen.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone emulsificatie!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.