Ультразвукова гідродистилляція ефірних олій

Традиційне видобування ефірних олій є дорогим і тривалим. Ультразвукова обробка інтенсифікує екстракцію, що призводить до вищих виходів і кращої якості екстракту. Ультразвукові обробники Hielscher можна легко інтегрувати в будь-яку традиційну систему гідродистилляції для підвищення ефективності та якості.

Гідродистилляція ефірних олій з рослинної сировини

Гідродистилляція є варіантом парової дистилляції, який використовується для видобування фітохімічних сполук з рослинної сировини. У цьому процесі рослинну сировину замочують у воді на визначений період, після чого суміш нагрівають. Леткі сполуки виносяться парою, а потім конденсуються та відділяються. Парова дистилляція, як базова техніка, зазвичай використовується для ізоляції ефірних олій – наприклад, у парфумерії.
Оскільки багато органічних сполук мають тенденцію розкладатися при високих тривалих температурах, промисловість дедалі частіше впроваджує м’які альтернативні методи обробки, які дають кращі результати (вищу якість і більші виходи). Ультразвукова гідродистилляція – це один із таких методів – м’який, але надзвичайно ефективний спосіб екстракції, що використовується для виробництва ефірних олій високої якості.

Проблеми традиційного виробництва ефірних олій

Проблеми традиційних технік екстракції, таких як парова дистилляція, полягають у величезних кількостях рослинної сировини, які необхідні для видобування ефірних олій у промислових масштабах. Для 1kg (2 1/4 lb) лавандової ефірної олії потрібно приблизно 200kg (440lb) свіжих квітів лаванди, для 1kg рожевої олії потрібно від 2,5 до 5 метричних тонн пелюсток троянд, а для 1kg лимонної ефірної олії сировина складається з приблизно 3 000 лимонів. Тому ефірні олії є дуже дорогими. Для рожевого абсолю ціна становить близько 20 000€ (21,000US$) за літр.
Щоб отримати переваги щодо прибутковості та конкурентоспроможності, виробники ефірних олій повинні впроваджувати більш ефективні та результативні методи екстракції. Сприятливі техніки ультразвукової екстракції перевершують традиційні методи екстракції завдяки м’яким умовам екстракції, високим виходам і кращій якості екстракту. Ультразвукову обробку можна проводити як екстракцію на основі розчинника або безрозчинникову екстракцію. Альтернативно, ультразвукову екстракцію зондового типу можна поєднувати зі звичайними системами екстракції, наприклад екстракція за Сокслетом, екстракція за Клевенджером, надкритичний CO2, омічна гідродистилляція тощо (Соні-Сокслет, Соні-Клевенджер, Соні-scCO2, ультразвукова омічна гідродистилляція).

Соні-Клевенджер з ультразвуковим зондом UP200S: установка для ультразвуково-інтенсифікованої гідродистилляції для надзвичайно ефективної ізоляції ефірних олій.
(©Rasouli et al. 2021)

Переваги поєднання ультразвукової екстракції та гідродистилляції

Ультразвуково-асистована екстракція та гідродистилляція на сьогодні є визнаною технікою для виробництва ефірних олій високої якості. Як нетермічна техніка екстракції, ультразвукова обробка дозволяє уникнути термічної деградації термочутливих сполук. Водночас ефективність екстракції та виходи ефірних олій значно зростають. Переваги виробництва ефірних олій за допомогою ультразвуку наведено нижче:

1. Висока ефективність екстракції: Екстракція за допомогою ультразвукового обробника зондового типу ізолює ефірні олії ефективніше, ніж традиційні методи екстракції, такі як парова дистилляція або екстракція розчинниками. Це пов’язано з тим, що звукові хвилі спричиняють кавітацію в рідині, що допомагає руйнувати клітинні стінки рослинної сировини та вивільняти більше ефірної олії.
2. Коротший час екстракції: Ультразвукова екстракція може видобувати ефірні олії за набагато коротший час, ніж традиційні методи екстракції. Це пов’язано з тим, що інтенсивні звукові хвилі, що генеруються ультразвуковим зондом, можуть проникати в рослинну сировину глибше, руйнувати рослинні клітини з вищою ефективністю і, отже, екстрагувати ефірну олію швидше та результативніше.
3. Покращена якість ефірної олії: Оскільки ультразвукова екстракція є нетермічним методом обробки, вона дозволяє отримувати ефірні олії вищої якості порівняно з традиційними методами екстракції. Це пов’язано з тим, що ультразвукові хвилі можуть екстрагувати ефірну олію, не пошкоджуючи делікатні ароматичні сполуки, які надають олії її аромат та терапевтичні властивості.
4. Енергоефективність: Ультразвукова екстракція є енергоефективним методом порівняно з традиційними методами, такими як парова дистиляція, яка вимагає великої кількості енергії для виробництва пари.
5. Екологічність: Ультразвукова обробка є чистою та екологічно безпечною технікою екстракції, оскільки не потребує використання розчинників або хімікатів, які можуть бути шкідливими для навколишнього середовища.

