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Die
Erfindung betrifft ein Aufnahmemodul für ein oder mehrere
Keramikmembranen, die verwendet werden, um einen Stoff, beispielsweise
Aromastoff, der unter Verwendung eines überkritischen Gases,
insbesondere unter Verwendung von überkritischem CO2 extrahiert worden ist, aus dem überkritischen
Gas, das mit dem extrahierten Stoff beladen ist, abzutrennen.
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Als
Stand der Technik ist es bekannt, dass überkritische Gase
unter anderem dazu verwendet werden, Komponenten eines Stoffes selektiv
zu extrahieren. Der überkritische Zustand eines Gases wird
im allgemeinen erreicht, indem das Gas einem bestimmten hohen Druck
und ggf. auch einer bestimmten hohen Temperatur ausgesetzt wird.
Diese Parameter sind spezifisch für das jeweils eingesetzte Gas.
Im Falle von CO2 wird der überkritische
Zustand bei einem Druck von etwa 7,3 MPa und bei einer Temperatur
von etwa 32°C erreicht.
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Zur
Extraktion wird das überkritische Gas in Kontakt mit dem
Stoff gebracht, aus dem ein Bestandteil extrahiert werden soll.
Anschließend ist das überkritische Gas mit dem
zu extrahierenden Stoff beladen. Um wiederum den extrahierten Stoff
aus dem überkritischen Gas abscheiden zu können,
bedient man sich zweier unterschiedlicher Methoden. Zum einen ist
es möglich, das überkritische Gas zu entspannen,
wodurch der extrahierte Stoff ausfällt. Dieses Verfahren
ist relativ energieintensiv, da das Gas anschließend wieder
(durch Druckbeaufschlagung und Erhitzung) in den überkritischen
Zustand überführt werden muss.
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Eine
zweite Methode verwendet Membranen, die von dem mit dem zu trennenden
Stoff beladenen überkritischen Gas durchströmt
werden bzw. an denen dieses Gas entlangströmt, wobei eine
der beiden Fraktionen des Gases (entweder das überkritische
Gas oder der zu trennende Stoff) die Membran durchdringt, während
die andere Fraktion von der Membran zurückgehalten wird.
Dieses Trennverfahren hat den Vorteil, dass die Druckdifferenz zwischen dem überkritischen
Gas vor und hinter der Membran wesentlich geringer ist (bis 2 MPa)
als bei der zuvor beschriebenen Gasentspannungsmethode, so dass weniger
Energie aufgebracht werden muss, um das Gas wieder in seinen überkritischen
Zustand zu überführen.
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Für
das Membran-Trennverfahren existieren bisher rohrförmige
Aufnahmemodule für die Membranen, bei denen es sich im
Regelfall um Keramikmembranen handelt. Nachteilig bei den bekannten
Aufnahmemodulen, von denen eines beispielhaft in
EP-A-0 343 895 beschrieben
ist, ist, dass die Abdichtung der Keramikmembranen in dem rohrförmigen Gehäuse,
die Anbringung der Anschlüsse an dem rohrförmigen
Gehäuse und die Halterung der zumeist rohrförmigen
Keramikmembranen in dem rohrförmigen Gehäuse aufwendig
und störanfällig sind. Hierbei ist zu beachten,
dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Membranmaterials
und der Halterung in der Regel unterschiedlich sind, so dass es
zu Materialspannungen kommen kann, die bis zur Zerstörung
einer der beiden Komponenten (entweder Membran oder Halterung) führen
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Aufnahmemodul für Keramikmembranen
zu schaffen, das über einen vereinfachten Aufbau verfügt
und eine vereinfachte Handhabung ohne die oben erwähnten
Nachteile von bereits existierenden Aufnahmemodulen ermöglicht.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Aufnahmemodul
für Keramikmembranen zur Abtrennung eines mit einem zu
