DD156315A3 - Verfahren zur loesungsmittelextraktion von feststoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Loesungsmittelextraktion von Feststoffen und kann zur Entfernung unerwuenschter Inhaltsstoffe aus Biomassen und zur Restloesungsmittelentfernung aus den extrahierten Biomassen angewendet werden. Ziel der Erfindung ist es, den stofflichen, energetischen und apparativen Aufwand fuer die Extraktion, die Feststoffentfernung aus der Miszella und die Entfernung der Loesungsmittelreste aus dem extrahierten Feststoff zu verringern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Sedimentationsverhalten und gleichzeitig die Stoffuebergangseigenschaften des getrockneten Feststoffes zu verbessern. Der nach der Trocknung im allgemeinen pulverfoermig vorliegende Feststoff wird nach einer Befeuchtung sehr hohen Scher- und Druckkraeften ausgesetzt, wodurch eine Materialverdichtung und Erhitzung erreicht wird, und anschliessend entspannt, was zu einer Struktur mit den gewuenschten Eigenschaften fuehrt. Erfindungsgemaess geschieht das dadurch, dass der pulverfoermige oder koernige Feststoff im Strangpressverfahren in Presskanaelen mit bestimmtem Verhaeltnis von Durchmesser zu Kanallaenge zu Pellets gepresst und am Kanalaustritt entspannt wird. Gegebenenfalls schliesst sich eine Zerkleinerung und Klassierung an.

Description

Verfahren zur Lösungsmittelextraktion von Feststoffen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lösungsmittelextraktion von Feststoffen. Sie wird hauptsächlich im kontinuierlichen Feststoffdispersions-Extraktionsver-: fahren zur Entfernung unerwünschter Inhaltsstoffe aus Biomassen und zur Entfernung von Lösungsmittelresten aus dem extrahierten Feststoff angewendet.

10 Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Extraktion von beispielsweise auf Erdöldestillatfraktionen gezüchteter Futterhefe werden als Lösungsmittel vorzugsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe/ z.B. Benzin und/oder polare Lösungsmittel, z.B. Äthanol, eingesetzt. Sowohl die Restkohlenwasserstoffe der Erdöldestillatfraktion als auch unerwünschte lipophile Begleitstoffe sollen durch den Extraktionsprozeß aus der Hefe entfernt werden.

Die Anwendung der extrahierten Feststoffe verlangt im allgemeinen auch die Entfernung der Lösungsmittelreste aus dem extrahierten Material, Dies geschieht z.B. mehrstufig durch Erwärmen unter Beachtung bestimmter erforderlicher konzentrationsverhältnisse der Lösungsmittelkomponenten während dieses Prozesses.

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'ι Für das mechanische Verhalten der Feststoffteilchen während der Extraktion und Lösungsmittelentfernung ist die Feststoffstruktur.von wesentlicher Bedeutung» Die vorzugsweise in Sprühtrocknern mit Drehscheiben™ oder Druckdüsen-. 5 zerstäubung getrockneten und dabei in Pulverform anfallenden Biomassen werden trotz ungünstiger Stoffstruktur und teils ungünstiger Kornfraktionen in dieser Form dem Ex-. traktionsprozeß zugeführt.

In bekannten modernen kontinuierlichen Gegenstromextrak™ tionsverfahren in Rührwerkskolonnenextraktoren, wie in DL-PS SS449 beschrieben, tritt der Nachteil auf_s daS bei ungünstigem Benstzungsverhalten der Feststoffteilchen, bei geringem Dichteunterschied zwischen Feststoffteilchen und Lösungsmittel sowie bei großem Anteil von Teilchen unter 0,05 mm viel Feststoff gemeinsam mit der Miszella am Köionnenkopf ausgetragen wird. Nachteilig ist die Ent« fernung der Feststoffteilchen aus der Miszelia; sie erfordert zusätzlich stofflichen, energetischen und apparativen Aufwand.

Das Patent DL-PS 111644 beschreibt eine vorrichtung zur Feststofftrennung aus der Miszella: Die am Kopf der Extraktionskolonne (nach DL=PS S 844.9) abfließende feststoff haltige -Miszella wird durch eine spezielle Konstruktion geführt, die konzentrisch um den Kolonnenkopf angeordnet ist und aus vier ineinander angeordneten Räumen besteht. Bei Zugabe einer mit der Miszella nicht mischbaren Flüssigkeit, z.B. Wasser« wird im äußeren Raum die Koagulation in der Extraktionskolonne nicht abgesunkener Teilchen sowie deren Abführung ermöglicht. Der koagulierte Feststofff wird in den Extraktor zurückgeführt. Nachteilig wirkt bei dieser Verfahrensweise die Wasserzugabe, da mit dem Verkleben der Feststoffteilchen die Extrahierbarkeit dieses Materialanteiles und somit das Extraktionsergebnis insgesamt verschlechtert wird.

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Ein anderes Verfahren zur Verbesserung der. Sedimentation der zu extrahierenden Biomasse nach DL-PS 108 114 verwendet ein ternäres azeotropes Lösungsmittelgemisch. Es • besteht aus Benzin-Azeton-Wasser und fördert das Absinken der Teilchen bei zusätzlicher Wasserzugabe. Nachteilig ist die Aggressivität dieses Gemisches gegenüber Werkstoffen aus Elastomeren und Plasten. Außerdem ist dieses spezielle Lösungsmittelgemisch nur für spezielle Extraktionsaufgaben geeignet.

Verschiedene Erfindungen beinhalten Vorschläge zur Verbesserung der Extraktion von Biomassen, indem sie spezielle Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische verwenden, Beispiele dafür sind neben OL-PS 108 114 die Patente DL-WP 108320, DL-WP 124057und DL-AP 53984. .Nachteilig bei diesen Lösungen ist der stets verhältnismäßig hohe Aufwand an Energie und Apparaten sowie die Tatsache/ daß diese Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemische oft besondere Probleme bei dem Entfernen der Lösungsmittelreste aus dem extrahierten Feststoff oder bei der Rückgewinnung der Lösungsmittelkomponenten aus der Miszella zur Folge haben.

In der Offenlegungsschrift DE-OS 2424612 wird die Vorbereitung von Hefepulver zur Lösungsmittelextraktion im Penetrationsextraktionsverfahren durch folgende Arbeitsstufen angegeben :

- Kochen des Hefepulvers,

-.Befeuchten des Hefepulvers auf 20 % Wassergehalt,

- Pillenformen mit Pelletisiermaschine, * "

- Flockieren der Pillen mit Flockierwalzen und - Trocknen der Flocken auf 5 - 10 % Wassergehalt.

Nachteilig -bei dieser Lösung sind die erforderlichen 2 thermischen Stufen und die Tatsache, daß die in 2 mechanischen Stufen erzeugten Flocken sich nicht allgemein zur

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Lösungsmittelextraktion einsetzen lassen, sondern nur zur Penetrationsextraktion geeignet sind.

. Ein Verfahren nach DL-AP 73304 entfernt aus extrahiertem Proteinmaterial, das noch 60 bis 70 % Wasser enthält, Lösungsmittelreste durch Erhitzen und/oder Drucksenken. Kennzeichnend" ist, daß während dieses Prozesses der Wassergehalt , bezogen auf Trockensubstanz, 20 % nicht unterschreiten darf. Der besondere Nachteil ist der Wärmeaufwand zur Verdampfung des zusätzlich während der Restlösungsmittelentfernung zugegebenen Wassers.

Nachteilig bei den beschriebenen Lösungen insgesamt ist, daß sie stets nur einen Teil der Probleme beseitigen und an anderer Stelle des Gesamtverfahrens teilweise neue Probleme aufwerten,

15 Ziel der!Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den stofflichen, energetischen und apparativen Aufwand für die Lösungsmittelextraktion _t die Feststoffentfernung aus der Miszella und die Entfernung der Lösungsmittelreste aus dem extrahierten Feststoff zu verringern.

Darlegung des Wesens der_Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Sedimentationsverhalten und gleichzeitig die Stoffübergangseigenschäften des getrockneten Feststoffes zu verbessern, so daß unabhängig vom verwendeten Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch der Feststoffdurchsatz erhöht, die Reinigung der Miszella vom Feststoff überflüssig und sowohl d&r Extraktionsvorgang im Feststoff als auch die Rest~ lösungsrnittelentfernung aus dem extrahierten Feststoff

30 intensiviert werden. .

Überraschend wurde gefunden, daß ein pulverförmiger Feststoff, der eine bestimmte Feuchtigkeit enthält, in einem einzigen Verfahrensschritt durch Strangpressen mit sehr

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großen Kräften und anschließender Entspannung gleichzeitig agglomeriert und stark verdichtet wird sowie eine Zellzer-.störung erfährt, wenn es sich um Biomasse handelt, und eine intensivporöse innere Struktur erhält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der pulverförmig vorliegende im allgemeinen sprühgetrocknete Feststoff auf einen Wassergehalt von 10 bis 18 Ma-%, vorzugsweise 12 bis 14 Ma-%, gebracht und im Strangpreßverfahren in Preßkanälen bei eiriem Verhältnis Kanaldurchmesser zu Kanallsnge von 1:4 bis 1 : 12 gleichzeitig Scher- und Druckkräften von mindestens 50 MPa sowie einer thermischen Behandlung bei 50 bis 100^uC, vorzugsweise 60 bis 9O⁰C, ausgesetzt und anschließend entspannt wird. Es kommt infolgedessen darauf an, die während des Preß>-Vorganges im Material durch intensive Reibungsvorgänge entstehende Wärme in? Preßling zu erhalten und einschließ=· lieh der homogen verteilten Feuchtigkeit zur am Preßkanalaustritt erfolgenden und Porosität erzeugenden Wirkung der Materialentlastung zu nutzen. Die Materialentlastung bewirkt keine merkliche Verringerung der gleichzeitig erforderlichen hohen Materialdichte.

Die Befeuchtung geschieht dabei in bekannter Weise mit Trinkwasser oder leicht überhitztem Wasserdampf, z.B. in einer Mischerschnecke_{oder kann entfallen, wenn, das Produkt bereits ausreichend Wasser enthält.

Die Temperatur darf bei Biomassen eine bestimmte obere Temperatur in keiner Behandlungsphase überschreiten. Bei Futterhefen liegt diese Temperatur bei ca. 90°C. Als Pressen eignen sich Pelletpressen mit Preßwalzen und ring- oder scheibenförmigen Öüsenmatrizen und entsprechend wirkende Vorrichtungen.

Die Extraktion erfolgt in an sich bekannter Weise kontinuierlich oder diskontinuierlich

Beim Dispersionsextraktionsverfahren in Rührwerkskolonnenextraktoren wird eine weitere Verbesserung des Extraktionsvorga.nges erzielt, wenn die Preßlinge vorher zerkleinert

und klassiert werden, wobei die, Körnung den konstruktiven Einzelheiten dieses Extraktionsapparates anzupassen ist. Im kontinuierlichen Gegenstromverfahren liegt der günstige Körnungsbereich für Biomassen etwa zwischen 0,05 und 1.0 mm. für Futterhefen vorzugsweise zwischen etwa 0_el und 0_e8 mm. Nach aer Lösungsmittelextraktion und der mechanischen Trennung des Lösungsmittels vom extrahierten Feststoff^ z.B. in einem Dekanter, wird die Restlösungsmitteientfernung in an sich bekannter Weise, aber ohne Zugabe von Lösungsmittel oder Lösungsmittelkomponenten, durch eine nur kurzzeitige und einstufige thermische Behandlung erreicht. '

Die Erfindung ist auch für das Penetrationsextraktionsverfahren anwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend an 2 Aus'führungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Auf einer Erdöldestillatfraktion gezüchtete Futterhefe wird in einem Sprühtrockner mit Druckdüsenzerstäubung ge~ trocknet. Der anfallende pulverförmige Feststoff besteht aus Hohlkugeln. Mit einer kontinuierlich arbeitenden Pelletpresse wird das Hefepulver bei einem Durchsatz von etwa 100 kg/h zu Pellets von 4 mm Durchmesser und etwa 20 mm Länge gepreßt. Die Preßwerkzeuge bestehen aus einer horizontalliegenden Scheibenmatrize und zwei Preßwalzen. Vor dem Verprassen wird das Pulver in einem Schnecken= mischer aus Düsen mit kaltem Trinkwasser besprüht und homogenisiert. Der Wassergehalt des Pulvers vor dem Preßvorgang beträgt 14 Ma-%. Die· Pellets werden nach dem Verlassen der Presse in einer Scheibenmühle oder Schlagmühle zerkleinert. Daran schließt sich eine Klassierung an, wo die Fraktion über 0,8 mm abgesiebt wird.

Die so vorbereitete Futterhefe wird in einer kontinuierlich arbeitenden Drehscheibenextraktionskolonne von

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150 mm Durchmesser extrahiert. Am Kolonnenkopf werden 32 kg/h Futterhefe zugeführt. Die zu extrahierende Futter-. hefe sinkt in der Kolonne in· Gegenstrom zum Lösungsmittelgemisch Benzin-Äthanol-Wasser nach unten. Die kontinuierlieh zugeführte Losungsm.ittelmenge beträgt 48 kg/h und besitzt die Temperatur von 30°C_s Der extrahierte Feststoff verläßt die Drehscheibenextraktionskolonne am Kolonnen= ende unten und wird zur mechanischen Trennung vom Lösungsmittel in einen Dekanter geführt.

Nach der mechanischen Abtrennung des Lösungsmittels erfolgt die Reduzierung der Lösungsmittelreste aus dem ruhenden Produkt auf thermischem Wege: 10 Hinuten bei 40°C und anschließend 10 Minuten bei 100°C.

Die Ergebnisse der Extraktion und Lösungsmittelrestentfernung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 2

Auf einer Erdöldestillatfraktion gezüchtete Futterhefe wird in einem Sprühtrockner mit Druckdüsenzerstäubung getrocknet. Der anfallende pulverförmige Feststoff besteht aus Hohlkugeln. Mit einer kontinuierlich arbeitenden Pelletpresse wird das Hefepulver unter industriellen Bedingungen bei einem Durchsatz von etwa 8000 kg/h zu Pellets von 7,25 mm Durchmesser und 20 mm Länge gepreßt. Die Preßwerkzeuge bestehen aus einer vertikal angeordneten Ringmatrize mit 3 Preßwalzen. Vor dem Verpressen wird das Pulver in einem Schneckenmischer mit überhitztem Wasserdampf (145°C; 0,39 MPa) auf etwa 12 Ma-% an-. gefeuchtet, auf etwa 60°C erhitzt sowie homogenisiert.

Die Pellets werden in einer Scheibenmühle gemahlen. Danach wird die körnige Futterhefe klassiert, wobei die Kornfraktionen unter 0,1 und über 0,8 mm abgetrennt werden

Die Futterhefe mit der Körnung zwischen 0,1 und 0,8 mm wird unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 die

pelletierte und gemahlene Futterhefe in einer kontinuierlich arbeitenden Drehscheibenextraktionskolonne von 150 mm Durchmesser extrahiert. Zur Trennung von Feststoff und Lösungsmittel dient wieder ein Dekanter.

Die Lösungsmittelreste werden aus dem ruhenden Produkt

auf thermischem Wege reduziert : 10 Minuten bei 70°C und . anschließend 10 Hinuten" bei i20°C.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Lösungen den bekannten gegenübergestellt.

Als Vergleichsprodukt dient eine auf einer Erdöldestillatfraktion gezüchtete Futterhefe, die in einem Sprühtrockner mit Druckdüsenzerstäubung getrocknet und ohne mechanische Vorbehandlung in einer Drehscheibenextraktionskolonne von 150 mm Durchmesser, unter analogen Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 2 für die pelletierte Hefe beschrieben, extrahiert wird. Der störungsfreie Betrieb der Extraktionsanlage fordert in diesem Fall im Vergleich zur pelletierten und gemahlenen Futterhefe der Beispiele ί und 2 eine Reduzierung des Feststoffdurchsatzes auf 26 kg/h. Die entsprechende Lösungsmittelgemischmenge beträgt 39 kg/h und ihre Temperatur

30°^

Um das Sedimentationsverhalten zu verbessern und dadurch den Durchsatz von 26 kg/h zu erreichen ist es zusätzlich erforderlich, das Hefepuiver vor Eintritt in die Extraktionskolonne in einer Dosierschnecke mit Äthanol im Verhältnis 0,25 kg/kg Hefe zu mischen.

Die extrahierte Hefe wird nach Verlassen der" Extraktionskolonne wie für die pelletierte und gemahlene Hefe in den

30 Beispielen 1 und 2 beschrieben behandelt.

In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse eingetragen und zeigen für die pelletierte und gemahlene Futterhefe aus den Beispielen 1 und 2 im Vergleich zur nur sprühgetrockneten des Beispieles 3 4 Vorteile :

1. Der stündliche Hefedurchsatz durch die Extraktionskolonne liegt für pelletierte und gemahlene Futterhefe ca. 20 Ms-% höher als für nur sprühgetrocknete und es wird die Sedimentationshilfe eingespart.

2. Die mit der Miszella am Kolonnenkopf ausgetragene Hefe liegt mit ca. 0,5 Ma-% bei pelletierter, gemahlener und klassierter Hefe gegenüber 5 Ma-% wesentlich niedriger.

3. Das Extraktionsergebnis, gemessen an den verbieibenden Kohlenwasserstoff resten im Produkt, das bei

pelletierter und gemahlener Hefe bereits nach

ca. 7,7 m Extraktionsweg erzielt wird, ist für nur sprühgetrocknete Hefe erst nach 16,6 m zu erreichen.

4. Der Gehalt an Lösungsmittelresten liegt bei gleicher thermischer Behandlung bei pelletierter, gemahlener und klassierter Hefe um eine Zehnerpotenz niedriger als bei nur sprühgetrockneter.

Tabelle 1

Einsatzprodukt die Extraktion

für

Siebartalyse des Einsatzproduktes

a) Durchsatz

b) Feststoff in der Miszella

Ext raktionsergebnis in Abhängigkeit vom Extraktionsweg in der Kolonne : Ma-% Kohlenwasserstoffe

Thermisch'e Reduzierung der Lösungsmittelreste

Futterhefe' sprühgetrocknet, pelletiert (4 mm 0)f gemahlen und Korn > 0,8 mm abgesiebt

mm

> 0,315

0,315-0,1

<0.1

a) 32 kg/h

b) 2

m ,2 m 7,7 m

12,1 ro 16,6 m

9,54

0,84

0,031

0,015

0,010

Nach

10 Minuten bei 40⁰C

und 10 Minuten bei

XUU (-» · ι IS /o

Äthanol

Benzin

Wasser

0,61 0,54 2,2

Futterhefe sprühgetrocknet , pelletiert (7,25 mm .0), gemahlen und Korn '^0,8 mm und <0,l mm abgesiebt

> 0,315

0,315-0,1

a) 32 kg/h

b) 0,5 Ma-Sß

m

3,2 m

7,7 m

12,1 m

16,6 m

9,54

0,92

0,029

0,015

0,010

Nach

10 Minuten bei 7O°C

und 10 Minuten bei

120⁰C :

Äthanol

Benzin

Wasser

Ma-

Of

/0

0,22 0,19 I₁S

Futterhefe sprühgetrocknet (Druckdüsenzerstäubung )

>0,315 12,4

<0,315-0,l 66,5

<0,l 21,1

a) 26 kg/h mit SediiTientationshilfe

b) 6 Ma-%

m

3,2 m

7,7 m

12,1 m

9,54 ,22 0,31 0,09

Nach

10 Minuten bei 70⁰C und 10 Minuten bei 120⁰C : .Ma-%

Äthanol

Benzin Wasser

3,7

2,5 1,6

Claims (4)

1* Verfahren zur Lösungsmittelextraktion von Feststoffen zur Entfernung von Restkohlenwasserstoffen und biogenen lipophilen Zellinhaltsstoffen aus auf kohlenwasserstoffhaltigen Substraten - vorzugsweise Erdöidestillatkultivierten, vorwiegend sprühgetrockneten Biomassen, gekennzeichnet dadurch, daß die Biomasse eine Verdichtung und Aufbaugranulation sowie intensive Strukturänderung durch Einwirken von Scher- und/oder Druckkräfte über 50 Mpa in einem Preßverfahren erfährt, er- - forderlichenfalls abgekühlt sowie zu einem feinkörnigen Granulat zerkleinert und anschließend in an sich bekannter Weise extrahiert auf me churns ehern Wege vom Lösungsmittel getrennt und fernerhin durch kurzzeitige thermische Behandlung von Lösungsmittelresten befreit wirde .

Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Pressen in Pelletpressen mit Preßwalzen und Düseniaatrizen erfolgt«

· · 2, ^mm

3» Verfahren nach Ponkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurchdaß der Feststoff vor dem Pressen mit Wasser und/oder überhitztem Wasserdampf bis auf Was sergehalte zwischen 10 und 18 %, vorzugsweise zwischen 12 und 14 %, be-, feuchtet wird.

4« Verfahren nach Punkt 1 bis 3? gekennzeichnet dadurch* daß aus dem Granulat die !teilchen unter etwa 0,1 mm
ausgesiebt und in die Presse rückgefiihrt werden_e

ο Verfahren nach Punkt 1 bis 4_? gekenn.se lehnet dadurch j daß aus dem Granulat die Teilchen über etwa O₈8 mm
ausgesiebt und zur . Ver pressung, oder Zerkleinerung
rückgeführt werden,

6_e Verfahren nach Punkt 1 bis 5« gekennzeichnet dadurch₉ . daß in keiner Phase des Verfahrens die Temperatur der Biomasse wesentlich über 90° G ansteigt«