Nachhaltige Extraktion mit Kohlenstoffdioxid

Oszillierende Verdrängerpumpen

Kohlenstoffdioxid wird insbesondere in der Lebensmittel-, Getränke-, Kosmetik- und Pharmaindustrie zur Gewinnung von Naturstoffen, Aromen, Fetten, Ölen, Wachsen, Polymeren, Enzymen sowie Farbstoffen eingesetzt, und zwar im sogenannten überkritischen Aggregatzustand. Denn trotz seines schlechten Rufes als Treibhausgas ist CO2 ein natürliches und umweltfreundliches Lösungsmittel, das gegenüber synthetischen und gesundheitsschädlichen Medien, wie z. B. n-Hexan, nachhaltig punktet. Beim Verfahren der überkritischen CO2-Extraktion kommen bevorzugt oszillierende Verdrängerpumpen von URACA zum Einsatz.

Bei der Aufbereitung von Hopfen für die Bierproduktion ist das Verfahren der überkritischen CO2-Extraktion gängige Praxis. Hier kommen hoch spezialisierte URACA Hochdruck-Plungerpumpen zum Einsatz.

Pumpen & Systeme

Die überkritische CO2-Extraktion ist ein Verfahren, das auf eine lange Tradition zurückblicken kann. Vor mehr als 50 Jahren begannen Forscher und Entwickler, sich mit diesem Thema zu befassen, und die Entwicklung erster Anlagen, wie z. B. für entkoffeinierten Kaffee, ließ nicht lange auf sich warten. Wie kommt das Koffein aus der Kaffeebohne? Das Kohlenstoffdioxid wird unter sehr hohem Druck verdichtet, so dass sich der gewünschte Inhaltsstoff vom Rohstoff löst. Eine Senkung des Drucks bewirkt, dass das Kohlenstoffdioxid die gelösten Substanzen wieder abgibt: Ein Extrakt entsteht.

Um krankheitsfördernde, giftige und damit gefährliche Spuren in einem Produkt zu vermeiden, ist es sicherer, komplett auf den Einsatz organischer Lösungsmittel zu verzichten. Die umweltgerechte Entsorgung chemischer Lösungsmittel ist mit einem hohen Aufwand und signifikanten Kosten verbunden. Für jeden Hersteller, der sich Nachhaltigkeit auf die Fahnen geschrieben hat, entstehen Zielkonflikte.

In den letzten Jahren wurde der Druck in den Extraktionsverfahren von ca. 300 bar auf ca. 1.000 bar erhöht, was eine verkürzte Verfahrensdauer bedeutet, das heißt, auf sanftere und schonendere Weise können wirksamere Inhaltsstoffe produziert werden. Das macht den kommerziellen Einsatz insgesamt wirtschaftlicher und effektiver. Der weiterhin anhaltende Trend der Konsumenten zu biologischen Produkten im Allgemeinen unterstützt diese Entwicklung.

Warum das CO2-Extraktionsverfahren weiterhin im Trend liegt

Eine klassische Anwendung für dieses Verfahren findet sich in der Bierherstellung: Mit der selektiven Extraktion von Alpha- und Beta-Säuren wird das Spektrum der Bitterstoffe des in der Natur gewachsenen Hopfens je nach Geschmacksrichtung entsprechend verändert. Wie aromareich, wie mild oder wie bitter ein Bier schmeckt, kann mit dieser Art von „Beverage-Design“ beeinflusst werden. Ein Hopfenextrakt ohne Bitterstoffe führt dazu, dass sich Trendgetränke wie beispielsweise „Hopfenlimonade“ mit besonderen Geschmacksnoten auf dem Markt etablieren. Die gewonnene Flexibilität erlaubt es Herstellern, auf die Trends der Konsumenten einzugehen und auf Kundenbedürfnisse zugeschnittene gesunde Produkte herzustellen. Auch in der Medizin rücken sensible Stoffe aus der Naturheilkunde vermehrt in den Fokus. Um diese für die Präventivmedizin oder Therapeutik zu gewinnen, werden immer intelligentere und feinabgestimmte Verfahrenstechniken entwickelt und eingesetzt. Ebenso gibt es in der Naturkosmetik, die Konsumenten verstärkt nachfragen, verschiedenste Allergene, die es aus den Substanzen zu extrahieren gilt.

