利用二氧化碳持续萃取

摆动式排量泵

二氧化碳特别适用于食品、饮料、化妆品和制药行业,用于生产天然产品、香料、脂肪、油、蜡、聚合物、酶和色素,即采用所谓的超临界状态。尽管因属于温室气体而饱受诟病,但与合成和有害健康的介质相比,如正己烷,CO2 作为一种天然且环保的溶剂,其重要性持续受到认可。在超临界 CO2 萃取的过程中,优先使用 URACA 摆动式排量泵。

在啤酒生产的啤酒花处理过程中,超临界 CO2 萃取工艺是一种通用的惯常做法。 URACA 高压柱塞泵可应用于此处。

泵和系统

超临界 CO2 萃取是一种历史悠久的工艺。50 多年前,研发人员着手研究这一主题,在不久之后便研发出第一批设备,例如:用于不含咖啡因的咖啡。如何从咖啡豆中提取咖啡因?在极高压力下压缩二氧化碳,从原料中溶解所需成分。降低压力使二氧化碳再次释放已溶解的物质:形成萃取物。

为了避免产品中有致病性、有毒和因此有危害性的微量成分,完全避用有机溶剂将更加安全。然而,纯净的化学溶剂处理是复杂的,需要花费高额成本。这保持持续稳定的生产流程相互矛盾。

近年来,萃取过程中的压力从大约 300 bar 增至大约 1,000 bar ,这意味着缩短了处理时间,即可以采用更平稳和更温和的方式生产更有效的成分。这创造了更大的商业使用价值。生物产品的持续消费趋势在总体上支持了这一发展。

为什么 CO2 萃取工艺仍然备受青睐

啤酒生产领域可以找到该工艺的经典应用:通过选择性萃取 α 和 β 酸,在天然生长的啤酒花中,苦味物质的质谱会根据口味而变化。这种类型的“饮品设计”会影响啤酒风味,或浓郁、或温和、或味苦。不含苦味物质的啤酒花萃取物带领了流行饮料在市场上的风行,例如:特殊风味的“啤酒花柠檬水”。所获得的灵活性使制造商能够应对消费者的需求,并根据客户需求生产健康的产品。医学上,天然疗法中的敏感性物质越来越受到关注。为了针对预防医学或治疗学获取这些物质,正在研发和使用愈加智能和精调整的工艺技术。同时在消费者需求有所增加的天然化妆品中,需要从物质中萃取多种过敏原。

经过特殊调整的 URACA 高压柱塞泵尤其适用于 CO2 萃取。

CO2 萃取的工作原理

三个关键词描述了该过程: 萃取、 分离 和冷凝。 

首先,低温液态 CO2,送入泵。强力压缩至 1,000 bar,同时加热 CO2,并使其进入超临界状态。这些条件下,其具有气体和液体的特性,主要特点是极佳的溶解能力。由于高流动性,超临界 CO2 渗入食品中的最小孔隙,并从原料中溶解所需物质。随后进行减压和加热,超临界 CO2 将再次变为气态并完全挥发,仅留下了纯萃取物。由于具备惰性,CO2 不会与萃取物发生反应,也不会降低其特性。

 

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来自于“啤酒实践”的比较:

使用乙醇和 CO2 作为溶剂进行化学啤酒花萃取的对比

当然,这种比较并不全面,对来自生产、成分组成、纯度和经济性方面的事实进行逐项观测。在采用发酵酒精的连续萃取工艺中,以在大约 60 °C 的温度下处理啤酒花作为出发点。使用 CO2 时,这被称为利用超临界二氧化碳作为溶剂的批量过程。原料是啤酒花颗粒,在低于 60℃ 的温度和高达 300 bar 的萃取压力下进行处理。

根据各个种类典型的成分组成,在乙醇萃取物中包含所有苦味物质,而在使用 CO2 的情况下,可选择性提取所谓的 α 或 β 酸,这使得萃取物中几乎不再含有啤酒花中包含的非特异性苦味物质。该过程中可以很好地提取其中含有的农药、硝酸盐和重金属,因而 CO2 应用取得了更好的价值。从经济角度看,CO2 萃取工艺的生产成本略高,因为必须首先为该过程制造啤酒花颗粒,这是一个批量处理过程。乙醇萃取物的保质期约为一周,而 CO2 萃取物的保质期约为两周,在适当的储存温度下,包装后萃取物可保存六年或更长时间。

泵装置面临的挑战是,CO2 介质在正常环境条件下呈气态。通过准确监控过程参数,必须始终保持其液态形式,防止因泵中的气穴现象而导致损坏。润滑性能不良和液态 CO2 的高压缩性,要求专门开发的泵具可靠性。具体而言,这意味着必须为 CO2 应用专门开发泵:驱动装置必须能够承受因高吸入压力而引起的连杆力,并确保支承点的最佳润滑。压力增幅达 1,000 bar,这同时也意味着相应的高温升:这需要在填料箱和阀块中利用冷却通道有效冷却接液部件。

由于某些部件无法直接冷却,因此材料和结构互相匹配至关重要,这样能尽可能降低所产生压缩热的热量吸收。由于 CO2 交替经受压缩和膨胀,必须最小化或避免加热和相关损失。

这种情况下,另一个关键词是泵接液部件中的死角优化:优化确保了始终具有高容积效率。由于过程压力的增加,这种容积效率越来越重要。容积效率影响流动能力,进而影响整台泵的功能。

特别是在高达 1,000 bar 的极高压力下,接液部件采用了死角优化的结构设计,这对于泵的常规功能有着决定性作用。如果接液组件设计不合理,可能会导致泵停止泵送,而是仅压缩和膨胀,但不会排出所需输送量。

高压柱塞泵用于食品、营养补充剂、化妆品和制药行业。

应对特殊挑战的高压柱塞泵特别适用于 CO2 萃取。为此,泵的接液部件进行了重新设计,并为最为多样化且成熟的高压柱塞泵机型量身定制,适用于理想集成。这些泵成功应用于全球各行业各种 CO2 萃取工艺,例如:用于在一台试验设备中从番茄中提取色素和香料的 CO2 萃取。

待提取物质种类繁多,因此在项目规划阶段必须单独确定高压柱塞泵的确切参数和准确规格。至于一个系统适合哪一种泵,则根本无法作出一个笼统的判断。所有泵均结合了坚固且紧凑的结构设计和创新且灵活的技术,在尺寸、重量和能效方面满足最先进的制造实践的所有要求。所述高压柱塞泵由于其功能设计而实现了超过 90% 的机械效率,这意味着其在能量效率和可持续性方面属于最佳水平。

泵装置的系统理念

如今的客户需求以系统理念为前提,包括泵技术中的即插即用解决方案:需利用泵组的完整驱动和控制单元,包括一个紧凑型变频器、一个三相异步电机和一个控制和操作单元(见图)。风冷 IE3 三相异步电机适用于通过变频器无级调速,并在所要求的工作范围内运行柱塞泵。变频器监控电机的温度、电流和转速。

对于三相异步电机的无级调速/压力控制,利用连接至该机组的风冷式紧凑型变频器 (FU),其采用各种宽幅电压,标称能效至少为 97%。完全预先布线的变频器单元包含用于安全断开的负载隔离开关、电源和电机接口、功率电子装置、控制零件、监控和调节部件、EMC 输入滤波器,和针对全部变频器功能提供直观菜单导航的变频器显示屏。其可以根据需要调整,以满足客户需求。

对于个性化、安全和舒适的泵操作、监控和控制应用,可使用集成有 S7 故障安全 PLC 的附加小型外壳等。因此可具体应对特定应用和客户方的安全功能和要求。可通过带有直观菜单导航的舒适触摸面板控制现场显示、操作和参数设置 - 主要通过参数设置/应有值设置以及显示应有值/实际值、错误和状态以及泵和电机数据。离散和模拟信号或总线接口(标准 Profinet)用于连接更高级别的控制器。

面向生物溶剂的各种应用

食品、营养补充剂、化妆品和制药行业中有众多的应用:提取高质量油、蜡、萃取物、色素和活性成分的需求正在持续增长。这些天然物质可通过萃取方法,利用生物 CO2 以各种方式精制而成:如通过提取脂肪和油、芳香物质和香料、活性物质或有害物质。药用植物和常见的植物 - 如藻类、水果和蔬菜、浆果和水果、香草和香料、种子、谷物和坚果 - 作为原料提供方。即使是从受过污染的原料中提取污染物,也适用此方法。

量身定制的泵

面向各种过程

原则上“萃取”这一主题始终涉及从原料中分离某类物质,然后以纯净形式提供,并利用所提取的物质进行进一步处理。多种植物原料也对相应的工艺差异提出了要求,因此必须单独确定适当的参数,以便理想地提取天然活性成分。

通过使用和设计定制化和标准化的驱动和控制组件,高科技的高压 CO2 泵组应用对过程可靠性和人员安全性提出了严格要求。必须在能源效率和设备可用性方面,按照过程、功能、安全性和应用对所有设备组件实行调整。采用紧凑型设计,实现了最佳的整体效率和高效结构,同时衡量过程和磨损优化 - 包括整个泵组的仪器和过程数据监控,是可持续制造实践的目标。