Ці переваги перетворюють ультразвукову екстракцію ефірних олій на високоефективну та економічну техніку, яка пропонує багато переваг порівняно з традиційними методами екстракції.

Порівняння надкритичного діоксиду вуглецю (sCO₂), ультразвукової екстракції (UAE), екстракції надкритичним діоксидом вуглецю в поєднанні з технікою зміни тиску (SCE-PST) та екстракції за Сокслетом показує, що UAE є найбільш ефективною та швидкою технікою екстракції.

Наукове дослідження: Ультразвукова гідродистиляція ефірних олій

• Сировина для екстракції: Висушене листя чебрецю, шавлії, меліси, лаванди та орегано
• Збільшений вихід ефірних олій: до 29,58% більше EO
• Коротший час обробки

Нещодавнє дослідження Nenciu et al. (2026) продемонструвало переваги ультразвуково-асистованої гідродистилляції для ефірних олій з чебрецю, шавлії, меліси, лаванди та орегано. Висушений рослинний матеріал змішували з водою, попередньо обробляли за допомогою соникатора Hielscher UP400St зондового типу, а потім піддавали паровій дистилляції. Акустична кавітація руйнує рослинну тканину та залізисті структури, що містять олію, сприяючи вивільненню летких сполук перед дистилляцією. За оптимізованих умов – частинки біомаси розміром 1 cm, ультразвукова потужність 150 W та тривалість екстракції 85-minute – вихід ефірної олії збільшився з 1,42 до 1,84% v/w, що є покращенням до 29,58% порівняно з традиційною 120-minute гідродистилляцією. Аналіз GC-MS підтвердив наявність характерних сполук для кожної олії, включаючи карвакрол в орегано, тимол у чебреці, цитраль і гераніаль у мелісі, цинеол і камфору у шавлії, а також ліналоол і ліналілацетат у лаванді. Результати показують, що ультразвукова попередня обробка може збільшити вихід ефірної олії та скоротити час гідродистилляції, тим самим підвищуючи загальну ефективність виробництва ефірних олій.

Установка для ультразвукової гідродистиляції (UAHD): (a) соникатор UP400St (b) установка для гідродистиляції; (c) система конденсації пари + охолодження
Зображення та дослідження: Nenciu et al., 2026

Вищий вихід ефірних олій: ультразвукова екстракція перед гідродистиляцією

Для ультразвукової екстракції ефірної олії з рослинної сировини (наприклад, лавандина, шавлії, цитрусових тощо) можна використовувати систему ультразвукової обробки зондового типу, таку як UIP2000hdT, для екстракції в лабораторних, пілотних і промислових масштабах. Систему екстракції можна налаштувати як періодичну або проточну.
Для ультразвукової періодичної екстракції рекомендується використовувати контейнер із зовнішньою ванною з холодною водою. Водяна ванна дозволяє уникнути небажаного підвищення температури та пов’язаної з ним деградації. Для екстракції ефірної олії лавандина квіти лаванди екстрагують, наприклад, 2L дистильованої води протягом 30 хв. Амплітуда ультразвуку встановлюється на рівні 60%. Після ультразвукового попереднього оброблення квіти лаванди видаляються, і проводиться conventional steam distillation для екстракції ефірної олії.
Для проточної системи екстракції ультразвуковий процесор оснащений сонотродом і проточною коміркою. Для охолодження реактор із проточною коміркою оснащений сорочкою охолодження. Для ультразвукового попереднього оброблення мацерована рослинна сировина прокачується через реакційну камеру, де вона безпосередньо проходить через зону кавітації. Додатковою перевагою ультразвукової проточної екстракції є можливість підвищення тиску в реакційній камері для збільшення ефекту екстракції.
Ультразвукове попереднє оброблення перед гідродистилляцією збільшує вихід екстрагованих ефірних олій і покращує швидкість екстракції – що призводить до загальної більшої ефективності процесу.

