Ultraljud hydrodestillation av eteriska oljor

• Den konventionella utvinningen av eteriska oljor är dyr och tidskrävande.
• Ultraljud extraktion ger högre utbyten och överlägsen extrakt kvalitet.
• Ultraljud kan utföras som lösningsmedels- eller vattenbaserad extraktionsmetod. Alternativt kan ultraljudsbehandling kombineras med traditionella extraktionssystem för att förbättra effektiviteten och kvaliteten.

Hydrodestillation av botaniska extrakt

Hydrodestillation är en variant av ångdestillation. För hydrodestillationsextraktionen blötläggs växtmaterialet under en tid i vatten, varefter blandningen värms upp och flyktiga ämnen transporteras bort i ångan, kondenseras och separeras. Det är en vanlig extraktionsprocess för att separera fytokemiska föreningar från växtmaterial. Ångdestillation är en vanlig teknik för att isolera eteriska oljor, t.ex. för parfymer.
Eftersom många organiska föreningar tenderar att sönderdelas vid höga ihållande temperaturer, går industrin framåt för att använda alternativa milda bearbetningsmetoder, som ger bättre extraktionsresultat (överlägsen kvalitet, högre avkastning). Ultraljud hydrodestillation är en mild, men ändå mycket effektiv extraktionsteknik, som används för att producera eteriska oljor av hög kvalitet.

Utmaningar med konventionell produktion av eteriska oljor

Problem med de traditionella extraktionsteknikerna som ångdestillation ligger i de enorma mängder växtmaterial som krävs för att utvinna eteriska oljor i kommersiell skala. För 1 kg (2 1/4 lb) eterisk lavendelolja krävs ca 200 kg (440 lb) färska lavendelblommor, för 1 kg rosenolja behövs mellan 2,5 och 5 metriska ton rosenblad och för 1 kg eterisk citronolja består råvaran av ca 3 000 citroner. Därför är eteriska oljor mycket dyra. För ros absolut är priset cirka 20.000 € (21 000 US$) per liter.
För att få fördelar när det gäller lönsamhet och konkurrenskraft måste producenter av eteriska oljor implementera mer effektiva och ändamålsenliga extraktionsmetoder. De gynnsamma teknikerna för ultraljudsextraktion utmärker sig traditionella extraktionsmetoder genom milda extraktionsförhållanden, höga utbyten och överlägsen extraktkvalitet. Ultraljudsbehandling kan utföras som lösningsmedelsbaserad eller lösningsmedelsfri extraktion. Alternativt kan extraktion av ultraljudssondtyp kombineras med vanliga extraktionssystem, t.ex. Soxhlet extraktion, Clevenger-extraktion, superkritisk CO2, ohmsk hydrodestillation etc. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ultraljud ohmsk hydrodestillation).

Fördelar med ultraljud extraktion och hydrodestillation

Ultraljudsassisterad extraktion och hydrodestillation är numera en etablerad teknik för produktion av eteriska oljor av hög kvalitet. Som icke-termisk extraktionsteknik, ultraljudsbehandling undviker termisk nedbrytning av värmekänsliga föreningar. Samtidigt ökar extraktionseffektiviteten och utbytet av eteriska oljor avsevärt. Hitta fördelarna med ultraljud eterisk oljeproduktion nedan:

