DE3016917C2 - Verfahren zum Trennen von Stoffgemischen durch Extraktion und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Stoffgemischen durch Extraktion, bei dem das Stoffgemisch mit einem neutralen, gesundheitlich unbedenklichen, im überkritischen Zustand befindlichen Gas eine vorausbestimmte Zeit extrahiert wird, bei dem ferner das mit dem zu extrahierenden Stoff angereicherte Gas entspannt wird und sich der extrahierte Stoff von dem Gas abscheidet, und wobei das Gas widerum in devi überkritischen Zustand überführt und im Kreislauf zu dem Stoffgemisch zurückgeführt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist bereits bekannt. Es beruht auf der Beobachtung, daß Fluide bzw. durch Druck- und/oder Temperaturerhöhung in einen überkritischen Bereich gebrachte Gase die Eigenschaft haben, besonders intensiv als Lösungsmittel zu wirken. Fluide Gase im überkritischen Zustand, also oberhalb der kritischen Temperatur sowie oberhalb des kritischen Druckes, können also lösliche Stoffe aus Stoffgemischen aufnehmen und eine überkritische Lösung bilden. Die Menge des Stoffes, welches in dem fluiden Gas gelöst wird, beträgt ein Vielfaches von der Menge, die aufgrund des Dampfdruckes bei der gegebenen Temperatur zu erwarten gewesen wäre. Zur Extraktion von Stoffen insbesondere aus Pflanzenprodukten verwendet man ein inertes Gas. welches also neutral und gesundheitlich unbedenklich ist. Hierfür verwendet man in der Praxis bevorzugt Kohlendioxid, dessen überkritischer Bereich oberhalb eines Druckes von etwa 73 bar und oberhalb einer Temperatur von etwa 33°C liegt. In besonderen Fällen können aber auch andere Gase wie z. B. Äthylen Verwendung finden.

Das bekannte Verfahren läuft im wesentlichen wie folgt ab: Zunächst wird in einen Hochdruckbehälter das zu trennende Stoffgemisch eingefüllt. Nach dem Füllen wird überkritisches Gas eingeleitet, welches auf das Stoffgemisch einwirkt, so daß eine überkritische Lösung gebildet wird. Diese überkritische Lösung, die also aus dem überkritischen Gas und dem gelösten Stoff besteht, wird nach einer vorausbestimmten Zeit in einen Entmischungsbehälter geleitet. In diesem Entmischungsbehälter wird der überkritische Zustand der Lösung durch Druck- und/oder Temperaturminderung aufgehoben. Dadurch erfolgt selbsttätig die Entmischung von Gas einerseits und dem gelösten Stoff andereseits. Dieser aus dem ursprünglichen Stoffgemisch abgetrennte Stoff wird als das gewonnene und gewünschte Produkt nach dem unteren Teil des Entmischungsbehälters abgesetzt und kann zur Weiterverarbeitung abgezogen werden. Das von dem vorher gelösten Stoff befreite Gas steigt auf und kann aus dem oberen Teil des Entmischungsbehälters abgezogen und im Kreislauf zur Wiederverwendung zurückgeführt werden.

Dieses bekannte Extraktionsverfahren bringt trotz seiner geschilderten Vorteile in der Praxis wesentliche Nachteile mit sich. Ein Nachteil besteht darin, daß nur charchenweise gearbeitet werden kann, d. h. daß man nach Einfüllen des Stoffgemisches und Aufbringen des überkritischen Gases eine lange, meist mehrstündige Verweilzeit in kauf nehmen muß, ehe die überkritische Lösung abgezogen und die Trennung zwischen dem gewonnenen Stoff und dem Gas im Entmischungsbehälter vorgenommen werden kann. Bei größeren anfallenden Mengen von Stoffgemischen, die verarbeitet werden sollen, sind sehr große und kostspielige Hochdruckbehälter erforderlich. Außerdem sind auch die übrigen Vorrichlungsteile, nämlich der Entmischungsbehälter sowie die Druck- und Heizeinrichtung, die zum Überführen des Gases in den überkritischen Zustand erforderlich ist, sehr groß zu bemessen, wobei sich der weitere Nachteil ergibt, daß gerade diese ebenfalls sehr kost-

spieligen Vorrichtungsteile nur jeweils kurzzeitig im Verhältnis zur Verweilzeit verwendet werden können.

Der Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches diese Nachteile vermieden werden, durch welches also ein·; weitgehend kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht und bei kleineren Mengen von Stoffgemischen insgesamt eine wensentlich größere Leistung erzielt wird, und zwar bei bleibender Qualität des gewonnenen Stoffes und puter Wirtschaftlichkeit.

Die gestrUte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas im überkritischen Zustand schrittweise nacheinander — jeweils unter Einhaltung einer vorausbestimmten Zeit — einer Mehrzahl von voneinander getrennten gleichartigen Stoffgemischen zugeführt wird und erst danach zur Abscheidung des extrahierten Stoffes entspannt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und zwar mit einer Aufnahmeeinrichtung für das Stoffgemisch, ferner mit einer Fördereinrichtung zum Zuführen des Rohrproduktes und Abführen des extrahierten Restproduktes, außerdem mit einem Kreislauf für ein neutrales, gesundheitlich unbedenkliches Gas, wobei der Kreislauf eine Druck- und/oder Heizeinrichtung zum Überführen des Gases in den überkritischen Zustand sowie einen Entspannungs- oder Entmischungsbehälter aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung aus e^;ner Mehrzahl von Aufnahmebehältern besteht, welche je mit einer Zuführungseinrichtung für das Rohprodukt verbunden sind, daß die Aufnahmebehälter durch Rohrleitungen in Reihe miteinander verbunden sind und die Rohrleitungen mittels Ventilen absperrbar sind, und daß jeder Aufnahmebehälter mittels dieser Rohrleitungen an dem Gaskreislauf angeschlossen und diesem gegenüber mittels dieser Ventile absperrbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 6 bis 10.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung im Schema dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung einer Vorrichtung mit vier nebeneinander angeordneten Aufnahmebehältern und

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrensablaufs.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine Vorrichtung mit vier nebeneinander aufgestellten Aufnahmebehältern 3a, 3b, 3c, 3d. Die Aufnahmebehälter sind als Hochdruckbehälter ausgebildet. Die Anzahl der Hochdruckbehälter ist davon abhängig, wie lang die gesamte Verweilzeit bzw. voraustestimmte Extraktionszeit ist, die wiederum von dem betreffenden Stoffgemisch und dem gewählten Gas abhängig ist. Bei einer vierstündigen Extraktionszeit werden, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, vorteilhaf'erweise vier Aufnahmebehälter verwendet, wobei der jweilige Inhalt des Aufnahmebehälters der gewünschten Stundenleistung der Vorrichtung entspricht. An die vier Aufnahmebehälter 3a, 3b, 3c und 3d ist vorteilhafterweise eine gemeinsame Zuführungseinrichtung 2 angeschlossen. Die Zuführungseinrichlung 2 ist zweckmäßigerweise als durch einen Motor 2a angetriebene Schnecke ausgebildet, die allseitig von cir'em Mantel umgeben ist und die gleichzeitig als Dosiereinrichtung dient. Das zu behandelnde Stoffgemisch vvi'd in Kichtung des Pfeiles I über einen Trichter o. dgl. in die Zuführungseinrichtung 2 eingegeben und von dieser wahlweise dosiert auf einen der vier Aufnahmebehälter verteilt Zu diesem Zweck besitzt die gemeinsame Zuführungseinrichtung je Aufnahmebehäher einen zum oberen Eide des Aufnahmebehälters führenden Abzugsstutzen 2b, 2c, 2c/und 2e. Jeder Abzugsstutzen ist mit einem Einfüllventil 24,25,26 und 27 ausgestattet. Zur dosierten Aufgabe des zu behandelnden Stoffgemisches z. B. in den Aufnahmebehälter 3a wird das Einfüllventil 24 geöffnet während die übrigen Einfüllventile 25, 26 und 27 geschlossen bleiben. Während dieses Einfüilvorganges bleibt auch das Ablaßventil 34 am Aufnahmebehälter 3a geschlossen. Es versteht sich, daß das aufgegebene Stoffgemisch vorher gereinigt und entsprechend vorbehandelt worden ist. Vorteilhafterweise wird das zu extrahierende Stoffgemisch vor der Aufgabe geschrotet oder grob zerkleinert Das Auffüllen der übrigen Aufnahmebehälter erfolgt im Zeittakt entsprechend.

Die Aufnahmebehälter 3a, 3b, 3c und 3d sind durch Rohrleitungen 9a, 9b, 9c, 9d und 43, 44, 45 am unteren Behälterende als auch durch Rohrleitungen 10, II, 12, 13 und 36, 37, 38, 39 am oberen Behälterende in Reihe miteinander verbunden. Die Rohrleitungen sind mittels Ventilen 18 bis 23, 49 und 28 bis 33, 35 wahlweise absperrbar. Außerdem ist das untere Ende der Behälter 3£>, 3c und 3d über Rohrleitungen 46, 47 und 48 und über Absperrventile 28, 29 und 31 mit der oberen gemeinsamen Verbindungsrohrleitung 10, 36, 37, 38 und 39 ver- bunden. Schließlich ist jeder Aufnahmebehälter, wie Fig. 1 verdeutlicht, über diese Rohrleitungen an einen gemeinsamen Gaskreislauf angeschlossen und diesem gegenüber mittels der beschriebenen Ventile absperrbar. Zum Absperren gegenüber dem gemeinsamen Gaskreislauf dient vor allem das Absperrventil 33.

Von diesem Ventil 33 führt eine Rohrleitung 41 zu einem Wärmetauscher 14, der über eine Rohrleitung 42 mit dem Entspannungs- oder Entmischungsbehälter 17 verbunden ist. Dieser Entspannungsbehälter 17 besitzt am unteren Ende einen Abzug 15 für den zu gewinnenden Stoff. Das Gas strömt am oberen Ende des Entmischungsbehälters 17 über eine Rohrleitung 16 zu einem Gasvorratsbehälter 4, gelangt über eine weitere Rohrleitung 5 und einen Wärmetauscher 6 zu einem Kompressor 7 oder einer anderen geeigneten Flüssiggaspumpe, schließlich über eine Rohrleitung 7a zu einem weiteren Wärmetauscher 8. Der Gaskreislauf wird dann geschlossen über eine Rohrleitung 9, die zweckmäßig an einem Anschluß zwischen den beiden Rohrleitungen 9a

so und 43 endet.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 1 ist im wesentlichen folgende: Wenn der Aufnahmebehälter 3a mit dem zu behandelnden Stoffgemisch gefüllt ist, wird das Einfüllventil 24 geschlossen und nach öffnen

v> des Ventiles 18 wird das neutrale, inerte Gas, z. B. Kohlendioxid, über den Wärmetauscher 6 und dem Kompressor 7 und den weiteren Wärmetauscher 8 in Form von überkritischem Gas in den Aufnahmebehälter 3a eingeleitet, und zwar solange, bis das ganze Stoffgemisch überdeckt ist. Das fluide Gas verbleibt während der Dauer einer vorausbestimmten Verweilzeit in diesem Aufnahmebehälter 3a.

Während dieser Verweilzeit wird der zweite Behälter 3b nach Öffnen des Einfüllventiles 25 von der Zufüh-

b5 rungseinrichiung 2 gefüllt, wobei das Ablaßventil 34 geschlossen bleibt. Sobald dieser Aufnahmebehälter 3b gefüllt ist. wird das Einfüllventil 25 geschlossen. Nach Ablauf der Verweilzcit im Aufnahmebehälter 3u wird

das Ventil 28 geöffnet, während das Ventil 35 geschlossen bleibt, so daß das fluide Gas aus dem Aufnahmebehälter 3a über die Rohrleitungen 10 und 46 im überkritischen Zustand in den Aufnahmebehälter 3b überströmen kann. Während der Dauer der Vcrwcilzeit in dem Behälter 3a hat sich das überkritische Gas mil einem Anteil des zu trennenden Stoffes angereichert, so daß dieser Stoffanleil mit in den Aufnahmebehälter 3b gelangt. Sobald dieses angereicherte Gas in den Aufnahmebehälter 3b vollständig übergeführt ist, wird das Ventil 28 geschlossen. Zuvor war auch das Einfüllventil 25 geschlossen worden. Sodann wird das Ventil 18 geöffnet, so daß von dem Gasbehälter 4 frisches Gas im überkritischen Zustand in den Aufnahmebehälter 3a einströmen kann, bis das hierin enthaltene, zu behandelnde Stoffgemisch wieder voll bedeckt ist.

Während dieser vorgenannten Zeit wird der Aufnahmebehälter 3c über das geöffnete Einfüllveniil 26 von der Zuführungseinrichtung 2 mit Stoffgemiseh gefüllt, und zwar wieder bei geschlossenem Ventil 34. Daraufhin erfolgt wieder eine Überführung des angereicherten Gases von dem Aufnahmebehälter 3b zu dem Aufnahmebehälter 3c und weiterhin von dem Aufnahmebehälter 3a zu dem Aufnahmebehälter 3b wie zuvor beschrieben wurde. Der Aufnahmebehälter 3a wird sodann wieder über das geöffnete Ventil 18 mit frischem Gas in überkritischem Zustand beaufschlagt.

Während der Verweilzeit der drei Aufnahmebehälter 3a, 3b und 3c wird schließlich der Aufnahmebehälter 3d über das geöffnete Einfüllventil 27 von der Zuführungseinrichtung 2 mit Stoffgemiseh beschickt und das Einfüllventil 27 geschlossen. Nach entsprechender Verweilzeit wird das Ventil 31 geöffnet, wobei das Ventil 32 geschlossen bleibt. Somit kann das angereicherte Gas aus dem Aufnahmebehälter 3c in den Aufnahmebehälter 3d überströmen, und zwar solange, bis der Aufnahmebehälter 3d gefüllt und das darin enthaltene Stoffgemiseh voll bedeckt ist. Nach Schließen des Ventiles 31 erfolgt schrittweise wieder das Überströmen des Gases von den einzelnen vorausgegangenen Behältern. Der erste Aufnahmebehälter 3a wird schließlich zum vierten Mal mit frischem Inertgas beschickt. Nach einer Verweilzsit von in diesem Beispiel einer Stunde erfolgt wiederum ein schrittweises Überführen des Inertgases. Sobald der Aufnahmebehälter 3a von Gas befreit ist, kann der vollständig extrahierte Rückstand aus diesem Behälter durch das Ablaßventil 34 abgelassen werden.

Das Gas wird also nach jeweils einer Verweilzeit von in diesem Ausführungsbeispiel einer Stunde schrittweise wie beschrieben von den Aufnahmebehältern 3a zu 3b und von hier zu 3c und schließlich zu 3d überführt. Dadurch reichert sich das Gas in dem ersten Aufnahmebehälter um etwa ein Viertel bzw. 25% des zu extrahierenden Stoffes an, in dem zweiten Aufnahmebehälter 3b um ein weiteres Viertel, also insgesamt um etwa 50%, in dem dritten Aufnahmebehälter 3c um wiederum ein Viertel, d. h. bis zu etwa 75%, um schließlich in dem letzten Aufnahmebehälter 3d die volle Sättigung mit 100% des zu extrahierenden Stoffes angereichert zu sein. Es versteht sich, daß in der Reihenfolge des Überführens des Gases immer derjenige Aufnahmebehälter vorher von Gas entleert werden muß, in den das Gas vom Nebenbehälter überführt wird. Das vollständig gesättigte Gas mit dem enthaltenen Stoff kann nun nach Öffnen des Ventiles 33 über die Rohrleitungen 40 und 41 sowie über den Wärmetauscher 14 in den Entspannungs- oder Entmischungsbehälter 17 übergeleitet werden. Dort erfolgt eine Druck- und/oder Temperaturminderung und damit eine Entspannung unter den kritischen Bereich das Gases, so daß sich das Gas selbsttätig von dem milgeführien Stoff trennt. Das Gas gelangt zur Wiederverwendung in den Gasbehälter 4 zurück. Der j gewonnene Stoff kann über den Abzug 15 abgeleitet weiden.

Auf diese Weise ist ein ständiger Kreislauf des Inertgases gesichert und es wird eine vollständige restlose ('i\iraktion des zu gewinnenden Stoffes erreicht.
id Durch entsprechende· Umschalten der erläuterten Ventile ist es möglich und vorteilhaft, die Reihenfolge der Aufnahmebehälter derart zu wechseln, daß nacheinander jeder Aufnahmebehälter mit frischem überkritischen Gas beaufschlagt wird. Wenn man z. B. den Aufnahmcbehälter 3b mit frischem Gas beschicken will, so weiden die Ventile 18 und 20 geschlossen und die Ventile 19 und 22 geöffnet. Wenn man teilgesättigtes Gas von dem letzten Aufnahmebehälter 3d zu dem ersten Aufnahmebehälter 3a überleiten will, so kann dies unter 2(i Schließen der Ventile 28, 29, 31 und 33 und nach Öffnen der Ventile 35, 30 und 32 erfolgen. Man kann aber auch eine ventilgesicherte Verbindungsrohrleitung zwischen den Rohrleitungen 9a und 46 vorsehen und die Gaszufuhr über das Ventil 28 vornehmen.

F i g. 2 zeigt in anschaulicher Weise, wie sich das Gas während der einzelnen Verweilzeiten in den vier nacheinander geschalteten Aufnahmebehältern anreichert und wie andererseits das in den Aufnahmebehältern befindliche Sloffgemisch von dem zu gewonnenden Stoff extrahiert wird. Es sei bemerkt, daß F i g. 2 die einzelnen Verfahrensschritte veranschaulicht, wobei der Einfachheit halber nur im unteren Teil die vier nebeneinander gestellten Aufnahmebehälter gezeichnet sind, in den drei oberen Spalten dagegen 3 bzw. 2 bzw. 1 Behälter der Einfachheit halber nicht gezeichnet sind, weil diese ohnehin bei Beginn des Verfahrens noch leer und weder mit Stoffgemiseh noch mit Gas gefüllt sind. Sobald aber erst einmal die oben erläuterten Verfahrensschritte für alle vier Behälter durchgelaufen sind, wiederholt sich der gesamte Vorgang entsprechend.

Es ist auch möglich, durch anderweitige Bedienung der Ventile der Vorrichtung anstatt der erläuterten Gegenstromextraktion eine andere Beaufschlagung der Aufnahmebehälter durchzuführen. Man kann also beispielsweise statt jeweils nur eines Behälters auch zwei oder alle Aufnahmebehälter gleichzeitig oder unter einer gewissen Versetzung der Füllzeiten durchführen. Das gleiche gilt auch für das Zuleiten des Gases. Das gleichzeitige Beschicken von mehreren Aufnahmebehaltern empfiehlt sich, wenn ausnahmsweise nicht eine möglichst kontinuierliche Stoffgewinnung gewünscht wird, sondern einmal eine besonders große Menge zu einem bestimmten Zeitpunkt gewünscht wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß die Aufnahmebehälter im Kreis zueinander aufgestellt sind, in diesem Falle empfiehlt es sich, die Zuführungseinrichtung derar auszuführen, daß ein zentraler Einfülltrichter vorgesehen wird, der über im Kreis umlaufende anderweitige Fördermittel wie erläutert in Zeitintervallen nacheinander mit Stoffgemiseh zu füller, gestattet. Auch das Entleeren der extrahierten Rückstände kann dann über einen zentralen Auffangbehälter erfolgen.

Die oben beschriebene Vorrichtung eignet sich besonders für die Extraktion von Pflanzenölen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von Stoffgemischen durch Extraktion, bei dem das Stoffgemisch mit einem neutralen, gesundheitlich unbedenklichen, im überkritischen Zustand befindlichen Gas eine vorausbestimmte Zeit extrahiert wird, bei dem ferner das mit dem zu extrahierenden Stoff angereicherte Gas entspannt wird und sich der extrahierte Stoff von dem Gas abscheidet, und wobei das Gas wiederum in den überkritischen Zustand überführt und im Kreislauf zu dem Stoffgemisch zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im überkritischen Zustand schrittweise nacheinander — jeweils unter Einhaltung einer vorausbestimmten Zeil — einer Mehrzahl von voneinander getrennten gleichartigen Stoffgemischen zugeführt wird und erst danach zur Abscheidung des extrahierten Stoffes entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zu- und Abführen jedes einzelnen Stoffgemisches im entspannten Zustand während der Dauer der Extraktionszeit der anderen Stoffgemische vorgenommen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Aufnahmeeinrichtung für das Stoffgemisch, ferner mit einer Fördereinrichtung zum Zuführen des Rohproduktes und Abführen des extrahierten Restproduktes, außerdem mit einem Kreislauf für ein neutrales, gesundheitlich unbedenkliches Gas, wobei der Kreislauf eine Druck- und/oder Heizeinrichtung zum Überführen des Gases in den überkritischen Zustand sowie einen Entspannungs- oder Entmischungsbehälter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung aus einer Mehrzahl von Aufnahmebehältern (3a, 3b, 3c, 3d) besteht, welche je mit einer Zuführungseinrichtung (2) für das Rohprodukt verbunden sind, daß die Aufnahmebehälter durch Rohrleitungen (9a,9b, 9c, 9d; 43,44,45; 10,11,12,13;36,37,38, 39; 46, 47, 48) in Reihe miteinander verbunden sind und die Rohrleitungen mittels Ventilen (18 bis 23,49; 28 bis 33,35) absperrbar sind, und daß jeder Aufnahmebehälter mittels dieser Rohrleitungen an dem Gaskreislauf angeschlossen und diesem gegenüber mittels dieser Ventile absperrbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Aufnahmebehälter (3a, 3b, 3c, 3d)eine gemeinsame Zuführungseinrichtung (2) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreislauf im Anschluß an den letzten Aufnahmebehälter ein Wärmetauscher (14) vorgesehen ist, dem der Entspannungsbehälter (17) nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Zuführungseinrichtung (2) je Aufnahmebehälter (3a, 3b, 3c, 3d) einen zum oberen Ende des Aufnahmebehälters führenden Abzugsstutzen (2b, 2c, 2d, 2e) und dieser je ein Einfüllventil (24,25,26,27) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebehälter (3a, 3b, 3c, 3d) im Kreis zueinander aufgestellt sind.

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