Випадок із практики: Ультразвукова гідродистилляція ефірної олії з Satureja khuzistanica

Rasouli et al. (2021) досліджували ефективність екстракції ефірних олій з лікарської рослини Satureja khuzistanica Jamzad, порівнюючи традиційну гідродистилляцію та ультразвуково інтенсифікований апарат Клевенджера (Sono-Clevenger). Вони порівняли обидві техніки екстракції, гідродистилляцію та ультразвуковий апарат Клевенджера, щодо часу ізоляції, виходу та якості отриманих ефірних олій. Результати показують, що хоча хімічний профіль та біологічні властивості отриманих ефірних олій мають порівнянно високу якість, метод ультразвукової екстракції підвищує ефективність виходу ізоляції ефірної олії на 40%. Зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM) оброблених листків Satureja виявляють більш ефективне руйнування клітинних стінок рослин за допомогою ультразвукової обробки. В результаті було спостерігалося підвищення екстракції ефірної олії приблизно на 40% порівняно з методологією conventional hydrodistillation.
Це дослідження підкреслює результати багатьох інших звітів, у яких було досліджено ультразвукове попереднє оброблення перед гідродистилляцією та показано, що ультразвукова обробка зондового типу підвищує як якість, так і кількість ефірної олії, одночасно зменшуючи час екстракції та споживання енергії порівняно з conventional techniques.

Порівняння виходу екстракції як функції часу для гідродистилляції та методу sono-clevenger: Ультразвукова екстракція ефірної олії за допомогою Sono-Clevenger дає вищі виходи ефірної олії за коротший час екстракції.
(©Rasouli et al. 2021)

SEM листків Satureja: (A) після гідродистилляції протягом 4 годин, і (B) після обробки sono-clevenger протягом 60 хв. Коротша обробка Sono-Clevenger дає краще руйнування клітин і, таким чином, вищі виходи ефірної олії.
(©Rasouli et al. 2021)

Ультразвукові екстрактори для гідродистилляції ефірних олій

Ультразвукові екстрактори потужності Hielscher доступні для лабораторних, пілотних та промислових установок. Наші ультразвукові процесори точно контролюються та можуть забезпечувати дуже високі амплітуди (до 200µm для промислових ультразвукових апаратів, вищі амплітуди за запитом) для створення інтенсивного акустичного поля. Всі наші ультразвукові пристрої, від лабораторних до промислових систем, розроблені для роботи 24/7 в умовах важких навантажень.
Ультразвукові екстрактори Hielscher можна тестувати в лабораторному масштабі для перевірки можливості реалізації та оптимізації процесу. Після цього всі результати процесу можна лінійно масштабувати до повного промислового виробництва. Наш багаторічний досвід в ультразвуковій обробці дозволяє нам консультувати та допомагати нашим клієнтам від перших тестів та оптимізації процесу до впровадження високоефективної промислової експлуатації.
Відвідайте нашу технічну лабораторію та центр процесів, щоб дослідити можливості ультразвукових систем Hielscher!
Наші надійні ультразвукові системи можна використовувати для партійної та потокової ультразвукової обробки. Для виробництва ефірних олій можна досягти синергетичної комбінації, встановивши ультразвуковий зонд у традиційну установку гідродистилляції. Модернізація існуючих виробничих ліній також може бути легко виконана.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових апаратів:

Принцип дії ультразвукової екстракції ефірних олій

Доведено, що ультразвукова екстракція забезпечує вищі виходи екстракції та знижує споживання енергії. Принцип дії ультразвукової екстракції полягає у імплозії бульбашок, що генерується ультразвуковою кавітацією. Ультразвукова / акустична кавітація генерує мікрострумені рідини, які руйнують залози, що містять ліпіди, в тканинах рослин. При цьому покращується масоперенесення між клітиною та розчинником, і ефірна олія вивільняється. Головною перевагою сучасних ультразвукових екстракторів є точний контроль над параметрами експлуатації (наприклад, інтенсивність ультразвуку, температура, час обробки, тиск, час утримання тощо). Підвищений вихід ефірних олій, а також нижча термічна деградація, висока якість та гарний профіль аромату та смаку науково доведені (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
У той час як інші сучасні методи екстракції пропонують лише обмежені можливості для масштабування до промислового виробництва, потенціал масштабування ультразвукової екстракції до промислового рівня вже доведений. Наприклад, вихід ефірних олій з японських цитрусових був збільшений на 44% порівняно з традиційними методами екстракції (Mason et al. 2011).

Література / Посилання

• 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.