1. Hög extraktionseffektivitet: Extraktion med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp isolerar eteriska oljor mer effektivt än traditionella extraktionsmetoder, såsom ångdestillation eller lösningsmedelsextraktion. Detta beror på att ljudvågorna orsakar kavitation i vätskan, vilket hjälper till att bryta ner cellväggarna i växtmaterialet och frigöra mer av den eteriska oljan.
2. Kortare extraktionstid: Ultraljud extraktion kan extrahera eteriska oljor på mycket kortare tid än traditionella extraktionsmetoder. Detta beror på att de intensiva ljudvågorna som genereras av en ultraljudssond kan tränga djupare in i växtmaterialet, störa växtcellen med överlägsen effektivitet och därför extrahera den eteriska oljan snabbare och effektivare.
3. Förbättrad kvalitet på den eteriska oljan: Eftersom ultraljudsextraktion är en icke-termisk behandling kan den producera eteriska oljor med högre kvalitet än traditionella extraktionsmetoder. Detta beror på att ultraljudsvågor kan extrahera den eteriska oljan utan att skada de känsliga aromatiska föreningarna som ger oljan dess doft och terapeutiska egenskaper.
4. Energieffektiv: Ultraljudsextraktion är en energieffektiv extraktionsmetod jämfört med traditionella metoder, såsom ångdestillation, som kräver mycket energi för att producera ånga.
5. Miljövänlig: Ultraljud är en ren och miljövänlig extraktionsteknik, eftersom den inte kräver användning av lösningsmedel eller kemikalier, vilket kan vara skadligt för miljön.

Dessa fördelar förvandlar ultraljud eterisk olja extraktion till en mycket effektiv och ekonomisk teknik som erbjuder många fördelar jämfört med traditionella extraktionsmetoder.

Ultraljud extraktion kräver endast en mycket kort tid som genererar bästa utvinning utbyten. Jämförelse av superkritisk koldioxid (sCO2), ultraljudsassisterad extraktion (UAE), superkritisk koldioxidextraktion i kombination med pressure swing-teknik (SCE-PST) och Soxhlet-extraktion visar att UAE är den mest effektiva och snabbaste extraktionstekniken.

Arbetsprincip för ultraljud eterisk oljeutvinning

Ultraljud extraktion har visat sig ge högre extraktionsutbyten och minska energiförbrukningen. Arbetsprincipen för ultraljudsextraktion är bubbelimplosionen som genereras av ultraljudskavitation. Ultraljud / akustisk kavitation genererar flytande mikrostrålar som förstör de lipidinnehållande körtlarna i växtvävnaden. Därigenom förbättras massöverföringen mellan cell och lösningsmedel och den eteriska oljan frigörs. En stor fördel med dagens moderna ultraljudsutsug är den exakta kontrollen över driftsparametrarna (t.ex. ultraljudsintensitet, temperatur, behandlingstid, tryck, retentionstid etc.). Ökat utbyte av eteriska oljor samt lägre termisk nedbrytning, hög kvalitet och en god arom- och smakprofil är vetenskapligt bevisat (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Medan andra moderna extraktionstekniker endast erbjuder begränsad kapacitet för uppskalning till industriell produktion, är styrkan att skala upp ultraljudsextraktionen till industriell nivå redan bevisad. Till exempel ökade extraktionsutbytet av eteriska oljor från japansk citrus med 44 % jämfört med de traditionella extraktionsmetoderna (Mason et al. 2011).

Ultraljud förbehandling för utvinning av eteriska oljor

För ultraljud extraktion av eterisk olja från växtmaterial (t.ex. lavandin, salvia, citrus etc.), en sond-typ ultraljudsbehandling system såsom UIP2000hdT kan användas för extraktion på bänk-topp, pilot och produktion skala. Extraktionssystemet kan ställas in som ett batch- eller inline-system.
För ultraljudssatsextraktion rekommenderas en behållare med ett omgivande kallvattenbad. Vattenbadet gör det möjligt att undvika en oönskad temperaturökning och den resulterande nedbrytningen. För extraktion av eterisk olja av lavandin extraheras lavendelblommor med t.ex. 2 liter destillerat vatten under en extraktionstid på 30 minuter. Ultraljudsamplituden är inställd på 60 %. Efter ultraljudsförbehandlingen avlägsnas lavendelblomman och konventionell ångdestillation utförs för att extrahera den eteriska oljan.
För inline-extraktionsinställningen är ultraljudsprocessorn utrustad med sonotrode och flödescell. För kylningsändamål är flödescellsreaktorn utrustad med en kylmantel. För ultraljudsförbehandlingen pumpas det macererade växtmaterialet genom reaktionskammaren där det passerar direkt genom kavitationszonen. En ytterligare fördel med ultraljud inline extraktion är möjligheten att trycksätta reaktionskammaren för att öka extraktionseffekten.
Ultraljudsförbehandlingen före hydrodestillation ökar utbytet av extraherade eteriska oljor och förbättrar extraktionshastigheten – vilket leder till ett totalt sett effektivare förfarande.

