DE1298078B

DE1298078B - Verfahren zur selektiven Extraktion basischer bzw. saurer Pflanzen-inhaltsstoffe, insbesondere zum Entnikotinisieren von Tabak

Info

Publication number: DE1298078B
Application number: DEE28880A
Authority: DE
Original assignee: Eresta Warenhandels GmbH
Current assignee: Eresta Warenhandels GmbH
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1965-03-11
Publication date: 1969-06-26
Also published as: CH464763A; JPS5025040B1; AT273386B; GB1080639A; US3390685A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Extraktion basischer bzw. saurer Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere zum Entnikotinisieren von Tabak durch Extraktion des Pfianzenmaterials mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln und durch Abtrennen der Pfianzeninhaltsstoffe aus ihrer wäßrigen Lösung mittels Ionenaustausch.
Zum Entnikotinisieren von Tabak sind Verfahren bekannt, wobei der Tabak mit Lösungsmitteln extrahiert wird. Bei einem Teil dieser Verfahren wird der Tabak, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Vorbehandlung, mit Wasser oder einem organischen Lösungsmittel extrahiert, aus der erhaltenen Lösung das Nikotin entfernt und die verbliebene Lösung, welche noch andere Tabakinhaltsstoffe enthält, dem Tabak wieder zugeführt.
Bei der Verwendung organischer Lösungsmittel entfernt man das Nikotin daraus beispielsweise durch Auswaschen mit Säuren oder Salzlösungen. Dabei läßt es sich nicht vermeiden, daß ein Teil dieser Säuren oder Salze in gelöster oder suspendierter Form auf den Tabak gelangt und dessen Qualität beeinträchtigt. Auch verbleibt ein Teil der löslichen Tabakinhaltsstoffe in den zur Auswaschung verwendeten Lösungen.
Man hat deshalb auch schon versucht, Tabak mit Wasser zu extrahieren und aus den erhaltenen Lösungen das Nikotin durch Ionenaustauscher zu entfernen, da hierbei die Säuren in fester, unlöslichel Form vorliegen und die geschilderten Nachteile wegfallen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der ursprüngliche Zustand des Tabaks in ungünstiger Weise verändert wird. Beispielsweise verarmt der Tabak hierbei an anorganischen Kationen, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Abbrandeigenschaften führt. Durch die gute Löslichkeit vieler Tabakinhaltsstoffe in Wasser liegt die sich einstellende Gleichgewichtskonzentration in diesem Fall bei etwa 300/0. Ferner büßt der Tabak einen Teil seiner physikalischen Eigenschaften ein, und zum Wegtrocknen des in beträchtlicher Menge anhaftenden Wassers sind große Wärmemengen nötig.
Es ist ferner bekannt, Tabak mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln zu extrahieren und die von dem Tabak abgetrennte organische Phase anschließend einer Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Lösungen anorganischer Salze und Säuren zu unterwerfen. Diese Verfahrensweise hat zwar den Vorteil, daß der Tabak nicht unmittelbar mit Wasser in Berührung kommt, jedoch läßt es sich durch die gegenseitige Löslichkeit der wäßrigen Lösung und der organischen Phase nicht vermeiden, daß Salze und insbesondere anorganische Mineralsäuren, die in organischen Lösungsmitteln verhältnismäßig gut löslich sind, bei der Rückführung der organischen Phase auf den Tabak gelangen. Diese mit dem organischen Lösungsmittel auf den Tabak gelangenden Mineralsäuren bilden mit dem im Tabak vorhandenen Nikotin Salze. Im Gegensatz zu den Nikotinsalzen organischer Säuren sind jedoch die Nikotinsalze von Mineralsäuren in organischen Lösungsmitteln so wenig lösbar, daß auch durch längere Extraktionszeiten eine befriedigende Entnikotinisierung des Tabaks nicht mehr erreicht werden kann.
Die Mineralsäuren fixieren also in gewisser Weise das Nikotin auf dem Tabak, statt es zu entfernen.
Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile vermeiden kann, wenn die je für sich bekannten Verfahrensschritte der Extraktion des Pflanzenmaterials mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln (Verfahrensschritt I), und des Abtrennens der Pflanzeninhaltsstoffe aus ihrer wäßrigen Lösung mittels Ionenaustausch (Verfahrensschritt II) über eine Flüssig-Flüssig-Extraktionsstufe miteinander verknüpft werden, indem das organische, mit den Pflanzeninhaltsstoffen beladene Lösungsmittel im Gegenstrom zu der wässerigen, in der Ionenaustauschstufe von den Pflanzeninhaltsstoffen befreiten Lösung geführt wird.
Hierbei werden in vorteilhafter Weise in dem organischen Lösungsmittel die hierin löslichen, aber nicht abzutrennenden Pflanzeninhaltsstoffe so weit angereichert, daß die in der nach der Extraktion dem Pflanzenmaterial anhaftenden Lösungsmittelmenge enthaltene Menge an Pflanzeninhaltstoffen der bei der Extraktion entzogenen entspricht. Auch werden vorteilhafterweise in der wässerigen Phase lösliche, aber nicht abzutrennende Inhaltsstoffe so weit angereichert, bis sich ein Lösungsgleichgewicht zwischen der organischen und der wässerigen Phase eingestellt hat.
Von dieser wässerigen Phase, weIche keine fremden Bestandteile enthält, kann nach Passieren des Ionenaustauschers ein Teil abgetrennt, dem extrahierten Pflanzenmaterial zugeführt und durch einen entsprechenden Anteil Frischwasser ersetzt werden.
In den Zeichnungen ist schematisch eine praktische Ausführungsform der Erfindung am Beispiel der Entnikotinisierung von Tabak dargestellt, wobei zeigt Fig. 1 das Verfahrensprinzip und F i g. 2 eine kontinuierliche Verfahrensweise.
Eine Pumpe 1 befördert das organische Lösungsmittel durch den Tabakbehälter 2 und den Flüssig-Flüssig-Extraktor 3 im Kreislauf 1-2-3-1 (VerfahrensschrittI). Im Gegenstrom zum organischen Lösungsmittel wird Wasser in den Flüssig-Flüssig-Extraktor 3 mittels der Pumpe 4 befördert und über den Ionenaustauscherbehälter 5 ebenfalls in einem Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführt.
Im Kreislauf des organischen Lösungsmittels 1-2-3-1 (VerfahrensschrittI) werden außer Nikotin bzw. dessen Salzen zu Beginn der Verfahrensdurchführung noch verschiedene Inhaltsstoffe des Tabaks extrahiert. Da erfindungsgemäß das Nikotin durch Waschen mit Wasser im Gegenstrom fortwährend aus dem organischen Lösungsmittel entfernt wird, kann letzteres auch immer wieder von neuem Nikotin aufnehmen, wodurch eine fortschreitende Extraktion von Nikotin aus dem Tabak erfolgt.
Im Gegensatz dazu werden die anderen Tabakinhaltsstoffe im Lösungsmittel bis zu einem Gleichgewichtszustand angereichert. Dieser ist dann erreicht, wenn dem Tabak nach Verlassen des Extraktorf 3 durch das anhaftende Lösungsmittel, das im nachfolgenden Trockner verdampft, die gleiche Menge an Tabakinhaltsstoffen wieder zugeführt wird, die ihm während der Extraktion zunächst entzogen worden ist. Dadurch bleibt die Menge dieser nicht abzutrennenden Stoffe auf dem Tabak in der Gesamtbilanz des Prozesses konstant. Vorteilhafterweise verfährt man so, daß der behandelte und zur Trocknung gelangende Tabak mindestens das Doppelte seines Eigengewichtes an Lösungsmittel enthält.
