JP2011094049A - 精油抽出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内であっても、抽出容器からの余計な放熱を防ぎ、より省エネギーで植物バイオマスから精油を抽出できる精油抽出装置を提供することにある。
【解決手段】
空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内でマイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する精油抽出装置であって、植物バイオマスと溶媒とを収容するマイクロ波透過性の抽出容器と、前記抽出容器の周囲に配置された比誘電率が１．０〜５．０のマイクロ波透過性の断熱材と、前記抽出容器で抽出された精油と溶媒との混合物を回収して冷却する冷却器と、冷却された混合物から精油と溶媒とを分離する分離器と、を備えたことを特徴とする精油抽出装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を用いて植物バイオマスから効率的に精油を抽出できる精油抽出装置に関し、特に抽出容器の周囲に断熱材を配置して、より省エネルギーで精油を抽出できる精油抽出装置に関する。

植物バイオマスから抽出された精油には抗菌、防虫効果などの生理活性物質が含まれており、広く利用されている。この精油は、一般に水蒸気蒸留法、有機溶媒抽出法や超臨界抽出法などにより植物バイオマスから抽出されている。

水蒸気蒸留法は、溶媒（水）をマントルヒーター等で加熱して水蒸気を生成し、水蒸気を植物バイオマスに通過させて精油を抽出するものである。主に常圧下の条件で行われるが、加圧下の条件でも行われる（その場合はオートクレーブ法と呼ばれることもある）。この方法は比較的簡易であるが、処理時間が１時間以上と長く、エネルギー消費量も多かった。

有機溶媒抽出法は、植物バイオマスに有機溶媒を浸透させ、有機溶媒中に溶出した精油を抽出する方法である。有機溶媒抽出法により抽出した精油には、熱劣化はないが、精油中に有機溶媒が微量に残留する可能性が高く、精油の用途が限定されていた。

超臨界抽出法は、植物バイオマスに超臨界状態の二酸化炭素を通過させて精油を抽出する方法である。溶剤である二酸化炭素は常圧にて気化して残留しないため質の高い精油を得ることが出来るが、非常にコストが高くなる点が問題であった。

そこで、本発明者らは、植物バイオマスをマイクロ波加熱して精油を抽出する方法（以下、マイクロ波抽出法と呼ぶ）を開発した（例えば特許文献１参照）。マイクロ波抽出法によれば、マイクロ波の選択加熱効果により反応物が非常に短時間で加熱できるため、マントルヒーターなどの外部加熱方式に比べ、１／６程度の短時間で、省エネルギーにて精油を抽出することに成功している。

さらに、電子レンジ内でマイクロ波抽出法が適用できるように小型抽出装置を開発した（例えば特許文献２、３参照）。電子レンジを用いることで、さらに簡易かつ低コストにて精油を抽出することができるようになった。

しかしながら、電子レンジ内では抽出容器の外側に空間が存在し、さらにこの空間にはマイクロ波発振器の空冷ファンによる気流があるため、マイクロ波加熱中に抽出容器が冷やされてしまい、一部のマイクロ波エネルギーが無駄に消費されていた。

特開２００７−２３１１９６号公報 特開２００７−２７２７３２号公報 特開２００７−２８９９１６号公報

よって、これらの課題を解決するために本発明の目的は、空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内であっても、抽出容器からの余計な放熱を防ぎ、より省エネギーで植物バイオマスから精油を抽出できる精油抽出装置を提供することにある。

本発明者らは、植物バイオマスと溶媒を収容する抽出容器の周囲にマイクロ波透過性の断熱材を配置することで、マイクロ波による加熱効率を維持したまま抽出容器からの放熱を効果的に防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明に係わる精油抽出装置は、空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内でマイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する精油抽出装置であって、植物バイオマスと溶媒とを収容するマイクロ波透過性の抽出容器と、前記抽出容器の周囲に配置された比誘電率が１．０〜５．０のマイクロ波透過性の断熱材と、前記抽出容器で抽出された精油と溶媒との混合物を回収して冷却する冷却器と、冷却された混合物から精油と溶媒とを分離する分離器と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記断熱材は、グラスウール製であることが好ましい。また、前記抽出容器は、ガラス製であることが好ましい。

また、前記分離器で分離された溶媒を前記抽出容器に戻すための戻り管をさらに備えることが好ましい。

本発明の精油抽出装置によれば、空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内であっても、抽出容器からの余計な放熱を防ぎ、より省エネギーで植物バイオマスから精油を抽出することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係わる精油抽出装置の概要を表す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係わる別の精油抽出装置の概要を表す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係わる精油抽出装置の概要を表す構成図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

〔第１の実施形態〕
図１に、本発明の第１の実施形態に係わる精油抽出装置の概要を表す構成図を示す。本実施形態では、空冷ファン１２を有するマイクロ波照射装置１０内でマイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する精油抽出装置２０を対象とする。

図中に点線で表示したマイクロ波照射装置１０の一側面にはマイクロ波照射器１１が設置されており、さらに、マイクロ波照射器１１はマイクロ波発振器（図示しない）を有している。マイクロ波発振器としては、マグネトロン等のマイクロ波発振器や、固体素子を用いたマイクロ波発振器等を適宜用いることができる。

マイクロ波照射装置１０としては、代表的には小型の電子レンジを例示できる。ただし、マイクロ波照射装置１０のサイズはこれに限られず、空冷ファン１２を有していれば大型、小型を問わない。

空冷ファン１２は、マイクロ波照射器内のマイクロ波発信器に向かって配置され、空冷ファン１２からの気流により同発信器を冷却する。冷却に用いられた気流の一部はマイクロ波照射装置１０の中にも入り、装置内にも気流を発生させる。なお、空冷ファン１２の位置はこれに限られず、その他電子部品を冷却するために別の位置に配置されるものもある。

第１の実施形態に係わる精油抽出装置２０は、植物バイオマスＡと溶媒Ｂとを収容する抽出容器２１と、抽出容器２１の周囲に配置された断熱材２２と、抽出容器２１から抽出された精油と溶媒との混合物を回収して冷却する冷却器２３と、冷却された混合物から精油と溶媒とを分離する分離器２４とから主に構成される。

抽出容器２１は、下部に溶媒を収容する溶媒室２６と、上部に植物バイオマスを収容する反応室２５とを有し、溶媒室２６と反応室２５との間は多孔板２７で仕切られている。抽出容器２１はマイクロ波を透過しやすいようにマイクロ波透過性の材料で形成される。マイクロ波透過性の材料としては、ガラスあるいはポリプロピレン系、ポリアミド系等の樹脂材料を用いることができ、なかでも耐久性や取扱の容易さからガラスが好ましい。

多孔板２７は、マイクロ波加熱により蒸発した溶媒が抵抗なく植物バイオマスを浸透できるように、多数の孔を有している。多孔板２７の材質はマイクロ波透過性の材料でもよいが、その他一般的な耐熱材料でもよい。

本実施形態では、抽出容器２１の周囲に比誘電率が１．０〜５．０のマイクロ波透過性の断熱材２２が配置されていることに特徴がある。マイクロ波透過性の断熱材２２を用いることで、空調ファンが作動してマイクロ波照射装置１０内に気流が生じていても、抽出容器２１からの余計な放熱を防ぐことができる。また、断熱材２２をマイクロ波透過性とすることで、断熱材２２によってマイクロ波が遮断されず、抽出容器２１の加熱効率を維持することができる。

断熱材２２の材質は所要の比誘電率を満たしているならば特に限定されないが、断熱性能、耐久性や取扱の容易さの点からグラスウールが好ましい。断熱材２２の配置位置は、図１に示す通り抽出容器２１の側面全周とするだけでなく、さらに断熱効果を高めるため抽出容器２１の上面を覆ってもよい。また、断熱材２２の厚さは必要とされる断熱性能を考慮して適宜設定すればよいが、一般に５〜１０ｃｍとするのが好ましい。

冷却器２３は、マイクロ波加熱により蒸発した溶媒と精油との混合物を回収し冷却して混合液を生成するための冷却手段を備えている。冷却手段では冷媒を循環させて混合物を冷却する。冷媒の温度は、通常−２０〜１０℃
とし、溶媒が水の場合は−１０〜５℃の範囲とするのが好ましい。

分離器２４は、抽出液を収容する分離槽（図示しない）を有している。ここで、抽出液が静置され、溶媒と精油とが比重差により分離される。また、分離器２４は排出弁２８を有し、ここから分離された精油と溶媒とが排出される。

抽出容器２１と断熱材２２は、マイクロ波照射装置内に設置される。一方、冷却器２３と分離器２４は加熱不要であり、マイクロ波照射装置外に設置される。抽出容器２１と冷却器２３とが離れている場合には、図１の通り冷却器２３と抽出容器２１との間を蒸気管２９で接続すれば良い。

