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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich-
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tung zur Extraktion von Feststoffen mit verdichteten Gasen, bei dem
bzw. der die zu extrahierenden Feststoffe kontinuierlich in einen Druckbehälter
ein- bzw. im wesentlichen kontinuierlich aus ihm ausgetragen werden Verfahren zur
Extraktion von Feststoffen mit vcrdicht<iten Gasen als Lösemittel sind bekannt
und auf die verschiedensten Stoffe angewandt worden. Abhängig vom Ausgangsstoff
und vom gewünschten Extrakt, unterscheiden sich die beschriebenen Verfahren. Beispielhaft
seien die DE-PS 21 27 611 und DE-PS 21 27 618 genannt, aus denen die Extraktion
von Gewürzen bzw. Hopfen bekannt ist.
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Im F.lll der Gowllrzc worden mit einem gesulldheitlich Ullbedenklichen
Gas, welches sich im überkritischen Zustand befindet, nacheinander die Geruchs-
und Geschmackskomponenten entfernt und aus dem Lösungsmittel durch Druck-und/oder
Temperaturänderungen gewonnen.
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Ähnlich wird im Falle des Hopfens verfahren.
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Weitere Anwendungsfälle sind z.B. in der Literaturstelle Chem.-Ing.-Tech.
53 (1981) Nr. 7, Seite 529 - 542 beschrieben.
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Die bekannten Verfahren zur Extraktion mit verdichteten Gasen werden
zwar bezüglich des Lösungsmittels kontinuierlich durchgeführt, da sich in einer
der Extraktion nachfolgenden Stufe eine Trennung zwischen Lösemittel und Gelöstem
anschließt, bezüglich des zu extrahierenden Feststoffes ist der Vorgang jedoch absatzweise.
Dadurch ergeben sich erheblic#Stillstands- oder Rüstzeiten für die verwendeten Vorrichtungen.
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Mittlerweile ist es zwar gelungen, die Verschlüsse der
Hochdruckbehälter
so zu bauen, daß die Rüstzeit verkürzt wird (siehe z.B. Chem.-Ing.-Tech. 54 (1982)
Nr. 12, Seite 1112 - 1122, insbesondere Seite 1118). Die zum Druckauf- und-abbau
notwendige Zeit kann jedoch auf diese Weise nicht eingespart werden. Auf diese Weise
gelingt es auch nicht, die Behälter vor der Druckwechselbeanspruchung zu verschonen.
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Es sind auch schon Schleusensysteme zum Eintrag von Feststoffen in
Reaktionsräume bei Normaldruck, Unterdruck und leicht erhöhtem Druck bekannt In
zwei zusammenfassenden Artikeln werden Schleusen für unter höherem Druck stehende
Räume vorgestellt: Chem.-Ing.-Tech. 53 (1981), Nr. 5, S. 335 - 344; Chem.-Ing.-Tech.
56 (1984), Nr. 10, S. 755 - 768. Der Druck ist aber auch bei diesen Systemen nach
oben begrenzt.
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Aus DE-AS 28 27 002 (Spalte 5, Zeilen 54 - 61) ist die Verwendbarkeit
von Hochdruck schleusen bei der Extraktion von Hopfen mit Kohlendioxid bei Drücken
bis 500 bar bekannt.
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Aus DE-OS 31 33 032 ist ein Extraktionsverfahren bekannt, bei dem
das Extraktionsgut mit einem überkritischen Trägergas in Berühung gebracht wird
und im beladenen Trägergas anschließend durch Veränderung der Zustandsparameter
eine Phasentrennung in Extrakt und entladenes Trägergas erfolgt. Das Extraktionsgut
wird mit einem an den Trägergasdruck angeglichenen Druck mit dem Trägergas zusammengeführt
und mit dem überkritischen Trägergas in einem kontinuierlichen Förderstrom zwangsgemischt,
wonach das mit dem Extrakt angereicherte bzw.
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beladene Trägergas vom Extraktionsgutrückstand abgetrennt wird, der
kontinuierlich aus dem Trägergas-Kreislauf abgezogen wird.
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Aus DE-OS 32 28 927 ist es bekannt, eine Suspension aus Feststoff
und Lösemittel herzustellen und anschliessend von niedrigem Druck (und niedriger
Temperatur) auf Extraktionsbedingungen zu bringen.
