DE69024961T2

DE69024961T2 - Mikrowellenaussonderung von flüchtigen Ölen und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE69024961T2
Application number: DE69024961T
Authority: DE
Inventors: Jocelyn Pare
Original assignee: UK Government
Current assignee: UK Government
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2010-11-17
Also published as: EP0485668B1; DE69024961D1; EP0485668A1; ES2082822T3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Extraktion von löslichen natürlichen Produkten aus biologischem Material unter Verwendung der Mikrowellenenergie und auf ein Verfahren dafür.

Stand der Technik

Verschiedene Mikrowellenvorstöße wurden dokumentiert, bei denen zum Beispiel Fette und Öle enthaltende Körner durch Mikrowellenheizung getrocknet wurden, gefolgt durch die Schritte des Entfernens von Schalen und des Extrahierens von Ölen zum Beispiel in der US 4 464 402, Gannon. Körner und Samen wurden auch mit Mikrowelle behandelt um das extrahierte Medium aufzuheizen, zum Beispiel Ganzier und Salgo, 1987, Z. Lebensm Unters Forsch 184: 274 bis 276. In diesen Experimenten wurde primär Strahlung verwendet, um das Extraktionsmedium zu heizen.
Das Trocknen mit Mikrowellen von Nahrungsprodukten, gefolgt durch eine darauffolgende Lösungsextraktion ist in der US 4 554 132, Collins, offenbart, aber ohne Extraktionsprozeß.
Die britische 1 209 675 offenbart das Inaktivieren von Enzymen von Palmfrüchten mit Mikrowellenstrahlung, gefolgt durch Lösungsextraktion von Palmöl.
Heitkamp et al. beschreibt in der canadischen 987 993 eine mit Mikrowellen induzierte Wanderung von Geschmacks- und Aromabestandteilen zu Oberflächen in verschiedenen Zellgeweben, wie Tabak oder Tee unter Vorhandensein von Feuchtigkeit und wahlweise eines Lösungsmittels. Heitkamp lehrt nicht eine verbesserte Extraktion der Geschmacks- oder Aromabestandteile in das extrahierte Medium.
Zusätzlich diskutieren Craveiro et al. in Flavour and Fragrance Journal 4, 1989: 43-44, die Herstellung von flüchtigen Materialien aus Pflanzenmaterial, das einer Mikrowellenenergie in einem Luftstrom ausgesetzt wird.
Ganzler, Salgo und Valko in Journal of Chromatoqraphy 371, 1986: 299-306, offenbaren eine Mikrowellenprobenherstellung für Organophosphat-Pestizide, Antinährstoffe und Rohfettproben. Getrocknetes Probenmaterial wird bis zum Punkt der Partikelgröße gemahlen und in einem organischen Medium suspensiert. Das Ganzler et al. Verfahren beschreibt eine Extraktion, bei der das Drüsen- und Gewebematerial des getrockneten Probenmaterials mechanisch vor der Mikrowellenbehandlung zerstört wird, dies bewirkt einen Verlust von flüchtigen Ölen und läßt zu, daß ungewünschte Materialien erhalten werden. Dieses Verfahren bedarf einer langen Zentrifugenzeit, eine allgemeine bekannte Extraktionstechnik. Darüber hinaus gibt das Verfahren an, daß die Suspensionen von Proben und Lösungsmitteln gekühlt werden und anschließend wieder den Mikrowellen unterworfen werden. Somit tritt ein Aufheizen der Extraktionsumgebung auf, wobei kein Extraktionsmittel oder irgendein flüchtiges Öl wiedergewonnen wird.
AU-B-47902/85 beschreibt einen Extraktionsprozeß aus Pflanzenbasismaterial zum Erhalten von Duftölextrakten durch Kombinieren des Pflanzenmaterials mit einem flüssigen Trägermaterial und Unterwerfen der Kombination einer elektromagnetischen Energiestrahlung in einem Frequenzbereich von 20 000 bis 30 000 Hz. In ähnlicher Weise verwenden Extraktionsprozesse und eine Extraktionsvorrichtung, wie sie in der GB-A-2 004 197 und der US-A-2 925 328 offenbart sind, Ultraschallstrahlung. EP-A-0 398 798, die nach dem Anmeldetag veröffentlicht ist, bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von fluchtigen Ölen aus biologischem Material, das in mazerierter Form vorliegt.
Dampfdestillations- und Lösungsmittelextraktions-Verfahren sind im Stand der Technik allgemein bekannt, sie sind aber auf hohe Temperaturen begrenzt und sind ebenfalls gefährlich, wenn bestimmte organische Lösungsmittel verwendet werden, und sie sind nicht geeignet, ein nichtkontaminiertes Produkt herzustellen.
Somit gibt es einen Bedarf nach einem Extraktionsverfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung maximaler Ausbeuten und Gewinnung von flüchtigen Ölen und anderen nützlichen Substanzen, die in zellulärem biologischem Material enthalten sind, durch Mikrowelleneinwirkung, ohne die Nachteile des Standes der Technik und ihm innewohnenden Begrenzungen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Extraktionsprotokoll für verschiedene natürliche Produkte vorgesehen, ohne auf die menschliche Verwendung, zum Beispiel Nahrungsaufnahme oder örtliche Anwendung begrenzt zu sein, ohne die mit den Extraktionstechniken nach dem Stand der Technik verbundenen Zufällen, und das selektiver, wirkungsvoller und schneller ist.
Die vorliegende Erfindung verwendet Mikrowellenenergie, um einen plötzlichen Temperaturanstieg in den Drüsen- und gegebenenfalls Gefäßsystemen von biologischem Material zu erzeugen, das mit einer geeigneten Menge eines geeigneten, nichtwäßrigen organischen Lösungsmittels oder Extraktionsmittels kontaktiert wird, wie im folgenden definiert wird.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren bezieht sich auf das Eintauchen einer Quelle von biologischem Material, das ein die Öle enthaltendes Zellsystem aufweist, in ein nichtwäßriges organisches Lösungsmittel, wobei die genannte Materialquelle ein im wesentlichen intaktes Drüsensystem und einen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, der ausreicht, um das Drüsensystem bei Mikrowellenbehandlung zu zerbrechen. Danach wird das Quellenmaterial einer Mikrowellenenergiequelle ausgesetzt, um die Temperatur des biologischen Materials bis zu einem Grad zu erhöhen, der ausreicht, das Drüsensystem zu zerbrechen und das flüchtige Öl aus dem biologischen Material in das organische Extraktionsmittel auszudrücken.
Wenn die flüchtigen Öle während des Verfahrens extrahiert sind, werden sie mit dem nichtwäßrigen organischen Extraktionsmittel gekühlt. Darüber hinaus wird eine zusätzliche Quelle des biologischen Materials zu dem resultierenden Extraktionsmittel hinzugefügt, das extrahierte flüchtige Öle vom ersten Extraktionsschritt enthält und bestrahlt, so daß das kombinierte biologische Material und das resulierende Extraktionsmittel mit einer Mikrowellenenergiequelle behandelt werden, die ausreicht, um die Temperatur des biologischen Materials zu erhöhen, um das Drüsensystem des biologischen Materials, das in dem resultierenden Extraktionsmittel enthalten ist, zu zerbrechen, um das flüchtige Öl daraus auszudrücken und zu dispergieren. Dies kann einige Male wiederholt werden. In dem nächsten Schritt werden die flüchtigen Öle von dem so erhaltenen weiteren Extraktionsmittel getrennt.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel können konzentrierte Extrakte der flüchtigen Öle durch Verringern der Lösungsmittelmenge erhalten werden, die normalerweise für diesen Zweck benötigt wird. Wenn somit ein Extraktionsmittel wiederholt verwendet wird, wird der Lösungsmittelverbrauch verringert, wodurch ein wirtschaftlicherer und nützlicherer Betrieb bewirkt wird.
Im Gegensatz zu anderen Verfahren bewirkt diese Erfindung, daß die Mikrowellenenergie durch das zu behandelnde Material in einer im Vergleich zu dem Lösungsmittel bevorzugten Weise absorbiert wird, so daß die aus dem biologischen Material ausgepreßten Öle dann unmittelbar durch das umgebende Lösungsmittel gekühlt werden, wodurch vermieden wird, daß die Öle und die empfindlichen Materialien einer Wärmeverschlechterung durch die Mikrowellenbehandlung des biologischen Materials ausgesetzt werden.
Daher ist der Prozeß der Anmelderin ein "Kühlprozeß", in dem das Lösungsmittelmedium nicht durch die Absorption der Mikrowellenenergie durch das Lösungsmittel aufgeheizt wird, und bei dem im wesentlichen die gesamte verwendete Mikrowellenenergie dem zu behandelnden Material mitgeteilt wird. Die positive Temperaturdifferenz zwischen dem biologischen Material und dem Extrakt stellt sicher, daß das Öl zu dem Extrahiermittel wandert.
Das Extrahiermittel kann aus geeigneten organischen Lösungsmitteln ausgewählt werden, die den Fachleuten bekannt sind, zum Beispiel Alkane z.B. Hexane oder andere solche geeigneten nichtwäßrigen aliphatischen organischen Mittel. Im allgemeinen werden solche Materialien als "mikrowellentransparent" bezeichnet, d.h., sie heizen sich nicht auf oder es gibt keine signifikante Mikrowellenenergieabsorption bei Bestrahlung aufgrund des Fehlens eines molekularen Dipolmomentes. Somit tritt ein Kühlen der extrahierten Öle aus den zellularen biologischen Materialien auf. Co-Lsungsmittel können auch verwendet werden. Die Extraktionsmittel sollten eine statische Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 0 bis 28 aufweisen oder sollten transparent auf die Mikrowellenfrequenz der Mikrowellenquelle sein.
In dem Fall, bei dem das biologische Material im wesentlichen ohne jegliche Feuchtigkeit ist, kann eine erneute Hydratisierung oder Solvatisierung des Materials vor der Mikrowellenbehandlung erzielt werden, indem ein Lösungsmittel eingeschlossen wird, das nicht gegen Mikrowellen transparent ist, d.h. solche, die ein Dipolmoment aufweisen. Diese Lösungsmittel schließen zum Beispiel Methanol, Ethanol und Mischungen von Lösungsmitteln usw. ein.
Im Fall, daß ein teilweise transparentes organisches Lösungsmittel verwendet wird, verbleibt die Temperatur desselben unter der des biologischen Materials und genauer gesagt dem extrahierten Öl während einer Mikrowellenbehandlung. Dies stellt sicher, daß das Öl enthaltende Medium gekühlt wird. Es stellt auch die Wanderung des Öls in das Extraktionsmittel sicher.
Ein anderer Aspekt der Erfindung verwendet ein Extraktionsmediensystem, entweder als ein einziges Extraktionsmittel oder als Lösung von zwei oder mehr geeigneten und kompatiblen Extraktionsmitteln in Reihe, um fraktionierte Ölextrahierungen zu erzielen.
Die Anmelderin hat herausgefunden, daß unter Verwendung von nichtzerkleinertem Material als zu behandelndes Material bessere Ergebnisse erzielt werden. Der Stand der Technik hat vorgeschlagen, fein gemahlenes oder partikuliertes getrocknetes Material zu verwenden, was zu einer wesentlichen, nichtselektiven Veränderung von Drüsen- und Gefäßgeweben führt, was selbstverständlich eine erste Notwendigkeit für die Extraktion von flüchtigen Ölen ist. Durch Verwendung von im wesentlichen des gesamten Materials oder von großen Stücken des Materials wird eine Zerstörung von Drüsen- und Gefäßsystemen vermieden, wodurch eine bessere und wertvollere Extraktion der gewünschten Produkte erzielt wird.
