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Die Erfindung bezieht sich auf eine gegenläufige, dichtkämmende Pressvorrichtung, um aus Naturfasern, insbesondere im sogenannten Faserhanf, flüssige Komponenten auszupressen. Hierzu gibt es verschiedenste kontinuierliche und diskontinuierliche Maschinentechniken, die dem Anforderungsprofil zum Auspressen des Hanfsafts nur bedingt entgegenkommen. Zum einen sind diese Pressen in nicht-kontinuierlicher Form nicht dafür geeignet, verschiedene Fraktionen auszupressen, und zum anderen erschwert der nicht-kontinuierliche Ablauf dieser Maschinentechnik einen großen Durchsatz zu erreichen. Kontinuierliche Pressen sind in der Regel auf der Basis von sogenannten Einschnecken aufgebaut. Diese haben wiederum das Problem eines kontinuierlichen Einzugsverhaltens. Dadurch ist es nur sehr schwer möglich, unterschiedliche Fraktionen im kaltgepressten Zustand zu erzeugen. Die am Markt vorhandenen Pressvorrichtungen vermischen unterschiedlichste Wirkstoffe in unterschiedlichsten Zuständen der Flüssigkeiten, wie z.B. Öle und Emulsionen miteinander.
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Stand der Technik
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Der Stand einer bestimmten Technik ist heute sehr umfänglich über das Internet nachzuvollziehen. Sogenannte Ölpressen gibt es seit sehr langer Zeit, waren bereits in der Antike bekannt. Dem heutigen Stand der Technik entsprechend werden drei grundsätzliche Verfahren unterschieden. 1. Eine diskontinuierliche Presse nach dem Prinzip einer Hydraulikpresse mit einem Kolbensystem, welche durch Druckaufbau diskkontinuierlich Naturfasern bzw. auch Sonnenblumenkerne, Leinsamen etc. soweit verdichtet, dass darin befindliche Öle durch ein Sieb bzw. durch Lochplatten gepresst werden. Der Vorteil hiervon ist der einfache Aufbau, der Nachteil jedoch ein diskontinuierliches System. Das zweite System basiert auf Zentrifugalkräfte, bei denen mit hoher Geschwindigkeit Naturfasern bzw. Naturkerne an eine Wand gepresst werden und diese werden vorher durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit zerteilt und/ oder entsaftet. Durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit ist hier eine automatische Temperaturerhöhung gegeben und häufig negativ zu bewerten. Die dritte Möglichkeit ist das Auspressen in kontinuierlicher Form mit einem Schneckensystem. Hierbei wird im Wesentlichen die Einschnecke eingesetzt. Einschnecken werden seit Jahrzehnten als sogenannte Ölpressen eingesetzt, wobei der Einschneckenzylinder in unterschiedlichster Form mit Ölauslaufformen versehen ist. Der Nachteil dieses Systems ist der schwierige Einzug von Naturfasermaterialien, so dass es unmöglich ist, definierte Druckbereiche an bestimmten Stellen der Verfahrenseinheit zu produzieren. Daher werden bei diesen Systemen in der Regel alle Flüssigkeiten, die herausgepresst wurden, zusammen vermischt und in ein Behältnis gegeben. In der Regel werden diese Flüssigkeiten über große Siebsysteme, meistens druckluftbeaufschlagt, zusätzlich gereinigt. Diese Siebsysteme sind dem Stand der Technik entsprechend chargenarbeitende Systeme. Bei den Schneckensystemen gibt es für die Anwendung im Privatbereich bzw. dem Bereich eines Bioladens sogenannte kleine kontinuierliche Entsafter, mit denen in der Regel Ananas oder Äpfel entsaftet werden. In diesen Systemen könnten auch Naturfasern entsaftet werden. Diese Systeme haben in der Regel einen maximal fingerdicken Schneckendurchmesser, sind gegenläufig und besitzen in den meisten Fällen eine z.T. aus Kunststoff hergestellten Schneckenbereich. Das Auspressen erfolgt durch gebogene Siebbleche, die in ihrer Stabilität nur geringfügigen Belastungen bestehen. Der Nachteil dieses Systems ist die einfachst ausgeführte Getriebeform, welche nur einen sehr geringen Gegendruck erlaubt und auch nur eine geringe Krafteinleitung in die jeweiligen Schnecken. Somit kann nur ein geringfügiger Druck von sehr wenigen bar erzeugt werden. Mehr Druck würde auch auf jeden Fall die Siebbleche zerstören. Folgerichtig kann nur ein geringer Anteil der Feuchtigkeit aus den Naturfasern herausgeholt werden und die Restmasse hat einen Feuchtigkeitsgehalt von größer 10%, in der Regel größer 20%. Der Nachteil dieses Systems ist ebenfalls, dass keine definierten Durchmesser der Flüssigkeitsabnahmebereiche vorliegen und auch kein Druck zur Erzeugung entsprechender Granulate der Fasertrockenmasse erzeugt werden kann.
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Um verschiedene Fraktionen zu erzeugen ist es notwendig, den eigentlichen Auspressvorgang bei verschiedenen Drücken ablaufen zu lassen. Zur genaueren Spezifizierung können zudem unterschiedliche Bohrungsdurchmesser sehr hilfreich sein.
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Daher liegt der erfinderischen Aufgabe zugrunde, eine Maschinen- und Verfahrenstechnik zu entwickeln, die es erlaubt aus Naturfasern, hier insbesondere dem Faserhanf, kontinuierlich die Flüssigkomponente herauszupressen, und dieses Auspressen in verschiedenen Formen und Stufen durchzuführen, so dass der erzeugte Saft fraktioniert und möglichst ohne Zusatzstoffe als reine Cannabis-Press-Fraktion erzeugt wird.
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Die erfinderische Aufgabe wird gelöst, indem die Naturfasern in geschnittener Form, aber auch als Langgut, einem gegenlaufendem Schneckenpaar (1) zugeführt wird. (1) ist die linksdrehende und (2) die rechtsdrehende Schnecke. Für Anwendungen wie später beschrieben, kann die Drehrichtung geändert werden. Dabei ist in dem Fall die linke Schnecke (3) rechtsdrehend und die rechte Schnecke (4) linksdrehend. Das Schneckenpaar hat einen Überdeckungsgrad von 1,2 bis 1,55, vorzugsweise 1,3 bis 1,4. Der Überdeckungsgrad ist das Verhältnis vom Durchmesser zum Achsabstand. Das Schneckenpaar ist in seiner Geometrie so ausgelegt, dass hiermit mindestens eine Druckstufe (2) in Prozessrichtung erzeugt wird. (5) zeigt den Einfüllbereich, bei dem Material in der Regel drucklos aufgegeben wird und durch Gestaltung der Schneckengeometrie (6) in Form von unterschiedlichen Steigungen eine Kompressionsstufe (7) entsteht. Mit (18) ist der Antrieb über ein Getriebe dargestellt, so dass beide Schnecken mit gleichem Antriebsdrehmoment und Drehzahl betrieben werden. Unterschiedliche Kompressionen können auch durch Veränderungen am Schneckensteg (57) des Flankenwinkels (8) bzw. der Schneckenspalte (9) + (10) erzeugt werden. Dieser Druckaufbau durch die Kompression in den Gängen der Doppelschnecke führt dazu, dass die flüssigen Komponenten in den Fasern den eigentlichen Faserbereich verlassen, herausgedrückt werden, und in dem Schneckengang (11) eine Mischung aus Flüssigkeit und Feststoffkomponenten vorliegt (4). Die gegenlaufende Doppelschnecke hat den Vorteil, dass sie ein sehr gutes Einzugsverhalten hat und gleichzeitig eine Zwangsförderung erzeugt. Wird ein Gang im Einzugsbereich gefüllt, so wird dieses Volumen zwangsweise nach vorne geschoben und es kann ausschließlich über Spalte (9 + 10) zwischen den Schnecken zurückfließen. Somit gewährleistet die gegenläufige Doppelschnecke eine kalkulierbare, und im Prozess konstante, Prozessvoraussetzung, mit deren Hilfe Hanffasern, aber auch sonstige Fasern oder Naturstoffe, definiert unter Druck gesetzt werden und entwässert werden können.
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Im Neuzustand der Maschinen ist der Spalt (12) zwischen dem Gehäuse (13) und den Schnecken (14) sehr gering (5). Sollte dieser Spalt sich übermäßig vergrößern und dadurch Prozessbedingen wesentlich beeinflusst werden, muss das Verfahrensteil ersetzt werden.
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Die Menge der herausgepressten Flüssigkeiten und die Art der Flüssigkeiten sind jeweils abhängig von dem in diesem Bereich vorliegenden Drücken und Temperaturen bzw. der Zeit. In der Regel werden kalte Prozesse hierzu bevorzugt, wobei für bestimmte Fasern auch Temperaturen unterhalb von 6°C vorteilhaft sind. Auf der anderen Seite gibt es diesbezüglich auch Anwendungen, bei dem eine Temperierung von 80°C zu einer Aktivierung von einer Wirkstoffgruppe im Faserhanf/ Cannabis führt.
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In dem Verfahrensbereich einer Druckstufe (7) sind Bohrungen (16) in dem Gehäuse (15) eingebracht, deren Durchmesser z.B. für die Auspressung bei 0,3 bis 0,6mm liegt. Da aus Gründen der notwendigen Wandstabilität des Gehäuses (15) die Bohrung (16) relativ lang sein müsste und damit einen sehr großen hydraulischen Widerstand bietet, werden diese Bohrungen in Stufen mit größeren Bohrungen (17) eingebracht. Man könnte diese Bohrungen auch konisch (18) einbringen, wobei dieses fertigungstechnisch sehr aufwendig ist. Die Bohrungen (16) mit den Stufenbohrungen (17) können alternativ auch in Schlitzform ausgeführt werden. Da der Druck komplett am Umfang vorliegt, sind in der Regel am Umfang eng nebeneinander angeordnet entsprechende Bohrungen eingebracht. Die maximale Anzahl der Bohrungen wird durch die notwendige Festigkeit in diesem Druckbereich des Gehäuses vorgegeben. Es hat sich jedoch bewährt, eine Anzahl von mindestens 60 Bohrungen pro Druckstufe bei einem Schneckendurchmesser von 60 mm einzusetzen. In 6 ist eine der beiden Doppelschnecken (58) im Schnitt dargestellt.
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Es gibt Stoffe innerhalb der Naturfasern, die bei bereits geringen Drücken aus den Fasern ausgepresst werden können, und auf der anderen Seite benötigen andere Stoffe einen sehr hohen Druck, um aus den Fasern bzw. Grünbereich auszutreten. Dementsprechend hat es sich bewährt, Schnecken mit unterschiedlichsten Druckstufen auszulegen und in den Druckstufen jeweils eine größere Anzahl an Bohrungen entsprechend im Gehäuse einzubringen. In 2 ist eine Druckstufe dargestellt, in 7 sind drei Druckstufen (19), (20) und (21) dargestellt. Dabei kann der Bohrungsdurchmesser im Gehäuse in jeder Druckstufe unterschiedlich sein, wobei in der Regel bei den höheren Drücken ein größerer Durchmesser eingesetzt wird, um das Restmaterial hier möglichst umfangreich zu entfeuchten. Es hat sich bewährt, in der ersten Druckstufe Bohrungen mit 0,6mm (59), in der zweiten Druckstufe 1mm (60) und in der dritten Druckstufe 1,5mm Bohrungen (61) einzubringen.
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Die dreistufige Hanfpresse aus 7 ist in 8 mit entsprechenden Auslaufgehäusen dargestellt. Dabei ist der Einfülltrichter (48) mit dem Zylinder (49) und eine der beiden Doppelschnecken (50) dargestellt. Die Flüssigkeit, die jeweils aus den Bohrungen (59), (60), (61) herausläuft bzw. durchgepresst wird, wie in 7 dargestellt, ist in 8 innerhalb der Auslaufgehäuse (51), (52) (53), von außen nicht sichtbar. Es läuft an der Gehäusewand runter und wird für jede Druckstufe separiert als Einzelfraktion aufgefangen. Dieser Auffangbereich ist mit (51), (52) und (53) dargestellt. Dabei ist es in der Regel wichtig, den Auffangbereich soweit als möglich vom Sauerstoff abzuschirmen. Für hochreine Anwendungen kann die Anforderung so hoch sein, das der Abführbereich der einzelnen Flüssigkeitsfraktionen (54), (55), (56) mit Stickstoff gespült wird und die Abfuhr der Flüssigkeit in einem geschlossenen Rohrsystem durchzuführen ist. Anlagen für größere Durchsätze sind in der Regel an geschlossene Weiterverarbeitungssysteme mit Kühlkreisläufe angeschlossen.
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Wie in 9 verdeutlicht, treten bei gegenläufigen Doppelschnecken (24) und (25) verfahrenstechnisch immer ein Kraftaufbau in den Walzenspalten (22) und (23), der zu resultierenden Spreizkräften führt. Somit werden die Schnecken immer an einen Wandbereich, hier mit (26) und (27) dargestellt, gepresst. Der Zylinder (58) in 9 ist ohne Bohrungen dargestellt. In diesem Bereich in 10 berührt sozusagen der Schneckensteg (28) das Gehäuse (29), presst Flüssigkeiten durch die Bohrungen (30) und hält die Bohrungen dadurch immer sauber. Vorteilhaft ist hier, den Schneckensteg so auszulegen, dass im oberen Bereich eine Fase (31) zwischen 30° und 70° angebracht wird, die positiv dazu beiträgt, Flüssigkeit durch die enge Bohrung (30) durch die Gehäusewand (29) zu pressen. Dies zeigt sich auch daran, dass in diesen Bereichen (26) und (27) der größte Austritt der Flüssigkeiten stattfindet (9).
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Somit können für spezielle Anwendungen oben genannte Randbedingungen dazu führen, dass die Auslass- bzw Entwässerungsbohrungen ausschließlich in diesem Bereich der Gehäuse eingebracht werden, an denen die Schneckenstege die Zylinderwand direkt berühren.
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Zudem bietet sich an, für bestimmte Pressverläufe bestimmte Bohrungen zu verschließen, um ausschließlich Flüssigkeiten aus diesem oberen Gehäusebereich (26) und (27) zu erhalten.
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Bisher wurden alle Betrachtungen nur für parallele gegenläufige Doppelschnecken gezeigt. In 11 ist das Prinzip der gegenläufigen konischen Doppelschnecke dargestellt. Um den Einzugsbereich (31) insbesondere bei der Faserverarbeitung größer zu gestalten, bietet es sich an, konische Doppelschnecken (32) und (33) einzusetzen. Diese laufen in einem konischen Gehäuse (34). Dieses konische Gehäuse kann in Stufen (35) außen zylindrisch ausgeführt sein oder außen ebenfalls konisch (37) ausgeführt werden. Die konische Gehäuseausführung hat bei der Hanfpresse erhebliche Vorteile bei der Einbringung der Bohrungen (62) in der Gehäusewand. Die konischen Doppelschnecken haben immer ein bedeutend größeres Einzugsvolumen im Verhältnis zum Austragsvolumen. Konische Doppelschnecken sind von der Getriebekonstruktion einfacher und kostengünstiger und können für vergleichbare Durchsätze im mittleren Durchsatzbereich in der Regel robuster und kostengünstiger ausgeführt werden. Währen mit parallelen Doppelschneckenausführungen eine Vielzahl an Fraktionen hergestellt werden können, ist dieses bei der konischen Ausführung bauartbedingt begrenzt.
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In 1 wurden die Schnecken (1) und (2) nach außen drehend, sowie (3) und (4) nach innen drehend dargestellt. In der Regel laufen die Schnecken (1) und (2) nach außen drehend, wenn geschnittene Hanffasern oder gehäckselte Qualität mit Längsanteilen < 5cm eingesetzt werden.
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Langfasern können von den gegenlaufenden Schnecken nur schwer eingezogen werden, daher kommen hier die nach innen drehenden Schnecken (3) und (4) zum Einsatz. Diese fassen das Langgut der Naturfasern und ziehen es kontinuierlich in dem Einzug ein. Bei den nach innen drehenden Schnecken wird der Einzugsbereich (36) (11) dermaßen gestaltet, dass im Doppelschneckenzylinder eine Einzugsschräge vorgesehen ist. Diese Einzugsschräge (38) hat den Vorteil, dass die langen Fasern besser und konstanter eingezogen werden und am Übergang in den Zylindern diese Fasern nicht direkt abgeschert werden. Ähnliche Effekte kann man auch erzeugen, indem der Schneckenaußendurchmesser hier reduziert wird (nicht dargestellt).
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Für verschiedenste Anwendungen kann es durchaus sinnvoll sein, dass im vorderen Bereich des Zylinders (39), zwischen dem Einfülltrichter (36) und der Bohrungen (41)mindestens eine Heizung (42) um das Gehäuse angebracht wird. Diese Heizung in 13 dient zur Beheizung des zu verarbeitenden Materials und kann zur Erzeugung einer für verschiedene Anwendungen notwendigen Pasteurisierung dienen.
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In der Regel sind die oben beschriebenen gegenläufigen Doppelschnecken hohlgebohrt und können (hier nicht dargestellt) über Flüssigkeiten temperiert oder geheizt werden. Somit kann eine effektives Kaltpressen gewährleistet werden.
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Auf der einen Seite soll aus den Naturfasern, hier insbesondere Faserhanf, eine Flüssigkeit herausgepresst werden, die unbelastete Wirkstoffe für Mensch und Tier enthält. Auf der anderen Seite soll die ausgepresste Faserkomponente des Faserhanf einen möglichst niedrigen Feuchtigkeitsgehalt enthalten und zu einem Langgut geformt oder granuliert werden. In 14 in eine entsprechende Granuliervorrichtung mit einem Trichter (36), einem Gehäuse (44) und den gegenlaufenden Doppelschnecken (45) dargestellt. Von den Doppelschnecken ist nur eine von der Seite (45) dargestellt.Vor der Schneckenspitze ist die Granulierscheibe (44) angeordnet, durch die die Trockenmasse gepresst wird. Vor der Granulierscheibe (44) ist ein umlaufendes (47) Messer (46) dargestellt, welches die austretenden Stränge kontinuierlich abtrennt und ein entsprechendes Granulat erzeugt.
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Es wurden exemplarische Beispiele der Anwendung beschrieben, wobei es nur ein kleiner Teil der Möglichkeiten der beschriebenen Vorrichtung umfasst. Die beschriebene Vorrichtung wird im wesentlichen zur Verarbeitung von Faserhanf eingesetzt, die Anwendung ist jedoch nicht auf Hanfverarbeitung beschränkt.
