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Verfahren und Apparatur zum Extrahieren von tierischen Fetten und Ölen
Gemäss einem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag ist ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Verfahren zum Extrahieren tierischer Fettstoffe aus solche enthaltenden Rohstoffen und insbesondere aus Produkten und Nebenprodukten der Schlächterei sowie Resten von Land- oder Seetierkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die Öle und Fette durch Emulgieren in Wasser oder mittels Lösungen beliebiger Stoffe, bei beliebigem Druck, durch Ultraschall beliebiger Frequenz, bei beliebiger Temperatur und mit beliebiger Menge Wasser bzw. beliebiger Konzentration anderer Stoffe extrahiert werden.
Es wurde also festgestellt, dass Ultraschall im allgemeinen die Effekte der Behandlung zur Extraktion von tierischen Fetten und Ölen in den üblichen Verfahren unterstützt ; 1" ht nur das, sondern dass er gestattet, niedrigere Temperaturen und kürzere Behandlungszeiten anzuwenden als bei sonst gleichen Bedingungen, ohne dass die Anwendung des Ultraschalles nötig wäre.
Insbesondere wurde gefunden, dass die Extraktion bei Raumtemperatur und mit weniger als einem Zehntel der normalen Behandlungsdauer durchgeführt werden kann.
Entgegen aller Erwartung wurde ferner gefunden, dass die bekannten chemischen Wirkungen des Ultraschalles auf die tierischen Öle, nämlich die Oxydation der ungesättigten Öle (welche zum Ranzigwerden der Öle und Fette führen wUrde) und auf die Proteine und Proteinstoffe, d. h. deren Abbau (welcher z. B. die Nutzung der Extraktionsreste als Futter hindern würde), nicht in merklichem Masse eintreten, wenn man die Extraktion bei üblichen gewöhnlichen Bedingungen - ausser der niedrigeren Temperatur und kürzeren Behandlungsdauer - gerade bei denjenigen Frequenzen durchführt, denen als für die Extraktion wirksamsten der Vorzug zu geben ist.
Die Ultraschallwellen erhöhen nicht nur die Emulgierwirkung in wässerigen Lösungen, sondern auch das Lösevermögen der üblichen Lösemittel, mithin deren Extraktionswirkung. Daher kann die Konzentration an Fettstoffen in der hergestellten Emulsion oder Lösung viel höher gehalten werden. Bei den herkömmlichen Verfahren wird der. Extraktionsprozess durch Erhöhung der Temperatur beschleunigt ; beim Ultraschallbehandlungsverfahren hingegen wird der Extraktionsprozess durch die innige mechanische Rührung beschleunigt, welche durch die Beschallung hervorgerufen wird. So erreicht Wasser praktisch dieselbe Wirksamkeit wie Lösemittel, und wenn Lösemittel verwendet werden, wird die erforderliche Menge an letzteren geringer.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Verbesserung des vorher beschriebenen Verfahrens, insbesondere in bezug auf die Behandlung mit Lösemitteln in kontinuierlichem Verfahren und mit einer Apparatur, die auf der Anwendung eines Fokussierungseffektes der Ultraschallschwingungen in einer Behandlungszone des zu extrahierenden Materiales beruht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Material in der Extraktionsflüssigkeit suspendiert, kontinuierlich durch eine Kavitationszone geleitet wird, die durch vom gesamten Umfang der Behandlungszone allseitig konzentrisch ausstrahlende Ultraschallquellen erzeugt ist. Das geeignetste Frequenzintervall der Ultraschallschwingungen für den vorliegenden Zweck ist von etwa 40 kHz bis etwa 60 kHz. Bei höheren Frequenzen wächst die Stärke des Schallflusses, die erforderlich ist ; um die Kavitation hervorzurufen, schnell mit dem Wachsen der Frequenz, während bei niedrigerer Frequenz andern Schwierigkeiten begegnet wird. Anderseits ist das bevorzugte Intervall das
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geeignetste auch in Beziehung zur Zerteilungsgrösse (1- 4 cm) des behandelten tierischen Materiales.
Bei den genannten Frequenzen ist die Wellenlänge gross genug, damit das behandelte tierische Material, wenngleich nicht überfein, zerkleinert (etwa z. B. auf Walnussgrösse der einzelnen Stücke, wenn es sich um Knochenmaterial od. dgl. handelt), Erscheinungen von Diffraktions-Dispersion der Ultraschallenergie hervorruft und so in der Behandlungszone ein diffuses Ultraschallfeld erzeugt, d. h. also Schattenzonen vermeidet. Ein anderer Faktor, der sehr wichtig ist, ist die Temperatur der Extraktionsflüssigkeit. Im allgemeinen sinkt die Kavitationsschwelle mit dem Anwachsen der Temperatur der Flüssigkeit gegen den
Siedepunkt der betreffenden Flüssigkeit bei dem statischen Druck, der sie unterworfen ist, so dass damit die Intensität des Ultraschallflusses kleiner wird, die erforderlich ist, um die gewünschte Kavitation zu erzielen.
Es wurde nun gefunden, dass die Wirksamkeit der Extraktion mit dem vorliegenden Verfahren maximal ist in einem besonderen Temperaturintervall, das von der für die Extraktion verwendeten Flüs- sigkeit abhängt. Mit dem beim vorliegenden Verfahren vorteilhaft zu verwendenden Lösungsmittel wurde gefunden, dass das optimale Temperaturintervall zwischen zirka 25 und zirka 40 C, vorteilhaft zwischen zirka 30 und zirka 35 C liegt. Von den für die Extraktion an sich bekannten gebräuchlichen Extraktions- lösungsmitteln sind beim vorliegenden Behandlungsverfahren mit Ultraschall die folgenden vorzuziehen :
Perchloräthylen, Kohlenstofftetrachlorid, Trichloräthylen, Solventbenzin.
Infolge der diffraktiven Dispersion der Ultraschallenergie, welche Dispersion durch die Anwesenheit der zu behandelnden Feststoffe und der Kavitationsblasen gegeben ist, wird die aktive Zone der zum
Extrahieren verwendeten Flüssigkeit stark absorbierend.
Diese Schwierigkeit kann überwunden werden, wie erwähnt, durch eine besondere Anordnung der
Quellen der Ultraschallschwingungen.
Längs desjenigen Abschnittes des von dem zu behandelnden tierischen Materiales zurückzulegenden
Weges, in dem die Kavitation hervorgerufen werden soll, werden Ultraschallwandler (Ultraschallgeber) in Gestalt eines zylindrischen Mosaiks an der Innenfläche eines Turmes bzw. einer Kolonne angeordnet, die den besagten Abschnitt des Weges darstellt. Solcherart wird die Schwingungsenergie in einer zylindrischen, mit dem Mosaik koaxialen Zone geringeren Durchmessers fokussiert, mit dem doppelten Vorteil, dass dem Absorptionseffekt entgegengewirkt und eine zylindrische Ringzone gebildet wird, die kavitationsfrei ist und in der unmittelbaren Nähe der ausstrahlenden Flächen der Ultraschallgeber entsteht.
Dadurch, dass man die Kavitation in der unmittelbaren Nachbarschaft der Schallgeberflächen unterbindet, vermeidet man eine unerwünschte Dämpfung des Ultraschallflusses in geringem Abstand von den besagten Gebern.
Bei Frequenzen und Temperaturen, die innerhalb der oben angegebenen Grenzen liegen, wird die Kavitationsschwelle in den genannten Flüssigkeiten mit Ultraschallintensitäten von 1 bis 3 W/cm2 erreicht. Man erzielt keinen Vorteil durch Verwendung viel höherer Leistungsdichten des Ultraschalles jen- seits der Kavitationsschwelle.
Da die Kavitationsschwelle ziemlich hohen Leistungsdichten entspricht, ergeben sich für die aktive Zone geringere Abmessungen.
