Bæredygtig ekstraktion med kuldioxid
Oscillerende forskydningspumper
Kuldioxid anvendes især i fødevare-, drikke-, kosmetik- og farmaceutisk industri til ekstraktion af naturlige stoffer, aromaer, fedtstoffer, olier, voksarter, polymerer, enzymer og farvestoffer i deres superkritiske fysiske tilstand. For på trods af sit dårlige omdømme som drivhusgas er CO2 et naturligt og miljøvenligt opløsningsmiddel, der har fordele i forhold til syntetiske og skadelige medier, såsom n-hexan, når det kommer til bæredygtighed. Oscillerende forskydningspumper er ideelle til superkritisk CO2-ekstraktion.
Superkritisk CO2-ekstraktion er almindelig praksis i forarbejdning af humle til ølbrygning. Højspecialiserede højtryksstempelpumper bruges til denne proces.
Pumper og systemer
Denne proces har en lang tradition. For mere end 50 år siden begyndte forskere og udviklere at arbejde med dette spørgsmål, og de første systemer, for eksempel til koffeinfri kaffe, blev snart udviklet. Hvordan får vi koffeinet ud af kaffebønnen? Kuldioxid komprimeres under meget højt tryk, hvilket får den ønskede komponent til at blive adskilt fra råmaterialet. Når trykket reduceres, frigiver kuldioxid de fjernede stoffer igen, og der produceres et ekstrakt.
Argumenterne mod kemiske ekstraktionsprocesser
For at undgå sygdomsfremkaldende, toksiske og derfor farlige spor i et produkt er det mere sikkert at udelade brugen af organiske opløsningsmidler helt. Den miljøvenlige bortskaffelse af kemiske opløsningsmidler er imidlertid kompliceret og medfører betydelige omkostninger. Dette skaber modstridende mål for enhver producent, der er forpligtet til bæredygtighed.
Argumenterne til fordel for det organiske opløsningsmiddel CO2
I de senere år steg trykket i ekstraktionsprocesser fra ca. 300 bar til ca. 1.000 bar. Dette fører til en reduceret behandlingstid, hvilket gør det muligt at producere mere effektive ingredienser på en mildere måde. Dette gør kommerciel brug generelt mere økonomisk effektiv og mere effektiv. Den nuværende generelle tendens blandt forbrugerne mod biologiske produkter understøtter denne udvikling.
Hvorfor CO2-ekstraktionsprocessen stadig er i udvikling
En klassisk anvendelse af denne proces er ølbrygning: Den selektive ekstraktion af alfa- og beta-syrer ændrer spektret af bitre stoffer i de naturligt dyrkede humle i henhold til den ønskede smag. Denne type "drikkevaredesign" kan påvirke, hvor aromatisk, mild eller bitter en øl smager. En humleekstrakt uden bitre stoffer gør det muligt for trendy drinks såsom “humle-limonade” med specielle smag at blive etableret på markedet. Den resulterende fleksibilitet giver bryggerier mulighed for at tilpasse sig forbrugertendenser og fremstille sunde produkter, der er skræddersyet til kundernes behov.
Oscillerende forskydningspumper er ideelle til superkritisk CO2-ekstraktion.
Princippet om CO2-ekstraktion
Processen kan beskrives med tre nøgleord: ekstraktion, adskillelse og kondensation.
Først afkøles flydende CO2 og føres ind i pumpen. På grund af kraftig kompression, med tryk på op til 1.000 bar, opvarmes CO2 og overføres til en superkritisk tilstand. Under disse forhold har den egenskaberne ved en gas og en væske og er primært kendetegnet ved dens fremragende opløsningsevne. Den høje fluiditet af superkritisk CO2 giver den mulighed for at trænge ind i de mindste fødevareporer og udtrække de ønskede stoffer fra råmaterialet. Det superkritiske CO2 udvides derefter og opvarmes. Det vender tilbage til en gas og fordamper sporløst og efterlader intet andet end den rene ekstrakt. Da CO2 er inert, reagerer det hverken med ekstraktet eller forvrænger dets egenskaber.
Skematisk diagram over proceskomponenterne i et CO2-ekstraktionssystem, der kan have forskellige design afhængigt af processen.
Yderligere information kan du finde her:
Sammenligning med ølbrygning:
kemisk humleekstraktion med ethanol versus CO2 som opløsningsmiddel
Sammenligningen, som naturligvis ikke er udtømmende, ser på nogle af de faktiske forhold fra produktionsområder, sammensætning, renhed og økonomisk effektivitet. Som udgangspunkt bruger den kontinuerlige ekstraktionsproces fermenteringsalkohol til at behandle humleparameller ved temperaturer på ca. 60 ° C. Når CO2 bruges, kaldes dette en batchproces med superkritisk kuldioxid som opløsningsmiddel. Humlepiller anvendes som det primære produkt. De behandles ved temperaturer under 60 ° C og med ekstraktionstryk op til 300 bar.
Afhængig af sammensætningen af den specifikke sort indeholder ethanolekstrakten alle bitre stoffer, mens CO2 tillader selektiv ekstraktion af såkaldte alfa- eller beta-syrer, hvilket betyder, at de uspecifikke bitre stoffer i humlen næppe er til stede i ekstrakten bagefter. Processen kan opnå en meget god ekstraktion af indeholdte pesticider, nitrater og tungmetaller, hvorved CO2-anvendelsen opnår bedre værdier. Fra et økonomisk synspunkt er produktionsomkostningerne til CO2-ekstraktionsprocessen lidt højere, da humlepellets først skal produceres til processen, og det er også en batchproces. Ethanolekstraktet har en stabilitet på ca. en uge, CO2-ekstraktet på ca. to uger, hvor de emballerede ekstrakter kan holdes i seks år eller mere på den rigtige opbevaringstemperatur.
Udfordring til CO2-højtrykspumpeteknologi
Udfordringen for pumpeteknologien er det medium CO2, der er gasformigt under normale omgivelsesforhold. Det skal konstant holdes i flydende tilstand ved nøjagtig overvågning af procesparametre for at forhindre kavitationskade i pumpen. Dårlige smøreegenskaber og den høje komprimerbarhed af flydende CO2 kræver specielt udviklede pumper med en høj grad af proces pålidelighed. Specifikt betyder det, at pumpen skal udvikles specielt til CO2-anvendelse: Effekten skal være i stand til at modstå stangkraften, der er resultatet af det høje sugetryk, og optimal smøring af lejepunkter skal sikres. Samtidig øges trykket op til 1.000 bar, hvilket skaber en tilsvarende højere temperaturforøgelse: Dette kræver effektiv afkøling af væskesektionen med afkølingskanaler i pakningsbokse og ventilblokke.
Da nogle komponenter ikke kan køles direkte, er det vigtigt at tilpasse materialerne og designet, så at så lidt som muligt af den genererede kompressionsvarme absorberes. Da CO2 skiftevis udsættes for kompression og ekspansion, er det nødvendigt at minimere eller undgå temperaturstigningen og de deraf følgende tab.
Et andet nøgleord her er optimering af død plads i væskeafsnittet i pumpen: Optimeringen sikrer altid en høj volumetrisk effektivitet. Denne volumetriske effektivitet bliver stadig vigtigere på grund af det stigende behandlingstryk. Volumetrisk effektivitet påvirker strømningshastigheden og derfor hele pumpens funktion.
Især med meget høje tryk på op til 1.000 bar er et design med optimeret død rumvolumen i væskesektionen afgørende for pumpens generelle funktion. Forkert designede flydende endekomponenter kan ikke kun få pumpen til at ophøre med at pumpe, men også blot at komprimere og ekspandere uden at udlede det ønskede volumen af mediet.
CO2-højtrykspumpeteknologi i brug
Højtryksstempelpumper, der blev tilpasset til disse slags specielle udfordringer, er især egnede til brug i CO2-ekstraktion. Til dette blev væskesektionen af pumperne designet og integreret i en række forskellige dokumenterede højtryksstempler, der er tilpasset til hver model. Pumpene bruges over hele verden til en række forskellige CO2-ekstraktionsprocesser i mange forskellige brancher, herunder i et pilotsystem til CO2-ekstraktion af farvestoffer og aromaer fra tomater.
Mangfoldigheden af stoffer, der skal ekstraheres, er enorm, så de nøjagtige parametre og derfor den nøjagtige design af højtryksstempelpumpen skal defineres individuelt i projektplanlægningsfasen. En generel erklæring om, hvilken pumpe der er den rigtige i et system, er simpelthen ikke mulig. Alle pumper kombinerer robust og kompakt design med innovativ og fleksibel teknologi, der opfylder alle krav til avanceret produktionsteknologi med hensyn til størrelse, vægt og energieffektivitet. Det funktionelle design af den beskrevne højtryksstempelpumpe opnår en mekanisk effektivitet på over 90%, hvilket betyder, at den giver et optimalt niveau af energieffektivitet og bæredygtighed.