Speziell angepasste URACA Hochdruck-Plungerpumpen eignen sich besonders für den Einsatz in der CO2-Extraktion.

Das Funktionsprinzip der CO2-Extraktion

Drei Stichworte beschreiben den Prozess: Extraktion, Separation und Kondensation 

Zunächst wird flüssiges CO2 unterkühlt und der Pumpe zugeführt. Durch starke Kompression auf bis zu 1.000 bar wird das CO2 gleichzeitig erwärmt und in einen überkritischen Zustand gebracht. Unter diesen Bedingungen weist es sowohl die Merkmale eines Gases als auch einer Flüssigkeit auf und zeichnet sich vor allem aufgrund seines hervorragenden Lösungsvermögens aus. Durch seine hohe Fließfähigkeit dringt überkritisches CO2 in kleinste Poren von Lebensmitteln ein und löst die gewünschten Stoffe aus dem Rohmaterial. Durch anschließendes Entspannen und Erwärmen wird das überkritische CO2 wieder gasförmig und verflüchtigt sich restlos, wodurch lediglich das reine Extrakt übrigbleibt. Durch seine Inertheit reagiert CO2 nicht mit dem Extrakt und verfälscht auch nicht dessen Eigenschaften.

Weitere Informationen finden Sie hier: https://www.hopsteiner.com/de/

Vergleich aus der „Bier-Praxis“:

Chemische Hopfen-Extraktion mit Ethanol versus CO2 als Lösungsmittel

Bei diesem sicherlich nicht vollständigen Vergleich werden punktuell die Fakten aus den Bereichen Herstellung, Zusammensetzung, Reinheit und Wirtschaftlichkeit betrachtet. Als Ausgangspunkt werden beim kontinuierlichen Prozess des Extraktionsverfahrens mit Gärungsalkohol Hopfendolden bei Temperaturen von ca. 60 °C verarbeitet. Bei Verwendung von CO2 spricht man von einem Chargenprozess mit überkritischem Kohlenstoffdioxid als Lösungsmittel. Das Ausgangsprodukt sind Hopfenpellets, die bei Temperaturen von unter 60 °C und bei Extraktionsdrücken von bis zu 300 bar verarbeitet werden.

Je nach sortentypischer Zusammensetzung sind im Ethanol-Extrakt alle Bitterstoffe enthalten, während bei CO2 die selektive Extraktion von sogenannten Alpha- oder Beta-Säuren möglich ist, so dass die unspezifischen Bitterstoffe, welche der Hopfen mit sich bringt, im Extrakt kaum noch enthalten sind. Beim Prozess ist eine Extraktion von enthaltenen Pflanzenschutzmitteln, Nitraten und Schwermetallen sehr gut zu erzielen, wobei die CO2-Applikation bessere Werte erzielt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Produktionskosten beim CO2-Extraktionsverfahren etwas höher, da zunächst Hopfenpellets für den Prozess hergestellt werden müssen und es sich um einen Chargenprozess handelt. Die Haltbarkeit des Ethanol-Extraktes liegt bei ca. einer Woche und die des CO2-Extraktes bei ca. zwei Wochen, wobei mit geeigneter Lagertemperatur die abgepackten Extrakte sechs Jahre und mehr haltbar sein können.

Die Herausforderung für die Pumpentechnologie ist das Medium CO2, das unter normalen Umgebungsbedingungen gasförmig ist. Durch genaue Überwachung der Prozessparameter muss es immer im flüssigen Zustand gehalten werden, damit es nicht zu Schäden durch Kavitation in der Pumpe kommt. Schlechte Schmiereigenschaften und die hohe Kompressibilität von flüssigem CO2 erfordern speziell entwickelte Pumpen mit einer zuverlässigen und hohen Prozesssicherheit. Konkret bedeutet dies, dass für die CO2-Anwendung die Pumpe speziell entwickelt sein muss: Das Triebwerk muss den durch den hohen Saugdruck entstehenden Stangenkräften standhalten können und für eine optimale Schmierung der Lagerstellen muss gesorgt sein. Druckerhöhungen um bis zu 1.000 bar bedeuten gleichzeitig einen entsprechend hohen Temperaturanstieg: Dies erfordert eine effektive Kühlung des Flüssigkeitsteils mit Kühlkanälen in den Stopfbuchsen und Ventilblöcken.