Drüsengewebe, wie es hier verwendet wird, bezieht sich auf solche Organe, die für verschiedene Sekretionen, d.h. Saftsektretionen, verantwortlich sind. Gefäßgewebe bezieht sich auf Kanäle für die Förderung von Fluiden. Im allgemeinen umfassen die flüchtigen Öle für die Extraktion aus biologischen Materialien die in dem Drüsensystem befindlichen ätherischen Öle. Solche Öle tragen den ätherischen Duft oder Geschmack des biologischen Materials und werden in Parfümen oder Aromatisierungen verwendet. Wie bekannt ist, werden flüchtige, d.h. ätherische Öle von den nicht trockenen Ölen zum Beispiel Baumwollsamenöl, Leinöl oder Kokosöl usw. dahingehend unterschieden, daß die zuerst genannten Öle nicht Glyzeride oder Fettsäuren sind.
Der Term "flüchtige Öle", wie er hier verwendet wird, umfaßt nicht nur solche Substanzen, die von Pflanzen und Tiermaterialien hergeleitet werden, wie ätherische Öle, aber auch Substanzen, wie Lipide, fette Öle, Fettsäuren usw., die, obwohl sie nicht den gleichen Grad an Flüchtigkeit wie ätherische Öle haben, aus dem Drüsensystem oder dergleichen System dieser Pflanzen- und Tiermaterialien durch den hier beschriebenen Prozeß ausgedrückt oder "verflüchtigt" werden.
Die vorliegende Erfindung ist für viele Arten von Gewebe, zum Beispiel Pflanzenmaterial zum Aromatisieren und für Duftzwecke und andere Gewebe, zum Beispiel Tiergewebe anwendbar. Beispiele des Pflanzenmaterials umfassen canadisches Pfefferminz, Seetang, wie irisches Moos, verschiedene Arten von Gemüsen, zum Beispiel Zwiebeln, Knoblauch und dergleichen. Im Falle von Tiergewebe können Leber, Niere, Eiweiß usw.
oder Tierprodukte, zum Beispiel Seeanemonen, Seegurken und Krustentiere (z.B. Hummer oder andere Schalenfische), Warm- und Kaltwasserfische (z.B. Forellen usw.) verwendet werden, um Pigmente, Öle usw. zu extrahieren. Eine bevorzugte Anwendung bezieht sich auf die Extraktion der begehrenswerten Öle von Fischkomponenten, wie der Leber, die eine Quelle von wünschenswerten Säuren für pharmazeutische und humane Zwecke sind, zum Beispiel flüchtige Öle wie Omega-3 und Omega-6 Öle oder dergleichen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Extrahieren von Essenzen und anderen Substanzen aus biologischem Material vor, die mindestens einen Mikrowellenbestrahlungstubus aufweist und eine Vorrichtung zum Zuführen einer Mischung aus biologischem Material und einem Extraktionsmittel durch den Mikrowellenbestrahlungstubus zur Behandlung umfaßt. Darüber hinaus sind Mittel zum Trennen von Flüssigkeit aus der behandelten Mischung und zum Entfernen des Extraktionsmittels aus der gefilterten Flüssigkeit vorgesehen.
Der Mikrowellenapplikator kann innerhalb der zugänglichen bekannten Parameter arbeiten, zum Beispiel bei einem Leistungsnennwert von ungefähr 200 bis 10 000 W und einem Frequenzbereich von ungefähr 2000 bis 000 MHz. Es kann jede Wellenlänge in dem Mikrowellenspektrum verwendet werden, die zu einem gewissen Ausmaß durch eine Komponente des Materials absorbiert wird, da nur geringe Änderungen in der Bestrahlungszeit notwendig sind, um Änderungen in der Absorption zu kompensieren. Es können einige solcher Vorrichtungsbestrahlungstuben parallel für die Bestrahlung des biologischen Materials vorgesehen sein.
Die Vorrichtung umfaßt ein Lösungsmittelbehälter aus geeignetem Material, das kompatibel mit den organischen Lösungsmitteln ist, und Mittel zum Einlassen des Lösungsmittels und der Probe. Die Mischung wird in oder durch den Bestrahlungstubus durch ein geeignetes Mittel zum Beispiel eine Pumpe geführt und wird dann in eine Filtervorrichtung, zum Beispiel Filterpapierstufen, Teflon(TM)-Abscheidung usw. geleitet, um das verbleibende Pflanzenmaterial zu entfernen. Zusätzlich kann die Vorrichtung Mittel zum Entfernen jedweden Wasserinhalts umfassen, der von den zu behandelnden Proben herstammt, solche Mittel können zum Beispiel geeignete Trocknungsmittel für diesen Zweck einschließen, die als eine getrennte Stufe oder zum Beispiel in der Filtervorrichtung enthalten sein können.
Das Material wird vorzugsweise zu einem Separator zum Beispiel einem Drehverdampfer usw. zum Trennen des Lösungsmittels von dem Ölmaterial gepumpt. Das Lösungsmittel kann zusätzlich durch einen Kondensor, der im Stand der Technik bekannt ist, zum Kondensieren des Lösungsmittels hindurchgeführt werden.
Die Fachleute werden verstehen, daß das "Hindurchführen" des hier erwähnten Materials durch die Verwendung von geeigneten Verbindungsleitungen erzielt wird, zum Beispiel Glasrohrleitungen, Teflon (TM), Quarz oder einer anderen mikrowellentransparenten Ausrüstung für Mikrowellenbehandlung. Zusätzlich enthalten die Leitungen geeignete Ventile zum Beispiel Glas oder Teflon-Absperrhähnen usw.
Nachdem somit allgemein die Erfindung beschrieben wurde, wird nun Bezug genommen auf die beigefügte Zeichnung, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, und in der:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezugnahme auf das Verfahren läuft der Mikrowellenbestrahlungsprozeß im allgemeinen wie folgt ab: die Mikrowellenstrahlen gehen frei durch das mikrowellentransparente Extraktionsmedium hindurch und erreichen die inneren Drüsen- und Gefäßsysteme des biologischen Materials [ein mikrowellentransparentes Medium kann als ein Medium definiert werden, das keine signifikante statische Dielektrizitätskonstante, d.h. Nettodipolmomente aufweist, zum Beispiel Hexan (1,9), Tetrachlorkohlenstoff (2,2) und Flüssigkeit CO2 (1,6 bei 0º C und 50 Atm.) im Vergleich zu Substanzen mit großer Dielektrizitätskonstante, zum Beispiel Wasser (80,4)]. Ein abgeteilter Teil dieser Mikrowellenstrahlen wird durch das biologische Material absorbiert. Der Absorptionswirkungsgrad hängt stark von dem Feuchtigkeitsgehalt (oder hinzugefügter absorbierender Komponente) des Materials zu dem Zeitpunkt ab, bei dem der Extraktionsprozeß durchgeführt wird. Das Ergebnis ist ein plötzlicher Anstieg der Temperatur innerhalb des Materials, der stärker in dem Drüsen- und dem Gefäßsystem ausgedrückt wird. Die Temperatur steigt weiter an, bis der Innendruck die Fähigkeit der Expansion der Zellenwände überschreitet, wodurch eine Explosion an dem Zellniveau erzeugt wird. In den Zellen lokalisierte Substanzen werden freigesetzt und strömen aus den Zellen und wandern in das umgebende Medium, das kalt ist und die Öle einfängt und löst. Das feste biologische Material kann entfernt werden, zum Beispiel abgefiltert werden, wobei die resultierende Lösung in der gleichen Weise wie jedes andere Naturproduktextrakt behandelt wird.
Die Menge des Extraktionsmittels, die zum Kontaktieren oder Untertauchen des zugeführten Materials dient, kann stark variieren, normal ausreichend, um im wesentlichen alle die gewünschten Komponenten zu extrahieren bis zum vollständigen physischen Abdecken des biologischen Materials. Das Verhältnis des Extrahiermittels zum zugeführten Material (L/kg) kann zum Beispiel bei 1:1 bis ungefähr 20:1 liegen.
Eine Elektronenmikrographieuntersuchung von frisch extrahiertem Pflanzenmaterial offenbart, daß der Grad des Berstens der inneren Struktur des Drüsensystems, von zum Beispiel canadischem Pfefferminz, für eine 20 Sekunden mikrowelleninduzierte Extraktion so groß ist wie sie für eine übliche zwei Stunden Dampfdestillation und für sechs Stunden Soxhlet-Extraktionsprozesse ist. Elektronenmikrographien liefern auch eine Erläuterung für die bessere Qualität der Extrakte, wie während des relativ kurzen Zeitraums der erhaltenen Extrakte, da der relativ kurze Zeitraum der Extraktion zum Beispiel zwei bis drei Minuten so variiert werden kann, daß die Eindringleistung auf der Grundlage des Extraktionsmediums gesteuert werden kann. Im Fall eines ätherischen Öls aus Pfefferminz, unter Verwendung zum Beispiel von Hexan als Lösungsmittel, verhindert der kurze Extraktionszeitraum, kombiniert mit der Verwendung nichtzerkleinertem frischen Material, daß das Extraktionsmittel Zugriff zu Pigmenten und anderen unerwünschten Komponenten hat, die in der Pflanze lokalisiert sind. In einer Dampfdestillation nach dem Stand der Technik und anderen Extraktionsprozessen, bei denen die Maschenweite am Schluß sehr kritisch ist, wird gemahlenes Material verwendet, wodurch im Vergleich zu dieser Erfindung ein Extraschritt impliziert wird. Eine direkte visuelle Untersuchung bestätigte dieses Phänomen, da durch diese Erfindung erhaltenen Extrakte sehr viel weniger pigmentiert sind als die Gegenstücke der Dampfdestillation.
Diese Erfindung erlaubt die Möglichkeit der Verwendung eines Systems von Extraktionsmedien, entweder als ein einziges Extraktionsmittel oder als eine Lösung aus zwei oder mehr Extraktionsmitteln, auch hintereinander, um fraktionierte Extrakte in Minuten zu erhalten und von dergleichen Ausrüstung Gebrauch zu machen. Eine übliche Technologie verlangt getrennte Destillationsprozesse, die kostenintensiv und zeitaufwendig sind. Unterschiedliche und aufwendige Instrumentenausrüstung ist auch verlangt, wodurch eine sehr viel größere Kapitalinvestition benötigt wird. Diese Erfindung setzt einen Hersteller in die Lage, eine Reihe von Extraktions- und Fraktionierprozessen an der gleichen Anlage unter Verwendung der gleichen Ausrüstung in weniger Zeit durchzuführen als durch die übliche Technologie benötigt wird.
Der für die Bestrahlung des Materials zum Extrahieren der Öle mit Mikrowellenstrahlen benötigte Zeitraum variiert mit den unterschiedlichen Arten von Pflanzen und anderem biologischen Material, typische Zeiten liegen zwischen ungefähr 10 bis 100 Sekunden. Die Bestrahlungszeiten variieren auch mit dem Feuchtigkeitsgehalt des zugeführten Materials, da Wasser sehr wirksam beim Absorbieren von Mikrowellenstrahlen ist. Der Wassergehalt des Materials sollte zwischen ungefähr 25 % bis ungefähr 90 % liegen. Dieses Extraktionsverfahren kann für Batch-Prozesse sowie für kontinuierliche Prozesse verwendet werden.
Das Extraktionsprodukt kann aus dem Extraktionsmittel (nach Trennung von den Restfeststoffen des Pflanzenmaterials durch Abscheidung, Filtern oder Zentrifugieren) gewonnen werden, wenn gewünscht durch Destillation, Umkehrosmose, bevorzugte Extraktion, Chromatographie usw. Geeignete Gewinnungstechniken sind den Fachleuten bekannt. Die verarmte Extraktionsmittelphase kann ohne weitere Reinigung wiedergewonnen werden.
Es wird nun auf Beispiele der Erfindung, die unten vorgesehen sind, Bezug genommen, wobei eine Mikrowellenstrahlung induzierte Extraktion verwendet wird. Das Bersten der Drüsen- und Gefäßsysteme der unterschiedlichen Materialien, wie in besonderer Weise hier beschrieben wird, legen die Verbesserungen dar. Diese umfassen zum Beispiel den Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute, die Qualität des Extrakts, eine verringerte Zeit und verringerte Herstellungskosten (reduzierte Personalkosten und reduzierte Betriebskosten), redu zierte Rohmaterialkosten (wegen der verringerten Kosten der Vorbereitung des Rohmaterials) eine verringerte Anzahl der Operationen und verringerte prozeßbezogene Zufälle (von Menschen und Ausrüstungen) oder eine Kombination davon im Vergleich zu Extraktions prozessen nach dem Stand der Technik. Diese Beispiele sind illustrierend und typisch, aber nicht erschöpfend oder begrenzend.