Systemkonceptet i pumpe engineering
For at imødekomme kundernes krav i dag kræves et systemkoncept inklusive plug-and-play-løsninger i pumpe-engineering: kunder ønsker komplette drev- og styreenheder i pumperne, der består af en kompakt frekvensomformeranordning, en asynkron tre -fasemotor og en betjenings- og betjeningsenhed (se fig. 3). Den luftkølede IE3 asynkron trefasede motor er velegnet til kontinuerlig hastighedskontrol via frekvensomformeren og driver stemplet i det krævede arbejdsområde. Frekvensomformere overvåger motorens temperatur, strøm og hastighed.
Den kontinuerlige hastighed / trykregulering for den asynkrone trefasede motor leveres af den tilsluttede, luftkølede frekvensomformer (FC) kompakte enhed med forskellige bredvidespændinger og en nominel energieffektivitet på mindst 97%. FC-enheden er fuldt klar til at tilslutte. Den består af en lastbryderafbryder til sikker frakobling, strøm- og motorforbindelse, kraftelektronik, kontrol- og overvågningsenhed, EMC-indgangsfilter og FC-display med intuitiv menynavigation til alle FC-funktioner. Det kan om nødvendigt tilpasses kundens behov. For en individuel, pålidelig og behagelig pumpedrift, overvågning og kontrolapplikation kan et ekstra lille hus med en integreret S7 fejlsikker PLC f.eks. Bruges. Dette tillader tilpasning at imødekomme de applikationsspecifikke og kundespecifikke sikkerhedsfunktioner og krav.
Højtryksstempelpumpeenhed til CO2-anvendelse som kompakt enhed med frekvensomformer, motor og kontrol / betjeningsenhed
Display, betjening og parameterisering på stedet kan udføres via et praktisk berøringspanel med intuitiv menynavigering - f.eks. Til indstilling af parametre / indstillede værdier og til visning af faktisk værdi / indstillingsværdi, fejl og status samt pumpe- og motordata. Diskrete og analoge signaler eller busgrænseflader (Profinet-standard) tjener til at oprette forbindelse til et højere niveau controller.
Stort udvalg af anvendelser til det lovende organiske opløsningsmiddel
Utallige anvendelser kan ses i fødevarer, kosttilskud, kosmetik og farmaceutisk industri: efterspørgslen efter ekstraktion af høje kvalitetsolier, voks, ekstrakter, farvestoffer og aktive stoffer stiger konstant. De naturlige stoffer kan raffineres gennem ekstraktionsprocessen med det organiske CO2 på mange forskellige måder: for eksempel ved at fjerne fedt og olie, dufte og aromaer, aktive stoffer eller skadelige stoffer. Medicinalplanter såvel som almindelige plantestoffer - såsom alger, frugter og grøntsager, bær, urter og krydderier, frø, korn og nødder - leverer råvarerne. Denne proces kan endda være nyttig til ekstraktion af skadelige stoffer fra forurenede råvarer.
Tilpassede pumper
til forskellige processer
I princippet handler "ekstraktion" om at fjerne et bestemt stof fra det primære produkt og derefter give det i sin rene form til at bruge det ekstraherede stof til videre behandling. Den store variation af råplantematerialer kræver også en tilsvarende varians i processer, hvorved de passende parametre skal defineres individuelt i hvert tilfælde for at muliggøre optimal ekstraktion af de naturlige midler.
Anvendelse og konstruktion af tilpassede og standardiserede drev- og kontrolenheder er grundlaget for sådanne teknisk sofistikerede højtryks CO2-pumpe-applikationer, der stiller store krav til procespålidelighed og personlig sikkerhed. Alle systemdele skal tilpasses processen, funktionen, sikkerheden og anvendelsen med hensyn til energieffektivitet og systemtilgængelighed. Moderne og bæredygtig fremstillingspraksis stræber efter optimal samlet effektivitet og en effektiv struktur i et kompakt design under hensyntagen til proces- og slidoptimering - inklusive instrument- og procesdataovervågning af hele pumpeenheden.
