DE3228927C2

DE3228927C2 - Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion von schüttfähigen Feststoffen

Info

Publication number: DE3228927C2
Application number: DE3228927A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Weber
Original assignee: Extraktionstechnik Gesellschaft Fuer Anlagenbau Mbh 2000 Hamburg; Extraktionstechnik GmbH
Current assignee: SIG Plastics GmbH and Co KG
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1991-08-14
Also published as: DE3228927A1; US4554163A

Abstract

Die kontinuierliche Extraktion von schüttfähigen Feststoffen, insbesondere pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen, mit hochkomprimierten Gasen als Lösungsmittel wird so durchgeführt, daß zuerst eine Suspension aus dem Feststoff und dem verflüssigten Gas bei einem Druck unterhalb des Extraktionsdruckes hergestellt wird, diese Suspension danach mit einer Pumpe kontinuierlich auf den Extraktionsdruck hochkomprimiert wird, anschließend die Extraktion erfolgt, indem fortwährend frisches Lösungsmittel im Gegenstrom zum Feststoff zugeführt und Miscella abgezogen wird, und der kontinuierlich abfließende, im verflüssigten Gas suspendierte Feststoff von dem Gas durch Entspannen getrennt wird.

Description

a) eine Suspension herstellt, indem man in einem Suspensionsbehälter (2) dem Feststoff bei einem Druck unterhalb des Extraktionsdruckes das verflüssigte Gas beimischt,

b) diese Suspension dann kontinuierlich auf einen Exiraktionsdruck größer als 10 bar verdichtet und auf die Extraktionstemperatur bringt,

c) anschließend die Suspension einem Extraktionsbehalter (8) zuführt, dem im Gegenstrom zum Feststoff frisches verflüssigtes Gas zugeleitet und Miscella abgezogen wird, und danach den extraktarmen Feststoff im verflüssigten Gas suspendieit aus dem Extraktionsbehälter (8) ableitet,

d) den kontinuierlich abfließenden extraktarmen Feststoff von dem Gas trennt und austrägt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung des extraktarmen Feststoffes von dem Gas durch stufenweise Entspannung in mehreren, hintereinander geschalteten Behältern (13, 14, 15) erfolgt, wobei das noch flüssige Gas in dem letzten Behälter (15) in Wärmetausch mit dem verdampften Gas aus dem vorherigen Behälter (14) gebracht wird, und anschließend die beiden Gasströme auf den gleichen Druck gebracht, zusammengeführt und in den Suspensionsbehälter (2) zurückgeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, da3 man aus dem Suspensionsbehälter (2) dampfförmiges Gas abzieht, durch Abkühlung verflüssigt und im flüssigen Zustand wieder zurückführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gas bei der Extraktion im überkritischen Zustand befindet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion von schüttfähigen Feststoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Von den gängigen Verfahren zur Gewinnung von Extraktion aus pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen zeichnet sich die Lösungsmittelextraktion durch eine besonders hohe Ergiebigkeit aus. Dabei werden üblicherweise Hexan oder Heptan als Lösungsmittel verwendet. Als Nachteil haftet diesem Verfahren der hohe apparative und energetische Aufwand an, der betrieben werden muß, um das Lösungsmittel aus dem Extrakt und den extraktarmen Feststoffrückständen zurückzugewinnen. Darüber hinaus sind die üblichen Lösungsmittel explosiv. Es ist schon länger bekannt, daß sich diese Nachteile durch Verwendung von hochkomprimierten Gasen als Lösungsmittel vermeiden lassen. Bestimmte Gase werden bei Zuständen im Bereich ihres kritischen Punktes zu hervorragenden Lösungsmitteln, ihre Aufnahmefähigkeit für Extrakte ist um ein Vielfaches höher, als es sich aus den entsprechenden Dampfdruckwerten erwarten läßt Zu diesen Gasen gehören gesundheitlich unbedenkliche, nicht explosive Gase wie z. B. Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid Unter anderen wurde auch Äthylen, Propan, Butan und Isobutan als Lösungsmittel vorgeschlagen. Außer der gesundheitlichen Unbedenklichkeit und der Nichtexplosivität bieten diese Lösungsmittel den weiteren Vorteil, daß sie, da sie im Normalzustand gasförmig sind, nach der Extrak tion sehr einfach und gründlich vom Extrakt und den extraktarmen Feststoffrückständen durch Verdampfen getrennt werden können. Die Grundlagen dieses Verfahrens sind in der DE-AS 14 93 190 beschrieben. Aus dieser Schrift ist ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen bekannt, bei dem man das Stoffgemisch mit einem überkritischen Gas bei einer Temperatur bis 100⁰C über seiner kritischen Temperatur behandelt und nach Abtrennung der beladenen überkritischen Gasphase die in ihr enthaltenen Verbindungen durch Entspannung und/oder Temperaturerhöhung zurückgewinnt. Nach einer Ausführungsform wird die mit dem Stoffgemisch beladene überkritische Gasphase einer stufenweisen Druckentspannung und/oder einer stufenweisen Temperaturerhöhung unterworfen, und die Pro- dukte der einzelnen Stufen werden getrennt voneinander gewonnen. Nach der Entladung wird der Gasstrom vorzugsweise komprimiert und wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Die Auftrennung von flüssigen Stoffgemischen wird als kontinuierliches Verfahren geschildert, die Auftrennung von festen Stoffen erfolgt chargenweise.

Aus der DE-OS 27 09 033 ist ein Verfahren zur Extraktion von Kamille mit überkritischen Gasen bekannt, bei dem die Abscheidung der im überkritischen Gas gelösten extrahierten Stoffe durch mehrstufige Entspannung durchgeführt wird. Die Beschickung des Extraktionsbehälters mit Kamille erfolgt chargenweise. Während einer Kamille-Charge wird das überkritische Gas (im Beispiel CO2) kontinuierlich im Kreislauf durch den Extraktionsbehälter geführt.

Kontinuierliche Extraktion von Feststoffen mit hochkomprimiertem Gas ist nur möglich, wenn es gelingt, einen unter hohem Druck stehenden Behälter kontinuierlich mit dem Feststoff zu beschicken.

Ir. Ermangelung einer derartigen Beschickungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Druckdifferenz größer als 50 bar zu überwinden, wurde die Hochdruckextraktion von Feststoffen bisher nur chargenweise durchgeführt. Der aus dem diskontinuierlichen Betrieb resultie- rende, kostspielige, apparative und personelle Aufwand ist ein großer Nachteil der Hochdruckextraktion gegenüber der Extraktion bei Normaldruck.

In der DE-AS 28 27 002 wird die Möglichkeit einer kontinuierlichen Extraktion unter Verwendung von Hochdruckschleusen erwähnt. Die in der Druckschrift beschriebenen Versuche — mit überkritischem CO2 bei Drücken bis 500 bar — wurden jedoch chargenweise durchgeführt, und es wird kein Hinweis auf die technische Realisation der erwähnten Schleusen gegeben.

Aus der Kohlevergasung ist eine kontinuierliche Einschleusevorrichtung für feinkörnige bis staubförmige Feststoffe in einen unter erhöhtem Druck stehenden Reaktionsraum bekannt (DE-OS 26 48 048). Man überwindet einen Druckunterschied von ca. 40 bar, indem man ein Gemisch aus Kohle und Kohlensäureschnee verdichtet, das Kohlendioxid danach durch Sublimation abtrennt und den Feststoff in den Reaktionsraum einleitet. In diesem Verfahren wird zwar Kohlendioxid als

Hilfsmittel zur kontinuierlichen Einspeisung eines Feststoffes in einen Druckbehälter verwendet jedoch in fester Form als Kohlensäureschnee. Weiterhin werden in der Schrift keine Maßnahmen zum Austragen eines Rückstandes aus dem Reaktionsraum geschildert

Die kontinuierliche Extraktion von Koffein aus Kaffee mit hochkomprimiertem Kohlendioxid ist bekannt (DE-OS 26 38 383). In dem geschilderten Verfahren wird erst eine wäßrige Lösung hergestellt, aus der dann das Koffein extrahiert wird. Es findet also eine Flüssig-Flüssig-Exfraktion statt

Die DE-OS 30 16 917 beschreibt ein semi-kontinuierliches Verfahren. Das Lösungsmittel durchfließt kontinuierlich im Kreislauf den Feststoff in mehreren, hintereinandergeschalteten Druckbehältern, diese werden chargenweise beschickt und entleert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zur Extraktion von schüttfähigen Feststoffen, insbesondere pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen, mit hochkomprimierten Gasen als Lösungsmittel bereitzustellen. Die dazu erforderliche kontinuierliche Beschickung des Extraktionsbehälters mit dem Feststoff soll dabei mit herkömmlichen Apparaten, die zuverlässig und erprobt sind, erfolgen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Es wird in einem Suspensionsbehälter eine Suspension aus verflüssigtem Gas und dem Feststoff hergestellt (Schritt a). Dies geschieht bei einem Druck, der so niedrig gewählt ist daß zur Beschickung des Suspensionsbehälters mit dem Feststoff übliche Vorrichtungen (z. B. Förderschnecken, Zellenradschleusen usw.) verwendet werden können; z. Zt bedingt dies einen Druck unterhalb von 10 bar. Die anschließende kontinuierliche Verdichtung der Suspension auf den gewünschten hohen Extraktionsdruck (Schritt b) läßt sich mit den z. Zt auf dem Markt befindlichen Dickstoffpumpen (2. B. Kolbenmembranpumpen) bis ca. SOO bar durchführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die geschilderten Vorteile einer Extraktion mit hochkomprimierten Gasen bei gleichzeitiger Vermeidung der Nachteile einer durch den hohen Druck erzwungenen diskontinuierlichen Verfahrensführung.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zur Herstellung der Suspension das gleiche Gas-verwendet wird, das auch als Lösungsmittel für den Extrakt dient Dadurch treten keine Probleme bei der Durchmischung der Suspension mit dem Lösungsmittel im Extraktionsbehälter auf, und es ist möglich, aufgetretene Lösungsmittelverluste einfach im Suspensionsbehälter zu ersetzen.