Sono-Clevenger med ultraljudssond UP200S: En ultraljudsintensifierad hydrodestillationsinställning för mycket effektiv isolering av eteriska oljor.
(©Rasouli et al. 2021)

Fallstudie: Ultraljud hydrodestillation av eterisk olja från Satureja khuzistanica

Rasouli et al. (2021) undersökte extraktionseffektiviteten för eteriska oljor från örtväxten Satureja khuzistanica Jamzad, och jämförde traditionell hydrodestillation och ultraljudsintensifierad Clevenger (Sono-Clevenger). De jämförde både extraktionstekniker, hydrodestillation och ultraljud Clevenger, med avseende på isoleringstid, utbyte och kvalitet på erhållna eteriska oljor. Resultaten visar att medan de erhållna eteriska oljornas kemiska profil och biologiska egenskaper båda är av jämförbar hög kvalitet, förbättrar ultraljudsextraktionsmetoden effektiviteten för isolering av eterisk olja med upp till 40%. Svepelektronmikroskopiska (SEM) bilder av de behandlade Satureja-bladen avslöjar en mer effektiv störning av växtcellväggar genom ultraljud. Som ett resultat observerades en förbättring av utvinningen av eteriska oljor med cirka 40 % jämfört med konventionell hydrodestillationsmetod.
Denna studie understryker resultaten av många andra rapporter, där ultraljudsförbehandlingen före hydrodestillationen har undersökts och visat att sond-typ ultraljud förbättrar både kvaliteten och kvantiteten av den eteriska oljan samtidigt som utvinningstiden och energiförbrukningen minskar jämfört med de konventionella teknikerna.
 

Jämförelsen av extraktionsutbytet som en funktion av tiden för hydrodestillation och sono-clevenger-metoden: Ultraljud eterisk oljeextraktion med en Sono-Clevenger ger högre utbyten av eterisk olja inom en kortare extraktionstid.
(©Rasouli et al. 2021)

SEM av Satureja-blad: (A) efter hydrodestillation i 4 timmar och (B) efter sono-clevenger-behandling i 60 min. Den kortare Sono-Clevenger-behandlingen ger en bättre cellstörning och därmed högre utbyte av eteriska oljor.
(©Rasouli et al. 2021)

Ultraljudsextraktorer för hydrodestillation av eterisk olja

Hielscher power ultraljudsutdragare finns tillgängliga för installationer av bänkskivor, pilotanläggningar och industrianläggningar. Våra ultraljudsprocessorer är exakt kontrollerbara och kan leverera mycket höga amplituder (upp till 200 μm för industriella ultraljudsapparater, högre amplituder på begäran) för att generera ett intensivt akustiskt fält. Alla våra ultraljudsenheter, från labb till industriella system, är byggda för 24/7 drift under tunga förhållanden.
Hielscher ultraljudsutsug kan testas i bänkskala för genomförbarhetstester och processoptimering. Efteråt kan alla processresultat skalas linjärt till full industriell produktion. Vår långa erfarenhet av ultraljudsbearbetning gör det möjligt för oss att konsultera och hjälpa våra kunder från de första testerna och processoptimeringen till genomförandet av en mycket effektiv industriell verksamhet.
Besök vårt tekniska laboratorium och processcenter för att utforska möjligheterna hos Hielschers ultraljudssystem!
Våra robusta ultraljudssystem kan användas för batch och inline ultraljudsbehandling. För produktion av eteriska oljor kan en synergistisk kombination uppnås genom att installera en ultraljudssond i en konventionell hydrodestillationsuppställning. Eftermontering av befintliga produktionslinjer kan också enkelt göras.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: