DE10120317A1 - Extraktionsverfahren und Vorrichtung zur Durchführung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von Extraktionen zu Reinigungszwecken beschrieben. Die Extraktion erfolgt mit verdichteten Gasen. Hauptmerkmal der Erfindung ist die Tatsache, dass zur Erzielung ausreichender Durchmischung der gesamte Druckbehälter bewegt wird und keine Einbauten enthält, die einen anderen Antrieb als die Schwerkraft besitzen.

Description

Die Extraktion mit komprimierten Gasen ist eine eingeführte Methode zur Behandlung von Naturstoffen und zur Gewinnung von Extrakten aus ihnen. Im erweiterten Sinn wird das Verfahren der Hochdruckextraktion auch für Reinigungsoperationen herangezogen (S. Gjavotchanoff, DE 22 50 933, R. L Maffei, US 4012194). Eine Untergruppe dieser Reinigungsoperationen beschäftigt sich mit der Reinigung technischer oder feinmechanischer Artikel sowie Halbleiterbauteile. Eine weitere Gruppe hat die Reinigung von textilen Materialien zum Ziel. Letztere Verfahren werden erst vereinzelt mit verdichteten Gasen angewandt. Unter verdichteten Gasen werden hier Gase mit einer verglichen zum Atmosphärenzustand mindestens um den Faktor 100 erhöhten Dichte verstanden. Die Gase können in einem verflüssigten Zustand, in einem nicht mehr verflüssigbaren Zustand oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Druckes oder in einem Mischgebiet eingesetzt werden. Für die Reinigungsverfahren hat sich als wichtig herausgestellt, dass neben geeigneten Lösungsmitteleigenschaften des Gases auch eine verstärkte Konvektion zwischen Substrat und Extraktionsmittel herbeigeführt wird. Da eine verstärkte Konvektion leichter mit verflüssigten Gasen als mit einphasigen Systemen erreichbar ist, zieh die Mehrzahl der eingeführten Systeme auf die Anwendung im flüssigen Zustand des Extraktionsmittels.

Zum Erzwingen einer ausreichenden Konvektion bedient man sich einer Anzahl von Hilfsmitteln. Zum einen ist die Verwendung einer meist perforierten Trommel bzw. eines Korbs analog zur Trommel einer Waschmaschine sehr verbreitet. Dies wird z. B. in den Patentanmeldungen von Clorox (US 5267455) oder Linde (DE 42 30 485) beschrieben. Diese Verfahren bringen den Nachteil erhöhter Anlagenkosten mit sich, da die Trommel direkt oder indirekt von außerhalb des die Trommel einschließenden Druckbehälters angetrieben werden muss, was kostspielige Wellendurchführungen oder Magnetkupplungen erforderlich macht. Mitsubishi Kakkoki Kaisha erkannte diesen Nachteil und schlug daher vor, die Trommel durch einen Gasstrahl anzutreiben (JP Abstr. 10/043702). Ein solcher wird auch von Hughes Aircraft (US 5467492) zur Erzeugung der erforderlichen Konvektion vorgeschlagen. Schließlich verlegt Linde (DE 199 22 195) den Antriebsmotor für die Waschtrommel in den Innenraum des Druckbehälters, um die aufwendige Wellendurchführung einzusparen.

Die Verwendung einer Waschtrommel bringt neben den geschilderten Schwierigkeiten einen weiteren wesentlichen Nachteil mit sich, indem sie das Nutzvolumen des dickwandigen und damit teuren Druckbehälters verkleinert und damit den Durchsatz der Reinigung beeinträchtigt.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die geschilderten Nachteile nicht hat, sondern ohne aufwendige Durchführung von Antriebswellen auskommt und den Innenraum des Druckbehälters maximal ausnutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Es besteht aus einem in seiner Gesamtheit beweglichen Druckbehälter 1 mit Schnellverschluss 2. Die Geometrie des Druckbehälters ist im Gegensatz zu bekannten Apparaten, die ein Längen- zu Durchmesserverhältnis von kleiner 1 haben, langgestreckt, das heißt die zylindrische Rohrlänge ist mehr als doppelt so hoch wie der Durchmesser. Auch dies führt zu einer Einsparung an Herstellungskosten, da eine Vergrößerung des zylindrischen Durchmessers die erforderlichen Wandstärken erhöht und insbesondere der Verschluss des Behälters schwerer wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäß eingesetzte Apparat um die Längsachse kippbar, was durch eine Kippachse nahe des Apparateschwerpunktes und einen hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Antrieb 4 bewerkstelligt wird, oder auch durch einen in der Längsachse des Apparates gleitenden Kipp-Punkt mit einer Translation des Apparates bewirkt wird. Der Apparat wird in dieser Ausführungsform mittels flexibler Verbindungen bzw. Anschlüssen für flexible Druckleitungen 5 und 6 mit dem Versorgungssystem verbunden. Die Position der Anschlüsse ist für den Bodenanschluss bevorzugt das dem Schnellverschluss gegenüberliegende Ende des Apparates, für den oberen Anschluss entweder der Apparatemittelpunkt an der Behälteroberseite oder eine Position in der Nähe des Schnellverschlusses. Es ist auch möglich, statt flexibler Leitungen oder Schläuche drehbare Anschlüsse in der Nähe der Kippachse in Verbindung mit starren Rohrleitungen vorzusehen. Fig. 2 zeigt den Apparat in gekippter Position. In einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform ist der Apparat so konstruiert, dass er um seine Längsachse rotieren kann, wobei die Druckanschlüsse an den Enden des Apparates mittig angeordnet und drehbar sind. Nicht dargestellt ist weiter eine optionale Vorrichtung, um den Apparat in seiner kippbaren Ausführung während des Extraktionsvorganges um seine Längsachse um bis zu 180° zu drehen, um bei der Verwendung von Flüssiggas die zu extrahierenden Stoffe gleichmäßig mit dem Extraktionsmittel in Kontakt zu bringen.

Zusätzlich zu der Kippbewegung der bevorzugten Ausführungsform kann ein Rühreffekt des im Behälter vorliegenden Extraktionsmittels zusammen mit dem zu extrahierenden Material bewirkt werden, indem innerhalb des Druckrohres, das in Fig. 3 mit geöffnetem Schnellverschluss dargestellt ist, mindestens eine, vorzugsweise zwei entlang der Längsachse des Druckbehälters bewegliche Mischplatten 7 angeordnet sind, die sich aufgrund ihres Eigengewichtes entsprechend der Kippbewegung des Behälters bewegen und so einen mechanischen Walkvorgang auf das Substrat ausüben und gleichzeitig das Extraktionsmittel durchmischen. In einer bevorzugten Form sind die Platten perforiert und mit Rollen, die Führungseigenschaften besitzen, ausgestattet, um eine gute Beweglichkeit entlang der Längsachse des Druckbehälters und ausreichende Stabilität gegen Kippen zu gewährleisten. In einer verfeinerten Ausführung etwa mit schräg zur Behälterachse angebrachten Rollen und Führungsvorrichtungen an der Platteninnenseite können die Platten auch während ihrer Längsbewegung eine Spiralbewegung um die Längsachse des Behälters durchführen und das zu reinigende Material mitnehmen und damit gleichmäßiger mit dem Extraktionsmittel in Kontakt bringen, wodurch sich eine zusätzliche Rotation des ganzen Behälters erübrigt. Die Mischplatte auf der Seite des Behälterschnellverschlusses ist vorzugsweise mittels einer mechanischen Vorrichtung bei Ende des Reinigungsvorganges am Schnellverschluss zu befestigen, sodaß sie beim Öffnen des Schnellverschlusses mit diesem aus dem Behälter herausgeklappt werden kann.

Es folgt eine Beschreibung des Reinigungsvorgangs anhand von Fig. 4, wobei angemerkt wird, dass für die Schaltung der Anlage ein gewisser Spielraum gegeben ist, der dem Fachmann erlaubt, anhand der einen oder anderen Schaltungsänderung das Verfahren zu optimieren. Die gezeigte Darstellung erlaubt eine Durchführung des Verfahrens mit möglichst wenigen Behältern und Förderorganen. Der Gaspuffer 6 ist von einem externen Vorratsbehälter, der nicht dargestellt ist, mit einem erheblichen Anteil an Flüssiggas, im allgemeinen Kohlendioxid befüllt worden. Zunächst wird der Reinigungsbehälter 1, der in waagerechter Position beschickt worden ist, über Ventil 9 mit Gas befüllt und ggf. über ein hier nicht gezeigtes Ablassventil entlüftet. Falls notwendig, wird der Gasdruck durch Öffnen von Ventil 14 erhöht. Sobald die Behälter 6, 1 und 3 im Druckniveau weitgehend angeglichen sind, werden die Apparate durch Öffnen von 2, 12 und 14 verbunden. Ventil 9 wird geschlossen und mittels des Kompressors nun über Ventil 8 der Reinigungsbehälter mindestens zur Hälfte mit Flüssiggas gefüllt. Nun wird der Antrieb des Reinigungsbehälters in Betrieb genommen und der eigentliche Reinigungsvorgang beginnt. Während des Reinigungsvorgangs wird diskontinuierlich, z. B. wenn der rechte Teil des Reinigungsbehälters in der unteren Position ist (s. Fig. 2), durch Schwerkraft oder aber wahlweise kontinuierlich oder diskontinuierlich (es kann z. B. das Ventil 2 geschlossen werden, sobald der Auslauf des Reinigungsbehälters nicht mehr im Bereich des Flüssig-CO2-Pegels liegt) durch Kreislaufbetrieb des Kompressors 5 Flüssiggas aus dem Reinigungsbehälter 1 abgenommen, über den Partikelfilter 11 in den Abscheider 3, der als Verdampfer mit einer bodenseitigen Beheizung 4 ausgeführt ist, geleitet und dort verdampft. Das Gas wird über Ventil 14 vom Kompressor 5 in den Pufferbehälter 6 gedrückt, der mit einer kopfseitigen Kühlung 7 versehen ist und im verflüssigten Zustand über Ventil 8 zurückgeleitet. Die Kühlung 7 hat die Funktion, den während der Verdampfung ansteigenden Druck zu begrenzen. Eine auf regeltechnischem Wege bewirkte Abstimmung von Kühlung und Heizung kann z. B. die Kühlung für den Fall begrenzen, dass der Kreislauf des Gases behindert wird. Die extrahierten Schmutzstoffe sammeln sich im unteren Teil des Abscheidebehälters und können während oder nach dem Reinigungszyklus aus der Anlage über Ventil 10 abgezogen werden. Der Partikelfilter wird in größeren Zeitintervallen oder wenn eine starke Verschmutzung erkennbar ist, durch Schließen aller angrenzenden Ventile abgetrennt, geöffnet und gereinigt. Findet die Reinigung bei Bedingungen oberhalb des kritischen Druckes statt, ist das beschriebene Schaltbild nicht zutreffend, in diesem Fall muss zusätzlich eine Pumpe installiert werden, die den Reinigungsbehälter auf den gewünschten Druck bringt, während der Abscheider 3 und der Puffer 6 auf einem Druck unterhalb des kritischen Wertes gehalten werden.

Bei Ende des Reinigungsvorgangs wird der Reinigungsbehälter mit der rechten Seite abgesenkt, Ventil 8 wird geschlossen und Ventil 9 geöffnet, sodass durch den Kompressor statt Flüssigkeit nunmehr Gas nachgeliefert wird, welches die Flüssigkeit im Reinigungsbehälter verdrängt. Sobald dort keine Flüssigkeit mehr vorliegt, wird Ventil 9 geschlossen und das verbleibende Gas abgesaugt, vorzugsweise zunächst über Ventil 2, Abscheider 3 und Ventil 14 und bei niedrigem Druckniveau über Ventil 2, Filter 11 und Ventil 13 direkt zum Kompressor 5. Dieser fördert in den Pufferbehälter 6 mit aktiver Kühlung 7. Restliches Gas wird über ein nicht dargestelltes Ventil an die Atmosphäre abgelassen. Der Zyklus wird beendet durch Kippen des Reinigungsbehälters 1 in die waagerechte Position, Öffnen des Schnellverschlusses und Entnahme des zu reinigenden Gutes.

Wenn ein Auffrischen des Gases in der Anlage erwünscht ist, kann ein zusätzlicher Adsorptionsfilter eingesetzt werden, der z. B. mit Aktivkohle, Aluminiumoxid oder Kieselgel beschickt ist und über den das Gas mittels des Kompressors z. B. auf dem Weg zum Puffer 6 gereinigt wird. Ein solches Vorgehen kann kontinuierlich, regelmäßig oder nach einer gewissen Zahl von Reinigungszyklen erfolgen.

Werden für die Reinigung Hilfsstoffe eingesetzt, kommen folgende Stoffe in Frage:

• - sogenannte Modifier, die das Lösungsvermögen des Gases verbessern, häufig kurzkettige Alkohole,
• - Wasser, das sowohl das Lösungsvermögen des Gases beeinflusst als auch oberflächenaktiv wirkt und z. B. bei der Reinigung von Textilien wesentlich zum Ablösen polarer Verunreinigungen beiträgt,
• - Tenside, die in der Lage sind, auch unlösliche Stoffe zu solvatisieren, wie Siloxanverbindungen oder Perfluorverbindungen,
• - Enzyme, die in Verbindung mit Wasser z. B. Proteine oder Kohlenhydrate löslich machen können, wie Proteasen oder Amylasen,
• - Bleichmittel, die oxidativ aufhellend wirken, im wesentlichen organische Peroxoverbindungen,
• - optische Aufheller, die aufgrund optischer Eigenschaften z. B. Textilgut weiß erscheinen lassen und
• - Duftstoffe zur Vermittlung von angenehmem Geruch z. B. bei der Textilreinigung.

Die Auswahl dieser Stoffe ist mit der Wahl des Extraktionsmittels verbunden und von diesem abhängig.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können diese Stoffe wie bei anderen beschriebenen Verfahren eingesetzt werden. Es ist möglich, solche Hilfsstoffe vor der Reinigung dem Reinigungsgut zuzugeben, sie in abgewogener Form in Spendern, die sich z. B. unter Einwirkung von Druck öffnen, im Reinigungsbehälter vorzulegen oder sie mit Hilfe zusätzlicher Förderorgane zu Beginn oder während der Reinigung in den Kreislauf hineinzufördern. Diesbezüglich setzt das Verfahren keine Grenzen. Der überwiegende Teil aller dieser Stoffe wird sich zusammen mit dem Schmutz im Abscheidebehälter 3 ansammeln und kann mit diesem abgezogen werden. Sollte es sich um wertvolle Stoffe handeln, ist ein Recycling außerhalb des beschriebenen Prozesses vorzusehen.

Claims (11)

1. Extraktionsverfahren zur Reinigung von Gegenständen oder Stoffen makroskopischer Abmessungen und stückiger oder faseriger Struktur mit verdichteten Gasen in einem Druckbehälter ohne Innenbehälter, Einsatzkorb oder Rührorgan mit anderem Antrieb als der Schwerkraft, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter in seiner Gesamtheit bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter durch eine Kippbewegung entlang seiner Längsachse bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine rotierende Bewegung ausführt und jeweils einen drehbaren Anschluss an seinen Enden aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter innen mit einer oder mehreren beweglichen Platten ausgestattet ist, die in der Lage sind, während der Kippbewegung des Druckbehälters dieser entlang der Längsachse durch Schwerkraft zu folgen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Länge des Behälters mehr als doppelt so groß ist wie sein Durchmesser.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas sich in flüssigem Zustand befindet.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas sich bei einem Druck befindet, der größer ist als der kritische Druck des Gases.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsanlage abgesehen von der Gasversorgung von außen lediglich ein Förderorgan für das verdichtete Gas aufweist.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas während des Reinigungsvorgangs kontinuierlich oder diskontinuierlich im Kreis geführt und gereinigt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit Hilfe der Schwerkraft im Kreis geführt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfsstoffe in Spende­ behältern den zu reinigenden Materialien zugefügt werden, die sich unter Druckeinwirkung selbsttätig öffnen.