Ультразвуковая гидродистилляция эфирных масел

• Традиционная экстракция эфирных масел является дорогостоящей и трудоемкой.
• Ультразвуковая экстракция дает более высокий выход и превосходное качество экстракта.
• Ультразвуковая экстракция может проводиться как методом экстракции на основе растворителя, так и на водной основе. В качестве альтернативы ультразвуковую обработку можно сочетать с традиционными вытяжными системами для повышения эффективности и качества.

Гидродистилляция растительных экстрактов

Гидродистилляция является вариантом паровой дистилляции. Для гидродистилляционной экстракции растительное сырье на некоторое время замачивают в воде, после чего смесь нагревают и уносят летучие вещества в пар, конденсируют и отделяют. Это распространенный процесс экстракции для отделения фитохимических соединений от растительного материала. Паровая дистилляция является распространенным методом выделения эфирных масел, например, для парфюмерии.
Поскольку многие органические соединения имеют тенденцию разлагаться при высоких устойчивых температурах, промышленность делает шаг вперед в использовании альтернативных мягких методов обработки, которые дают лучшие результаты экстракции (превосходное качество, более высокий выход). Ультразвуковая гидродистилляция – это мягкий, но высокоэффективный метод экстракции, который используется для получения высококачественных эфирных масел.

Проблемы традиционного производства эфирных масел

Проблемы традиционных методов экстракции, таких как паровая дистилляция, заключаются в огромных количествах растительного сырья, которое требуется для извлечения эфирных масел в промышленных масштабах. На 1 кг (2 1/4 фунта) эфирного масла лаванды требуется около 200 кг (440 фунтов) свежих цветов лаванды, на 1 кг розового масла требуется от 2,5 до 5 метрических тонн лепестков роз, а на 1 кг эфирного масла лимона сырье составляет около 3 000 лимонов. Поэтому эфирные масла стоят очень дорого. Цена на абсолютную розу составляет около 20 000 евро (21 000 долларов США) за литр.
Чтобы получить преимущества в отношении рентабельности и конкурентоспособности, производители эфирных масел должны внедрять более эффективные и действенные методы экстракции. Благоприятные методы ультразвуковой экстракции превосходят традиционные методы экстракции благодаря мягким условиям экстракции, высокому выходу и превосходному качеству экстракта. Ультразвуковая обработка может быть выполнена как на основе растворителя, так и без экстракции. В качестве альтернативы ультразвуковая зондовая экстракция может сочетаться с распространенными системами экстракции, например: Экстракция по Сокслету, экстракция Клевенджера, сверхкритический CO2, омическая гидродистилляция и т.д. (Соно-Сокслет, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ультразвуковая омическая гидродистилляция).

Преимущества ультразвуковой экстракции и гидродистилляции

Ультразвуковая экстракция и гидродистилляция в настоящее время являются признанной технологией производства высококачественных эфирных масел. Являясь методом нетермической экстракции, ультразвуковая обработка позволяет избежать термической деградации термочувствительных соединений. При этом значительно повышается эффективность экстракции и выход эфирного масла. Ниже приведены преимущества ультразвукового производства эфирного масла:

1. Высокая эффективность экстракции: Экстракция с помощью ультразвукового аппарата зондового типа изолирует эфирные масла более эффективно, чем традиционные методы экстракции, такие как паровая дистилляция или экстракция растворителем. Это связано с тем, что звуковые волны вызывают кавитацию в жидкости, которая помогает разрушить клеточные стенки растительного материала и высвободить больше эфирного масла.
2. Более короткое время экстракции: Ультразвуковая экстракция позволяет экстрагировать эфирные масла за гораздо более короткое время, чем традиционные методы экстракции. Это связано с тем, что интенсивные звуковые волны, генерируемые ультразвуковым зондом, могут проникать в растительный материал более глубоко, разрушать растительную клетку с превосходной эффективностью и, следовательно, извлекать эфирное масло быстрее и эффективнее.
3. Улучшенное качество эфирного масла: Поскольку ультразвуковая экстракция является нетермической обработкой, она позволяет получать эфирные масла более высокого качества, чем традиционные методы экстракции. Это связано с тем, что ультразвуковые волны могут извлекать эфирное масло, не повреждая тонкие ароматические соединения, которые придают маслу его аромат и терапевтические свойства.
4. Энергоэффективность: Ультразвуковая экстракция является энергоэффективным методом экстракции по сравнению с традиционными методами, такими как паровая дистилляция, которая требует много энергии для производства пара.
5. Экологичность: Ультразвуковая технология является чистым и экологически чистым методом экстракции, так как она не требует использования растворителей или химических веществ, которые могут нанести вред окружающей среде.

Эти преимущества превращают ультразвуковую экстракцию эфирного масла в высокоэффективный и экономичный метод, который имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными методами экстракции.

Ультразвуковая экстракция требует всего лишь очень короткого времени для достижения наилучшего выхода экстракции. Сравнение сверхкритической диоксида углерода (sCO2), ультразвуковой экстракции (UAE), сверхкритической экстракции углекислого газа в сочетании с методом переменного давления (SCE-PST) и экстракции по методу Сокслета показывает, что UAE является наиболее эффективным и быстрым методом экстракции.