Da manche Bauteile nicht direkt gekühlt werden können, ist es wichtig, die Werkstoffe und die Konstruktion so aufeinander abzustimmen, dass die Aufnahme der entstehenden Kompressionswärme so gering wie möglich ausfällt. Da das CO2 abwechselnd einer Kompression und einer Expansion unterliegt, ist es erforderlich, die Erwärmung und die damit verbundenen Verluste zu minimieren bzw. zu vermeiden.

Ein weiteres Stichwort in diesem Zusammenhang ist die Schadraumoptimierung im Flüssigkeitsteil der Pumpe: Die Optimierung gewährleistet stets einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Dieser volumetrische Wirkungsgrad erfährt durch steigende Prozessdrücke zunehmend hohe Wichtigkeit. Der volumetrische Wirkungsgrad hat Einfluss auf den Durchsatz und somit auf die Funktion der gesamten Pumpe.

Besonders bei sehr hohen Drücken von bis zu 1.000 bar ist die schadraumoptimierte struktive Ausführung des Flüssigkeitsteils für ein generelles Funktionieren der Pumpe entscheidend. Bei falsch ausgelegten Flüssigkeitskomponenten kann es dazu führen, dass die Pumpe nicht mehr pumpt, sondern nur noch ohne Ausstoß der gewünschten Fördermenge komprimiert und expandiert.

Hochdruck-Plungerpumpen finden Einsatz in der Lebensmittel-, Nahrungsmittelergänzungs-, Kosmetik und Pharmaindustrie.

Hochdruck-Plungerpumpen, die an die speziellen Herausforderungen angepasst wurden, eignen sich besonders für den Einsatz in der CO2-Extraktion. Dazu wurde der Flüssigkeitsteil der Pumpen neu konzipiert und in die unterschiedlichsten bewährten Hochdruck-Plungerpumpenmodelle maßgeschneidert integriert. Die Pumpen werden erfolgreich für verschiedenste CO2-Extraktionsprozesse in den unterschiedlichsten Branchen weltweit eingesetzt, so u. a. in einer Pilotanlage zur CO2-Extraktion von Farb- und Geschmacksstoffen aus Tomaten.

Die Vielfalt der zu extrahierenden Stoffe ist immens, so dass individuell in der Projektierungsphase die exakten Parameter und damit die genaue Ausführung der Hochdruck-Plungerpumpe festgelegt werden müssen. Eine pauschale Aussage, welche Pumpe in einem System die richtige ist, ist schlichtweg nicht möglich. Alle Pumpen vereinen eine robuste und kompakte Bauweise mit innovativer und flexibler Technik und erfüllen damit alle Anforderungen für modernste Fertigungspraxis im Hinblick auf Größe, Gewicht und Energieeffizienz. Die beschriebene Hochdruck-Plungerpumpe erzielt durch ihre Funktionsbauweise einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90 %, das heißt, sie ist in Sachen Energieeffizienz und Nachhaltigkeit als optimal einzustufen.

Der System-Gedanke in der Pumpentechnologie

Das Kundenbedürfnis von heute setzt den System-Gedanken inklusive Plug-and-Play-Lösungen auch in der Pumpentechnologie voraus: Gefordert werden komplette Antriebs- und Steuereinheiten der Pumpenaggregate, bestehend aus einem Frequenzumrichter-Kompaktgerät, einem Asynchron-Drehstrommotor und einer Steuerungs- und Bedieneinheit (siehe Abb.). Der luftgekühlte IE3-Asynchron-Drehstrommotor ist geeignet für die stufenlose Drehzahlregelung über den Frequenzumrichter und fährt die Plungerpumpe im geforderten Arbeitsbereich. Die Frequenzumrichter überwachen Temperatur, Strom und Drehzahl des Motors.