BEISPIEL 1

Monarda fistulosa, eine neue Spezies von Monarda, ist ein neues Produkt für die Ausgangsmaterialien für Parfüme und Aromatisierung. Es erzeugt eine sehr viel höhere Konzentration von Geraniol in seinem ätherischen Öl als andere Genera in der Monarda. Für Vergleichszwecke wurde das ätherische Öl der Monarda fistulosa durch dieses Verfahren erhalten. In diesem Beispiel wurden 30 g von frischem Pflanzenmaterial in relativ große Stücke zerteilt (in gleicher Menge wie für eine Dampfdestillation) und in einem 400 ml Becher plaziert und in 175 ml Hexan eingetaucht und die Temperatur der Mischung wurde aufgezeichnet. Die Mischung wurde einer Mikrowellenbestrahlung (500 W bis 2450 MHz) für einen Zeitraum von 15 Sekunden unterworfen und die Temperatur des Mediums wurde erneut aufgezeichnet. Dieser letzte Schritt wurde zweimal wiederholt, ohne weitere Temperaturmessungen vorzu nehmen (d.h. eine Gesamtheit von 45 Sekunden einer Mikrowellenbestrahlung wurde aufgebracht und es wurden insgesamt vier Temperaturmessungen vorgenommen). Die Daten zeigten an, daß die Innentemperatur des Pflanzenmaterials während der Bestrahlung höher wurde, um dabei den verlangten Temperatrugradienten, der für einen hohen Extraktionswirkungsgrad der Öle notwendig ist, usw. in dem kühleren Rexanmedium herzustellen (Temperaturen von nur 15, 29, 44 und 57º C wurden durch passive Wärmeleitung von dem Pflanzenmaterial für einen Mikrowellenbestrahlungszeitraum von 0, 15, 30 und 45 Sekunden jeweils erreicht). Die Ausbeute wurde zu 1,49 % gefunden.
Die Zellentemperatur des Pflanzenmaterials ist hoch, d.h. in der Größenordnung von 100º C wegen des Feuchtigkeitsgehalts, und die intrazellulare Feuchtigkeit diffundiert in das Hexanmedium, um eine leichte Temperaturänderung zu bewirken, aber diese Temperatur ist niedrig im Vergleich zu dem Ölmaterial und beeinflußte daher nicht den Temperaturgradienten in einem merkenswerten Ausmaß, wie aus den Extraktionsdaten offenbar wird.
Folgend auf das Kühlen der Mischung aus Ölen und Extraktionsmittel wurde die Mischung dann über eine kleine Menge Natriumsulfat gefiltert (um Wasserspuren zu entfernen) und mit 50 ml frischem Hexan gewaschen. Der Extrakt wurde reduziert, die Ausbeute bestimmt und der Extrakt wurde durch Gaschromatographie gekoppelt mit einem massenselektiven Detektor analysiert (die Massenspektraldaten wurden mit einer Bibliothek von Standards verglichen). Die Daten sind in Tabelle I zusammengefaßt.
Das gleiche mikrowellenunterstützte Experiment wurde wie oben bis zum letzten Filterschritt wiederholt. An diesem Punkt wurde anstelle des Reduzierens des Extrakts der Extrakt als ein Extraktionsmedium verwendet, um zwei andere Experimente durchzuführen, d.h. eine Gesamtheit von 90 g Pflanzenmaterial wurde in einem einzigen Aliquot von Hexan extrahiert (in drei Mengen von 30 g, jede wurde drei Bestrahlungssequenzen von 15 Sekunden unterworfen). Die Gesamtextraktion wurde dann gefiltert (über eine geringe Menge von Natriumsulfat), mit 50 ml frischem Hexan gereinigt und reduziert. Die Ausbeute wurde bestimmt und die Inhalte wurden unter den gleichen Bedingungen wie oben analysiert. Die Ausbeute (1,54 %) und die Probengehalte belegten, daß sie identisch zu den oben beschriebenen im Versuchsfehlerbereich waren. Tabelle I stellt die analytischen Ergebnisse zusammen und zeigt, daß der mikrowellenunterstützte Extrakt von größerem wirtschaftlichem Marktwert in Hinblick auf seinen verbesserten Gehalt an Geraniol war. TABELLE I Bestandteil Relative Konzentration Mikrowellenprozeß Dampfdestillation Okten-3-ol Myrcen p-cymol α-Terpinen 15 Linalool Nerol Geraniol Germancreen D Gesamt
Eine kumulative und sequentielle Verwendung von mikrowellenunterstützten Extraktionen, kombiniert mit einer klugen Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels sieht einen Extrakt mit größerer Ausbeute als die Dampfdestillationsprodukte (0,94 %) nach dem Stand der Technik allein vor. Auch ist der Extrakt von höherem wirtschaftlichen Marktwert und es wird die Menge des Lösungsmittels verringert, ein anderer wünschenswerter Faktor. Darüber hinaus wird die zum Reduzieren und/oder Verdampfen des Extrakts bis zur Trockenheit benötigte Zeit auf ein Drittel verringert. Letzteres verbessert den Wirkungsgrad des Prozesses und verringert die mit Arbeitskraft und dem Energieverbrauch zusammenhängenden Kosten; tatsächlich ist die Reduktion und/oder Verdampfung des Lösungsmittels der geschwindigkeitsbestimmende Schritt dieses mikrowellenunterstützten Extraktionsprozesses. In dem obigen Beispiel werden drei komplette Extrakte in zehn Minuten produziert, während der gleiche Extrakt ein Minimum von acht Stunden unter Verwendung eines Dampfdestillationsprozesses nach dem Stand der Technik verlangen würde.

Beispiel 2

Intakte Knoblauchknollen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30 % wurden in 250 ml Dichlormethan eingetaucht. Die eingetauchten Proben wurden mit einer Mikrowellenstrahlung bei 625 W und einer Frequenz von 2450 MHz während eines einzigen Bestrahlungszeitraums von 30 Sekunden bestrahlt. Die Proben, die in diesem Beispiel vollständig intakt waren, verdeutlichen eine beispielhafte Bestandteilsextraktion mit keiner Verunreinigung der extrahierten Bestandteile mit weniger wünschenswerten Bestandteilen. Die Ausbeuten wurden gefunden zu 22,2 % für Allylsufid, 28,4 % für 3-Vinyl-1,2 Dithi-5-en und 49,4 % für 2-Vinyl-1,3 Dithi- 4-en. Die Analyse der Produkte, die durch den hier beschriebenen Prozeß erzeugt wurden, wird als µ-Welle&sub2; identifiziert.
Für Vergleichszwecke wurde Knoblauchproben den folgenden bekannten Techniken unterworfen, nämlich einer Hydrodiffusion (HD&sub1;), einer Hydrodestillation (HD&sub2;, einer superkritischen flüssigen Kohlendioxidextraktion (CO&sub2;), einer µ-Welle&sub1; unter Verwendung von mazeriertem Knoblauch in einer Lösungsmittelextraktion (Dichlormethan) mit Mikrowellenbestrahlung (viermal) für 125 Sekunden.
HD&sub1; bezeichnet Hydrodiffusion, HD&sub2; bezeichnet Hydrodestillation, CO&sub2; bezeichnet superkritische flüssige Extraktion mit CO&sub2;, µ-Welle&sub1; bezeichnet mazerierten Garlic in Dichlormethan mit vier Bestrahlungen von 125 Sekunden, µ-Welle&sub2; bezeichnet intakte Knoblauchknollen in Dichlormethan und bestrahlt für einen einzigen Zeitraum von 30 Sekunden mit einer Mikrowellenbestrahlung.
Die Daten zeigen klar, daß selbst bei kurzer Bestrahlungszeit (30 Sekunden), gekoppelt mit einem Kühlmedium für die Extraktion der Bestandteile, die Technik der vorliegenden Erfindung stark die konventionellen Techniken der Hydrodiffusion, Hydrodestillation, su perkritischen flüssigen Extraktion und noch wichtiger Mikrowellenextraktion, bei der die Probe mazeriert war und mit Mikrowellenenergie "überstrahlt" war, übertrifft.

Beispiel 3

Eine frische Regenbogenforelle (Salmon galrdneri) wurde vorgesehen und die Brustflosse zusammen mit der Rückenflosse und dem Kopf wurden entfernt, um ein Quellenmaterial für eine erste Extraktion (38,5 g) zu bilden. Vom selben Fisch wurden die vollständigen inneren Teile getrennt, um ein Quellenmaterial für eine zweite Extraktion (34,9 g) zu bilden.
Jedes dieser Quellenmaterialien wurden dann einer aufeinanderfolgenden Reihe von Mikrowellenextraktionen (3 x 15 s) unter Verwendung des gleichen Extraktionsmittels entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet. Die benutzte Vorrichtung war die, die im Beispiel 1 beschrieben wurde, das benutzte Extraktionsmittel für jedes Quellenmaterial war Hexan (ein einziges 60 ml Aliquot), das die Materialien vollständig untertaucht. Es ist wichtig festzustellen, daß das Quellenmaterial im nichtzerkleinerten Zustand war. Zusätzlich verblieb die Temperatur des Extraktionsmittels an einem Punkt, bei dem das Extraktionsmittel als Kühlung für das ausgedrückte Öl von diesen Quellenmaterialien wirkte.
Die aus den Ausgangsmaterialien ausgedrückten Öle wurden dann vom Hexan durch Verfahren separiert, die in den anderen Beispielen beschrieben wurden, und die gewonnenen Produkte wurden auf ihre Fettsäureinhalte analysiert.
Wie in dem Agricultural Handbook 8-15 (US Department of Agriculture, 1987) berichtet wurde, bringt das Pressen einer Regenbogenforelle zum Trennen von ätherischen Ölen von eßbaren Teilen mit Techniken nach dem Stand der Technik eine Ausbeute insgesamt von ungefähr 3,4 % Lipoiden. Allgemein ausgedrückt verlangen solche Preßtechniken einen signifikanten Zeitaufwand, der, im Vergleich mit den Techniken der vorliegenden Erfindung, einige Male größer ist als der bei der Mikrowellenextraktionstechnik nach der Erfindung. Darüber hinaus ist die prozentuale Ausbeute unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung für die ätherischen Öle und unter Verwendung nur der Regenbogenflossen und einem geringen Gehalt an Fleisch als Quellenmaterial ungefährt äquivalent (3,9 %) zu den gleichen Ausbeuten bei Techniken nach dem Stand der Technik, wenn die gesamten eßbaren Fischteile verwendet werden. Wenn dagegen die inneren Teile des Fischs mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wurde ungefähr das Fünffache (16,1 gegen 3,4 %) der Menge von ätherischen Ölen erhalten im Vergleich mit den Preßtechniken nach dem Stand der Technik.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die einen Behälter oder Tank 10 mit einem Einlaß 11 für das biologische Material und einem Einlaß 12 für das zuvor erwähnte Lösungsmittel aufweist, das in einem Lösungsmittelbehälter 13 gespeichert werden kann. Die Zufuhr des Lösungsmittels in den Tank 10 wird durch ein Ventil 14 gesteuert. Die Mischung des Lösungsmittels und des biologischen Materials wird durch einen Rührer 15 gerührt. Eine Pumpe 16 liefert das mit dem Pflanzenmaterial gemischte Lösungsmittel über eine Mikrowellenbestrahlungstubus 17 mit einer typischen Nennleistung von ungefährt 200 bis ungefähr 10 000 W und einer typischen Betriebsfrequenz von zwischen 2000 und ungefährt 30 000 MHz. Weiterhin führt die Pumpe 18 das behandelte Material und das Lösungsmittel an einen Filterapparat 19. Eine Mikrowellenquelle kann auch in dem Zufuhrrohr positioniert sein, um es in dem Materialzufuhrrohr einzuschließen. Dies erlaubt die Verwendung einer Metallrohrleitung (z.B. Stahlrohrleitung) während nur zum Beispiel ein lan (verstärktes) Gehäuse verwendet wird. Die Mikrowellen wirken direkt auf das Zellenmaterial, um es zu zerbrechen, worauf die Öle oder andere Substanzen in das Extraktionsmittel freigelassen werden, um dabei gekühlt zu werden.
Eine Vielzahl von Filtern, die mit oder ohne Trockenmittel verwendet werden, kann in dem Filtergerät vorgesehen sein und parallel arbeiten. Dies ermöglicht ein Entfernen von gefilterten biologischen Restfeststoffen periodisch aus indiviuduellen Filtern, ohne die Vorrichtung vollständig abzuschalten.
Von dem Filterapparat 19 werden das gefilterte Lösungsmittel und die darin enthaltenen Öle durch die Pumpe 20 zu einem Separator 21 gepumpt oder zu dem Mikrowellenbestrahlungstubus 17 über die Ventile 51 und 52 und das Rohr 50 zurückgeleitet. Der Separator 21 wird aufgeheizt zum Beispiell durch eine externe Heizvorrichtung 22, durch ein Temperatursteuergerät 23 gesteuert, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Die verbleibende Substanz oder Substanzen in dem Separator 21 werden periodisch am Auslaß 24, gesteuert durch das Ventil 25, abgezogen.
Das verdampfte Lösungsmittel wird durch einen Kondensierer 26 geschickt und das kondensierte Lösungsmittel wird in den Hauptbehälter 27 zurückgeführt, von dem es dann zu dem Lösungsmittelbehälter 13, gesteuert durch das Ventil 28, geführt wird. In einer Modifikation kann das kondensierte Lösungsmittel direkt in den Lösungsmittelbehälter 13 geleitet werden.
Einiges von dem kondensierten Lösungsmittel kann über das Filter 19 verteilt werden, um die Extraktion in dem Filter zu erhöhen. Dies wird durch die Rohrleitung 30 vorgesehen, die durch die Ventile 31 und 32 gesteuert wird. Verschiedene Entlüftungsventile, wie bei 33 und 34, sind vorgesehen, um die Vorrichtung zum Atmosphärendruck zu öffnen.
Wie zuvor hier beschrieben wurde, ist die Vorrichtung für eine Gewinnung von flüchtigen Ölen und anderen Substanzen durch die Verwendung von Mikrowellen, um die solche Öle enthaltenden Drüsenzellen aufzubrechen, ausgelegt. Die Vorrichtung kann mit anderen Formen von Geräten nach dem Stand der Technik kombiniert werden. Beispielsweise ist ein Verteilungsventil 40 zwischen dem Mikrowellenbestrahlungstubus 17 und dem Filtergerät 19 vorgesehen. Von dem Ventil kann abhängig von seiner Einstellung das mit dem Lösungsmittel gemischte biologische Material dem Filtergerät 19 zugeführt werden, wie oben beschrieben wurde, oder über eine Verbindung 41 an eine Dampfdestillationsanlage nach dem Stand der Technik geleitet werden. Mit einer solchen Anwendung ist das Lösungsmittel Wasser und das mit dem Wasser gemischte biologische Material kann in dem Mikrowellenbestrahlungstubus behandelt werden, wobei das Wasser aufgeheizt wird. Alternativ kann das Wasser durch den Mikrowellenbestrahlungstubus 17 aufgeheizt werden, bis es unter Druck die Dampfphase erreicht, und kann dann über die Verbindung 41 über das biologische Material kondensieren, das in den Dampfdestillationsbehälter gebracht wird (Hydrodestillation und Hydrodiffusion).
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Ventil so eingestellt werden, daß es einen Strom durch eine Verbindung 42 zu einer Festkörper/Flüssigkeits extraktionsanlage erlaubt. Das mit dem Lösungsmittel gemischte Pflanzenmaterial kann oder kann nicht in dem Mikrowellenbestrahlungstubus für die Dauer der Anfangsauffüll-Rückflußsequenz behandelt werden. Der Rückfluß dieser Operation kann direkt zur Pumpe 16 für folgende Operationen zurückgeführt werden.
Eine besonders bevorzugte Form der oben beschriebenen Vorrichtung wird in Zusammenhang mit einem superkritischen Fluidextraktionsprozeß verwendet, bei dem der Mikrowellenbestrahlungstubus ein System von Röhren, wie Glas, Quarz oder dergleichen, verwendet, die mit einem äußeren Rohr aus Metall, wie Stahl, verbunden sind oder in diesem eingeschlossen sind, und bei dem die Mikrowellenvorrichtung eine axial positionierte Mikrowellenerzeugungsvorrichtung in dem Rohr verwendet und durch das das zu bestrahlende Material strömt. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Prozeß mit seinen Vorteilen benutzt. Darüber hinaus können andere Anordnungen verwendet werden, bei denen die Mikrowellenerzeugungsvorrichtung so angeordnet werden kann, daß sie ein mikrowellentransparentes Rohr oder eine entsprechende Leitung umgibt und in dem die Erzeugungsvorrichtung durch ein geeignetes Material, zum Beispiel Metall abgeschirmt ist. In einem solchen Fall kann das Material der transparenten Leitung Teflon (TM) oder Glas sein.
Für eine verbesserte Operation kann es wünschenswert sein, das System unter Druckbedingungen laufen zu lassen. Insbesondere wird die Entfernung des Lösungsmittels durch Verdampfung stark vereinfacht, indem der Druck verringert wird, während eine relativ niedrige Temperatur aufrechterhalten wird. Die Verbindungen 43 und 44 sind für den Anschluß an eine Unterdruckquelle vorgesehen.
Die Vorrichtung sieht eine erhöhte Extraktion von gewissen Essenzen und anderen Substanzen, die entfernt werden müssen oder bevorzugt entfernt werden, vor, ohne die Anwendung von Hitze, wie es beim Aufheizen mit einem Lösungsmittel gegeben ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Extraktion von Essenzen und anderen Stoffen aus biologischem Material, die besteht aus:

wenigstens einem Mikrowellen-Bestrahlungstubus; einer Vorrichtung, um eine Mischung aus biologischem Material und einem Extraktionsmittel durch den genannten Mikrowellen-Bestrahlungstubus zu schicken, um sie damit zu behandeln; einer Vorrichtung zur Abtrennung von Flüssigkeit von der behandelten Mischung; und einer Vorrichtung zur Entfernung des Extraktionsmittels von der entstandenen abgetrennten Flüssigkeit.

2. Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beschrieben, die weiterhin besteht aus:

einem Mischungsbehälter zum Mischen des genannten biologischen Materials mit Extraktionsmittel;

einem Extraktionsmittelvorratsbehälter und einer Vorrichtung zur kontrollierten Zugabe des Extraktionsmittels zu dem genannten Mischungsbehälter;

einer Vorrichtung, um Feuchtigkeit aus dem Extraktionsmittel zu entfernen;

einer Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeit, die aus einer Filtervorrichtung besteht;

einer Vorrichtung zur Entfernung des Extraktionsmittels aus einer abgetrennten Flüssigkeit, die aus einem Verdampfer besteht; und

einer Kondensationsvorrichtung zur Kondensation des verdampften Extraktionsmittels.

2. Vorrichtung, wie in den Ansprüchen 1 oder 2 beschrieben, bei der der genannte Mikrowellen-Bestrahlungstubus ein Bestrahlungstubus ist, der überkritisches flüssiges Extraktionsmittel enthält.

4. Verfahren, um flüchtige Öle aus biologischem Material zu erhalten, das solche flüchtigen Öle enthält, das aus den Schritten besteht:

Eintauchen einer Quelle an biologischem Material, das ein Zellsystem besitzt, das die genannten Öle enthält, in ein nichtwässriges organisches Extraktionsmittel, wobei die genannte Quelle an Material ein im wesentlichen intaktes zellsystem und einen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, der ausreicht, um die Zellen in genanntem System bei Mikrowellenbehandlung zu zerbrechen; Aussetzen des genannten Quellmaterials einer Mikrowellenenergiequelle, um die Temperatur des genannten biologischen Materials bis zu einem Grad zu erhöhen, der ausreicht, um das genannte zelluläre Material zu zerbrechen und das genannte flüchtige Öl aus dem biologischen Material in das genannte organische Extraktionsmittel auszudrücken;

Gewinnen des genannten flüchtigen Öls in genanntem organischem Extraktionsmittel in einem ersten Extraktionsschritt;

Kühlen der flüchtigen Öle, die aus genanntem biologischem Material mit genannten nichtwässrigem organischem Extraktionsmittel extrahiert wurden;

Zufügen einer zusätzlichen Quelle von genanntem biologischem Material zu dem entstandenen Extraktionsmittel, das die extrahierten flüchtigen Öle aus dem genannten ersten Extraktionsschritt enthält;

Aussetzen des verbundenen biologischen Materials und des entstandenen Extraktionsmittels einer Mikrowellenenergiequelle, die ausreicht, um die Temperatur des genannten biologischen Materials zu erhöhen, um das genannte zelluläre System des biologischen Materials zu zerbrechen, das in genanntem entstandenem Extraktionsmittel enthalten ist, um das flüchtige Öl daraus auszudrücken und zu dispergieren; und

Trennung der genannten flüchtigen Öle von dem weiteren Extraktionsmittel, das so erhalten wurde.

5. Verfahren, wie im Anspruch 4 beschrieben, wobei das genannte zelluläre System ein Drüsensystem umfaßt.

6. Verfahren, wie im Anspruch 4 beschrieben, wobei das genannte zelluläre System ein Gefäßsystem umfaßt.

7. Verfahren, wie in einem der Ansprüche 4 bis 6 beschrieben, das weiterhin besteht aus dem Schritt der Extraktion der genannten Öle des genannten zellulären Materials in ein zweites nichtwässriges organisches Extraktionsmittel, das andere Extraktionseigenschaften verglichen mit dem ersten organischen Extraktionsmittel besitzt, und Aussetzung des genannten Öls der genannten Mikrowellenenergiequelle, um ein zweites Produkt zu erzeugen.

3. Verfahren, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, wobei das genannte biologische Material Pflanzengewebe ist.

9. Verfahren, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, wobei das genannte verdampfte Extraktionsmittel kondensiert und als Nachschubextraktionsmittel zurückgeführt wird.

10. Verfahren, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, wobei die genannten flüchtigen Öle essentielle Öle enthalten.

11. Verfahren, wie in Anspruch 10 beschrieben, wobei die genannten flüchtigen Öle Omega-3 und Omega-6 Öle enthalten.

12. Verfahren, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, das einen weiteren Schritt der Rückführung von Extraktionsmittel, das extrahierte flüchtige Öle enthält, umfaßt, um die Konzentration der extrahierten Öle in dem Extraktionsmittel zu erhöhen.

13. Verfahren, wie im Anspruch 12 beschrieben, wobei der Extraktionsvorgang unter Benutzung einer überkritischen Flüssigkeit ausgeführt wird.