Принцип работы ультразвуковой экстракции эфирного масла

Доказано, что ультразвуковая экстракция обеспечивает более высокую производительность экстракции и снижает потребление энергии. Принцип работы ультразвуковой экстракции заключается в имплозии пузырьков, создаваемой ультразвуковой кавитацией. Ультразвуковая/акустическая кавитация генерирует жидкие микроструи, которые разрушают липидсодержащие железы в тканях растения. Таким образом, улучшается массообмен между клеткой и растворителем, а эфирное масло высвобождается. Основным преимуществом современных ультразвуковых экстракторов является точный контроль рабочих параметров (например, интенсивности ультразвука, температуры, времени обработки, давления, времени удержания и т. д.). Научно доказано, что повышенный выход эфирных масел, а также более низкая термическая деградация, высокое качество и хороший ароматический и вкусовой профиль (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
В то время как другие современные методы экстракции предлагают лишь ограниченные возможности для масштабирования до промышленного производства, эффективность масштабирования ультразвуковой экстракции до промышленного уровня уже доказана. Например, выход экстракции эфирных масел из японских цитрусовых был увеличен на 44% по сравнению с традиционными методами экстракции (Мейсон и др. 2011).

Ультразвуковая предварительная обработка для экстракции эфирных масел

Для ультразвуковой экстракции эфирного масла из растительного сырья (например, лавандина, шалфея, цитрусовых и т. д.) можно использовать систему ультразвуковой обработки зондового типа, такую как UIP2000hdT, для экстракции на лабораторных, опытных и производственных уровнях. Система вытяжки может быть настроена как периодическая или поточная система.
Для ультразвуковой дозированной экстракции рекомендуется использовать емкость с окружающей ее ванной с холодной водой. Водяная баня позволяет избежать нежелательного повышения температуры и связанной с этим деградации. Для экстракции эфирного масла лаванды цветы лаванды экстрагируют, например, 2 литрами дистиллированной воды в течение 30 минут. Амплитуда ультразвука установлена на уровне 60%. После ультразвуковой предварительной обработки цветок лаванды удаляют, а для извлечения эфирного масла проводят обычную паровую дистилляцию.
Для установки поточной экстракции ультразвуковой процессор оснащен сонотродом и проточной ячейкой. Для охлаждения реактор с проточной ячейкой оснащен охлаждающей рубашкой. Для ультразвуковой предварительной обработки мацерированный растительный материал прокачивается через реакционную камеру, где он проходит непосредственно через кавитационную зону. Еще одним преимуществом ультразвуковой поточной экстракции является возможность создания давления в реакционной камере для увеличения эффекта экстракции.
Ультразвуковая предварительная обработка перед гидродистилляцией увеличивает выход экстрагируемых эфирных масел и улучшает скорость экстракции – В результате процедура в целом стала более эффективной.

Sono-Clevenger с ультразвуковым зондом UP200S: установка гидродистилляции с ультразвуковой интенсификацией для высокоэффективной изоляции эфирных масел.
(©Расули и др. 2021)

Практический пример: Ультразвуковая гидродистилляция эфирного масла из сатуреи хузистаницы

Rasouli et al. (2021) исследовали эффективность экстракции эфирных масел из травяного растения Satureja khuzistanica Jamzad, сравнивая традиционную гидродистилляцию и ультразвуковую интенсификацию Клевенджера (Sono-Clevenger). Они сравнили оба метода экстракции, гидродистилляцию и ультразвуковой метод Клевенджера, по времени выделения, выходу и качеству полученных эфирных масел. Результаты показывают, что при сопоставимом высоком качестве химического профиля и биологических свойств полученных эфирных масел метод ультразвуковой экстракции повышает эффективность выделения эфирных масел до 40%. Изображения обработанных листьев сатуреи с помощью сканирующей электронной микрофотографии (СЭМ) показывают более эффективное разрушение клеточных стенок растений с помощью ультразвука. В результате наблюдалось увеличение экстракции эфирного масла примерно на 40% по сравнению с традиционной методологией гидродистилляции.
Это исследование подчеркивает результаты многих других отчетов, в которых ультразвуковая предварительная обработка перед гидродистилляцией была исследована и показала, что ультразвуковая обработка зондового типа улучшает как качество, так и количество эфирного масла, сокращая при этом время экстракции и потребление энергии по сравнению с традиционными методами.
 

Сравнение выхода экстракции в зависимости от времени гидродистилляции и метода Соно-Клевенже: ультразвуковая экстракция эфирного масла с помощью метода Соно-Клевенджера дает более высокие выходы эфирного масла за более короткое время экстракции.
(©Расули и др. 2021)

СЭМ листьев сатуреи: (А) после гидродистилляции в течение 4 часов, и (Б) после обработки соно-клевенджером в течение 60 мин. Более короткая процедура Соно-Клевенджера обеспечивает лучшее разрушение клеток и, следовательно, более высокий выход эфирного масла.
(©Расули и др. 2021)

Ультразвуковые экстракторы для гидродистилляции эфирных масел

Ультразвуковые экстракторы Hielscher доступны для настольных, пилотных установок и промышленных установок. Наши ультразвуковые процессоры обладают точным управлением и могут обеспечивать очень высокие амплитуды (до 200 мкм для промышленных ультразвуковых аппаратов, более высокие амплитуды по запросу) для создания интенсивного акустического поля. Все наши ультразвуковые устройства, от лабораторных до промышленных систем, созданы для работы в режиме 24/7 в тяжелых условиях.
Ультразвуковые экстракторы Hielscher могут быть испытаны в настольных масштабах для технико-экономических испытаний и оптимизации процессов. После этого все результаты процесса могут быть линейно масштабированы до полного промышленного производства. Наш многолетний опыт в области ультразвуковой обработки позволяет нам консультировать и помогать нашим клиентам от первых испытаний и оптимизации процесса до реализации высокоэффективной промышленной операции.
Посетите нашу техническую лабораторию и технологический центр, чтобы изучить возможности ультразвуковых систем Hielscher!
Наши надежные ультразвуковые системы могут использоваться для периодической и поточной ультразвуковой обработки. Для производства эфирных масел синергетическая комбинация может быть достигнута путем установки ультразвукового зонда в обычную установку гидродистилляции. Модернизация существующих производственных линий также может быть легко выполнена.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: