Nachhaltige Extraktion mit Kohlendioxid
Oszillierende Verdrängerpumpen
Kohlendioxid wird insbesondere in der Lebensmittel-, Getränke-, Kosmetik- und Pharmaindustrie zur Extraktion von natürlichen Substanzen, Aromen, Fetten, Ölen, Wachsen, Polymeren, Enzymen und Farbstoffen in ihrem überkritischen physikalischen Zustand verwendet. Denn trotz seines schlechten Rufs als Treibhausgas ist CO2 ein natürliches und umweltfreundliches Lösungsmittel, das in Bezug auf Nachhaltigkeit Vorteile gegenüber synthetischen und schädlichen Medien wie n-Hexan hat. Oszillierende Verdrängerpumpen sind ideal für die überkritische CO2-Extraktion.
Die überkritische CO2-Extraktion ist bei der Verarbeitung von Hopfen zum Brauen von Bier üblich. Für diesen Prozess werden hochspezialisierte Hochdruckkolbenpumpen eingesetzt.
Pumpen & Systeme
Dieser Prozess hat eine lange Tradition. Vor mehr als 50 Jahren begannen Forscher und Entwickler, sich mit diesem Thema zu befassen, und bald wurden die ersten Systeme entwickelt, beispielsweise für entkoffeinierten Kaffee. Wie bekommen wir das Koffein aus der Kaffeebohne? Das Kohlendioxid wird unter sehr hohem Druck komprimiert, wodurch die gewünschte Komponente vom Rohmaterial getrennt wird. Wenn der Druck verringert wird, setzt das Kohlendioxid die entfernten Substanzen wieder frei und es wird ein Extrakt erzeugt.
Die Argumente gegen chemische Extraktionsprozesse
Um pathogene, toxische und daher gefährliche Spuren in einem Produkt zu vermeiden, ist es sicherer, die Verwendung organischer Lösungsmittel vollständig wegzulassen. Die umweltfreundliche Entsorgung chemischer Lösungsmittel ist jedoch kompliziert und mit erheblichen Kosten verbunden. Dies schafft widersprüchliche Ziele für jeden Hersteller, der sich für Nachhaltigkeit einsetzt.
Die Argumente für das organische Lösungsmittel CO2
In den letzten Jahren stieg der Druck in Extraktionsprozessen von rd. 300 bar bis ca. 1.000 bar. Dies führt zu einer kürzeren Verarbeitungszeit, wodurch effizientere Zutaten auf schonendere Weise hergestellt werden können. Dies macht die kommerzielle Nutzung insgesamt wirtschaftlicher und effektiver. Der derzeitige allgemeine Trend der Verbraucher zu biologischen Produkten unterstützt diese Entwicklung.
Warum der CO2-Extraktionsprozess immer noch im Trend liegt
Eine klassische Anwendung dieses Verfahrens ist das Bierbrauen: Die selektive Extraktion von Alpha- und Betasäuren verändert das Spektrum der Bitterstoffe im natürlich angebauten Hopfen entsprechend dem gewünschten Geschmack. Diese Art von „Getränkedesign“ kann beeinflussen, wie aromatisch, mild oder bitter ein Bier schmeckt. Ein Hopfenextrakt ohne bittere Substanzen ermöglicht es, dass sich trendige Getränke wie „Hopfenlimonade“ mit besonderen Aromen auf dem Markt etablieren. Die daraus resultierende Flexibilität ermöglicht es Brauereien, sich an Verbrauchertrends anzupassen und gesunde Produkte herzustellen, die auf die Kundenanforderungen zugeschnitten sind.
Oszillierende Verdrängerpumpen sind ideal für die überkritische CO2-Extraktion.
Das Prinzip der CO2-Extraktion
Der Prozess kann mit drei Schlüsselwörtern beschrieben werden: Extraktion, Trennung und Kondensation.
Zunächst wird flüssiges CO2 unterkühlt und der Pumpe zugeführt. Durch starke Kompression mit Drücken bis zu 1.000 bar wird das CO2 erwärmt und in einen überkritischen Zustand überführt. Unter diesen Bedingungen besitzt es die Eigenschaften eines Gases und einer Flüssigkeit und zeichnet sich vor allem durch seine hervorragenden Auflösungskapazitäten aus. Die hohe Fließfähigkeit von überkritischem CO2 ermöglicht es ihm, in die kleinsten Poren von Lebensmitteln einzudringen und die gewünschten Substanzen aus dem Rohstoff zu extrahieren. Das überkritische CO2 wird dann expandiert und erwärmt. Es verwandelt sich wieder in ein Gas und verdunstet spurlos, wobei nichts als der reine Extrakt zurückbleibt. Da CO2 inert ist, reagiert es weder mit dem Extrakt noch verzerrt es seine Eigenschaften.
Schematische Darstellung der Prozesskomponenten eines CO2-Extraktionssystems, die je nach Prozess unterschiedlich aufgebaut sein können.
Weitere Informationen finden Sie hier:
Vergleich mit dem Bierbrauen:
Extraktion von chemischem Hopfen mit Ethanol gegen CO2 als Lösungsmittel
Der Vergleich, der natürlich nicht erschöpfend ist, befasst sich mit einigen Fakten aus den Bereichen Produktion, Zusammensetzung, Reinheit und Wirtschaftlichkeit. Als Ausgangspunkt verwendet der kontinuierliche Extraktionsprozess Fermentationsalkohol, um Hopfendolden bei Temperaturen von ca. 60 ° C. Bei Verwendung von CO2 wird dies als Batch-Verfahren mit überkritischem Kohlendioxid als Lösungsmittel bezeichnet. Hopfenpellets werden als Primärprodukt verwendet. Sie werden bei Temperaturen unter 60 ° C und Extraktionsdrücken bis 300 bar verarbeitet.
Je nach Zusammensetzung der jeweiligen Sorte enthält der Ethanolextrakt alle Bitterstoffe, während CO2 die selektive Extraktion sogenannter Alpha- oder Betasäuren ermöglicht, so dass die unspezifischen Bitterstoffe im Hopfen danach kaum noch im Extrakt vorhanden sind. Das Verfahren kann eine sehr gute Extraktion von enthaltenen Pestiziden, Nitraten und Schwermetallen erreichen, wodurch die CO2-Anwendung bessere Werte erzielt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Produktionskosten für den CO2-Extraktionsprozess etwas höher, da Hopfenpellets zunächst für den Prozess hergestellt werden müssen und es sich auch um einen Batch-Prozess handelt. Der Ethanolextrakt hat eine Stabilität von ca. eine Woche wird der CO2-Extrakt von rd. zwei Wochen, wobei die verpackten Extrakte sechs Jahre oder länger bei der richtigen Lagertemperatur aufbewahrt werden können.
Herausforderung für die CO2-Hochdruckpumpentechnologie
Die Herausforderung für die Pumpentechnologie ist das Medium CO2, das unter normalen Umgebungsbedingungen gasförmig ist. Es muss durch genaue Überwachung der Prozessparameter ständig in flüssigem Zustand gehalten werden, um Kavitationsschäden in der Pumpe zu vermeiden. Schlechte Schmiereigenschaften und die hohe Kompressibilität von flüssigem CO2 erfordern speziell entwickelte Pumpen mit hoher Prozesssicherheit. Konkret bedeutet dies, dass die Pumpe speziell für die CO2-Anwendung entwickelt werden muss: Das Leistungsende muss den Stangenkräften standhalten können, die sich aus dem hohen Saugdruck ergeben, und eine optimale Schmierung der Lagerpunkte muss gewährleistet sein. Gleichzeitig führt ein Druckanstieg auf bis zu 1.000 bar zu einem entsprechend höheren Temperaturanstieg: Dies erfordert eine effektive Kühlung des Flüssigkeitsabschnitts mit Kühlkanälen in den Stopfbuchsen und Ventilblöcken.
Da einige Komponenten nicht direkt gekühlt werden können, ist es wichtig, die Materialien und das Design so anzupassen, dass so wenig wie möglich der erzeugten Kompressionswärme absorbiert wird. Da das CO2 abwechselnd komprimiert und expandiert wird, ist es notwendig, den Temperaturanstieg und die daraus resultierenden Verluste zu minimieren oder zu vermeiden.
Ein weiteres Schlüsselwort ist hier die Optimierung des Totraums im Flüssigkeitsbereich der Pumpe: Die Optimierung gewährleistet immer einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Dieser volumetrische Wirkungsgrad gewinnt aufgrund des steigenden Verarbeitungsdrucks zunehmend an Bedeutung. Der volumetrische Wirkungsgrad beeinflusst den Durchfluss und damit die Funktion der gesamten Pumpe.
Insbesondere bei sehr hohen Drücken bis zu 1.000 bar ist eine Konstruktion mit optimiertem Totraumvolumen im Fluidabschnitt entscheidend für die allgemeine Funktion der Pumpe. Falsch ausgelegte flüssige Endkomponenten können nicht nur dazu führen, dass die Pumpe nicht mehr pumpt, sondern lediglich komprimiert und expandiert, ohne das gewünschte Volumen des Mediums abzulassen.
Einsatz der CO2-Hochdruckpumpentechnologie
Hochdruckkolbenpumpen, die an diese besonderen Herausforderungen angepasst wurden, eignen sich besonders für den Einsatz bei der CO2-Extraktion. Zu diesem Zweck wurde der Flüssigkeitsabschnitt der Pumpen neu konstruiert und in eine Vielzahl von bewährten Hochdruckkolbenpumpen integriert, die für jedes Modell individuell angepasst wurden. Die Pumpen werden weltweit für eine Vielzahl unterschiedlicher CO2-Extraktionsprozesse in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter in einem Pilotsystem zur CO2-Extraktion von Farbstoffen und Aromen aus Tomaten.
Die Vielfalt der zu extrahierenden Substanzen ist immens, so dass die genauen Parameter und damit die genaue Auslegung der Hochdruckkolbenpumpe in der Projektierungsphase individuell festgelegt werden müssen. Eine allgemeine Aussage darüber, welche Pumpe die richtige in einem System ist, ist einfach nicht möglich. Alle Pumpen kombinieren robustes und kompaktes Design mit innovativer und flexibler Technologie und erfüllen alle Anforderungen der neuesten Produktionstechnologie in Bezug auf Größe, Gewicht und Energieeffizienz. Das funktionale Design der beschriebenen Hochdruckkolbenpumpe erreicht einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90%, was bedeutet, dass sie ein optimales Maß an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bietet.
Das Systemkonzept in der Pumpentechnik
Um den heutigen Kundenanforderungen gerecht zu werden, ist ein Systemkonzept erforderlich, das auch Plug-and-Play-Lösungen in der Pumpentechnik umfasst: Kunden wünschen komplette Antriebs- und Steuergeräte in den Pumpen, bestehend aus einem kompakten Frequenzumrichter, einem asynchronen Drei -Phasenmotor und eine Steuer- und Bedieneinheit (siehe Abb. 3). Der luftgekühlte asynchrone Dreiphasenmotor IE3 eignet sich zur kontinuierlichen Drehzahlregelung über den Frequenzumrichter und treibt die Kolbenpumpe im gewünschten Arbeitsbereich an. Die Frequenzumrichter überwachen die Temperatur, den Strom und die Drehzahl des Motors.