Mit kontinuierlichem Verfahren wird das zu behandelnde tierische Material auf eine hinreichende Zeitdauer durch eine ultraakustische Kavitationszone beschränkter Ausdehnung geleitet, die, wie oben dargelegt, ausgebildet ist und in der keine Einbauten oder Vorrichtungen wie Stützen, Fördermittel oder RUhrwerke, vorhanden sind, die ein Hindernis zwischen der Schwingungsquelle und dem Behandlungsmaterial bilden würden.
Auf beigefügter Zeichnung ist beispielsweise und nicht in einschränkendem Sinne eine Ausführungsform eines Apparates zur Durchführung der Erfindung dargestellt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird die Kavitationszone 6 im vertikalen Turm bzw. in der Kolonne 3 durch Ultraschallgeber (Wandler, Strahler) 4 erzeugt, welche die gesamte Innenfläche des Zylindermantels der Kolonne 3 bekleden. Die Kolonne 3 besteht aus einem Blechzylinder ; die Ultraschallgeber sind vorzugsweise elektrostriktive Geber, insbesonderekeramische Bariumtitanatstrahler. Die Beschickung mit dem zu behandelnde. n Material erfolgt von unten (3') und die Abfuhr von oben (3", 5). Das zu behandelnde Material wird über einenTrichterl undeinevertikaleFörderschraube (ersteAufgabeschraube 2') und dann über eine horizontale Förderschraube (zweite Aufgabesehraube 2") in den Unterteil 3'der Kolonne 3 aufgegeben.
Das Lösungsmittel wird durch den mittleren Abschnitt 3 der Kolonne in absteigender Strömung geführt und durch
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von frischem Lösungsmittel (bei B in der Zeichnung) undzum AbfUhren derMischungvonLösungsmittel und Fettsubstanz (beiAin der Zeichnung), von wo diese Mischung der Trennung nach an sich bekannten Methoden zugeführt wird. Das Lösungsmittel füllt die gesamte Apparatur und die Schraubenbis zu einem kurzen Abstand
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unter dem Austritt und bildet einen hydraulischen Verschluss. Die Flügel der Aufgabeschrauben, insbesondere die der ersten (vertikalen) Schraube, sind vorzugsweise siebartig durchbrochen. Die Antriebsmittel für die Schrauben sind nicht dargestellt.
Das Material, welches im allgemeinen leichter ist als die Extraktionsflüssigkeit, steigt von der Mündung der Horizontalschraube 2" in den Unterteil der Kolonne und in den mittleren Behandlungsabschnitt 3 derselben auf. Die Abmessungen der letzteren - Durchmes- ser und Höhe - hängen von der gewünschten Produktionsfähigkeit und von der installierten Leistung ab.
Vom Gesichtspunkt der besseren Nutzung der Ultraschallenergie hat die Kolonne eine Höhe von 2 bis 5 m und einen Innendurchmesser von etwa 50 cm längs des Kavitationsabschnittes, in dem der Durchmesser der Kavitationszone etwa 40 cm beträgt.
Um der Flüssigkeit und dem der Behandlung unterworfenen Material eine sachte Rührbewegung zu erteilen, sowie am das Nachobenschwimmen des Materiales abzubremsen und dasselbe in der mittleren Behandlungszone des Behandlungsabschnittes zurückzuhalten, ist ein Umpumpkreislauf (Pumpe 9) vorgesehen, um die Extraktionsflüssigkeit absteigend durch den mittleren Behandlungsabschnitt 3 der Kolonne zu führen.
Das Einführen des Lösungsmittels (Extraktionsflüssigkeit) geschieht oben tangential zum inneren Umfangskreis des besagten Abschnittes, derart, dass eine Abwärtsströmung in schraubenlinienförmigen Strömungen in besagtem Abschnitt erfolgt, mit dem Erfolg, das Aufsteigen des Materiales zu verlangsamen und die Masse (Feststoffe + Flüssigkeit) leicht zu zentrifugieren, derart, dass sich das Festmaterial (welches, wie bereits erwähnt, spezifisch leichter ist als die Flüssigkeit) längs einer axialen Zone sammelt.
Die zylindrischen Innenwandungen der Kolonne sind akustisch unmittelbar oder mittelbar mit einem ausgedehnten Mosaik elektromechanischer Wandler gekuppelt. Die Wandlerelemente-Geber oder Strahler genannt., die vom magnetostriktiven oder vom elektrostriktiven Typ sein und beispielsweise insbesondere aus Bariumtitanat sein können, sind elektrisch in Reihenparallelschaltung geschaltet. Gegebenenfalls können auch, je nach der Grösse der Kolonne und der Intensität der angewendeten Leistung, mehrere von besonderen Kabeln oder auch nötigenfalls von verschiedenen Hochfrequenzgeneratoren gespeiste Reihenparallelschaltungen verwendet werden. In der Zeichnung ist e.'lematisch ein Hochfrequenzgenerator 8 angedeutet, der die elektrostriktiven Ultraschallgeber 4 über ein Kabel 10 speist.
Eine Anlage mittlerer Leistungsfähigkeit erfordert eine elektrische Leistung von etwa 50 kW und eine Gesamtstrahlfläche von etwa 2 bis 3 m. Die Dichte der Ultraschalleistung auf der ausstrahlenden Fläche soll derart bemessen und eingestellt werden, dass die aktive Kavitationszone einen koaxialen Zylinder etwas kleineren Durchmessers, wie oben dargelegt, einnimmt, um eine stark absorbierende kavitierte Zone unmittelbar an den Strahlwandungen zu haben.
Die Extraktionswirkung der oben genannten Lösungsmittel, die mit der beschriebenen Einrichtung erzielt wird, ist viel grösser als mit derselben Anzahl von Gebern, d. h. also mit derselben Ausstrahlfläche, zu erzielen wäre, wenn eine abweichende Anordnung der Geber getroffen würde.
Was die Geschwindigkeit des Fllissigkeitsumlaufes anbetrifft, so soll diese so eingestellt werden, dass die mittlere Durchgangszeit des der Behandlung zu unterwerfenden Materiales durch die aktive Zone um wenig länger sei als ausreicht, eine Gleichgewichtskonzentration der Fettstoffe zu erreichen ; diese Zeitdauer ist normalerweise von der Grössenordnung einiger Minuten. Sie wird geringer mit dem Grösserwerden des Grades der Zerkleinerung des behandelten Materiales und mit dem Geringerwerden der von der Extraktionsflüssigkeit erreichten Konzentration.
Die optimale Bedingung wird erzielt durch ein Kompromiss zwischen Dauer, also Behandlungskosten, Zerkleinerungskosten und Kosten für die Rückgewinnung des Lösungsmittels.
Um die mittlere Konzentration der Extraktionsflüssigkeit konstant zu halten, wird ein Teil der Flüssigkeit (in der Zeichnung bei A) entnommen, um zur Destillation geschickt zu werden. Das ruckgewon- nene Lösungsmittel wird dann (in der Zeichnung bei B) zusammen mit dem übrigen, einfach zurückgeführten Teil wieder eingeführt.
Die Kühlvorrichtung 7 mit Wasserumlauf führt die durch Absorption der Ultraschallenergie entwikkelte Wärme ab. Geeignete Kühlmittel sollen auch vorgesehen sein, um von den Geberelementen die durch elektrische und mechanische Eigenverluste erzeugte Wärme abzuführen ; dies kann dadurch erreicht werden, dass eine gegebenenfalls zur Ultraschallkupplung verwendete Zwischenflüssigkeit zirkuliert wird, oder mittels Kühlung durch Druckumlauf von Luft (nicht in der Zeichnung dargestellt).
Die Einzelheiten der Geber und des Generators sind für die Erklärung der Erfindung unwesentlich und daher nicht dargestellt bzw. beschrieben.
Die Destillation zur Rückgewinnung des Lösungsmittels erfolgt vorteilhaft im Vakuum, um die durch die Extraktion bei niedrigerer Temperatur erzielten Vorteile nicht zu schmälern.