In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens wird zum Austragen des extraktarmen Feststoffen aus einem Entspannungsbehälter die gleiche Vorrichtung wie zur Beschickung des Suspensionsbehälters benutzt. Dies ist möglich, da zur Rückführung des verdampften Gases zwecks Wiederverwendung aus dem Entspannungsbehälter in den Suspensionsbehälter die in beiden Behältern herrschenden Drücke in etwa angeglichen werden.

Durch die in Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen wird der Energiebedarf der Kühlaggregate zur Verflüssigung der Gase stark verringert.

Durch die Maßnahmen nach Anspruch 3 läßt sich die Temperatur im Suspensionsbehälter einfach regeln, gleichzeitig ist es möglich, nichikondensierbare Gase (z. B. Luft) vor der Rückführung in den Suspensionsbehälter abzublasen.

Lösungsmittel im überkritischen Zustand haben ein besonders großes Aufnahmevermögen für den Extrakt dies wird bei der Maßnahme nach Anspruch 4 genutzt.

Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles einer Extraktionsanlage.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Vorrichtung zur Durchführung des Extraktionsverfahrens.
F i g. 2 zeigt die Zustandsänderung von Kohlendioxid

ίο während des Verfahrens in einem T-S-Diagramm.

Der Feststoff wird durch eine Beschickungsvorrichtung 1 (z. B. eine Förderschnecke) kontinuierlich in einen Suspensionsbehälter 2 eingetragen. Dort wird er mit Kohlendioxid gemischt das teils in einer weiter unten ausgeführten Weise im Kreislauf zurückgeführt und teils zur Ergänzung der Verluste aus dem mit hochkompriinierten CO₂ gefüllten Behälter 3 zugeführt wird. Aus dem oberen Teil des Suspensionsbehälters 2 wird gasförmiges CO₂. das entweder durch die Berührung mit dem Feststoff verdampfte oder bereits gasförmig aus dem Kreislauf zurückgeführt wurde, einem Wärmetauscher 4 zugeführt und darin verflüssigt. Gleichzeitig werden die nichtkondensierbaren Gase — überwiegend mit dem Feststoff eingetragene Luft — über das Ventil 5 abgeblasen. Das flüssige CO2 wird dem Suspensionsbehälter 2 wieder zugeführt. Durch Regelung der Temperatur und des Massenstroms des umgepumpten Kohlendioxids im Wärmetauscher 4 läßt sich die Temperatur im Suspensionsbehälter 2 auf dem gewünschten Niveau halten. Dort werden Temperatur und Druck so eingestellt daß eine pumpfähige Suspension aus Feststoff und flüssigem CO₂ entsteht. Der Druck ist dazu notwendigerweise höher als am Tripelpunkt des Kohlendioxids (5,14 bar), er ist jedoch noch so niedrig, daß als Beschikkungsvorrichtung 1 handelsübliche Apparate (z. B. Förderschnecken. Zellenradschleusen etc.) eingesetzt werden können. Zur Zeit bedingt dies einen Druck unterhalb von 10 bar, im vorliegenden Beispiel herrscht ein Druck von ca. 6 bar. Bei diesem Druck ist eine Temperatür von ca. -5O⁰C notwendig, um. flüssiges CO₂ zu erhalten (Zustand A. Fig.2). Falls die Beschickungsvorrichtung f einen Druck von 10 bar im Suspensionsbehälter 2 erlaubt ist eine Kühlung auf ca. -40⁰C ausreichend.

Aus dem Suspensionsbehälter 2 wird kontinuierlich Suspension abgezogen, anschließend mit einer Pumpe 6 (z. B. einer Kolbenmembranpumpe) auf den Extraktionsdruck komprimiert (Zustand D, Fig.2). mit einem Wärmetauscher 7 auf die Extraktionstemperatur erwärmt (Zustand C) und von oben in einen Extraktionsbehälter 8 eingeleitet. Im vorliegenden Beispiel sind Extraktionstemperatur und -druck (500 bar, 6O⁰C) so gewählt, daß das CO₂ im überkritischen Zustand vorliegt. Derartige Extraktionsbedingungen werden z. B. bei der

Extraktion von Ölsaaten gewählt, um eine möglichst große Aufnahmefähigkeit des Lösungsmittels für den Extrakt zu erreichen.

