Экологичный метод экстракции диоксидом углерода

Возвратно-поступательные вытеснительные насосы

Диоксид углерода в так называемом сверхкритическом агрегатном состоянии применяется, в частности, в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности и в производстве напитков для получения природных соединений, ароматических веществ, жиров, масел, полимеров, ферментов и красителей. Ведь, несмотря на свою плохую славу газа, создающего парниковый эффект, CO2 является природным и экологичным растворителем, которому синтетические и вредные для здоровья среды (например, н-гексан) уступают по многим пунктам. Для реализации метода экстракции диоксидом углерода преимущественно используются возвратно-поступательные вытеснительные насосы марки URACA.

При подготовке хмеля к производству пива обычной практикой является применение метода экстракции сверхкритическим диоксидом углерода. Для реализации этого метода используются высоко специализированные высоконапорные плунжерные насосы URACA.

Насосы и системы

Метод экстракции сверхкритическим диоксидом углерода имеет давнюю традицию. Ученые и конструкторы начали заниматься этой темой более 50 лет назад, и вскоре появились первые установки, например для производства декофеинированного кофе. Как из кофейного зерна извлекается кофеин? Диоксид углерода сжимается под очень высоким давлением, и нужный ингредиент высвобождается из сырья. При снижении давления диоксид углерода отдает растворенные субстанции и получается экстракт.

Чтобы не допустить наличия в продукте опасных болезнетворных микроорганизмов и ядовитых веществ, лучше полностью отказаться от применения органических растворителей. Экологичная утилизация химических растворителей требует значительных усилий и затрат. Таким образом, при применении таких растворителей у каждого производителя, ратующего за экологичность, возникает конфликт целей.

В последнее время давление в установках для экстракции выросло с 300 до 1 000 бар, вследствие чего время процесса уменьшилось. Это, в свою очередь, позволяет производить более эффективные ингредиенты более мягко и бережно. В результате коммерческое использование метода становится более экономичным и эффективным. Эту динамику поддерживает популярность, которой органические продукты пользуются у потребителей.

Почему метод экстракции CO2 не теряет своей популярности

Классической областью применения этого метода является производство пива: селективная экстракция альфа- и бета-кислот позволяет изменять спектр горьких веществ, содержащихся в хмеле, согласно нужному характеру вкуса пива. Путем такого «конструирования напитка» можно повлиять на аромат, мягкость или горечь пива. Если же использовать экстракт хмеля без горьких веществ, можно создавать трендовые напитки, например «хмелевый лимонад», с особыми оттенками вкуса. Эта гибкость позволяет производителям реагировать на актуальные пожелания потребителей и создавать полезные продукты, соответствующие потребностям целевой аудитории. Медицина также обращает все более пристальное внимание на деликатные лекарственные природные вещества. Для их получения с целью применения в профилактической медицине и терапии используются все более «умные» и точные технологии. В органической косметике, спрос на которую постоянно растет, применяются субстанции, из которых необходимо извлекать различные аллергены.

Специально доработанные высоконапорные плунжерные насосы URACA особенно хорошо подходят для экстракции диоксидом углерода.

Принцип метода экстракции диоксидом углерода

Процесс экстракции жидким диоксидом углерода можно описать тремя ключевыми словами: экстракция, сепарация и конденсация 

Сначала жидкий CO2 охлаждается до поднулевых температур и подается в насос. Путем сильного сжатия до 1 000 бар CO2 одновременно нагревается и переводится в сверхкритическое состояние. При таких условиях диоксид углерода обладает признаками как газа, так и жидкости и отличается, в первую очередь, своей превосходной растворяющей способностью. Благодаря высокой текучести сверхкритический CO2 проникает в мельчайшие поры продуктов питания и растворяет нужные вещества, извлекая их из сырья. Затем путем снятия давления и нагревания сверхкритический CO2 снова переводится в газообразное состояние и полностью улетучивается, оставляя только чистый экстракт. Из-за присущей ему инертности CO2 не вступает в реакцию с экстрактом и не изменяет его свойства.

Дополнительную информацию можно найти здесь: https://www.hopsteiner.com/

 

Сравнение из отрасли пивоварения:

химическая экстракция хмеля этанолом и CO2 в качестве растворителя

При этом (вне всякого сомнения, неполном) сравнении мы скрупулезно рассмотрим факты, относящиеся к производству, составу, чистоте пива и экономичности производственного процесса. Первым этапом непрерывного процесса экстракции спиртом брожения является обработка хмелевых шишек при температуре около 60 °C. При применении CO2 имеет место периодический процесс, растворителем при котором служит сверхкритический диоксид углерода. Исходным сырьем в данном случае является гранулированный хмель, перерабатываемый при температуре ниже 60 °C и давлении экстракции до 300 бар.

В спиртовой экстракт переходят все горькие вещества, содержащиеся в данном сорте состава хмеля, в то время как при использовании CO2 возможна селективная экстракция так называемых альфа- либо бета-кислот, в результате которой экстракт практически не будет содержать неспецифические горькие вещества хмеля. При применении CO2 достигаются гораздо лучшие показатели, поскольку пестициды, нитраты и тяжелые металлы извлекаются очень эффективно. С экономической точки зрения издержки процесса экстракции диоксидом углерода будут выше, поскольку, во-первых, сначала необходимо изготовить гранулированный хмель и, во-вторых, процесс экстракции является периодическим, а не непрерывным. Спиртовой экстракт хранится около одной недели, а CO2-экстракт – около двух недель; если же обеспечить необходимую температуру хранения, срок хранения упакованных экстрактов может превышать шесть лет.

Диоксид углерода – «крепкий орешек» для насоса, ведь при обычных условиях окружающей среды это вещество газообразное. Путем точного контроля параметров технологического процесса его необходимо постоянно поддерживать в жидком состоянии, чтобы насос не повредился вследствие кавитации. Плохие смазывающие свойства и высокая сжимаемость жидкого CO2 требуют специально разработанных насосов, обеспечивающих высокую надежность технологического процесса. Говоря более конкретно, для перекачивания жидкого диоксида углерода насос необходимо доработать следующим образом. Приводная часть насоса должна быть способна противостоять нагрузке на шток, возникающей из-за высокого давления всасывания; также необходимо обеспечить достаточное смазывание постелей подшипников. Повышение давления до 1 000 бар означает и соответствующее повышение температуры. Эта особенность требует эффективного охлаждения гидравлической части через охлаждающие каналы в сальниках и клапанных блоках.

Поскольку некоторые детали невозможно охладить непосредственно, важно так согласовать между собой материалы и конструкцию, чтобы поглощение тепла, выделяемого при сжатии, было минимальным. Поскольку жидкий диоксид углерода попеременно подвергается то сжатию, то расширению, необходимо минимизировать или полностью исключить нагревание и связанные с ним потери.

Кроме того, следует оптимизировать вредное пространство в гидравлической части насоса, что обеспечит стабильно высокий объемный КПД. Ввиду тенденции к увеличению давления в современных установках объемный КПД приобретает все большее значение. Он влияет на расход и, таким образом, на работу всего насоса.

Если давление очень высокое (до 1 000 бар), оптимизированное по вредному пространству исполнение гидравлической части насоса вообще будет иметь решающее значение для эксплуатации насоса в целом. Неправильный расчет гидравлических компонентов может привести к тому, что насос будет не перекачивать среду, а только сжимать и расширять ее, не обеспечивая необходимую подачу.

Высоконапорные плунжерные насосы применяются в пищевой, косметической, фармацевтической промышленности и отрасли производства пищевых добавок.

Высоконапорные плунжерные насосы, адаптированные к соответствующим особым требованиям, особенно хорошо подходят для метода экстракции CO2. Гидравлическая часть таких насосов была спроектирована заново и интегрирована в различные проверенные временем модели высоконапорных плунжерных насосов с учетом всех особенностей. Такие насосы успешно применяются во всем мире для реализации различных процессов экстракции диоксидом углерода во множестве отраслей, например в опытной установке для экстракции диоксидом углерода красителей и вкусовых веществ из томатов.

Многообразие материалов, которые можно экстрагировать, огромно, поэтому на этапе проектирования необходимо определять точные параметры и, таким образом, точное исполнение используемого высоконапорного плунжерного насоса. Без такого расчета сказать, какой насос подойдет для той или иной системы, просто невозможно. Однако у всех наших насосов есть и кое-что общее: сочетание прочной и компактной конструкции с инновационной гибкой технологией. Это гарантирует соблюдение всех современных требований к размеру, массе и энергоэффективности изделий. Благодаря своему принципу действия и конструкции описываемый здесь высоконапорный плунжерный насос демонстрирует механический КПД свыше 90 %, то есть, является оптимальным вариантом в части энергоэффективности и экологичности.

