DE69800974T2 - Verfahren zur extraktion einer substanz aus einem ausgangsmaterial und die extraktionsvorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion einer Substanz aus einem Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial in einem Extruder mit einer Extraktionsflüssigkeit zusammengebracht wird, wobei das Ausgangsmaterial entlang eines Extrusionskanals in einer Fördereinrichtung bewegt wird und wobei der Extruder mindestens zwei zueinander beabstandete Druckerhöhungselemente mit einer stromabwärts gelegenen Niederdruckzone und Hochdruckzone zwischen den Elementen enthält.
• In der Nahrungsmittelindustrie enthalten organische Abfallströme und spezielle Produktströme häufig hochwertige Bestandteile. Gewöhnlich werden diese Bestandteile chargenweise aus den Produktströmen extrahiert. Bei den bekannten Verfahren wird das Ausgangsmaterial normalerweise gepresst, anschließend ausgefällt und durch Kochen oder mittels Banddruck ausgewaschen, wozu große Mengen der Extraktionsflüssigkeit verwendet werden.
• Darüber hinaus wird bekanntlich aus Holzhackschnitzeln chemisch-mechanisch gebleichter Holzbrei erzeugt, indem sie einem Doppelschneckenextruder zugeführt werden, wie er beispielsweise unter dem Namen Bivis® von der Firma Clextral hergestellt wird. Bei diesem Prozess kommt eine Reihe gegenläufiger Schneckenelemente (Rückförderschneckenelemente) im Gehäuse des Extruders zum Einsatz, wodurch Hochdruckzonen zum intensiven Verkneten des Produkts entstehen. Chemikalien wie z. B. NaOH und NaHSO&sub3; werden in das Gehäuse des Extruders eingespritzt und im Gleichstrom mit dem Ausgangsmaterial aus dem Extruder ausgegeben.
• Nachteilig ist an einem Prozess dieser Art, dass er keine optimale Extraktion ermöglicht und das Ausgangsmaterial an den Ausgabepunkten aus dem Extrudergehäuse herausgedrückt werden kann. Dadurch kann nur ein begrenzter Druck angewandt werden, und die Konzentration der Substanzen, die in dem Extraktionsprozess extrahiert werden können, ist relativ gering.
• In FR 2 619 514 ist ein Extraktionsverfahren mit einem Doppelschneckenextruder beschrieben, wobei die Extraktion in mehreren in Serie ablaufenden Gleichstromprozessen bei relativ niedrigen Drücken stattfindet.
• WO 90/10484 offenbart ein Extraktionsverfahren, bei dem das Ausgangsmaterial mit einem Lösungsmittel im Gegenstrom von einem Einschneckenextruder bewegt wird. Bei der bekannten Vorrichtung mit einer einzigen Schnecke ist das Auspressen des Ausgangsmaterials mit dem Extraktionsmittel in der Druckzone nur bis zu einem bestimmten Umfang möglich, da bei zu viel vorhandener Flüssigkeit keine Feststoffe mehr transportiert werden. Eine Extraktion unter hohem Druck ist mit der bekannten Vorrichtung auch dann nicht möglich, wenn die Strömungen des Ausgangsmaterials und des Extraktionsmittels weitgehend ein Ganzes bilden, wodurch die Extraktion relativ uneffektiv ist.
• Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Extraktionsprozesses, bei dem relativ hohe Drücke zur Anwendung kommen können, eine sehr gute Vermischung des Ausgangsmaterials und der Extraktionsflüssigkeit stattfindet, eine hohe Produktionsleistung erzielt wird und eine geringere Gefahr besteht, dass durch die Ausgabeöffnungen Ausgangsmaterial aus dem Gehäuse herausgedrückt wird.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Extraktionsprozesses, der kontinuierlich erfolgen kann und bei dem aus einem Ausgangsmaterial verschiedene Substanzen mit hoher Selektivität extrahiert werden können.
• Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionsflüssigkeit über eine Zuführöffnung in oder nahe der Hochdruckzone in den Extruder eingeleitet wird, anschließend im Gegenstrom zur Transportrichtung des Ausgangsmaterials in die Niederdruckzone gelangt und über eine Ausgabeöffnung in oder nahe der Niederdruckzone aus dem Extruder ausgegeben wird, wobei das Ausgangsmaterial kontinuierlich in Transportrichtung der Niederdruckzone zugeführt und kontinuierlich in Transportrichtung aus der Hochdruckzone ausgegeben wird. Erfindungsgemäß wird die Extraktionsflüssigkeit dem Extruder zugeführt und im Gegenstrom über eine kontinuierliche Bereitstellung des Ausgangsmaterials durch den Extraktionskanal eingespeist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass das Material, das extrahiert werden soll, in den Hochdruckzonen stark zerkleinert wird, so dass ein sehr hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis erreicht wird und eine sehr gute Vermischung mit dem Extraktionsmittel (Lösungsmittel) erfolgt, wodurch mittels Gegenstrom eine effiziente Extraktion mit hoher Ausbeute möglich wird. Darüber hinaus wird es durch die Anordnung der Ausgabeöffnung für die Extraktionsflüssigkeit in oder nahe der Niederdruckzonen möglich, den Druck in der Extraktionsvorrichtung relativ stark anzuheben, z. B. auf über 10 bar, ohne dass dabei Ausgangsmaterial durch die Ausgabeöffnungen herausgedrückt wird. Bei diesen hohen Drücken ist die Löslichkeit in der Extraktionsflüssigkeit hoch, weshalb die Extraktion effizient stattfindet. Bei den hohen Drücken kann die zu extrahierende Substanz schneller gelöst werden, indem sie im Gegenstrom durch ein willkürliches Lösungsmittel geleitet wird, z. B. Wasser oder eine Salzlösung. Mit Hilfe einer separaten Ausgabe der Extraktionsflüssigkeit aus dem Extruder während des Weitertransports des Ausgangsmaterials entlang des Extrusionskanals kann man kontinuierlich mit hoher Ausbeute aus einem minderwertigen Reststoff- oder Abfallstrom eine hochwertige Substanz, wie beispielsweise ein Oligomer- oder Polymerkondensat, erhalten. Die extrahierte unlösliche, zerkleinerte Reststofffraktion kann z. B. zu einer zweiten Niederdruck- und Hochdruckzone weiterbefördert werden, wobei erneut ein Extraktionsmittel zugeführt wird, das nahe der zweiten Niederdruckzone abgegeben wird. Dadurch kann mit relativ hoher Selektivität eine weitere Substanz aus dem Ausgangsmaterial extrahiert werden. Die Eigenschaften des extrahierten Produktes lassen sich durch die Auswahl der verwendeten Extraktionsflüssigkeit, der konkreten Drücke und Temperaturen im Extruder, des Verhältnisses zwischen Ausgangsmaterial und Extraktionsflüssigkeit, die Kontaktzeit und dergleichen steuern.
• Zu Beispielen für extrahierte Substanzen gehören sekundäre Stoffwechselprodukte wie Duft-, Farb- und Geschmacksstoffe, z. B. Carvon und Limonen aus Kümmelsamen, Vanille aus Vanillebohnen oder Pentosane aus Weizenrückständen, Pektin aus den Schalen von Zitrusfrüchten und Inulin aus Chicoree. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei nichtorganischen Materialien eingesetzt werden, wie bei der Extraktion von Katalysatorrückständen aus Polymeren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zudem vorteilhafterweise möglich, eine Extraktionsflüssigkeit im überkritischen Zustand zu verwenden - z. B. CO&sub2; bei 75 bar und 35ºC. Der überkritische Zustand kann während der gesamten Dauer der Extraktion aufrechterhalten werden.
• Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das extrudierte Ausgangsmaterial nach der Extrusion einer Trocken- oder Presseinrichtung zugeführt, mit der das Ausgangsmaterial beispielsweise zu Faserplatten, Rinderfutterpellets und zu Belägen für Stallfußböden verarbeitet werden kann.
• Die erfindungsgemäße Extraktionsvorrichtung verfügt über einen Extruder, z. B. einen Mehrschneckenextruder, mit einer Ausgabeöffnung in der Wand des Extrusionskanals in oder nahe der Niederdruckzone zur Ausgabe der Extraktionsflüssigkeit. An der Ausgabeöffnung befindet sich eine Siebeinrichtung. In der Wand des Extraktionskanals in oder nahe der Hochdruckzone stromabwärts von der Niederdruckzone ist eine Zuführöffnung ausgebildet.
• Vorzugsweise ist die Gangsteigung der Schnecke im Extruder in den Niederdruckzonen relativ groß und in den Hochdruckzonen relativ klein. Somit kann der Druck im Extruder einfach durch Einstellen der Gangsteigung der Schnecke gesteuert werden. Außerdem ist es möglich, durch Umkehrung der Gangsteigung der Schnecke zur Gangsteigung des Transportabschnitts der Schnecke Hochdruck- und Niederdruckzonen zu schaffen. Die erfindungsgemäße Extraktionsvorrichtung ist modular aufgebaut und besteht aus Modulen, die aneinander gekoppelt werden können. Die Module können durch Verbindungselemente zusammengefügt werden, wie externe Flansche, die sich miteinander verbinden lassen. Durch Einstellen der Modulanzahl mit Hilfe verschiedener Extraktionsflüssigkeiten können gegebenenfalls verschiedene Substanzen aus dem Ausgangsmaterial extrahiert werden. Die Festigkeit der dynamischen Dichtungen, die durch die gegenläufigen Schneckenelemente gebildet werden, und der Druck, dem diese Dichtungen standhalten, sind abhängig von der Geometrie des Schneckenelements und den rheologischen Eigenschaften (die Art und Weise, wie sich das Material unter dem Einfluss einer Kraft verformt) des Materials, mit dem der Extruder gefüllt wurde. Durch Vermischen des Ausgangsmaterials mit einem Plastifikator oder einem Schmiermittel lassen sich die rheologischen Eigenschaften einstellen, wie beispielsweise im Falle von Kümmel als Ausgangsmaterial, wo die Zugabe einer kleinen Wassermenge einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften in den Dichtungen hat.
• Anhand der einen beiliegenden Figur wird die Erfindung nun genauer erläutert.
• In der Figur ist eine Extraktionsvorrichtung 1 mit einem Extrusionskanal 2 abgebildet, der von einer zylindrischen Wand 3 umgeben ist. In den Extrusionskanal 2 wurden zwei Schnecken S eingesetzt, die teilweise ineinander greifen und Schneckenelemente bzw. -module S&sub1;, S&sub2; mit unterschiedlicher Gangsteigung aufweisen. Des Weiteren befinden sich im Extrusionskanal zwei zu den Schneckenelementen S&sub1;, S&sub2; gegenläufige Schneckenelemente S&sub3;, S&sub4;. Zwischen den Schneckenelementen können Knetelemente S&sub5;, S&sub6; angeordnet werden. Aus den Schneckenelementen S&sub1;, S&sub2; mit unterschiedlicher Gangsteigung, den Knetelementen S&sub5;, S&sub6; und den gegenläufigen Schneckenelementen S&sub3;, S&sub4; entstehen die Hochdruckzonen h im Extrusionskanal 2, die sich jeweils in der Nähe der Schneckenelemente S&sub3;, S&sub4; mit entgegengesetzter Gangsteigung stromaufwärts von ihnen befinden. An den mit dem Symbol "I" angegebenen Stellen im Extrusionskanal 2 befinden sich Zonen mit relativ niedrigem Druck, in jedem Fall stromabwärts der gegenläufigen Schneckenelemente S&sub3;, S&sub4;.
• In der Wand 3 der Hochdruckzonen h sind Zuführöffnungen t&sub2;, t&sub3; und t&sub4; ausgebildet worden, durch die mit Hilfe einer Einspritzvorrichtung die Extraktionsflüssigkeit in den Extrusionskanal 2 gelangt. In der Wand 3 in den Niederdruckzonen I befinden sich Ausgabeöffnungen a&sub2;, a&sub3; und a&sub4;. Die durch die Zuführöffnungen t&sub2;, t&sub3; und t&sub4; eingeleitete Extraktionsflüssigkeit bewegt sich im Gegenstrom über das Material, das mit der Schnecke S in Transportrichtung T zu einer Ausgabeöffnung a&sub2;, a&sub3; bzw. a&sub4; gelangt Mit dieser Anordnung entsteht ein effektiver Extrusionsraum zwischen jeweils zwei zueinander beabstandeten gegenläufigen Schneckenelementen S&sub3;, S&sub4;. Da sich die Ausgabeöffnungen a&sub2;, a&sub3; bzw. a&sub4; dicht neben der Niederdruckzone eines solchen Extrusionsraumes befinden, lassen sich die Drücke im Extrusionsraum relativ stark erhöhen, ohne dass dabei das beförderte Gut durch die Ausgabeöffnungen herausgedrückt wird. Durch die hohen Drücke wird eine Extraktion mit hohem Wirkungsgrad möglich, da die Löslichkeit im Extraktionsmittel bei diesen Drücken relativ hoch ist. An den Ausgabeöffnungen a&sub2;, a&sub3; bzw. a&sub4; ist jeweils eine Siebeinrichtung angebracht, sodass nur die Extraktionsflüssigkeit durch sie hindurchtreten kann, wohingegen das Ausgangsmaterial im Extrusionskanal 2 verbleibt.
• Das Ausgangsmaterial kann dem Extrusionskanal 2 über eine Einfüllrutsche 4 zugeführt werden, an der dem Ausgangsmaterial bereits ein Reaktand oder eine Extraktionsflüssigkeit beigegeben werden kann. Bei einem Mehrstrom-Extraktionsvorgang ist auch eine Vorbehandlung des Ausgangsmaterials möglich, indem durch die Zuführöffnung t&sub1; ein Reaktand beigemengt und durch die Ausgabeöffnung a&sub1; wieder abgegeben wird. Am Ende der Extraktionsvorrichtung 1 befindet sich eine Trocken- oder Presseinrichtung 5, in der aus den extrahierten Reststoffen Faserplatten, Pellets und dergleichen hergestellt werden können.
• Die Extraktionsvorrichtung aus Fig. 1 hat beispielsweise bei einem Durchmesser von 44 mm eine Länge von 2 Metern. Vorzugsweise ist sie modular aufgebaut, und ihre Module M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; lassen sich miteinander koppeln. Jedes Modul M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; verfügt über Außenflansche 6, 7, die mit Bolzen (nicht abgebildet) an ähnlichen Flanschen einen benachbarten Moduls angebracht werden können. Jedes Modul M&sub1;, M&sub2; weist eine Förderschnecke und/oder ein gegenläufiges Schneckenelement und/oder ein Knetelement auf und kann mit einer Zuführöffnung oder einer Ausgabeöffnung in der Wand 3 versehen sein. Durch die oben beschriebene Extraktionsvorrichtung entsteht ein offenes System, bei dem sich trotzdem sehr hohe Drücke erzielen lassen. Zur Veranschaulichung des hohen Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Extraktionsverfahrens wurde eine Extraktion von Zuckerstoffen aus Chicoree mit Hilfe des gleichdrehenden Doppelschneckenextruders BC45 von Clextral durchgeführt. Die Schnecke ist modular und gemäß den in der Figur dargestellten Prinzipien aufgebaut. Tabelle 1 entsprechend wurde ein Extruder aus 14 einzelnen Schneckenelementen gefertigt. TABELLE 1
• Der mit TZ gekennzeichnete Schneckentyp gibt an, dass ein Schneckenelement mit trapezförmiger Gangsteigung verwendet wurde. RSE bezieht sich hingegen auf ein gegenläufiges Schneckenelement (ein Schneckenelement mit entgegengesetzter Gangsteigung, wie beispielsweise die Elemente S&sub3;, S&sub4; in der Figur). Der Begriff Ring steht für ein neutrales Element ohne Förderwirkung. An jedem gegenläufigen Schneckenelement kann ein Loch vorgesehen sein, dessen Durchmesser in der fünften Zeile von Tabelle 1 dargestellt ist. Die Einlassöffnung zum Einspritzen der Extraktionsflüssigkeit oder des Lösungsmittels befand sich auf der Höhe des zehnten Schneckenelements mit einer Gangsteigung von 35 mm. Die stromaufwärts gelegene Ausgabeöffnung befand sich am siebten Schneckenelement mit einer Gangsteigung von 50 mm. Die Länge des Extraktionsweges bzw. die Entfernung zwischen Zuführöffnung und Ausgabeöffnung liegt ungefähr bei 50 cm. Weiter aufwärts, auf der Höhe des ersten Schneckenelements mit einer Gangsteigung von 50 mm ist eine Ausgabeöffnung zum ersten Auspressen des Ausgangsmaterials ohne Zusatz von Extraktionsflüssigkeit oder Lösungsmittel vorhanden.
• Mit Hilfe einer solchen Konfiguration lässt sich ein stabiler Gegenstrom-Extraktionsprozess bei einer Geschwindigkeit von 25 Umdrehungen pro Minute bei einer Stromstärke von 8 Ampere und einem Druck am Extruderauslass von 2 bar erreichen. Die Temperatur der Extruderwand an der Zuführung und an der Ausgabe lag bei 25ºC bzw. 32ºC. Bei diesen Einstellungen wurden 210,00 g Chicoree pro Minute (d. h. 186,90 g/min Wasser und 23,10 glmin Feststoffe) in den Extruder eingebracht. Beim ersten Auspressen des Ausgangsmaterials wurden 125,66 g/min Chicoree (d. h. 116,49 g/min Wasser und 9,17 g/min Feststoffe) entnommen. Die übrigen 84,34 g/min Chicoree wurden in der Extraktionszone im Gegenstrom mit 125,00 g/min Wasser in Kontakt gebracht. In Tabelle 2 ist die Bilanz der Bestandteile angegeben. Mit Hilfe der HPLC wurden die Zuckerstoffe im Hinblick auf deren Molekulargröße analysiert (Monosaccharide, Disaccharide, Trisaccharide, etc.). Tabelle 2
• Die Ausbeute aus dem ersten Auspressschritt (Verhältnis zwischen der Menge ausgepressten Zuckers und der Zuckermenge im Ausgangsmaterial) liegt bei 65%. Die Ausbeute in der Extraktionszone (Verhältnis zwischen extrahiertem Zucker und in die Extraktionszone eingeführtem Zucker) liegt bei 63%. Die Gesamtausbeute des Prozesses (gewonnene Gesamtzuckermenge zur Zuckermenge im Ausgangsmaterial) beträgt 88%.