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Gemäß DE-OS 26 48 048 wird der einzuschleusende Feststoff mit Kohlensäureschnee
verpreßt und in den Druckraum eingepumpt.
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Besonders zur Gewinnung von Ölen aus Ölsaaten dient der aus der DE-OS
33 22 968 (siehe R. Eggers, W. Stein, Tech.-Mitt. Krupp, Werksberichte, Band 42
(1984), Heft 1, S. 7 - 16) bekannte Verfahrensvorschlag, gemäß dem die Ölsaat mit
einer mechanischen Presse zunächst kaltgepreßt und gleichzeitig verdichtet und danach
mit einer Schnekkenpresse in den Hochdruckbehälter eingespeist wird. Dort erfolgt
die Extraktion mit verdichteten Gasen. Im unteren Teil des Behälters ist schließlich
eine weitere Schnecke angeordnet, welche den Ölkuchen austrägt.
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Alle diese Vorschläge sind jedoch noch verhältnismäßig kompliziert
und daher großtechnisch noch nicht realisiert Aufgabe der Erfindung ist es daher,
die Extraktion unter Hochdruck einfacher und wirtschaftlicher zu gestalten, damit
sie mit den Verfahren mit konventionellen Lösungsmitteln konkurrieren kann.
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Gegenstand der Erfindung ist das in Anspruch 1 angegebene Verfahren
sowie die in Anspruch 4 angegebene Vorrichtung.
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Der Eintrag des Feststoffes in den Druckbehälter erfolgt also unter
gI##ichz<'Itiqc'm Preßpelletieren, d.h. mit einer auf den Behälter aufgesetzten
Pelletpresse. Unter dem Begriff Preßpelletieren ist ein Verdichten und Formgeben
eines Feststoffes durch Pressen des Feststoffes mit Hilfe einer Walze (Koller) durch
einen Kanal oder eine Bohrung
hindurch zu verstehen. Nach der Extraktion
mit verdichteten Gasen verläßt der Rückstand den Behälter zum Beispiel über einen
Kugelhahn. Das Lösemittel wird in einem zweiten Behälter durch Druckabsenkung vom
Gelösten befreit und nach Verdichten wieder dem Extrakteur zugeführt Bei einigen
Extraktionen, wie der von Hopfen mit verdichtetem CO2, ist es ohnehin vorteilhaft,
das Extraktionsgut (den Rohhopfen) zu mahlen und anschließend (eventuell nach einer
Konzentrierung) zu Pellets zu verpressen, weil dann der Stoffaustausch bei der Extraktion
(im Falle des Hopfens durch das Zerquetschen der sogenannten Lupulindrüsen beim
Pelletieren) beschleunigt wird und gegebenenfalls durch die Vorkonzentrierung ein
größerer Durchsatz möglich ist.
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Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht also darin, durch
Vorschalten einer Pellet Pelletpr etpresse vor vr>i- i !#( #~, Hochdruckextraktionsautoklaven
einen sehr einfachen kontinuierlichen Eintrag in den Behälter zu erreichen, wobei
noch die vorstehend geschilderten Vorteile der Pressung zu Pellets in einem Arbeitsgang
mit dem Eintrag erzielt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert,
die einen Längsschnitt durch eine llälfte einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. (Die andere, linke Hälfte ist als Draufsicht
gezeigt).
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Den oberen Abschluß eines zylindrischen Extrakteurs 1 bildet eine
auf einem ringförmigen Abschnitt 7 mit achspa rallelen, durchgehenden Bohrungen
12 versehene Pelletpressenmatrize 2, welche eingeschraubt und mit einem O-Ring 11
gedichtet ist. Die Bohrungen 12 weisen Durchmesser zwischen 3 und 5 mm, vorzugsweise
von 4 mm auf.
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Ein am Extrakteur angeschraubter Flansch 5 drückt über ein Kugellager
3 eine von einem Motor angetriebene, die Verlängerung der Extrakteurachse bildende
Welle 4 auf ein Gegenlager 10 in der Matrize. Seitlich an der Motorwelle 4
laufen
zwei um zwei einander gegenüberliegende, einstükkig mit der Motorwelle 4 ausgebildete,
senkrecht zur Motorwellenachse ausgerichtete Zapfen 13 drehbare, mit den Laufflächen
gegen den ringförmigen Abschnitt 7 gepreßte Räder oder Walzen, die sogenannten Koller
6, von denen ein Exemplar dargestellt ist, und drücken das von oben zugeführte,
zu extrahierende, gemahlene Gut in die Bohrungen 12 der Matrize 2, verdichten es
und drücken es durch Nachführen von neuem Feststoff durch die Bohrungen hindurch
in den Extrakteur 1. Die Räder bilden mit dem ringförmigen Abschnitt 7 der Matrize
2 einen Kollergang.
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Die Laufflächen der Koller sln/mlt Quernuten versehen, so daß das
vom Rad erfaßte Gut vor dem Einpressen bereits vorverdichtet wird. Ein zwischen
Flansch 5 und Matrize 2 sich um die Welle 4 nach unten tichterförmig verengendes
Leitblech 8 verhindert, daß das Pulver nach der Seite ausgetragen wird.
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Im Extrakteur wird der eingepreßte Feststoff von im Kreislauf und
im Gegenstrom geführtem,verdichtetem Gas durchströmt.
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Der Austrag des extrahierten Feststoffes (Rückstand) wirV8/mrz?#Sew1enieSme
Kugelhahn 9 vorgenommen, dessen Kugel einseitig verschlossen ist. Durch Drehen der
Kugel wird jeweils das dem Innenvolumen der Kugel entsprechende Volumen an Rückstand
ausgeleert. Die Kugel kann mit Hilfe einer Pressluftlanze oder einfach durch eine
feine, konische Bohrung im gewölbten Boden der Kugel leergeblasen werden.
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Beispiel: Nach dem Einschalten des Motors wurde über ein Getriebe
die Umdrehungszahl der Welle auf 100/min eingestellt.
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Anschließend wurde über einen Trichter der Pelletpresse Hopfenpulver
zugeführt. Gleichzeitig wurde der Extrak-
teur (Volumen 4,1 1)
bis zum Sättigungsdruck (ca. 60 bar) mit CO2 gefüllt. Unter Fortführung der Zufuhr
von Hopfenpulver wurde dann der CO2-Druck weiter erhöht. Nachdem der am Entspannungsventil
eingestellte Druck von 300 bar erreicht war, wurde das CO2 bei diesem Druck und
einer Temperatur von 500C durch den Extrakteur gepumpt. Nach dem Entspannungsventil
wurde der Druck in einem Abscheidebehälter auf ca. 60 bar abgesenkt. Dadurch wurde
das Lösemittel vom Gelösten abgetrennt und anschließend der Pumpe wieder zugeführt.
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Durch beständiges Drehen des Kugelhahnes <DN 45) wurde der Rückstand
am unteren Ende des Extrakteurs entnommen.
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Umgerechnet auf eine Stunde stationären Betriebes wurden 5,4 kg Hopfenpulver
durchgesetzt.
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Die Ausbeute an spezifischen Inhaltsstoffen (#-Säuren, gemessen mit
HPLC) betrug 95 %, d.h. von ursprünglich 100 % X oc-Säuren im Hopfen wurden im Rückstand
nur noch 5 % wiedergefunden.
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Bei bezüglich des Feststoffes absatzweisem Betrieb hätten bei gleichem
Extraktionsvolumen und einer Schüttdichte von 0,4 kg/l höchstens 1,6 kg Hopfen mit
einer vergleichbaren Ausbeute extrahiert werden können.
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In der Fachwelt sind teilweise Vorurteile gegenüber der Preßpelletierung
von Hopfen anzutreffen, weil durch die zwangsläufig erhöhten Temperaturen und wegen
der Anwesenheit von Luftsauerstoff Schädigungen der Inhaltsstoffe eintreten können.
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Demzufolge wäre eine Kombination von Preßpelletieren und schonenden
Extraktionsverfahren wenig sinnvoll. Wenn aber wie beim erfindungsgemäßen Vorgehen
die Preßpelletierung in eine inerte Atmosphäre hinein erfolgt und sich die
Extraktion
sofort anschließt, können die Vorteile des Preßpelletierens (höhere Schüttdichte,
besserer Stoffübergang bei der Extraktion) unbedenklich wahrgenommen werden.
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Die entstehende Wärme kann mit dem inerten Lösemittel abtransportiert
werden (falls nicht sowieso bei arhöhter Temperatur extrahiert wird).