Zur stufenlosen Drehzahl-/Druckregelung des Asynchron-Drehstrommotors dient die am Aggregat angebaute, luftgekühlte Frequenzumrichter-(FU-)Kompakteinheit mit verschiedenen Weitbereichsspannungen und einer nominalen Energieeffizienz von mindestens 97 %. Die komplett anschlussfertige FU-Einheit besteht aus einem Lasttrennschalter für sichere Trennung, Netz- und Motoranschluss, Leistungselektronik, Steuer-, Überwachungs- und Regelteil, EMV-Eingangsfilter sowie FU-Display mit intuitiver Menüführung für sämtliche FU-Funktionen. Sie kann bei Bedarf entsprechend den Kundenbedürfnisse angepasst werden.

Für eine individuelle, sichere und komfortable Pumpenbedien-, Überwachungs- und Regelungsapplikation kann z. B. ein zusätzliches Kleingehäuse mit integrierter S7-Failsafe-SPS eingesetzt werden. Damit kann individuell auf die applikationsspezifischen und kundenseitigen sicheren Funktionen und Forderungen eingegangen werden. Die Anzeige, Bedienung und Parametrierung vor Ort kann über ein komfortables Touchpanel mit intuitiver Menüführung – u. a. mit Parameter-/Sollwerteinstellung sowie Anzeige von Sollwert/ Istwert, Fehler und Status sowie Pumpen und Motordaten – erfolgen. Diskrete und analoge Signale bzw. Busschnittstellen (Standard Profinet) dienen zur Anbindung an eine übergeordnete Steuerung.

Vielfältige Anwendungen für das Bio-Lösungsmittel

In der Lebensmittel-, Nahrungsmittelergänzungs-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sind unzählige Anwendungen zu beobachten: Der Bedarf für die Gewinnung von hochwertigen Ölen, Wachsen, Extrakten, Farb- und Wirkstoffen nimmt stetig zu. Die Naturstoffe können durch das Extraktionsverfahren mit dem biologischen CO2 auf verschiedene Weisen veredelt werden: beispielsweise durch den Entzug von Fetten und Ölen, Duftstoffen und Aromen, Wirkstoffen oder Schadstoffen. Sowohl Heilpflanzen als auch gewöhnliche Pflanzenstoffe – wie z. B. Algen, Obst und Gemüse, Beeren und Früchte, Kräuter und Gewürze, Samen, Getreide und Nüsse – dienen als Rohstofflieferanten. Sogar zur Extraktion von Schadstoffen aus kontaminierten Rohstoffen kann dieses Verfahren nützlich sein.

Maßgeschneiderte Pumpen

für unterschiedlichste Prozesse

Prinzipiell geht es bei der Thematik „Extraktion“ immer darum, einen bestimmten Stoff aus dem Ausgangsprodukt zu lösen, um es dann in Reinform zur Verfügung zu stellen und den extrahierten Stoff zur Weiterverarbeitung zu nutzen. Die große Vielfalt an pflanzlichen Rohstoffen erfordert auch eine entsprechende Varianz an Prozessen, wobei die geeigneten Parameter jeweils individuell festgelegt werden müssen, damit die natürlichen Wirkstoffe optimal extrahiert werden.

Durch den Einsatz und das Engineering maßgeschneiderter und standardisierter Antriebs- und Steuerungsbaugruppen stellen hochtechnologische Hochdruck-CO2-Pumpenaggregat-Anwendungen erhebliche Anforderungen an die Prozess- und Personensicherheit. Alle Anlagenteile müssen auf den Prozess, die Funktion, die Sicherheit und die Applikation unter den Gesichtspunkten Energieeffizienz und Anlagenverfügbarkeit abgestimmt sein. Ein optimaler Gesamtwirkungsgrad und ein effizienter Aufbau in kompaktem Design unter Berücksichtigung der Prozess- und Verschleißoptimierung – inklusive der Instrumenten- und Prozessdatenüberwachung des gesamten Pumpenaggregates – sind das Ziel einer modernen und nachhaltigen Fertigungspraxis.