• In Anbetracht der kurzen Strecke, auf der die Gegenstromextraktion erfolgt, handelt es sich bei dem beschriebenen Extruder um eine hoch effiziente Extraktionsvorrichtung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Extraktion einer Substanz aus einem Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial in einem Extruder mit einer Extraktionsflüssigkeit zusammengebracht wird, wobei das Ausgangsmaterial entlang eines Extrusionskanals in einer Fördereinrichtung bewegt wird und wobei der Extruder mindestens zwei zueinander beabstandete Druckerhöhungselemente mit einer Niederdruckzone und einer stromab davon gelegenen Hochdruckzone zwischen den Elementen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionsflüssigkeit über eine Zuführöffnung in oder nahe der Hochdruckzone in den Extruder eingeleitet wird, anschließend im Gegenstrom zur Transportrichtung des Ausgangsmaterials in die Niederdruckzone gelangt und über eine Ausgabeöffnung in oder nahe der Niederdruckzone aus dem Extruder ausgegeben wird, wobei das Ausgangsmaterial kontinuierlich in Transportrichtung der Niederdruckzone zugeführt und kontinuierlich in Transportrichtung aus der Hochdruckzone ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Niederdruck- und Hochdruckzone stromaufwärts zur ersten Nieder- und Hochdruckzone angeordnet ist, wobei dem Extruder in oder nahe der zweiten Hochdruckzone eine Extraktionsflüssigkeit zugeführt wird und wobei die Extraktionsflüssigkeit in oder an der zweiten Niederdruckzone aus dem Extruder ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Extraktion das Ausgangsmaterial aus dem Extruder einer Trocken- bzw. Presseinrichtung zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein organischer Stoff ist.

5. Extraktionsvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4 mit einem Extruder mit: einer Zuführung (4), einem Extrusionskanal (2) und einer im Extrusionskanal befindlichen Schnecke (S) mit einer Niederdruckzone (I) und einer stromab davon gelegenen Hochdruckzone (h), dadurch gekennzeichnet, dass in oder nahe der Hochdruckzone (h) eine Zuführöffnung (t&sub2;, t&sub3;, t&sub4;) in der Wand (3) des Extrusionskanals (2) zum Einleiten der Extraktionsflüssigkeit ausgebildet ist und dass in oder nahe der Niederdruckzone (1) eine Ausgabeöffnung (a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;) in der Wand (3) des Extrusionskanals (2) zur Abgabe der eingeleiteten Extraktionsflüssigkeit ausgebildet ist, wobei die Ausgabeöffnung (a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;) eine Siebvorrichtung aufweist, welche das Ausgangsmaterial im Extrusionskanal nicht durchqueren kann.

6. Extraktionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Gangsteigung der Schnecke (S) in der Niederdruckzone (I) größer als in der Hochdruckzone (h) ist.

7. Extraktionsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schneckenelemente auf beiden Seiten einer Hochdruckzone (h) eine entgegengesetzte Gangsteigung aufweisen.

8. Extraktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit mindestens einer weiteren Hoch- und Niederdruckzone stromabwärts der ersten Hoch- und Niederdruckzone und mindestens einer weiteren Zuführöffnung für eine Extraktionsflüssigkeit in oder nahe der zusätzlichen Hochdruckzone und einer weiteren Ausgabeöffnung in oder nahe der zusätzlichen Niederdruckzone.

9. Extraktionsvorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus Modulen (M&sub1;, M&sub2;) aufgebaut ist, die miteinander verbunden werden können, von denen jedes eine Hochdruckzone (h) und/oder eine Niederdruckzone (I) und/oder eine Zuführöffnung und/oder eine Ausgabeöffnung sowie Verbindungselemente (6, 7) zum Zusammenfügen der Module aufweist.

10. Extraktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zuführöffnung (t&sub2;, t&sub3;, t&sub4;) mit einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen der Extraktionsflüssigkeit unter Druck ausgestattet ist.