Zur Vermeidung von Schädigungen des Extraktes (z. B. durch thermische Zersetzung) und eines unerwünscht hohen apparativen Aufwandes sind bei der Extraktion verschiedener Feststoffe geringere Extraktionsdrücke und/oder -temperaturen vorteilhafter (z. B. Hopfen: 100 bar. 25°C). Ebenso kann es aus energetischen Gründen günstiger sein, die Extraktion nicht im überkritischen Bereich durchzuführen, z. B. um Phasenwechsel des Lösungsmittels zu vermeiden.

Dem r.xtraktionsbchähcr 8 wird im Gegenstrom zum Feststoff kontinuierlich von unten Irisches Lösungsmit-

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tel (ζ. B. CO2) zugeführt, gleichzeitig wird oben fortwährend Miscella abgezogen und über ein Entspannungsventil 9 einem Abscheidebehälter 10 zugeführt.

Dort wird durch Druckerniedrigung und ggfls. Wärmeaufnahme das Lösungsmittel durch Verdampfen vom Extrakt getrennt. Das gasförmige Lösungsmittel wird durch Verdichtung mittels einer Pumpe 11 verflüssigt — ggfls. muß noch zusätzlich gekühlt werden — und im

Kreislauf wieder in den Behälter 8 eingeleitet. Der Ex- g

trakt wird, ggfls. nach einer weiteren Entspannung durch das Ventil 12, kontinuierlich aus dem Abscheidebehälter 10 abgeleitet. Die Trennung des Lösungsmittels vom Extrakt erfolgt in anderen Varianten des Verfahrens durch Adsorption oder Absorption, ebenso ist es möglich, die Trennung durch Temperaturerhöhung und/oder Druckerniedrigung durchzuführen, ohne daß das Lösungsmittel verdampft.

Der extrak'arme Feststoff fließt in einer Suspension mit flüssigem CO2 kontinuierlich aus dem Behälter 8 ab. Die anschließende Trennung des Feststoffes von dem flüssigen Gas erfolgt durch Entspannung und Verdampfung des Gases in drei hintereinandergeschalteten Entspannungsbehältern 13,14 und 15.

Im ersten Behälter 13 wird durch das Ventil 16 das flüssige Gas bis auf einen Druck entspannt, der auf dem Rand des Naßdampfgebietes liegt (70 bar, Zustand D), es tritt daher noch keine Verdampfung des flüssigen Gases auf. Bei der weiteren Druckemiedrigung im Behälter 14 durch das Ventil 17 auf ca. 35 bar verdampft ein Teil des Gases (Zustand E). Der Feststoff fließt anschließend mit dem noch flüssigen Gas (Zustand F) in den Entspanriungsbehälter 15, in dem durch das Entspannungsventil 18 der gleiche Druck wie im Suspensionsbehälter 2 eingestellt wird (ca. 6 bar). Das restliche flüssige CO2 im Behälter 15 wird verdampft, indem es über einen Wärmetauscher die Kondensationswärme des schon verdampften Kohlendioxids aus dem Behälter

14 aufnimmt. Um die für den Wärmeübergang notwendige Temperaturdifferenz zu erreichen, wird der CO₂-Dampf aus dem Behälter 14 (Zustand G) über das Ventil 19 weniger entspannt (ca. 20 bar. Zustand H), als das mit dem flüssigen CO2 im Behälter 15 geschieht (ca.

6 bar). Das kondensierte CO2 (Zustand I) wird anschließend mit dem Druckreduzierventil 20 auf den Druck gebracht, der im Suspensionsbehälter 2 herrscht (ca. 6 bar), dabei verdampft es wieder teilweise (Zustand K), danach mit dem verdampften CO2 aus dem letzten Behälter 15 (Zustand L) gemischt und in den Suspensionsbehälter 2 zurückgeführt. Die vollständige Verdampfung des restlichen flüssigen Kohlendioxids im Behälter

15 wird ggfls. durch eine Wärmezufuhr von außen erreich t-

Der CC>2-freie und extraktarme Feststoff wird aus dem Behälter 15 mit dem Austragesystem 21 kontinuierlich entfernt Da im Behälter 15 ein Druck herrscht, der dem im Suspensionsbehälter 2 entspricht, können zum Beschicken des Suspensionsbehäiters 2 mit dem Feststoff und zum Austragen des Feststoffes aus dem Behälter 15 die gleichen Vorrichtungen verwendet werden.

60 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion von schüttfähigen Feststoffen, insbesondere pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen, mit einem hochkomprimierten Gas als Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß man