Wasserdampfdestillation

Feuer, Wasser & Pflanzenmaterial

Die Wasserdampfdestillation ist nicht nur ein Prozess zur Gewinnung von ätherischen Ölen; Sie ist eine Kultur, die sich schon seit 2000 Jahren durchgesetzt und bewährt hat. Die Destillation (latein “destillare” – “herabträufeln”) mit Wasserdampf war schon bei den Ägyptern bekannt. Damals wurden Heilpflanzen mit Wasser in Töpfen aufgekocht, wobei ein Deckel mit Wolle an den Rändern das Kondensat auffing um so an das ätherische Öl zu kommen.

Im Laufe der Zeit wurden ätherische Öle vermehrt in der Pharmazie und Parfumerie eingesetzt was dazu führte, dass der Bedarf an ihnen stieg. So wurde sukzessive die Effizienz der Wasserdampfdestillationsanlagen optimiert und das bis heute.
Obwohl das Prinzip einfach erscheint, sind es die Feinheiten, die eine effiziente Destillation ausmachen.
Heute noch ist die Wasserdampfdestillation neben anderen Extraktionsmethoden wie CO²-, oder Alkohlextraktion das gängigste Verfahren. Wasserdampfdestillation arbeitet schonend und energieeffizient, liefert gleichzeitig sehr gute Erträge und eine hohe Qualität der Destillate.

Aktuell werden Wasserdampfdestillations-Anlagen in allen Maßstäben gebaut; Von Kupfer-Hobbydestillen, mit 0,1 Liter Füllvolumen bis zu riesigen 3000 Liter Tank-Anlagen aus Edelstahl mit elektrischen Dampferzeugern. Erst so kann eine äußerst große Menge an Rohmaterial verarbeitet werden. Diese Größe ist für kleine Betriebe jedoch ungeeignet. Kleine dezentrale Anlagen bieten den Vorteil der geringen Investitionskosten und der Flexibilität in Bezug auf den Standort der Anlage.
Mobile Destillation ist historisch Gesehen keine neue Erfindung.
Der Vorteil des Zusammenschlusses von Produzenten und einer gemeinsamen Destillationsanlage, die direkt zum Erntezeitpunkt zum jeweiligen Produzenten gebracht werden konnte ist eine hervorragende Weise effizient und kostensparend ätherische Öle & Hydrolate herzustellen.

Es ergibt sich die zukünftige Aufgabe technisch einfache, kleine, dezentrale, leicht zu bedienende, mobile Anlagen mit möglichst alternativen Energiequellen und geschlossenen Energiekreisläufen zu entwickeln.
Ob nun aber stationär, mobil, klein oder groß dimensioniert, das Prinzip der Wasserdampfdestillation ist bei allen Varianten die selbe.
Eine Destillationsanlage besteht grundsätzlich immer aus drei Komponenten; Ein Kessel (Dampferzeuger), eine Kolonne (oder Säule) und ein Kühler. Jeder dieser Bauteile hat hierbei ihre spezifische Aufgabe;

Der Kessel

Dieser dient als sogenannter Dampferzeuger, wobei dazu Energie auf Wasser übertragen wird um dieses zum kochen und verdampfen zu bringen (Bei 100°C auf Meeresniveau).
Als nutzbare Energie wird hier Gas, Holz oder Strom verwendet. Je nach Energiequelle variiert auch die Bauart des Kessels. Elektronische Dampferzeuger beispielsweise sind verhältnismäßig klein (Vergleichbar mit einem Dampfbügeleisen), wohingegen Holzbefeuerte Kessel einen Brennraum und einen Kamin benötigen.
Wir erzeugen in unserem holzbefeueretem Ofen etwa 30 KWh reine Heizleistung (Brennwert) mit Fichtenholz. Fichtenholz ist “Weichholz” und brennt dank seiner geringen Dichte sehr schnell und heiß. Dies ermöglicht es uns eine Temperatur von ca. 1000°C im Brennraum zu erreichen.

Diese Hitze wird über einen Kupferkessel, direkt (ohne Wasserbad) an das Wasser übertragen. Dabei erreichen 18 KWh das Wasser, was einen Wirkungsgrad von 50-60% ergibt.

Unser Kessel fasst 60 Liter Volumen und erzeugt etwa 20 Liter Hydrolat-Ölgemisch pro Stunde, dies entspricht ~33400 Litern Dampf. Dieser wird durch ein Rohr in die Kolonne weitergeleitet, in welcher sich das Pflanzenmaterial befindet.

Die Kolonne

In der Kolonne (oder auch “Säule”) befindet sich das Pflanzenmaterial. Dieses muss je nach Rohstoff zuerst gehäckselt werden (Nadelgehölze), oder locker und ohne Stopfen eingelegt werden (Kräuter), sodass die Öl-Vesikel an den Blattflächen nicht durch mechanischen Einfluss beschädigt werden. Denn dadurch würde man einen Anteil der Ausbeute verlieren und die Qualität sowie die Zusammensetzung des ätherischen Öls und des Hydrolates dezimieren.
In den meisten Fällen sind Kolonnen 2000 Liter große Edelstahltanks, die mit Kränen be- und entfüllt und z.B mit betongefüllten Autoreifen verdichtet werden. Was die Destillationszeit betrifft hat jeder Produzent eigene Erfahrungen, was auch stark von Dampferzeuger und wie bereits erwähnt vom Pflanzenmaterial abhängt.
Unsere Kolonne fasst ein Volumen von 120 Liter, was etwa 50kg gehäckseltem Nadelmaterial oder 15-25kg Kräutern entspricht. Gehen wir davon aus, dass wir Fichte destillieren (Ausbeute 0,1%), können wir pro Durchgang etwa 50ml ätherisches Öl herstellen.

 

Dabei ist zu beachten, dass wir eine Stunde Destillationszeit benötigen, da das Nadelmaterial ordentlich durchgedampft werden muss, um alle Komponenten des ätherischen Öls aus den verholzten Nadel-Zellen herauszulösen. Eine Stunde ist hier etwa der Schnittpunkt zwischen Energieeffizienz und Ölausbeute. Natürlich ist das Material nicht zu 100% durchgedampft, aber die aufgewendete Energie ist nach einer Stunde nicht mehr rentabel im Verhältnis zur Menge an ätherischem Öl. Somit brechen wir den Destillationsvorgang bei Nadeln nach einer Stunde, hingegen bei Kräutern nach schon 30 Minuten ab, da hier der Dampf nur ätherische Öle an den Blattflächen lösen muss.

Wie in der Abbildung ersichtlich besteht unsere Kolonne aus 5 Teilen. Dabei haben wir einen Kochboden, in den der Dampf einströmt, 3 Kolonnenteile, in welche das Pflanzenmaterial gefüllt wird und einen Kolonnenhelm als obersten Teil.
Alle Kolonnenteile sind mit herausnehmbaren Siebgittern ausgestattet, sodass ein Aufeinanderstellen der drei Teile mit dem Pflanzenmaterial möglich ist. Nach dem Befüllen der Kolonnenteile werden diese, eines nach dem anderen, aufeinandergesetzt und mit Flansch-Verschlüssen verschlossen. Zwischen den Flanschen befinden sich Silikondichtungen, um zu verhindern, dass der Dampf zwischen den Kolonnen austreten kann.
Der Dampf strömt vom Kessel in den Kochboden und sucht sich dort seinen Weg nach oben zum Pflanzenmaterial und sättigt sich mit ätherischem Öl. Moleküle mit einem Gewicht von 250g/mol² können vom Wasserdampf mitgerissen oder “geschleppt” werden. Geraniol (ein Monoterpen) hat beispielweise eine molare Masse von 154,25g/mol² und wird somit vom Wasserdampf entlang der Kolonne nach oben transportiert.
Kupfer ist der beste Wärmeleiter unter allen Metallen und daher als Kessel (zum Kochen des Wassers) optimal, da die Temperatur der Flammen mit einem guten Wirkungsgrad über das Kupfer auf das Wasser übertragen werden kann.
Diese Eigenschaft ist in der Kolonne hingegen kontraproduktiv, da der Wasserdampf, der sie durchströmt, seine Temperatur über das Kupfer an die Außenluft verliert. Dies führt dazu, dass der Dampf bereits in der Kolonne kondensiert und nach unten in den Kochboden rinnt.
Um dies zu verhindern, isolieren wir unsere Kolonne mit einer Zirbenholz-Isolierung mit Leinen- und Hanfwoll-Füllung, die nach dem Zusammenbauen der Kolonne um jedes Kolonnenteil gelegt wird. Somit verhindern wir die Kondensation im Innenraum der Kolonne und haben mehr Dampf-Öl-Gemisch, welches den Weg bis in den Kühler findet um dort zu kondensieren.
Warum aber Kupfer als Kolonnenmaterial? Kupfer ist ein sehr guter Katalysator bei chemischen Reaktionen und hat in der Qualität des ätherischen Öls und Hydrolates eine wichtige Rolle. Es finden katalytische Reaktionen zwischen Dampf-Öl-Gemisch am Kupfer in der Kolonne statt, welche dem Geruch der Destillate am Schluss eine feinere Note verleihen. Sensorik-Experten können den Unterschied zwischen Kupfer- und Edelstahlkolonnen sogar erriechen.
Soweit zur Kolonne, unser Öl-Dampf Gemisch hat nun den Helm erreicht und strömt weiter in den Kühler.

Der Kühler

Das Dampf-Öl-Gemisch wandert nun durch das Geistrohr weiter in den Kühler, zum letzten Schritt der Wasserdampfdestillation.
Kühler sind allgemein in verschiedenen Bauweisen und Größen erhältlich. Dabei sind Schlangenkühler und Röhrenbündelkühler die gängigsten wassergekühlten Systeme. Wir verwenden einen Röhrenbündelkühler, der durch seine hohe Kühlleistung und platzsparende Größe in unser System gefunden hat. Ein Röhrenbündelkühler besteht aus einem Edelstahlzylinder, in dem sich senkrechte Edelstahlröhren (in unserem Fall 26 Röhren) befinden, die mit Wasser umspült werden.
Das Dampf-Öl-Gemisch tritt in den Kühler ein und wird in Folge vom Dampfverteiler, einer runden Scheibe an der Einströmöffnung, gleichmäßig auf die 26 Röhren verteilt.
Die Röhren werden mit kaltem Kühlwasser umspült was dazu führt, dass der heiße Dampf seine Temperatur über die Kühlröhren an das kalte Wasser abgibt und somit Temperatur verliert.
Nun beginnt die Kondensation. Der Dampf verflüssigt sich in den Kühlröhren und rinnt weiter als Wasser-Öl-Gemisch nach unten in das Kondensatbecken.

Von dort aus wird das Kondensat oder Destillat in einem Scheidetrichter oder in einer Florentinerflasche aufgefangen um sich dort in ätherisches Öl und Hydrolat aufzutrennen. Der Kühlprozess während der Destillation ist wohl der aufwändigste, da er gut überwacht werden muss.
Am Kühlwasserzulauf ist ein Schlauch angeschlossen, der den Kühler von unten nach oben mit kaltem Wasser befüllt. Da der Dampf seine Temperatur an das Wasser abgibt, steigt die Kühlwassertemperatur im oberen Bereich des Kühlers am stärksten. Wenn der Zulauf nicht korrekt eingestellt ist, sodass weniger kaltes Wasser nachlaufen kann, als der Dampf im oberen Bereich erwärmt, wird das gesamte Kühlwasser von oben nach unten immer heißer, bis das Destillat unkondensiert (also nach wie vor als Dampf) aus dem Auslauf strömt.

Bei der Überwachung der Temperatur helfen der Thermometer am oberen Ende des Kühlers und die direkte händische Temperaturkontrolle am Kühler selbst.
Weiters ist zu beachten, dass das Auffanggefäß, im Fall des Scheidetrichters, nicht überläuft. Dazu muss in regelmäßigen Abständen Hydrolat abgelassen werden, welches durch einen Schlauch direkt in sterile Kanister oder Bag-in-Box Systeme gefüllt wird.
Im Optimalfall rinnt das gewonnene Destillat mit der selben Temperatur aus dem Auslauf wie das Kühlwasser (3-10°C) und hat somit die besten sensorischen Eigenschaften. Je kühler der Auslauf, desto mehr Duftstoffe werden im Hydrolat gebunden. Sehr flüchtige Monoterpene verdunsten bei zu hoher Destillat-Temperatur schon während dem Auffangen im Kondensatauslauf, was eine schlechtere Qualität der ätherischen Öle und der Hydrolate zur Folge hat.

Ein Destillationsvorgang endet in der Regel nachdem 20 Liter Hydrolat in den Kanister oder Bag-in-Box-System abgefüllt worden sind, was in etwa einer Stunde reiner Destillationszeit der Fall ist.
Nach so einem Vorgang wird der Destillationsprozess “abgebrochen”. Dazu wird als erstes die Verbindung zwischen Kolonne und Kühler getrennt, dann die Kolonnenteile einzeln abgebaut und das ausdestillierte Pflanzenmaterial entleert.
Anschließend werden die Kolonnenteile wieder befüllt, zusammengesetzt und alle Verbindungen verschlossen, um den nächsten Durchgang zu starten.