Auch das im Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführte Wasser zur Extraktion des organischen Lösungsmittels hat das Bestreben, sich mit Nikotin bzw. dessen Salzen, aber auch mit einigen anderen wasserlöslichen Tabakinhaltsstoffen anzureichen. Da das Nikotin aus der wässerigen Phase mittels eines Ionenaustauschers (5) entfernt wird, kommt es in bezug auf Nikotin nicht zu einer Sättigung, so daß die wässerige Phase immer von neuem Nikotin aus dem organischen Lösungsmittel aufnehmen kann.
Für die anderen in das Wasser übergehenden, jedoch nicht abzutrennenden Tab akinhaltsstoffe wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, indem deren Menge in der wässerigen Phase konstant bleibt. Gewünschtenfalls kann man die Konzentration dieser Stoffe in der wässerigen Phase dadurch begrenzen, daß man laufend einen Teil dieser Phase auf den behandelten Tabak zurückführt und durch frisches Wasser ersetzt. Eine gesonderte Rückführung kann sich erübrigen, wenn man diese wässerige Lösung zur Herstellung der üblichen Soßen verwendet. Dies ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren insofern möglich, als nur hierbei die wässerige Phase praktisch frei von Nikotin und Fremdstoffen ist.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine mit den bekannten Verfahren nicht erreichte dreifache Selektivität aus, die durch den bevorzugten Übergang des Nikotins durch die drei Phasengrenzen Tabak/organisches Lösungsmittel, organisches Lösungsmittel/Wasser und Wasser/lonenaustauscher erreicht wird.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dadurch, daß eine direkte Berührung des Tabaks mit der wässerigen Phase vermieden wird und tabakfremde Säuren und Salze in vorteilhafter Weise vom Tabak ferngehalten werden.
Das im Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführte Wasser belädt sich mit Nikotin bzw. Nikotinsalzen aus der organischen Phase und tritt in die Säule des Ionenaustauschers ein. Nach dem Verlassen dieser Säule enthält das Wasser nur noch ganz geringe Spuren von Nikotin. Durch die Säuren des Tabaks, die aus ihren Salzen durch den Ionenaustauscher ebenfalls freigesetzt werden, reagiert die wässerige Phase sauer. Der pH-Wert schwankt je nach Tabaksorte und Verfahrensbedingungen und ist stets vor Eintritt in die lonenaustauschersäule höher als danach. Wenn diese Säuren durch die basischen Stoffe des Tabaks zu Salzen gebunden werden, dann werden sie beim Durchgang durch den Ionenaustauscher wieder freigesetzt. Dadurch wird trotz verhältnismäßig geringer anwesender Säuremengen ständig ein bestimmter niedriger pH-Wert aufrechterhalten, der sich auf den Übergang des Nikotins von der organischen in die wässerige Phase besonders vorteilhaft auswirkt.
Zur weiteren Absenkung des pH-Wertes kann man der wässerigen Phase geringe Mengen Säuren zusetzen, z. B. Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure oder Citronensäure. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren sind hierfür jedoch keine stöchiometrischen, sondern nur ganz geringe Mengen nötig, da der Ionenaustauscher ständig aus den durch Neutralisation mit Nikotin entstandenen Salzen die freien Säuren regeneriert.
Als Ionenaustauscher können die handelsüblichen, natürlichen oder künstlichen Typen verwendet werden, wobei man zweckmäßigerweise Kationenaustauscher in der Säureform wählt, weil hierdurch - wie oben erwähnt - die natürlichen Säuren des Tabaks diesem erhalten bleiben.
Als organische Lösungsmittel für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich beispielsweise Ketone, wie Butanon und Cyclohexanon; Ester, wie Methylacetat, Athylacetat und Butylacetat; Äther, wie Diäthyläther, Diisopropyläther und Diisobutyläther; Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Cyclohexan, Benzol und Toluol; halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Methylenchlorid, Trichloräthylen, Monofluordichloräthylen und Difluordichloräthylen; ferner in Wasser schwerlösliche Alkohole, wie Isobutanol, Amylalkohol und Cyclohexanol. Darüber hinaus kommen auch andere als die beispielsweise genannten Lösungsmittel in Betracht, sofern sie mit Wasser nicht unbegrenzt mischbar sind und keinen allzu hohen Siedepunkt haben.
Auch Mischungen von zwei oder mehreren verschiedenen Lösungsmitteln können vorteilhaft sein, entweder hinsichtlich des Extraktionseffektes oder hinsichtlich der Verfahrensgestaltung.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Tabak, und zwar in jedem Verarbeitungsstadium, vor allem für Rohtabak, entrippten Tabak und Schnittabak.
Die Feuchtigkeit des für die Extraktion eingesetzten Tabaks sollte in Anpassung an die jeweiligen Verfahrensbedingungen in einem mittleren Bereich liegen, da zu trockner Tabak durch erhöhten Bruch und zu feuchter Tabak wegen der zusätzlich aufzuwendenden Trocknungsenergie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens herabmindert. In dem meisten Fällen arbeitet man vorteilhaft bei einer Tabakfeuchtigkeit zwischen 12 und 20°/o, womit diese jedoch weder nach oben noch nach unten auf den angegebenen Bereich begrenzt ist.
Bei der Verfahrensweise gemäß Fig. 2 wird zunächst Tabak aus der Tabaksvorratseinrichtung 6, z. B. durch eine Schütteleinrichtung oder eine pneumatische Förderung, und Lösungsmittel aus dem Lösungsmittelvorratsbehälter 7, z. B. durch den eigenen Fall oder mittels einer Pumpe, in die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 eingefüllt. Das bei der Extraktion im Gleich- oder im Gegenstrom die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 verlassende und mit Nikotin beladene Lösungsmittel fließt in die Flüssig-Flüssig-Extraktionseinrichtung 3, wo es von einer aus der Ionenaustauscheinrichtung 5 mittels der Pumpe 4 herangeführten wässerigen Phase vom Nikotin befreit wird, und fließt dann, nach erfolgter Phasentrennung, über die Pumpe 1 wieder in die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 und damit in den Kreislauf zurück.
Der extrahierte Tabak wird durch eine geeignete Fördereinrichtung aus der Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 in die Trockeneinrichtung 8 übergeführt. Das hier durch Wärmezufuhr, gegebenenfalls unter Vakuum, verdampfende Lösungsmittel gelangt in die Lösungsmittel-Rückgewinnungseinrichtung 16, in der es beispielsweise durch Kühlen, Komprimieren, Auswaschen oder Adsorbieren zurückgewonnen wird und aus der es in den Lösungsmittel-Vorratsbehälter 7 zurückfließt. In der Trockeneinrichtung 8 kann mittels der Aufsprüheinrichtung 17 ein Teil der von der Ionenaustauscheinrichtung 5 ablaufenden wässerigen Phase, gegebenenfalls als Bestandteil einer üblichen Soße, dem Tabak zugeführt werden.
Zusammen mit dem Lösungsmittel verdampfendes Wasser wird in der Lösungsmittel-Rückgewinnungseinrichtung 16 abgeschieden und nach Trennung vom Lösungsmittel im Wasserbehälter 14 gesammelt. Dieser steht mit der Ionenaustauscheinrichtung 5 in Verbindung und liefert Wasser zur Ergänzung der wässerigen Phase im Flüssig-Flüssig-Extraktor 3 sowie zum Rückspülen der Ionenaustauscherfüllung. Das Wasser kann auch in den Regeneriermittelbehälter 13 geleitet werden zur Bereitung des Regeneriermittels für die Ionenaustauscher.
Das bei der Regenerierung aus der Inonenaustauschereinrichtung 5 anfallende nikotinhaltige Regenerat wird zunächst in den Regeneratsammelbehälter 12 befördert. Die Aufarbeitung geschieht in der angeschlossenen Regeneratoraufarb eitungseinrichtung 15, wo entweder Wasser allein verdampft wird oder, nach Zusatz von Alkalien, gleichzeitig Nikotin.
Der die Trockeneinrichtung 8 verlassende Tabak wird in die Konditioniereinrichtung 9 befördert, wo er auf einen gewünschten Feuchtigkeitsgehalt gebracht wird und wo er gegebenenfalls auch noch andere Zusätze oder Beimischungen erhalten kann, und gelangt schließlich in die Lagereinrichtung 10, welche aus Fässern, einem Silo oder einer anderen geeigneten Einrichtung bestehen kann.
Das vorstehend am Beispiel der Entnikotinisierung von Tabak beschriebene erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in gleicher Weise zur selektiven Extraktion von basischen Inhaltsstoffen aus anderem pflanzlichem Material anwenden. Das Verfahren kann auch bei sinngemäßer Abwandlung in gleicher Weise zur selektiven Extraktion von sauren Pflanzeninhaltsstoffen dienen, wobei dann als Ionenaustauscher ein Anionenaustauscher verwendet und die wässerige Phase gegebenenfalls durch Zusatz von Basen auf einen pH-Wert über 7 eingestellt wird.
Als Beispiel für die Extraktion eines sauren Pflanzeninhaltsstoffes ist die Extraktion von Ascorbinsäure aus Hagebutten zu nennen. Die getrockneten Hagebutten werden zunächst bei Zimmertemperatur in einem Flüssig-Fest-Extraktor mit Cyclohexanol extrahiert. Das vom Pflanzenmaterial abfließende organische Lösungsmittel wird in einer Raschigkolonne im Gegenstrom kontinuierlich mit Wasser in Berührung gebracht und dann im Kreislauf wieder über das Pflanzenmaterial geführt; die wässerige Phase wird über eine Säule, enthaltend Ionenaus- tauscher vom Typ eines aliphatischen Amin-Phenol-Formaldehyd-Kondensats, geführt und läuft von da im Kreislauf zur Raschigkolonne zurück. Nach Erschöpfung des Ionenaustauschers wird dieser mit 20/oiger Natriumhydroxidlösung regeneriert und aus dem abfließenden Regenerat nach bekannten Methoden die Ascorbinsäure gewonnen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur selektiven Extraktion basischer bzw. saurer Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere zum Entnikotinisieren von Tabak, durch Extraktion des Pflanzenmaterials mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln (Verfahrensschritt I) und durch Abtrennen der Pflanzeninhaltsstoffe aus ihrer wäßrigen Lösung mittels Ionenaustausch (Verfahrensschritt II), dadurch gekennzeichnet, daß die je für sich bekannten Verfahrensschritte (I) und (II) über eine Flüssig-Flüssig-Extraktionsstufe miteinander verknüpft werden, indem das organische, mit dem Pflanzeninhaltsstoffen beladene Lösungsmittel im Gegenstrom zu der wäßrigen, in der Ionenaustauschstufe von den Pflanzeninhaltsstoffen befreiten Lösung geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem organischen Lösungsmittel löslichen, aber nicht abzutrennenden Pflanzeninhaltsstoffe darin so weit angereichert werden, daß die in der nach der Extraktion dem Pflanzenmaterial anhaftenden Lösungsmittelmenge enthaltene Menge an Pflanzeninhaltsstoffen der bei der Extraktion entzogenen entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der wässerigen Phase löslichen, aber nicht abzutrennenden Pflanzeninhaltsstoffe in der wässerigen Phase so weit angereichert werden, bis sich ein Lösungsgleichgewicht zwischen der organischen und der wässerigen Phase einstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der wässerigen Phase nach Passieren des Ionenaustauschers abgetrennt, dem extrahierten Pflanzenmaterial zugeführt und durch einen entsprechenden Anteil Frischwasser ersetzt wird.