trennenden Stoff beladenen überkritischen Gases, insbesondere
CO2, vorgeschlagen, wobei das Aufnahmemodul
versehen ist mit
- – einem Gehäuse
- – einem in dem Gehäuse ausgebildeten Hohlraum sowie
mindestens zwei in dem Gehäuse ausgebildeten, gegenüberliegenden
Aufnahmeräumen, mindestens einer keramischen Rohrmembran
mit gegenüberliegenden axialen Enden,
- – mindestens zwei Aufnahmeelementen zur Aufnahme der
Enden der Rohrmembran, wobei jedes Aufnahmeelement mindestens einen
Durchgangskanal aufweist, in den ein Ende der Rohrmembran abgedichtet
und axial bewegbar eingesteckt ist,
- – wobei die mindestens zwei Aufnahmeelemente von den
Aufnahmeräumen aufgenommen und in den Aufnahmeräumen
gegenüber diesen abgedichtet sind,
- – einem Einlasskanal für den Feed-Strom (zuzuführender
Gasstrom) sowie einem Auslasskanal, die in dem Gehäuse
ausgebildet sind und in Fluidverbindung mit den Durchgangskanälen
der mindestens zwei Aufnahmeelemente für die Enden der
Rohrmembran stehen, und
- – einem in dem Gehäuse ausgebildeten Abführkanal
für den Permeat-Strom, der in den Hohlraum und außerhalb
der mindestens zwei Aufnahmeräume einmündet.
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Das
erfindungsgemäße Aufnahmemodul weist ein Gehäuse
mit einem in diesem ausgebildeten Hohlraum auf, in dem eine keramische
Rohrmembran angeordnet ist. Hierzu sind in dem Gehäuse
zwei Aufnahmeräume ausgebildet, die an den Hohlraum angrenzen
und insbesondere gegenüberliegend angeordnet sind. In den
Aufnahmeräumen befinden sich Aufnahmeelemente, die zur
Aufnahme der axialen Enden der Rohrmembran dienen. Jedes Aufnahmeelement
ist mit mindestens einer Durchgangsbohrung versehen, in die ein
Ende der Rohrmembran angeordnet ist. Die Enden der Rohrmembran sind
in den betreffenden Aufnahmeelementen gegenüber den Durchgangsbohrungen
abgedichtet gehalten und axial bewegbar innerhalb der Durchgangsbohrungen.
Genauso sind die Aufnahmeelemente in den Aufnahmeräumen
des Hohlraums aufgenommen und gegenüber dem Gehäuse
abgedichtet. In dem Gehäuse sind ferner Abführ-,
Einlass- und Auslasskanäle ausgebildet, wobei die Einlass-
und Auslasskanäle jeweils in Fluidverbindung mit den Durchgangskanälen
der mindestens zwei Aufnahmeelemente für die Enden der
Rohrmembran stehen und der Abführkanal in den Hohlraum
außerhalb der mindestens zwei Aufnahmeräume einmündet.
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Über
die (Außen-)Abdichtungen der Aufnahmeelemente gegenüber
dem Gehäuse ist der Hohlraum gegenüber den Einlass-
und den Auslasskanälen abgedichtet. Hierzu dienen auch
die innenliegenden Abdichtungen der Aufnahmeelemente, die die Rohrmembran
gegenüber den Durchgangskanälen der Aufnahmeelemente
abdichten. Damit ist eine fluidische Trennung zwischen dem Hohlraum
und den Einlass- sowie Auslasskanälen geschaffen. Dadurch wird
eine Vermischung des Permeat-Stroms sowohl mit dem Feed-Strom als
auch mit dem Konzentrat-Strom unterbunden.
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Das
erfindungsgemäße Modul weist insbesondere ein
zweiteiliges Gehäuse auf, das eine obere und eine untere
Gehäusehälfte umfasst, zwischen denen eine Dichtung
angeordnet ist. Das obere Gehäuseteil kann auch als Deckel
ausgeführt sein. In einem der beiden Gehäuseteile
oder auch anteilig in beiden Gehäuseteilen können
die Hohl- und Aufnahmeräume ausgebildet sein. Das Keramikrohr
mit den auf ihre Enden aufgesteckten Aufnahmeelementen kann dann
auf einfache Art und Weise bei geöffnetem Gehäuse
in dieses eingelegt werden, woraufhin das Gehäuse dann
verschlossen wird. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden,
was die Handhabung des erfindungsgemäßen Moduls
vereinfacht.
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Durch
die axial bewegliche Aufnahme der Rohrmembran an ihren axialen Enden
durch die Aufnahmeelemente kann es zu temperaturbedingten Relativbewegungen
von Rohrmembran und Aufnahmeelementen kommen, so dass auf die Rohrmembran
keine mechanische Spannungen einwirken. Die Ausbildung der Ein-
und Auslasskanäle sowie des Abführkanals in dem
vorzugsweise blockförmig ausgebildeten Gehäuse
ist denkbar einfach und kann durch Boh rungen realisiert werden.
An der Außenseite des Gehäuses, wo die Kanäle
nach außen geführt sind, können Gewindebohrungen
mit angesenktem Kegelsitz ausgebildet sein, an die sich auf einfache Art
und Weise zu den Kanälen führende Anschlussleitungen
anschließen lassen. Dies erfolgt zweckmäßigerweise
durch Verschraubung der Anschlussenden dieser Leitungen in den Gewindebohrungen,
wodurch ein Verschweißen der Anschlussleitungen mit dem
Gehäuse vermieden wird. Auch dies erleichtert die Handhabung
des erfindungsgemäßen Aufnahmemoduls, indem dieses
beliebig oft und insbesondere zur Auswechslung der Membran vom Leitungssystem
der Hochdruckextraktionsanlage oder der weiteren Testanlagen abgekoppelt
und anschließend wieder angeschlossen werden kann.
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Die
Abdichtung der Aufnahmeelemente an deren Außenseiten und
innerhalb von deren Durchgangsbohrungen erfolgt zweckmäßigerweise
durch Dichtungselemente in Form von O-Ringen, die für die durch
das Aufnahmemodul zu leitenden Gase und Stoffe dicht sind. Hier
eignen sich insbesondere Elastomer-Dichtelemente.
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In
dem Aufnahmemodul können ein oder mehrere keramische Rohrmembranen
angeordnet sein. Hierbei ist es denkbar, dass jede Rohrmembran durch
ihr zugeordnete Aufnahmeelementpaare gehalten ist. Alternativ dazu
können mehrere Rohrmembrane in Form von Bündeln
in einem Paar von Aufnahmeelementen gehalten sein, wobei die Aufnahmeelemente
dieses Paares mehrere Durchgangsbohrungen mit innenliegenden Abdichtungen aufweisen.
Sämtliche Durchgangsbohrungen (im Falle eines Paares von
Aufnahmeelementen oder im Falle mehrerer Paare von Aufnahmeelementen)
stehen dann in Fluidverbindung mit den Ein- bzw. Auslasskanälen.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Aufnahmemoduls besteht
in dessen robustem und einfachem Aufbau. Das Gehäuse kann
auf einfachste Art und Weise beliebig oft montiert und demontiert
werden, was das Auswechseln der Rohrmembran ohne Beschädigung
erleichtert. Durch die Dichtung zwischen den Gehäuseteilen,
die vorzugsweise als Flächendichtung ausgebildet ist, ist
jeweils die Hochdruckfestigkeit gewährleistet. Als Werkstoff
für das Modul eignet sich insbesondere rostfreier Edelstahl. Die
Dichtungswerkstoffe sind insbesondere PTFE oder FMK/FPM. Das erfindungsgemäße
Aufnahmemodul lässt sich in beliebiger Länge herstellen
und damit an die Länge der Rohrmembranen anpassen. Ferner
kann man das Aufnahmemodul mit Bohrungen/Kanälen zum Heizen
oder Kühlen im Gehäuse und/oder zur Temperatur-
und Druckmessungen im Gehäuse versehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen dabei:
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1 schematisch
den Aufbau einer Hochdruckextraktionsanlage,
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2 einen
Längsschnitt durch das Abscheidermodul der Hochdruckextraktionsanlage
gemäß 1 und
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3 eine
Draufsicht auf das die keramische Rohrmembran aufnehmende Gehäuseteil
des Abscheidermoduls.
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1 zeigt
schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer Hochdruckextraktionsanlage 10, bei
der für die Extraktion ein überkritisches Gas,
insbesondere CO2 verwendet wird. Die Anlage 10 umfasst
einen Extraktionsbehälter 12, der aus einem Reservoir 14 über
eine Pumpe 16 und einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher
Gas im überkritischen Zustand zugeführt wird.
In dem Extraktionsbehälter 12 wird dann aus einer
Substanz, beispielsweise einem Nahrungsmittel wie z. B. Kaffeebohnen,
ein Stoff, beispielweise Aromastoff wie Koffein, extrahiert.
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Das
mit dem extrahierten Stoff beladene überkritische Gas gelangt
stromab des Extraktionsbehälters 12 in einen Abscheider 18,
der ein Aufnahmemodul 20 für eine keramische Rohrmembran 22 aufweist.
Das mit dem extrahierten Stoff beladene überkritische Gas
durchströmt die Rohrmembran 22, wobei das überkritische
Gas durch die Rohrmembran 22 durchdringt und außen
abgeführt wird, um dem Kreislauf des überkritischen
Gases wieder zugeführt zu werden. Der zu trennende, extrahierte
Stoff mit einem kleinen Anteil an überkritischem Gas verbleibt innerhalb
der Rohrmembran 22 und gelangt über einen zweiten
Auslass aus dem Abscheider 18 heraus und wird gegebenenfalls
einer weiteren Stufe zugeleitet.
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Die 2 und 3 zeigen
das Aufnahmemodul 20 im Längsschnitt bzw. in der
Draufsicht auf eines seiner Teile. Das Aufnahmemodul 20,
das beispielsweise aus Edelstahl gefertigt und quaderförmig ist,
umfasst ein Gehäuse 24, das ein oberes Gehäuseteil 26 und
ein unteres Gehäuseteil 28 aufweist. Beide Gehäuseteile 26, 28 sind über
eine Flächendichtung 30 dicht miteinander verbunden
und miteinander verspannt. In dem Gehäuse 24 ist
ein Hohlraum 32 ausgebildet, an den an gegenüberliegenden Enden
zwei Aufnahmeräume 34 angrenzen. Innerhalb der
Aufnahmeräume 34 befinden sich zwei Aufnahmeelemente 36,
die jeweils von einem Durchgangskanal 38 axial durchzogen
sind. Die Aufnahmeelemente 36 weisen beispielsweise eine
zylindrische Gestalt auf und sind an ihren Außenseiten 40 mit
O-Dichtungsringen 42 versehen, die dicht an den Aufnahmeelementen 36 und
den Innenseiten 44 der Aufnahmeräume 34 anliegen.
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Die
Aufnahmeelemente 36 dienen der Aufnahme der keramischen
Rohrmembran 22 an deren axialen Enden 46. Hierzu
weisen die Aufnahmeelemente 36 weitere O-Dichtungsringe 48 auf,
die dicht an den Enden 46 der Rohrmembran 22 anliegen.
Die Enden 46 der Rohrmembran 22 sind axial beweglich in
den Durchgangskanälen 38 der Aufnahmeelemente 36 gelagert.
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Mit
den Durchgangskanälen 38 der Aufnahmeelemente 36 fluchtend
ausgebildet sind ein Einlasskanal 50 und ein Auslasskanal 52,
die bis zur Außenseite 54 des Gehäuses 24 geführt
sind und dort in Gewindebohrungen 56 mit angesenkten Kegelsitzen
münden. Ferner weist das Gehäuse 24 (in
diesem Fall das obere Gehäuseteil 26) eine Abführbohrung 58 auf,
die in den Hohlraum 32 au ßerhalb der Aufnahmeräume 34 mündet
und an der Außenseite 54 des Gehäuses 24 ebenfalls
in einer Gewindebohrung 60 mit angesenkten Kegelsitz endet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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