Die kontinuierliche Drehzahl- / Druckregelung für den Asynchron-Dreiphasenmotor übernimmt die angeschlossene kompakte Einheit mit luftgekühltem Frequenzumrichter (FC) mit unterschiedlichen Weitbereichsspannungen und einer nominalen Energieeffizienz von mindestens 97%. Die FC-Einheit ist vollständig anschlussbereit. Es besteht aus einem Lasttrennschalter für sicheres Trennen, Strom- und Motoranschluss, Leistungselektronik, Steuer- und Überwachungseinheit, EMV-Eingangsfilter und FC-Anzeige mit intuitiver Menünavigation für alle FC-Funktionen. Es kann bei Bedarf an die Kundenanforderungen angepasst werden. Für eine individuelle, zuverlässige und komfortable Pumpenbetriebs-, Überwachungs- und Steuerungsanwendung kann beispielsweise ein zusätzliches kleines Gehäuse mit einer integrierten ausfallsicheren S7-SPS verwendet werden. Dies ermöglicht eine Anpassung an die anwendungsspezifischen und kundenspezifischen Sicherheitsfunktionen und -anforderungen.
Hochdruckkolbenpumpeneinheit für CO2-Anwendung als kompakte Einheit mit Frequenzumrichter, Motor und Steuer- / Bedieneinheit
Anzeige, Bedienung und Parametrierung vor Ort können über ein praktisches Touchpanel mit intuitiver Menünavigation erfolgen - zB zum Einstellen von Parametern / Einstellwerten und zur Anzeige von Istwert / Einstellwert, Fehler und Status sowie Pumpen- und Motordaten. Diskrete und analoge Signale oder Busschnittstellen (Profinet-Standard) dienen zum Anschluss an einen Controller höherer Ebene.
Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für das vielversprechende organische Lösungsmittel
In der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungs-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sind unzählige Anwendungen zu beobachten: Die Nachfrage nach der Extraktion hochwertiger Öle, Wachse, Extrakte, Farbstoffe und Wirkstoffe steigt kontinuierlich. Die natürlichen Substanzen können durch den Extraktionsprozess mit dem organischen CO2 auf viele verschiedene Arten raffiniert werden: zum Beispiel durch Entfernen von Fett und Öl, Duftstoffen und Aromen, Wirkstoffen oder Schadstoffen. Heilpflanzen sowie gängige pflanzliche Substanzen wie Algen, Obst und Gemüse, Beeren, Kräuter und Gewürze, Samen, Getreide und Nüsse liefern die Rohstoffe. Dieses Verfahren kann sogar nützlich sein, um Schadstoffe aus kontaminierten Rohstoffen zu extrahieren.
Kundenspezifische Pumpen
für eine Vielzahl von Prozessen
Im Prinzip geht es bei der „Extraktion“ darum, einen bestimmten Stoff aus dem Primärprodukt zu entfernen und ihn dann in seiner reinen Form bereitzustellen, um den extrahierten Stoff für die weitere Verarbeitung zu verwenden. Die große Vielfalt an pflanzlichen Rohstoffen erfordert auch eine entsprechende Prozessvarianz, wobei die geeigneten Parameter jeweils individuell definiert werden müssen, um eine optimale Extraktion der Naturstoffe zu ermöglichen.
Die Verwendung und das Engineering von kundenspezifischen und standardisierten Antriebs- und Steuerbaugruppen sind die Grundlage für solche technisch hoch entwickelten CO2-Hochdruckpumpenanwendungen, die erhebliche Anforderungen an die Prozesssicherheit und die persönliche Sicherheit stellen. Alle Systemteile müssen hinsichtlich Energieeffizienz und Systemverfügbarkeit an den Prozess, die Funktion, die Sicherheit und die Anwendung angepasst werden. Moderne und nachhaltige Herstellungspraxis strebt nach optimaler Gesamteffizienz und einer effizienten Struktur in kompaktem Design unter Berücksichtigung der Prozess- und Verschleißoptimierung - einschließlich der Überwachung der Instrumenten- und Prozessdaten der gesamten Pumpeneinheit.
