Extraction durable par dioxyde de carbone

Pompes volumétriques oscillantes

Le dioxyde de carbone est utilisé notamment dans les industries alimentaire, des boissons, cosmétique et pharmaceutique pour la production de produits naturels, d’arômes, de graisses, d’huiles, de cires, de polymères, d’enzymes et de colorants, dans un état physique dit supercritique. En dépit de sa mauvaise réputation en tant que gaz à effet de serre, le CO2 est un solvant naturel et respectueux de l’environnement, par rapport aux milieux synthétiques et nocifs comme le n-hexane. Dans le processus d’extraction par CO2 supercritique, on favorise l’utilisation de pompes volumétriques oscillantes URACA.

Dans le traitement du houblon pour la production de bière, le procédé d’extraction par CO2 supercritique est une pratique courante. On utilise pour cela des pompes à plongeur haute pression URACA hautement spécialisées.

Pompes et systèmes

L’extraction par CO2 supercritique est un processus jouissant d’une longue tradition. Il y a plus de 50 ans, les chercheurs et les développeurs ont commencé à s’attaquer à ce problème, et les premières installations, par exemple pour produire du café décaféiné, n’ont pas tardé à voir le jour. Comment la caféine est-elle extraite du grain de café ? Le dioxyde de carbone est comprimé sous très haute pression, de sorte que la substance désiré se détache de matière première. En abaissant la pression, le dioxyde de carbone libère à nouveau les substances dissoutes : on obtient alors un extrait.

Afin d’éviter la présence de traces toxiques, nocives et donc dangereuses dans un produit, il est plus sûr de se passer complètement de solvants organiques. L’élimination écologique des solvants chimiques entraîne des efforts importants et des coûts élevés. Chaque fabricant qui mise sur la durabilité se voit alors confronté à des conflits d’objectifs.

Ces dernières années, la pression dans le processus d’extraction est passée d’environ 300 bars à environ 1 000 bars, ce qui a permis de réduire les temps de traitement, et par conséquent de produire des substances de manière encore plus douce et moins agressive. Cela rend l’utilisation commerciale plus économique et efficace dans son ensemble. La tendance persistante des consommateurs envers les produits biologiques en général favorise ce développement.

Pourquoi le processus d’extraction par CO2 est toujours en vogue

Une application classique pour ce processus se trouve dans la production de bière : avec l’extraction sélective des acides alpha et bêta, la gamme des constituants amers du houblon cultivé naturellement change pour obtenir le goût désiré. Ce type de « design de boisson » peut influer sur la saveur, la douceur ou l’amertume d’une bière. Un extrait de houblon sans substances amères conduit à des boissons tendance telles que la « limonade de houblon » avec des saveurs spéciales qui s’imposent sur le marché. La flexibilité acquise permet aux fabricants de répondre aux tendances des consommateurs et de produire des produits sains adaptés aux besoins des clients. En médecine aussi, on s’intéresse de plus en plus aux substances sensibles de la médecine naturelle. Pour pouvoir les utiliser en médecine préventive ou thérapeutique, des techniques de traitement de plus en plus sophistiquées et affinées sont en cours de développement et d’utilisation. De même, les cosmétiques naturelles, qui connaissent une demande croissante, présentent une grande variété d’allergènes à extraire.

Les pompes à plongeur haute pression URACA spécialement adaptées conviennent particulièrement à l’extraction par CO2.

Le principe de fonctionnement de l’extraction par CO2

Trois mots-clés décrivent le processus : extraction, séparation et condensation 

Tout d’abord, le CO2 liquide est sous-refroidi et introduit dans la pompe. La compression élevée jusqu’à 1 000 bar entraîne l’échauffement immédiat du CO2 qui l’amène à un état supercritique. Dans ces conditions, il présente à la fois les caractéristiques d’un gaz et d’un liquide et se caractérise principalement par son excellent pouvoir solvant. Grâce à sa grande fluidité, le CO2 supercritique pénètre dans les plus petits pores des aliments et dissout les substances souhaitées de la matière première. Par la relaxation et le chauffage ultérieurs, le CO2 supercritique redevient gazeux et se volatilise complètement, ne laissant que l’extrait pur. En raison de son inertie, le CO2 ne réagit pas avec l’extrait et n’altère pas ses propriétés.

 

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Comparaison des pratiques du secteur de la bière :

Extraction chimique du houblon avec de l’éthanol ou avec du CO2 en tant que solvant

Dans cette comparaison qui n’est certainement pas exhaustive, on s’intéresse ponctuellement aux faits des domaines de la production, de la composition, de la pureté et de la rentabilité. Le point de départ du processus continu d’extraction est le traitement des cônes de houblon avec de l’alcool de fermentation à des températures d’environ 60 °C. Avec le CO2, on parle d’un procédé discontinu avec du dioxyde de carbone supercritique comme solvant. Comme produit de base on utilise des granulés de houblon à des températures inférieures à 60 °C et à des pressions d’extraction pouvant atteindre 300 bars.

Selon la composition typique de la variété, l’extrait d’éthanol contient toutes les substances amères, alors que le CO2 permet l’extraction sélective des acides alpha ou bêta, de sorte que l’extrait ne contient qu’une quantité très faible des substances amères non spécifiques contenues dans le houblon. Le processus permet d’obtenir efficacement l’extraction des pesticides, des nitrates et des métaux lourds, ce qui donne de meilleures valeurs avec l’application de CO2. D’un point de vue économique, les coûts de production du procédé d’extraction par CO2 sont légèrement supérieurs, car les granulés de houblon doivent d’abord être produits pour le processus et il s’agit d’un processus discontinu. La durée de conservation de l’extrait d’éthanol est d’environ une semaine et celle de l’extrait de CO2 d’environ deux semaines, bien qu’avec une température de stockage appropriée, les extraits emballés peuvent être conservés pendant six ans et plus.

Le défi pour la technologie de pompage est le milieu CO2, qui est gazeux dans des conditions environnementales normales. Une surveillance précise des paramètres du procédé doit toujours le maintenir à l’état liquide pour éviter que la pompe ne soit endommagée par cavitation. Les mauvaises propriétés lubrifiantes et la haute compressibilité du CO2 liquide nécessitent des pompes spécialement conçues avec une fiabilité de processus fiable et élevée. Concrètement, cela signifie que la pompe doit être spécialement développée pour les applications avec du CO2 : le moteur doit pouvoir résister à la pression barométrique élevée provoquée par la forte pression d’aspiration et assurer une lubrification optimale des paliers. Des augmentations de pression pouvant atteindre 1 000 bar signifient une élévation correspondante de la température : cela nécessite un refroidissement efficace de la partie en contact avec le liquide par des canaux de refroidissement dans les presse-étoupes et les blocs de vannes.

Étant donné que certains composants ne peuvent pas être refroidis directement, il est important de faire correspondre les matériaux et la construction afin que l’absorption de la chaleur de compression résultante soit aussi faible que possible. Comme le CO2 subit alternativement compression et expansion, il est nécessaire de minimiser ou d’éviter l’échauffement et les pertes associées.

Un autre mot-clé dans ce contexte est l’optimisation de l’espace mort dans la partie de la pompe en contact avec le liquide : l’optimisation garantit toujours un rendement volumétrique élevé. Cette efficacité volumétrique devient de plus en plus importante en raison de l’augmentation des pressions de processus. L’efficacité volumétrique a un effet sur le débit et donc sur la fonction de l’ensemble de la pompe.

La conception structurelle de la partie en contact avec le liquide, dont l’espace mort est optimisé, est déterminante pour le fonctionnement général de la pompe, en particulier à des pressions très élevées pouvant atteindre 1 000 bars. Si les composants en contact avec le liquide sont mal conçus, la pompe peut cesser de pomper et uniquement se comprimer et se dilater sans fournir le débit souhaité.

Les pompes à plongeur haute pression sont utilisées dans les industries alimentaires, des compléments alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques.

Les pompes à plongeur haute pression, qui ont été adaptées aux différents défis, sont particulièrement adaptées à l’extraction par CO2. À cette fin, la partie des pompes en contact avec le liquide a été repensée et conçue sur mesure pour les modèles de pompes à plongeur haute pression les plus divers. Les pompes sont utilisées avec succès pour une grande variété de procédés d’extraction par CO2 dans de nombreuses industries à travers le monde, par exemple dans une installation pilote d’extraction par CO2 pour les colorants et les arômes issus des tomates.

La variété des substances à extraire est immense, de sorte que les paramètres exacts et donc la conception exacte de la pompe à plongeur haute pression doivent être déterminés individuellement pendant la phase de planification du projet. Il est tout simplement impossible de déterminer de manière générale quelle pompe est la plus adaptée dans un système. Toutes les pompes associent une conception robuste et compacte à une technologie innovante et flexible, répondant à toutes les exigences des pratiques de fabrication les plus récentes en termes de taille, de poids et d’efficacité énergétique. La pompe à plongeur haute pression décrite atteint un rendement mécanique de plus de 90 % grâce à sa conception, ce qui signifie qu’elle peut être classée comme étant optimale en termes d’efficacité énergétique et de durabilité.

L’idée de système dans la technologie de pompage

Aujourd’hui, les clients s’attendent à un système avec solutions plug-and-play pour la technologie de pompage : les unités d’entraînement et de commande des groupes de pompage doivent être complètes, avec un convertisseur de fréquence compact, un moteur asynchrone triphasé et une unité de commande et d’utilisation (voir fig.). Le moteur asynchrone triphasé IE3 refroidi par air convient pour le contrôle de la vitesse en continu via le variateur de fréquence et déplace la pompe à plongeur dans la zone de travail requise. Les variateurs de fréquence surveillent la température, le courant et la vitesse du moteur.

L’unité compacte du convertisseur de fréquence (CF) refroidie par air installée sur le groupe est utilisée avec diverses tensions étendues et un rendement énergétique nominal d’au moins 97 % pour le contrôle continu de la vitesse / de la pression du moteur asynchrone triphasé. L’unité d’entraînement prête à l’emploi comprend un disjoncteur pour une déconnexion sûre, une connexion secteur et moteur, une électronique de puissance, une unité de commande, de surveillance et de régulation, un filtre d’entrée CEM et un affichage CF intuitif pour toutes les fonctions du CF. Elle peut être adaptée en fonction des besoins du client.

Pour une application d’utilisation de la pompe, de surveillance et de régulation individuelle, sûre et confortable, il est possible d’utiliser par exemple un petit boîtier supplémentaire avec API S7 Failsafe intégré. Ainsi, les fonctions et exigences sécurisées spécifiques à l’application et au client peuvent être traitées individuellement. L’affichage, la commande et le paramétrage sur place peuvent être effectués via un écran tactile confortable avec navigation intuitive dans les menus, avec notamment le réglage des paramètres et des valeurs de consigne et l’affichage de la valeur de consigne / valeur réelle, des erreurs et des états, ainsi que des données de la pompe et du moteur. Les signaux ou interfaces de bus (Profinet standard) discrets et analogiques sont utilisés pour la connexion à une commande de niveau supérieur.

Applications variées pour le bio-solvant

Il existe d’innombrables applications dans les industries alimentaires, des compléments alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques : la demande d’extraction d’huiles, de cires, d’extraits, de colorants et de principes actifs de haute qualité ne cesse de croître. Les produits naturels peuvent être raffinés de plusieurs manières par le procédé d’extraction par CO2 biologique : par exemple, en éliminant les graisses et les huiles, les parfums et les arômes, les ingrédients actifs ou les polluants. Les plantes médicinales et les substances végétales communes – telles que les algues, les fruits et légumes, les baies et les fruits, les herbes et les épices, les graines, les céréales et les noix – servent de matières premières. Même l’extraction de polluants à partir de matières premières contaminées peut être utile dans ce processus.

Pompes sur mesure

pour une grande variété de processus

En principe, l’extraction consiste toujours à retirer une substance du produit d’origine afin de la rendre disponible sous une forme pure et d’utiliser le matériau extrait pour un traitement ultérieur. La grande variété de matières premières végétales nécessite également une variance correspondante des processus, pour lesquels les paramètres appropriés doivent être définis individuellement, de sorte que les principes actifs naturels soient extraits de manière optimale.

L’utilisation et le développement d’unités d’entraînement et de commande sur mesure et standardisées, les applications hautement technologiques des groupes de pompage à CO2 haute pression imposent des exigences importantes en termes de sécurité des processus et du personnel. Tous les composants de l’installation doivent être adaptés au processus, à la fonction, à la sécurité et à l’application en termes d’efficacité énergétique et de disponibilité de l’installation. L’objectif d’une pratique de fabrication moderne et durable est d’obtenir une efficacité optimale et une construction efficace dans un design compact tenant compte de l’optimisation des processus et de l’usure, notamment grâce à la surveillance des données des instruments et des processus de l’ensemble du groupe de pompage.