DE3508140C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Extraktion von Feststoffen mit verdichteten Gasen, bei dem bzw. der die zu extrahierenden Feststof­ fe kontinuierlich in einen Druckbehälter ein bzw. im wesentlichen kontinuierlich aus ihm ausgetragen werden.

Verfahren zur Extraktion von Feststoffen mit verdichte­ ten Gasen als Lösungsmittel sind bekannt und auf die ver­ schiedensten Stoffe angewandt worden. Abhängig vom Aus­ gangsstoff 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.

Im Fall der Gewürze werden mit einem gesundheitlich un­ bedenklichen Gas, welches sich im überkritischen Zustand befindet, nacheinander die Geruchs- und Geschmackskom­ ponenten entfernt und aus dem Lösungsmittel durch Druck- und/oder Temperaturänderungen gewonnen.

Ähnlich wird im Falle des Hopfens verfahren.

Weitere Anwendungsfälle sind z. B. in der Literaturstelle Chem.-Ing.-Tech. 53 (1981) Nr. 7, Seite 529-542 be­ schrieben.

Die bekannten Verfahren zur Extraktion mit verdichteten Gasen werden zwar bezüglich des Lösungsmittels kontinu­ ierlich 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 erhebliche Stillstands- oder Rüstzeiten für die verwendeten Vorrichtungen.

Mittlerweile ist es zwar gelungen, die Verschlüsse der Hochdruckbehälter so zu bauen, daß die Rüstzeit ver­ kürzt 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 Druckwechselbean­ spruchung zu verschonen.

Es sind auch schon Schleusensysteme zum Eintrag von Feststoffen in Reaktionsräume bei Normaldruck, Unter­ druck 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.

Aus DE-AS 28 27 002 (Spalte 5, Zeilen 54-61) ist die Verwendbarkeit von Hochdruckschleusen bei der Ex­ traktion von Hopfen mit Kohlendioxid bei Drücken bis 500 bar bekannt. Bei diesem Verfahren werden bereits vorgefertig­ te Pellets in den Hochdruckbehälter eingeschleust. Das Schleusen erfordert gesonderte Druckbehälter zur abgestuften Änderung des Druckes, und Pelletieren und Eintragen erfolgen in getrennten Ver­ fahrensschritten.

Aus der EP-A-80 582 ist ein Verfahren zur Extraktion von Hopfenpellets mit CO₂ bekannt, bei dem bestimmte Abmessungen und eine bestimmte Schüttdichte der Pellets als bedeutsam angesehen werden. Die Herstel­ lung der Pellets erfolgt mit üblichen Pelletpressen. Über das Ein­ tragen der Pellets in Druckbehälter finden sich keine Angaben.

Aus DE-OS 31 33 032 ist ein Extraktionsverfahren be­ kannt, bei dem das Extraktionsgut mit einem überkriti­ schen Trägergas in Berührung gebracht wird und im bela­ denen Trägergas anschließend durch Veränderung der Zu­ standsparameter eine Phasentrennung in Extrakt und ent­ ladenes 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 zwangs­ gemischt, wonach das mit dem Extrakt angereicherte bzw. beladene Trägergas vom Extraktionsgutrückstand abge­ trennt wird, der kontinuierlich aus dem Trägergas-Kreis­ lauf abgezogen wird.

Aus DE-OS 32 28 927 ist es bekannt, eine Suspension aus Feststoff und Lösemittel herzustellen und anschlie­ ßend von niedrigem Druck (und niedriger Temperatur) auf Extraktionsbedingungen zu bringen.

Gemäß DE-OS 26 48 048 wird der einzuschleusende Feststoff mit Kohlensäureschnee verpreßt und in den Druckraum ein­ gepumpt.

Besonders zur Gewinnung von Ölen aus Ölstaaten 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 Schnec­ kenpresse 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.

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 Lösungs­ mitteln konkurrieren kann.

Gegenstand der Erfindung ist das in Anspruch 1 angegebene Verfahren sowie die in Anspruch 4 angegebene Vorrichtung.

Der Eintrag des Feststoffes in den Druckbehälter erfolgt also unter gleichzeitigem Preßpelletieren, d. h. mit einer auf den Behälter aufgesetzten Pelletpresse. Unter dem Be­ griff "Pelletieren" 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 verdich­ teten Gasen verläßt der Rückstand den Behälter zum Bei­ spiel über einen Kugelhahn. Das Lösungsmittel 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 ver­ dichtetem CO₂, ist es ohnehin vorteilhaft, das Extrak­ tionsgut (den Rohhopfen) zu mahlen und anschließend (eventuell nach einer Konzentrierung) zu Pellets zu ver­ pressen, weil dann der Stoffaustausch bei der Extrak­ tion (im Falle des Hopfens durch das Zerquetschen der sogenannten Lupulindrüsen beim Pelletieren) beschleu­ nigt wird und gegebenenfalls durch die Vorkonzentrierung ein größerer Durchsatz möglich ist.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht also darin, durch Vorschalten einer Pelletpresse von einen Hochdruckextraktionsautoklaven einen sehr einfachen kon­ tinuierlichen Eintrag in den Behälter zu erreichen, wo­ bei noch die vorstehend geschilderten Vorteile der Pres­ sung zu Pellets in einem Arbeitsgang mit dem Eintrag er­ zielt werden. Die Matrize der Pelletpresse stellt zugleich den Deckel des Extraktionsautoklaven dar.

Durch die Kombination von Pelletmatrize und Druckbehälter wird außerdem erreicht, daß Vorbereitung des Extraktionsgutes und Extraktion an ein und derselben Vorrichtung durchgeführt werden können. Auch ist es möglich, einen relativ kleinen und einfachen Druckbehälter einzusetzen, da dieser Behälter keiner Druckwechselbeanspruchung unterliegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert, die einen Längsschnitt durch eine Hälfte einer bevorzugten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. (Die andere, linke Hälfte ist als Draufsicht gezeigt).

Den oberen Abschluß oder Deckel 2 eines zylindrischen Extraktionsbehälters (=Hochdruckextraktionsautoklaven) 1 bildet eine auf einem Ringabschnitt oder ringförmigen Abschnitt 7 mit achsparallelen, durchgehenden Bohrun­ gen 12 versehene Pelletpressenmatrize, 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. Ein am Extraktionsbehälter 1 ange­ schraubter Flansch 5 drückt über ein Kugellager 3 eine von einem Motor angetriebene, die Verlängerung der Achse des Extraktionsbehälters 1 bil­ dende Welle 4 auf ein Gegenlager 10 in der Matrize. Seitlich an der Motorwelle 4 laufen zwei um zwei einander gegenüberliegende, einstüc­ kig mit der Motorwelle 4 ausgebildete, senkrecht zur Motorwellenachse ausgerichtete Zapfen 13 drehbare, mit den Laufflächen gegen den ringförmigen Abschnitt 7 ge­ preßte 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 des als Matrize ausgebildeten Deckels 2, verdichten es und drücken es durch Nachführungen von neuem Feststoff durch die Bohrungen hindurch in den Extraktionsbehälter 1. Die Räder 6 bilden mit dem ringförmigen Abschnitt 7 des Deckels 2 einen Kollergang. Die Laufflächen der Räder sind vorzugsweise mit Quernuten versehen, so daß das vom Rad erfaßte Gut vor dem Einpressen be­ reits vorverdichtet wird. Ein zwischen Flansch 5 und Deckel 2 sich um die Welle 4 nach unten trichterförmig ver­ engendes Leitblech 8 verhindert, daß das Pulver nach der Seite ausgetragen wird.

Im Extrakteur wird der eingepreßte Feststoff von im Kreislauf und im Gegenstrom geführtem, verdichtetem Gas durchströmt.

Der Ausgang des extrahierten Feststoffes (Rückstand) wird über eine Schleuse 9, vorzugsweise einen Kugelhahn, vorgenommen, dessen Kugel ein­ seitig verschlossen ist. Durch Drehen der Kugel wird je­ weils das dem Innenvolumen der Kugel entsprechende Volu­ men an Rückstand ausgeleert. Die Kugel kann mit Hilfe ei­ ner Preßluftlanze oder einfach durch eine feine, koni­ sche Bohrung im gewölbten Boden der Kugel leergeblasen werden.

Beispiel

Nach dem Einschalten des Motors wurde über ein Getriebe die Umdrehungszahl der Welle auf 100/min eingestellt. Anschließend wurde über einen Trichter der Pelletpresse Hopfenpulver zugeführt. Gleichzeitig wurde der Extrak­ teur (Volumen 4,1 l) bis zum Sättigungsdruck (ca. 60 bar) mit CO₂ gefüllt. Unter Fortführung der Zufuhr von Hop­ fenpulver wurde dann der CO₂-Druck weiter erhöht. Nach­ dem der am Entspannungsventil eingestellte Druck von 300 bar erreicht war, wurde das CO₂ bei diesem Druck und einer Temperatur von 50°C durch den Extrakteur ge­ pumpt. Nach dem Entspannungsventil wurde der Druck in einem Abscheidebehälter auf ca. 60 bar abgesenkt. Da­ durch wurde das Lösemittel vom Gelösten abgetrennt und anschließend der Pumpe wieder zugeführt.

Durch beständiges Drehen des Kugelhahnes (DN 45) wurde der Rückstand am unteren Ende des Extrakteurs entnommen.

Umgerechnet auf eine Stunde stationären Betriebes, wur­ den 5,4 kg Hopfenpulver durchgesetzt.

Die Ausbeute an spezifischen Inhaltsstoffen (α-Säuren, gemessen mit HPLC) betrug 95%, d. h. von ursprünglich 100% α-Säuren im Hopfen wurden im Rückstand nur noch 5% wiedergefunden.

Bei bezüglich des Feststoffes absatzweisem Betrieb hät­ ten bei gleichen Extraktionsvolumen und einer Schütt­ dichte von 0,4 kg/l höchstens 1,6 kg Hopfen mit einer vergleichbaren Ausbeute extrahiert werden können.

In der Fachwelt sind teilweise Vorurteile gegenüber der Preßpelletierung von Hopfen anzutreffen, weil durch die zwangsläufig erhöhten Temperaturen und wegen der Anwe­ senheit von Luftsauerstoff Schädigungen der Inhaltsstof­ fe eintreten können.

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 wahr­ genommen werden.

Die entstehende Wärme kann mit dem inerten Lösemittel abtransportiert werden (falls nicht sowieso bei er­ höhter Temperatur extrahiert wird).

Claims (9)

1. Verfahren zur Extraktion von festen Stoffen mit ver­ dichteten Gasen zur Gewinnung von in den festen Stof­ fen enthaltenen Bestandteilen oder zur Reinigung der festen Stoffe von unerwünschten Bestandteilen, bei dem ein verdichtetes, unter- oder überkritisches, inertes Gas durch den festen Stoff geleitet wird und durch einen nachfolgenden Reinigungsschritt das Gemisch aus Lösungsmittel und Gelöstem aufgetrennt und der zu extrahierende Feststoff kontinuierlich in den Extrak­ tionsbehälter eingetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff unter gleichzeitigem Preßpelletieren in den Extrak­ tionsbehälter eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extraktionsrückstand kontinu­ ierlich aus dem Extraktionsbehälter ausgeschleust wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fester Stoff Hopfen und als verdichtetes, inertes Gas Kohlendioxid verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einem Extraktionsbehälter, der mit einem Deckel, einem Einlaß für das zu extrahierende Gut, einem Auslaß für den Extraktionsrückstand sowie einem Einlaß und einem Auslaß für verdichtetes Gas versehen ist, und mit einer Zuführungseinrichtung für das zu extrahierende Gut, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ führungseinrichtung für das zu extrahierende Gut eine Pelletpresse ist, deren Matrize zugleich den Deckel (2) des Extraktionsbehälters (1) darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Deckels (2) des Extrak­ tionsbehälters (1) senkrecht zur Ebene des Deckels eine antreibbare zentrale Welle (4) an den Deckel an­ drückend vorgesehen ist, wobei die Welle an ihrem dem Deckel zugewandten Ende mehrere senkrecht zur Welle ausgerichtete, von ihr abstehende Zapfen (13) aufweist, auf denen Räder (6) gehaltert sind, deren Laufflächen auf einem Ringabschnitt (7) des Deckels (2) aufliegen und bei Drehung der Welle um ihre Achse auf ihm an­ pressend abrollen, daß der Deckel (2) in dem Ringab­ schnitt (7) zahlreiche, senkrecht den Deckel durchzie­ hende, einander parallele Bohrungen (12) aufweist, die zusammen mit dem Deckel eine Pelletpressenmatrize bil­ den, daß um die Welle (4) ein sich nach unten trichter­ förmig verengendes Leitblech (8) zur Zuführung des zu extrahierenden Gutes an die Räder (6) angeordnet ist und als Auslaß für den Rückstand eine Schleuse (9) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Entnahmeschleuse ein Kugelhahn (9) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel des Kugelhahnes (9) lediglich mit einem Sackloch versehen ist und der Austrag durch Drehung der Kugel bewirkbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im gewölbten Boden der Kugel (9) eine feine Boh­ rung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen der Räder (6) mit Quernuten ver­ sehen sind.