次に、第１の実施形態に係わる精油抽出装置２０を用いた精油抽出の手順について説明する。

まず、抽出容器２１の底部の溶媒室２６に溶媒Ｂを収容し、その後多孔板２７を設置して、粉砕した植物バイオマスＡを投入する。この際、植物バイオマスと溶媒との重量比を植物バイオマス／溶媒＝１／０．１〜１／５．０の範囲に設定する。この範囲内であれば精油の抽出効率が高いためである。

また、溶媒は多孔板２７や植物バイオマスと接触しない高さまで収容する。溶媒が植物バイオマスに接触することにより生じる熱水分解や、抽出反応後の過湿を防止するためである。

次に、抽出容器２１の蓋を設置して、マイクロ波照射装置１０の中に移動する。さらに、マイクロ波照射装置１０の上面を貫通させた蒸気管２９の下端を抽出容器２１の上部に取り付け、蒸気管２９の上端に冷却器２３および分離器２４を取り付けて精油抽出装置２０のセットが完了する。

マイクロ波抽出時は、マイクロ波照射器１１からマイクロ波が照射され、空冷ファン１２から気流が発生する。その際、マイクロ波が植物バイオマスに均一に照射されるように、ターンテーブル等により抽出容器２１を回転させるとよい。

抽出時間（マイクロ波の照射時間）は、通常３０秒〜１時間、好ましくは１分〜３０分である。水蒸気蒸留法では１時間以上を要するところ、マイクロ波抽出法によれば、植物バイオマスの重量が１ｋｇ以下の場合は３０分間以下の短時間で十分に精油を抽出できる。

マイクロ波照射時間の経過につれて、精油及び溶媒が蒸発し、蒸気管２９ を通して抽出容器２１の外に出た後、冷却器２３で冷却・凝縮されて抽出液となり、分離器２４に収容されて、精油が分離される。

図２は、第１の実施形態に係わる別の精油抽出装置の概要を表す構成図である。
この精油抽出装置２０では、蒸発した溶媒を分離器２４に収容するだけでなく、分離器２４に戻り管３０を設け、戻り管３０により抽出液から溶媒を回収して、回収した溶媒を蒸気管２９を通って抽出容器内に送り、粉砕した植物バイオマスに導入して再利用する。溶媒を回収して再度溶媒として利用することで、連続的に精油を抽出することできる。

ここで、戻り管３０は分離器２４の下端と接続され、混合液の中でも比重の重い溶媒（水）が選択的に回収される。戻り管３０は斜め上方向の管から構成されている。分離器２４に回収された混合液の量が、戻り管３０の頂点とほぼ同じ高さになった時点で、分離器２４
から溶媒が蒸気管２９を通って抽出容器内に流れ出し、分離器内水位と戻り管の出口位置高さが同じになると、大気圧が等しくなるので、この水流が停止する。この溶媒の循環工程は複数回繰り返し行われ、徐々に分離器内に収容された混合液中の精油の割合が増加していく。

植物バイオマスとしては、栽培系植物バイオマス及び廃棄物系植物バイオマスが、主に使用される。栽培系植物バイオマスとしては、木や草の葉、実、枝、根などが挙げられる。廃棄物系植物バイオマスとしては、木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材等の木質系バイオマス；モミ殻、稲藁、麦藁、バガス、アブラヤシ（パーム油の原料）のヤシ殻等の農作物系バイオマス；食品工場や外食産業から出る食品残渣等の食物系バイオマスなどが挙げられる。

植物バイオマスを粉砕するレベルは、精油の抽出効率を高めるため、細かく（例えば１０ｍｍ以下に）するのが好ましい。粉砕する手段としては、手粉砕でもよいが、粉砕レベルを均一化できるため機械粉砕が好ましい。粉砕に用いられる機械としては、分析ミル、２軸粉砕機や食物用のブレンダーなどが例示できる。なお、細かく粉砕しすぎると、破砕の過程で発熱してしまい精油成分が蒸発してしまうことがあるので、粉砕するレベルは１ｍｍ以上にするのが好ましい。

溶媒としては、水、エーテル類、メタノールやエタノールなどのアルコール類、酢酸エチル、ピリジン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、アセトン等を挙げることができる。中でも、水は安価で、入手容易であり、スパーク時の引火性など安全性の面からも好ましい溶媒である。さらに、抽出液には植物バイオマス中の水分も含まれるため、同じ水を溶媒として用い、抽出液中の成分を水と精油の２種類に限定することで、精油の分離が容易となる。

抽出時の抽出容器内の温度は、３５℃〜１６０℃ に保持されていることが好ましく、より好ましくは７５℃〜１２０℃である。反応温度をこの範囲に保持することにより、抽出される精油の分解を防止し、抽出効率を高めることができる。なお、この温度は、温度計（図示しない）等で計測され、計測位置は、抽出容器２１だけでなく、蒸気管２９に設定してもよい。

マイクロ波照射器１１から照射するマイクロ波の出力や周波数、照射方法は、特に限定されるものではなく、反応温度が上述の範囲に保持できるよう電気的に制御すればよい。出力が低すぎる場合は溶媒蒸気発生量が少なくなり、出力が高すぎる場合は過加熱によるバイオマスの焦げ付き、溶媒の突沸や急激な蒸発が起こるため、電気的に制御しながら１０Ｗ〜２０ｋＷの範囲とするのがよい。その中でも、精油抽出効率の点からマイクロ波の出力を５００Ｗ〜１０００Ｗの範囲とするのが好ましい。

また、マイクロ波の周波数は０．５〜１０ＧＨｚが好ましい。０．５ＧＨｚ未満の周波数では溶媒分子が電界の向きに追従可能で加熱効率が悪く、又、１０ＧＨｚを超える周波数では、ガラス等の抽出容器２１まで加熱されてしまい効率的でない。マイクロ波の照射は連続照射、間欠照射のいずれの方法であってもよいが、電気的に制御しながら連続照射するのが好ましい。

以上説明の通り、第一の実施形態に係わる精油抽出装置２０によれば、空冷ファン１２を有するマイクロ波照射装置内であっても、抽出容器２１からの余計な放熱を防ぎ、より省エネギーで植物バイオマスから精油を抽出することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
図３に、本発明の第２の実施形態に係わる精油抽出装置の概要を表す構成図を示す。第２の実施形態では、第１の実施形態と比較して、冷却器２３、分離器２４および戻り管３０を抽出容器２１の中央部に配置した点が異なっている。

本実施形態では、冷却器２３、分離器２４および戻り管３０の周囲に植物バイオマスＡを充填する。植物バイオマスがマイクロ波遮蔽効果を有するため、冷却器２３、分離器２４および戻り管３０がマイクロ波加熱されることを防止できる。

冷却器２３は円筒形容器からなり、その下部には、精油及び溶媒の混合物が通気出来るように、複数の穴が開いている。冷却器２３には、通気した混合物を冷却するため冷却材が充填されている。冷却材には、氷やアルミナボールが用いられる。このうち、安価、入手容易であることから氷を用いるのが好ましい。

分離器２４は円管形状で冷却器２３の下部に配置され、さらに戻り管３０は逆Ｕ字形状で分離器２４の下部から抽出容器内まで配置されている。それぞれの機能は第一の実施形態と同様である。

以上説明の通り、第２の実施形態の精油抽出装置２０によれば、冷却器２３、分離器２４および戻り管３０を抽出容器内に配置することで、マイクロ波照射装置１０内に精油抽出装置全体を収めることができ、装置のコンパクト化が図れる。また、マイクロ波照射装置１０の上面に蒸気管２９を貫通するための穴を設ける必要が無くなり、一般の電子レンジでも汎用的に精油を抽出することができる。

１０ マイクロ波照射装置
１１ マイクロ波照射器
１２ 空冷ファン
２０ 精油抽出装置
２１ 抽出容器
２２ 断熱材
２３ 冷却器
２４ 分離器
２５ 反応室
２６ 溶媒室
２７ 多孔板
２８ 排出弁
２９ 蒸気管
３０ 戻り管

Claims (4)

1. 空冷ファンを有するマイクロ波照射装置内でマイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する精油抽出装置であって、
   植物バイオマスと溶媒とを収容するマイクロ波透過性の抽出容器と、
   前記抽出容器の周囲に配置された比誘電率が１．０〜５．０のマイクロ波透過性の断熱材と、
   前記抽出容器で抽出された精油と溶媒との混合物を回収して冷却する冷却器と、
   冷却された混合物から精油と溶媒とを分離する分離器と、
   を備えたことを特徴とする精油抽出装置。
2. 前記断熱材は、グラスウール製であることを特徴とする請求項１に記載の精油抽出装置。
3. 前記抽出容器は、ガラス製であることを特徴とする請求項１または２に記載の精油抽出装置。
4. 前記分離器で分離された溶媒を前記抽出容器に戻すための戻り管をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の精油抽出装置。