Überkritisches CO2 Extraktion von festen Rohstoffen
Die Extraktion fester Rohstoffe mit überkritischem CO₂ ist die häufigste Anwendung, bei der die einzigartigen Eigenschaften von CO₂ bei hohem Druck genutzt werden. Sie dient der Trennung löslicher von unlöslichen Bestandteilen und lässt sich auf unzählige verschiedene Materialien anwenden.
Für viele Anwendungen hat CO2 gut geeignete Lösungsmitteleigenschaften, die sich durch Änderung von Druck und Temperatur leicht einstellen lassen. Darüber hinaus hat Kohlendioxid im überkritischen Zustand eine sehr niedrige Viskosität und keine Grenzflächenspannung. Daher kann es sehr gut in die Strukturen von festen Rohstoffen eindringen. Diese Eigenschaften machen es für viele verschiedene Prozesse geeignet.
Ein typisches Extraktionssystem mit überkritischem CO₂ ist in der obigen Abbildung schematisch dargestellt. Der Prozess beginnt am Arbeitsbehälter, in dem das CO₂ für den Betrieb gespeichert wird. Anschließend wird es in einer Hochdruckpumpe komprimiert und auf die gewünschte Extraktionstemperatur gebracht. Danach wird es in einen der Extraktionsbehälter geleitet, in denen sich das Trägermaterial befindet. Die Extraktionsbehälter sind mit Schnellverschlüssen ausgestattet, um ein einfaches und sicheres Befüllen und Entleeren zu ermöglichen. Feste Rohstoffe werden in der Regel mittels eines Korbs oder direkt in die Behälter eingefüllt. Mehrere Extraktionsbehälter können zu einem funktionalen System kombiniert werden, sodass die Extraktion trotz des chargenweisen Betriebs der Extraktionsbehälter kontinuierlich durchgeführt werden kann.
Dieser Vorgang wird gemeinhin als halbkontinuierlich bezeichnet und besteht darin, den Durchfluss zwischen den Extraktoren umzuleiten. Nach dem Verlassen der Behälter gelangt das mit Extrakt beladene Kohlendioxid zu den Separatoren, wo die Änderung des Drucks und/oder der Temperatur die Ausfällung des Extrakts aus dem Kohlendioxidstrom bewirkt. Das Extrakt wird anschließend am Boden der Abscheider aufgefangen. Durch den Einsatz von zwei oder mehr Abscheidern, die unter unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen arbeiten, lässt sich CO₂ mit unterschiedlichen Lösungsmitteleigenschaften gewinnen, was eine Fraktionierung des Extrakts in verschiedene Abscheider ermöglicht. Im letzten Abscheider wird das CO₂ in den gasförmigen Zustand expandiert, um alle verbleibenden Verbindungen zu entfernen. Dieses Druckniveau ist von Bedeutung, da eine energieintensive Wiederverdichtung vermieden werden sollte. Nach der Trennung wird das Gas in einem Kondensator verflüssigt, in den Arbeitsbehälter zurückgeführt und steht somit zur erneuten Verwendung bereit.
Warum superkritische CO2-Extraktion
Industrielle Anwendungen
Es gibt eine lange Liste von CO2-Extraktionsanlagen oder -maschinen, aber keine klare Definition, wie groß eine Industrieanlage ist, da dies in der pharmazeutischen Industrie und in der herkömmlichen Lebensmittelindustrie sehr unterschiedlich sein kann. Hier ist eine Liste mit einigen wenigen:
Extraktion von Hopfen:
Hopfen wird weltweit von der Brauindustrie zur Bitterung des Bieres verwendet. Nach der Ernte muss der Hopfen sofort getrocknet werden, um eine bessere Stabilität zu erreichen. Selbst dann ist die Haltbarkeit des Hopfens relativ kurz. Mehr als 30% der weltweiten Hopfenproduktion wird extrahiert, um die Brauindustrie kontinuierlich zu beliefern. Bis 1980 arbeiteten die meisten Extraktionsanlagen mit umweltbelastenden und schädlichen organischen Lösungsmitteln wie Methylenchlorid. Nur eine Minderheit verwendete Ethanol. Seitdem haben fast alle Extraktionsanlagen in den USA, Europa und Australien auf CO2-Extraktion umgestellt. Die weltweit größte Anlage zur CO2-Extraktion von Hopfen wurde von Natex gebaut und 2021 in Deutschland in Betrieb genommen. Sie verarbeitet rund 10.000 Tonnen Rohmaterial pro Jahr.
Entkoffeinierung von Kaffee und Tee:
Die Entkoffeinierung war eines der ersten Verfahren, das auf der Grundlage eines überkritischen CO2-Prozesses industrialisiert wurde. Es nutzt CO2 und Wasser, um Koffein aus grünen Kaffeebohnen oder aus fermentiertem Tee zu entfernen. Der Prozess wurde für Mengen bis zu 10.000 Tonnen pro Jahr realisiert und kann im industriellen Maßstab durch die Verwendung eines isobaren Prozesses energetisch optimiert werden.
Extraktion von Gewürzen und Kräutern:
Gewürze und Kräuter spielen eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben und sind in allen Arten von Lebensmitteln, Getränken, Waschmitteln oder Parfüms zu finden. Überkritisches CO2 ist ein hervorragendes Lösungsmittel für die Konzentration der Aromastoffe, indem es die ätherischen Öle und Oleoresine aus dem Rohmaterial extrahiert. In vielen Fällen sind die Anlagen nicht ausschließlich für ein bestimmtes Produkt bestimmt, sondern werden für eine Vielzahl verschiedener Gewürze und Kräuter verwendet. Das macht deutlich, wie wichtig eine einfache Reinigung und ein schneller Produktwechsel sind. Die größten Anlagen für die Extraktion dieser Arten von Rohstoffen werden an ihrem Ursprungsort installiert, um den volumetrischen Transport und die mikrobielle Kontamination zu vermeiden und die Wertschöpfung im Exportland zu erhöhen. Wichtige Gewürze für die CO2-Extraktion sind:
Reinigung von Kork:
Sekundäre Metaboliten, die durch Pilz- oder Bakterieninfektionen entstehen, können die Korkqualität beeinträchtigen. Der bekannteste davon ist 2,4,6-Trichloranisol (TCA), das für den typischen „Korkgeschmack“ verantwortlich ist und drastische Verluste in der Weinindustrie verursacht. Die Reinigung von verunreinigtem Kork mit überkritischem CO2 wird daher eingesetzt, um das stinkende TCA aus ansonsten gutem Kork zu entfernen und die Herstellung von hochwertigen technologischen Korken zu ermöglichen. Natex arbeitet seit 2003 an diesem Thema und hat 3 große Industrieanlagen mit einer Kapazität zur Reinigung von etwa 4 Milliarden Korken pro Jahr errichtet.
Trocknen von Aerogelen:
Aerogele sind seit Jahrzehnten bekannt und können aus anorganischen Materialien wie Siliziumdioxid oder Metalloxiden oder aus zellulosehaltigen Materialien hergestellt werden. Sie gehören zu einer Gruppe von Materialien mit einer hochporösen Struktur, einem geringen Feststoffgehalt und einer sehr niedrigen Schüttdichte. Sie sind als das leichteste feste Material der Erde bekannt und werden hauptsächlich als Isoliermaterial verwendet, wobei es auch mehrere andere Anwendungen gibt. Aufgrund seiner empfindlichen Struktur ist die überkritische CO2-Extraktion die bevorzugte Methode zur Trocknung, nachdem es hergestellt und ein Lösungsmittelaustausch durchgeführt wurde.
Eiweißkonzentration / Entfettung von Presskuchen:
Das Kaltpressen von Materialien wie Sonnenblumenkernen, Rapssamen, Kürbiskernen, Hanfsamen, Nüssen und anderen ist ein bewährtes Verfahren in der Lebensmittelindustrie. Dabei verbleibt jedoch eine gewisse Menge an Lipiden (6 - 12%) im Rohmaterial, die mit der Zeit ranzig werden und die Qualität und die Verwendungsmöglichkeiten des verbleibenden Proteins verringern können. Dieser verbleibende Anteil kann durch überkritische CO2-Extraktion leicht entfernt werden, um eine hochwertige Proteinquelle zu erhalten.
Unsere Kompetenz bei NATEX Prozesstechnologie GesmbH
Die NATEX Prozesstechnologie GesmbH verfügt über umfangreiche Kenntnisse und Erfahrungen in der Entwicklung von Hochdruckextraktionsverfahren unter Verwendung von überkritischem CO₂. Unsere Fähigkeiten umfassen:
Bei NATEX Prozesstechnologie GesmbH haben wir uns der Weiterentwicklung der CO2-Extraktionsverfahren verschrieben und bieten unseren Kunden innovative Lösungen, die auf praktischen Erfahrungen beruhen.