Системное мышление при разработке насосов

Сегодня заказчики ожидают, что производители насосов будут мыслить системно и, помимо прочего, конструировать свои изделия по принципу «включай и работай». Этим ожиданиям отвечают комплексные приводные и управляющие системы для насосных агрегатов, состоящие из компактного частотного преобразователя, трехфазного асинхронного электродвигателя и устройства управления (см. рисунок). Трехфазный асинхронный электродвигатель класса IE3 подходит для плавного регулирования числа оборотов через частотный преобразователь и обеспечивает работу плунжерного насоса в нужном рабочем диапазоне. Частотные преобразователи контролируют температуру, силу тока и число оборотов двигателя.

Для плавного регулирования числа оборотов/давления трехфазного асинхронного электродвигателя служит смонтированный на агрегате компактный частотный преобразователь с разными широкодиапазонными напряжениями и номинальной энергоэффективностью не менее 97 %. Полностью готовый к подключению частотный преобразователь состоит из выключателя нагрузки, надежно разъединяющего цепь, гнезда для подключения к сети и гнезда для подключения к двигателю, силовой электроники, блока управления, контроля и регулировки, входного фильтра ЭМС, а также дисплея с интуитивно понятным меню для управления всеми функциями частотного преобразователя. При необходимости частотный преобразователь можно адаптировать к потребностям заказчика.

Чтобы индивидуализировать управление, контроль и регулирование насоса, сделать их более надежными и комфортными можно использовать, например, дополнительный малый корпус со встроенным отказоустойчивым ПЛК модели S7. Это позволит обеспечить выполнение функций и требований, специфических для данного варианта применения и предусмотренных конкретно данным заказчиком. Для индикации, управления и ввода параметров на месте предусмотрена удобная сенсорная панель с интуитивно понятным меню. Через панель можно, например, изменять параметры и заданные значения; на ней могут отображаться заданные/фактические значения, ошибки, статус, характеристики насоса и двигателя. Дискретные, аналоговые сигналы и шинный интерфейс (стандарт Profinet) служат для подключения к устройству управления более высокого уровня.

Разнообразие вариантов применения биорастворителя

Спектр вариантов применения в пищевой, косметической, фармацевтической промышленности и отрасли производства пищевых добавок невероятно широк, ведь потребность в высококачественных маслах, восках, экстрактах, красителях и активных ингредиентах постоянно растет. Существуют разные возможности улучшить свойства природных веществ при помощи метода экстракции диоксидом углерода. Здесь можно упомянуть, например, извлечение жиров и масел, отдушек, активных ингредиентов, ароматических и вредных веществ. Источниками сырья являются как лекарственные, так и обычные растения, например водоросли, овощи и фрукты, ягоды и плоды, травы и специи, семена, злаки и орехи. Этот метод можно использовать даже для экстракции вредных веществ из загрязненного сырья.

Насосы, адаптированные к индивидуальным потребностям заказчика

Для реализации разнообразнейших процессов

Под «экстракцией» понимается извлечение определенного вещества из исходного продукта с целью получения чистой формы исходного продукта и дальнейшей переработки экстрагированного вещества. Большое многообразие растительного сырья обусловливает вариативность процессов экстракции. Кроме того, параметры этих процессов необходимо подбирать индивидуально, чтобы добиться оптимальной экстракции природных активных ингредиентов.

Поскольку сейчас активно разрабатываются и используются индивидуальные и стандартные приводные узлы и узлы управления, применение высокотехнологичных высоконапорных насосных агрегатов для перекачивания диоксида углерода предъявляет строгие требования к безопасности процессов и людей. Все детали установки должны быть адаптированы к процессу, эксплуатации, безопасности и цели применения с обеспечением энергоэффективности и эксплуатационной готовности оборудования. Максимальный общий КПД и эффективная компактная конструкция, оптимизирующая параметры технологического процесса и износ и включающая устройства мониторинга компонентов и технологических данных насосного агрегата – такова цель современного производства, не оставляющего без внимания принципы устойчивого развития.