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Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion pulverförmiger Materialien
im Gegenstrom und Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion pulverförmiger Materialien, zoB gerösteter
und ver mahlener Kaffeebohnen, im Gegenstrom mit Hilfe einer ströme den Flüssigkeit.
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Nach einem derartigen, bereits bekannten Verfahren wird das pulverförmige
Material durch eine geneigte Zone hindurchbewegt, an deren oberem Ende ein Eintritt
für Extraktionsflüssigkeit und an deren unterem Ende ein Austritt für Extraktionsflüssigkeit
vorgesehen ist, und zwar wird das pulverförmige Material in Richtung vom Austritt
zum Eintritt für die Sxtraktionsflüssigkeit durch die Zone hindurchbewegt, so dass
es effektiv mit der Extraktionsflüssigkeit behandelt wird, die unter Einwirkung
der Schwerkraft in der Förderrichtung entgegengesetzter Richtung strömt,-woraufhin
das extrahierte Material die Zone an demjenigen Ende verlässt, an welchem die Extraktionsfl#ssigkeit
zugeführt wird.
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Das zu extrahierende, pulverförmige Material liegt gewöhnlich mit
verschiedenen Partikelgrössen vor, was ein Problem dar stellt, weil die Extraktionszeit
von der Partikelgrösse abhängig ist, indem grosse Partikeln längere Zeit extrahiert
werden müssen als kleine Partikeln, damit eine gegebene Ausbeute erzielt werden
kann. Beispielsweise gilt erfahrungsgemäss für viele Erzeugnisse, dass die Extraktionszeit
dem Quadrat der mittleren Partikelgrösse annähernd proportional sein muss. Das Problem
besteht darin, dass das pulverförmige Materials welches extrahiert werden soll,
nach dem eingangs erdhnten; begann ten Verfahren der genannten Extraktionszone in
einem solchen Abstand vom Extraktionsflüssigkeitseintritt zugeführt erden muss,
dass die Extraktionszeit den grössten Partikelnge@e@ht wird. Hierdurch werden jedoch
die kleineren und die i
Partikeln länger extrahiert, als es notwendig
oder wünschenswert ist, was wiederum mit sich führt, dass der Rauminhalt einer Vorrichtung,
in der eine gegebene Materialmenge pro Zeiteinheit extrahiert; werden soll, den
grössten Partikelgrössen gemäss bemessen werden muss, weshalb sie grösser wird,
als es für diejenigen Anteile der Materialmenge erforderlich ist, die eine kleinere
Partikelgrösse besitzen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dasz das
nach Korngrdssen in Fraktionen aufgeteilte, pulverförmige Material an verschiedenen
Stellen der Bahn der strömenden Extraktionsflüssigkeit zugeführt wird, und zwar
die Fraktion mit den grössten Korngrössen nächst dem Austritt der Extraktionsfltssigkeit
und die Fraktion mit den kleinsten Korngrössen näher dem Eintritt der Extraktionsflüssigkeit.
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Dadurch, dass auf diese Weise das zu extrahierende Material je nach
Korngrösse verschiedenen Abschnitten derjenigen Zone zugeführt wird, durch die die
Extraktionsflüssigkeitsbahn verläuft, wird auf einfache Weise erreicht, dass die
kleinen Partikeln im Material nur einen kürzeren Weg zurückzulegen brauchen und
damit einen kürzeren Aufenthalt in der Extraktionszone erhalten als die grösseren
Partikeln, so dass die einzelnen Partikeln im Material gerade für eine Zeit extrahiert
werden, die für die betreffenden Korngrössen optimal ist, und nicht länger. Hierdurch
wird eine effektive Ausnutzung des Rauminhalts der Extraktionsvorrichtung erreicht,
welche deshalb für die Extraktion einer gegebenen Materialmenge pro Zeiteinheit
kleiner bemessen werden Xcsnn als eine Vorrichtung, die nach den bekannten Extraktionsverfahren
arbeitet. Umgekehrt erhält eine Vorrichtung mit einem gegebenen Rauminhalt bei Ausübung
des erfindungsgemässen Verfahrens eine grössere Kapazität als bei Ausübung des bekannten
Verfahrens.
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Ferner ermbgl icht ds erfindungsgemässe Verfahren eine Abstim mung
auf eirle gleichmässige Extraktion, so dass öle ausbeute @@@ der Extrnlrtion grosser
Partikeln die gleiche wird wie bei Extraktion
der kleinen Partikeln0
Dies ist besonders wichtig bei der Extraktion von z.B. Kaffee, wobei die Extraktion
aus Rück sicht auf den Gehalt an Aron#stoffen nicht zu weit getrieben werden darf,
aus wirtschaftlichen Gr#nden jedoch auch nicht zu schwach sein sollte. Arbeitet
man nach dem bekannten Verfahren, wird man dazu gezwungen, einen Kompromi@@ zwischen
diesen beiden zu berücksichtigenden Faktoren einzugehen, deho man wird eine angemessen
grosse Ausbeute der grossen Partikeln anstreben, ohne dass zu viele unerwünschte'Aromastoffe
aus den kleinen Partikeln im fertigen Erzeugnis enthalten sind. Diese Schwierigkeit
entfällt bei Anwendung des-erfindungsgemässen Verfahrens, nach welchem der Extraktionsprozess
so eingestellt werden kann, dass die grossen Partikeln gerade so viel länger als
die kleinen Partikeln extrahiert werden, dass die Ausbeute dieselbe wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausübung des soeben
angegebenen Verfahrens, welche Vorrichtung einen Extraktionsbehälter mit einem Eintritt
für Extraktionsflüssigkeit und einem Austritt für Extrakt sowie einem Mechanismus
für die F6rderung pulverförmigen Materials in Richtung vom Austritt zum Eintritt
für die Flüssigkeit umfasst.
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Bekannte Vorrichtungen dieter Art, bei denen das zu extrahierende
Material dem Extraktionbehälter in der Nähe des #xtraktaustritts zugeführt und das
extrahierte Material in der Nähe des Eintritts der Extraktionsflüssigkeit aus dem
Extraktionsbehälter abgegeben wird, können mit Einstellorganen für den Fördermechanismus
zur Einstellung von dessen Geschwindigkeit auf ein vorliegendes, pulverförmiges
Material in einer solchen Weise ausgeführt werden, dass eine geeignete Aufenthaltszeit
für die grössten Korngrössen in der Extraktionszone und damit eine geeignete Extraktionszeit
für diese Korngrössen erreicht wird, wodurch jedoch, wie bereits erwähnt, die kleineren
Korngrössen in der zu extrahierenden Materialmenge, die der Extraktionszone zusammen
mit den grossen Korngrössen zugeführt werden, sich unnötig oder unerwünscht lange
in der Extraktionszone aufhalten,
so dass der Rauminhalt dieser
Vorrichtungen nicht optimal ausgenutzt wird.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Zufuhreinrichtung
für pulverförmiges Material mit wenigstens zwei in Förderrichtung des Fördermechanismus
in Abstand voneinander angeordneten Zufuhrorganen.
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Bei einer derartigen Vorrichtung wird durch geeignete Auslegung der
Einlauforgane auf einfache Weise erreicht, dass die kleinsten Korngrössen in dem
zu extrahierenden Material durch dasJenige Einlauforgan zugeführt werden, welches
dem Eintritt ffir die Extraktionsflüssigkeit am nächsten liegt, so dass diese Korngrössen
die kürzeste Behandlung erfahren, während die grösseren Korngrössen diesesEinlauforgan
nicht passieren können, sondern durch das oder die in grösserem Abstand vom Eintritt
tWr die EX-traktionsflüssigkeit befindlichen Einlauforgane zugeführt werden müssen,
so dass diese grösseren Korngrössen einer längeren und für sie angebrachten Extraktionsbehandlung
ausgesetzt werden.
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Durch diese Massnahme lässt sich beispielsweise erreichen, dass sämtliche
Korngrössen in dem zu verarbeitenden Material sich für Zeiträume in der Extraktionszone
aufhalten, die auf eine Behandlung der betreffenden Korngrössen mit grosser Ausbeute
abgestimmt sind, und der Rauminhalt der Extraktionsvorrichtung wird hierdurch ausserdem
optimal ausgenutzt, so dass die Kapazität der Vorrichtung vergrössert wird.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand einer Ausführungsform einer
erfindungsgemässen Vorrichtung näher erklärt, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben ist. Es zeigt Fig.l eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig.2 schematisch den Fördermechanismus der in Fig.l dargestellten Vorrichtung in
der Draufsicht, und Fig.3 eine schematische DirsDellung derjenigen Weise,in welch
ein pulverförmiges Material einer Extraktionsvorrichtung nach Fig.1 zugeführt und
auf die Extraktionszone dieser Vorrichtung
verteilt wird.
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Die in Fig.l gezeigte Extraktionsvorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen
Verfahrens umfasst ein Chassis 1 auf dem ein langgestreckter, geneigter Behälter
2 ruht, dessen Inneres die Extraktionszone bildet. Dieser Zone wird durch ein Rohr
3 eine Extraktionsflüssigkeit zugeführt, welche unter Einwirkung der Schwerkraft
durch die Extraktionszone hinabströmts Das zu extrahierende, pulverförmige Material,
z#B. geröstete und vermahlene Kaffeebohnen,werden in die Extraktionszone von einem
Vorratsbehälter 4 eingebracht, der mit einem geneigten Pulververteilungsorgan 5
zusammenwirkt, dessen Unterteil im dargestellten Beispiel wie ein Sieb mit nach
unten hin grösser werdenden Maschenweiten ausgebildet ist.
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Wenn das pulverförmige Material, wie gezeigt, aus dem Vorratsbehälter
4 zugeführt wird, fallen die kleinsten Pulverpartikeln, unmittelbar nachdem sie
auf das Sieb gelangt sind, durch dieses hindurch, weil ihre Korngrösse kleiner als
die Maschenweite in diesem Bereich des Siebes 6 ist. Grössere Pulverpartikeln werden
jedoch in diesem Bereich vom Sieb 6 zurückgehaltenEund bewegen sich unter Einwirkung
der Schwerkraft auf dem Sieb mit der grösser werdenden Maschenweite nach unten,
bis sie eine Stelle erreichen, wo die Maschenweite die Korngrösse der betreffenden
Pulverpartikeln übersteigt. Sollten Pulverpartikeln im Material enthalten sein,
die eine Korngrösse haben, welche grösser als die grösste Maschenweite im Sieb 6
ist, werden diese im gezeigten Ausführungsbeispiel vom Verteilungsorgan 5 über dessen
unteren Rand abgegeben, doch lassen sich diese Pulverpartikeln, falls erwünscht,
natürlich auch an diesem Ende des Verteilungsorgans 5 auffangen, z.B. mit Hilfe
eines an dieser Steile angebrachten, nicht eingezeichneten Tabletts Wenn das in
dieser Weise nach seiner Korngrösse verteilte D pulverförmige Material in die Extraktionszone
im Behälter 2 hinab gefallen ist, wird es von einem in dieser Zone angebrachten
Fördermechanismus
übernommen, der im gezeigten Beispiel von zwei achsparallelen Förderschnecken 7
und 8 gebildet wird, siehe auch Fig.2, in welcher diese Schnecken schematisch dargestellt
sind.
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Diese Schnecken bewegen durch ihre Rotation das zugeführte pulverförmige
Material im Behälter nach oben, und zwar gegen den Extraktionsflüssigkeitsstrom,
bis das extrahierte Material, im vorliegenden Beispiel Kaffeesatz, durch einen Austritt
9 in de:jen# Bereich , in welchem die Extraktionsflüssigkeit zugeführt wird, aus
der Extraktionszone abgegeben wird. Der hergestellte Extrakt wird durch einen Austritt
10 am entgegengesetzten Ende der Extraktionszone entnommen.
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Wegen der speziellen Weise, in der das pulverförmige Material der
Extraktionszone mit Hilfe des Verteilungsorgans 5 zugeführt wird, werden die kleinsten
Korngrössen somit relativ nah an den jenigen Bereich der Zone zugeführt, wo die
Extraktionsflüssigkeit in diese Zone gelangt und das extrahierte Material aus dieser
Zone abgegeben wird, so dass diese kleinen Korngrössen lediglich eine ihnen angepasste,
kurzzeitige Extraktionsbehandlung erfahren, wohingegen die grösseren Pulverpartikeln
erst weiter unten durch das Verteilungsorgan, wo die Maschenweite des Siebes 6 grösser
ist, in die Extraktionszone gelangen, so dass diese grösseren Pulverpartikeln einer
entsprechend längeren Behandlung ausgesetzt werden.
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Fig.3 veranschaulicht schematisch, wie ein in fünf Zonen I, II, III,
IV und V aufgeteilter Extraktionsbehälter mit einem Sieb mit drei verschiedenen
Maschenweiten, im vorliegenden Beispiel 1,0 mm, 1,5 mm und 2,0 mm, zusammenwirkt.
Die Zone V des Extraktionsbehälters ist, wie ersichtlich, die kleinste Extraktionszone,
die ein P@lverkorn durchlaufen kann, und die allerkleinsten Pulverpartikeln werden
nur in dieser Zone plus einem igrossrtrcn oder kleineren Teil der Zone IV behandelt,
da die genannten kleinste@ Pulverpartikeln mit einer Korngrösse von weniger als
1,0 mm in diosern Bereich zugeführt werden. Im dargestellten @eispiel dreht es sich
um 10% der gesamten Materialmenge von 100%, die an der durch den Pfeil P a@gede@teten
Stelle zur das Sieb, gege@en wird.
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Im vorliegenden Beispiel haben 30410 des Materials eine Korngrdsse
bis zu 1,5 mm und werden in der Zone III zugeführt, 30% haben eine Korngrösse bis
zu 2,0 mm und werden in der Zone II zugeführt, während die letzten 30% eine noch
grössere Korngrösse besitzen. Die letztgenannten 30% des Material können somit nicht
durch die Maschen des Siebes fallen und gelangen deshalb erst ausserhalb des vom
Sieb überdeckten Bereiches in den Extraktionsbehälter, indem diese Materialfraktion
über die Stirnkante des Siebes hinaus in den Behälter strömt, so wie es durch den
Pfeil p angedeutet ist. Wie bereits erwähnt, kann die grobkörnige Fraktion des Materials
gegebenenfalls auch aufgefangen werden, z.B. mit Hilfe eines an der durch den Pfeil
p angedeuteten Stelle angebrachten Tabletts, so dass das grobe Material nicht in
den Extraktionsbehälter gelangen kann, bevor es einen zusätzlichen Zerkleinerungsprozess
durchlaufen hat.
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In vielen Fällen ist es zweckdienlich, dass die einzelnen Fraktionen
des partikelförmigen Materials derartig angeordneten Bereichen I, II, III, IV oder
V in der Extraktionszone zugeführt werden, dass die Extraktionszeit für jede Fraktion
oder Korngrössengruppe der Materialmenge dem Quadrat der mittleren Korngrösse der
Partikeln in der betreffenden Fraktion jeweils annähernd proportional wird. Die
Extraktionsvorrichtung kann auch so ausgelegt sein, dass diejenigen Fraktionen der
Materialmenge, die eine kleinere Partikelgrösse als die maximale Partikelgrösse
besitzen, in einem Zeitraum extrahiert werden, der grösser als das Quadrat des Verhältnisses
zwischen der maximalen Partikelgrösse in der betreffenden Fraktion und der maximalen
Partikelgrösse in der gesamten Materialmenge ist, indem hierdurch erzielt werden
kann, dass jede einzelne Partikel wenigstens so lange extrahiert wird, dass sie
die gleiche ausbeute wie die grössten Partikeln in der Materialmenge ergibt.
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Um eine gleichmässigere Füllung des Behälters 2 sicherzustellen, kann
es zweckmässig sein, wenigstens eine der Förderschnecken 7 oder 8 so auszuführen,
dass ihre Schraubenfläche wachsende Steigung in demjenigen Bereich hat, in welchem
das pulverförmige
Material zugeführt wird, so wie es in Fig.l und
in Fig.2 veranschaulicht ist, welche beide Schraubenflächen mit variabler Steigung
wiedergeben, der Fördermechanismus jedoch auch so hatte ausgeführt sein können,
dass die eine Schraubenfläche eine konstante und die andere Schraubenfläche eine
variable Steigung aufwies. Hierdurch wird auf einfache Weise eine zunehmende Fördergeschwindigkeit
für das Extraktionsmaterial im Extraktionsbehält er 2 in Übereinstimmung mit der
zunehmenden Materialmenge erreicht.
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Die gleichmässige Füllung des Behälters 2 ermöglicht eine maximale
Ausnutzung des Rauminhalts des Behälters und gewährleistet damit maximale Kapazität
für die gesamte Extraktionsvorrichtung.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
ermöglichen auch die Herstellung eines Extraktes mit einem grösseren Trockensubstanzgehalt
als mit bekannten Verfahren und Vorrichtungen möglich ist.
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Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein erhöhter Trockensubstanzgehalt
eine erhöhte Viskosität des Extraktes mit sich führt, insbesondere in der Nähe des
Extraktaustritts, wo der Extrakt die grösste Konzentration und damit den grössten
Trockensubstanzgehalt besitzt. Der spezifische Strömungswiderstand des extrahierten
Materials in diesem Teil des Extraktionsbehälters, welcher der gleiche wie der spezifische
Strömungswiderstand im übrigen Teil des Behälters gemäss der bekannten Technik ist,
bestimmt nämlich> wie hoch die Viskosität und damit der Trockensubstanzgehalt
sein darf, ohne dass das Strömen der Flüssigkeit durch das Material unzulässig stark
behindert wird.
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Nach dem Verfahren und bei der Vorrichtung gemäss der vorliegender
Erfindung ist der spezifische Strömungswiderstand des extrahierter Materials jedoch
in dem genannten, am Extraktaustritt befindlicher Bereich am kleinsten, weil sich
nur die grössten Partikeln in die sem Bereich befinden, was bewirkt, dass mit einer
höheren Viskosität und somit einem höheren Trockensubstanzgehalt gearbeitet werden
kann,bevor der Extraktionsflüssigkeitsstrom unzulässig stark
behindert
wird.
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Um die durch die Erfindung erreichbaren Vorteile noch zu verdeutlichen,
wurde ein praktischer Versuch ausgeführt, bei welchem geröstete und vermahlene Kaffeebohnen
mit folgender Partikelverteilung extrahiert wurden: 30% Partikeln mit einer Partikelgrösse
über 2,0 mm 60% lt lt 99 ra s! 1,5 mm 90% PO fl lt n n 1,0 mm Für die Extraktion
fand ein Extraktionsbehälter des Fabrikats Niro Atomizer von bekannter Art und mit
zwei parallelen Förderschnecken Anwendung, die je einen Durchmesser von 550 mm und
eine Steigung von 400 mm besassen. Der Achsabstand betrug 410 mm Die Länge der Förderschnecken,
d.h. die Länge der Extraktionszone in waagerechter Richtung, betrug 6 m. Die extrahierte
Materialmenge war 750 kg Kaffee pro Stunde und hieraus wurden a## kg Extrakt pro
Stunde mit einem Trockensubstanzgehalt von 17% gewonnen. Die Aufenthaltszeit des
Materials im Behälter und damit die Extraktionszeit betrug 50 Minuten.
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Anschliessend wurde die Extraktionsvorrichtung in Übereinstimmung
mit den durch die Erfindung angegebenen Prinzipien umgebaut, und zwar wurde sie
mit einem Sieb, wie in Fig.l mit 6 bezeichnet, mit den Maschenweiten 1,0 mm, 1,5
mm und 2,0 mm versehen, und die genannten Förderschnecken wurden durch andere Förderschnecken
ersetzt, welche Daten wie die in nachstehender Tabelle angeführten besassen, die
sich auf eine Anordnung wie die in Fig.3 wiedergegebene beziehen.
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TABELLE Behäl- Zonen- Ztlge- Parti- Durch- Aufentterzo- länge: führte
kel- schnitt- haltszeit ne: Materi- grösse: liche im Behälalmenge: Stei- ter: gung
der Förderschnekke: 1 50 cm 30% 2,0 mm 133 mm 50 min II 50 cm 30% l,5-2,O:iiim 180
mm 41 min III 100 cm 30% 1,0-1,5 mm 300 mm 32 min IV 100 cm 10% 0,0-1,0 mm 380 mm
24 min V 300 cm Ogo - 400 mm Total 600 cm 100% Nach Umbau des Behälters wurde unter
im übrigen ungeänderten Bedingungen ein Extrakt mit der gleichen Ausbeute und dem
gleichen Trockensubstanzgehalt wie vorher hergestellt, doch war die Kapazität des
Behälters nun von den genannten 750 kg gerösteten und vermahlenen Kaffeebohnen pro
Stunde auf 1070 kg pro Stunde gestiegen, was bedeutet, dass der durchschnittliche
Aufenthalt des Materials im Behälter von 50 Minuten auf 35 Minuten herabgesetzt
worden war.
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In der vorangehenden Beschreibung sind das erfindungsgemässe Verfahren
und die erfindungsgemässe Vorrichtung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel
beschrieben worden, in welchem Kaffee extrahiert wird, doch ist die Erfindung keineswegs
auf die Anwendung im Zusammenhang mit Kaffee beschränkt. Sie ist
vielmehr
ebensogut im Zusammenhang mit anderen Materialien an wendbar, die bezüglich des
Verhältnisses zwischen Partikelgrösse und Extraktionszeit kein bestimmtes Gesetz,
z.#. -das erwähnt te Quadratgesetz, zu befolgen brauchen. Sie ist überhaupt für
die Verarbeitung von Erzeugnissen anwendbar, die in einer geeigneten Partikelform
vorliegen oder in eine solche Partikelform gebracht werden können, z.B. zum Reinigen
von Hefe wie Candida lipolytica oder Candida tropicalis oder Schimmelpilzen wie
Penicillium notatum.
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In der Ausführungsform der Extraktionsvorrichtung, die auX der Zeichnung
veranschaulicht und voranstehend beschrieben ist, ist das Pulververteilungsorgan
mit einem feststehenden Sieb ausge bildet, doch kann es in gewissen Fällen zweckmässiger
sein, ein Schüttelsieb zu verwenden, und es ist ersichtlich, dass sich eine derartige
Änderung vornehmen lasse, ohne dass am Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens
und der erfindungsgemässen Vorrichtung etwas geändert wird.