Hochdruck-Plungerpumpen für überkritische Medien

Nachhaltige Extraktion mit Kohlendioxid

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23.08.2017 Trotz seines schlechten Rufes als Treibhausgas ist Kohlendioxid (CO2) ein natürliches und umweltfreundliches Lösungsmittel. Gegenüber synthetischen und gesundheitsschädlichen Medien wie n-Hexan punktet es mit seiner Nachhaltigkeit.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Der Einsatz von überkritischem Kohlendioxid als Lösungsmittel ermöglicht die schonende Extraktion von Wirkstoffen und Aromen aus Lebensmitteln oder pharmazeutischen Rohstoffen ohne organische Lösungsmittel.
  • Der erforderliche Druck beim Umgang mit überkritischen Medien stellt besondere Herausforderungen an die verwendeten Pumpen: Sie müssen den nötigen Druck nicht nur erzeugen, sondern auch präzise kontrollieren.
  • Speziell an den jeweiligen Prozess angepasste Hochdruck-Plungerpumpen eignen sich für die CO2-Extraktion zahlreicher Anwendungen in unterschiedlichen Branchen.
Brewer filling beer in beer glass from beer pump

Kohlendioxid sorgt nicht nur für den Schaum auf dem Bier. Es dient auch als Lösungsmittel für Hopfenextrakte. (Bild: WavebreakMediaMicro – Fotolia)

CO2 kommt insbesondere in der Lebensmittel-, Getränke-,Kosmetik- und Pharmaindustrie zur Gewinnung von Naturstoffen, Aromen, Fetten, Ölen, Wachsen, Polymeren, Enzymen sowie Farbstoffen zum Einsatz, und zwar im sogenannten überkritischen Aggregatzustand.

Überkritisch seit über 50 Jahren

Die überkritische CO2-Extraktion ist ein Verfahren, das auf eine lange Tradition zurückblicken kann. Vor mehr als 50 Jahren entstanden erste Anlagen, etwa zum Entkoffeinieren von Kaffee. Das Kohlenstoffdioxid wird dabei unter sehr hohem Druck verdichtet, so dass sich der gewünschte Inhaltsstoff vom Rohstoff löst. Ein anschließendes Senken des Druckes bewirkt, dass das Kohlenstoffdioxid die gelösten Substanzen wieder abgibt: Ein Extrakt entsteht. Bei diesem Verfahren kommen bevorzugt oszillierende Verdrängerpumpen zum Einsatz.

In den letzten Jahren wurde der Druck in den Extraktionsverfahren von etwa 300 bar auf rund 1.000 bar erhöht, was die Verfahrensdauer verkürzt. Das heißt, auf schonendere Weise lassen sich wirksamere Inhaltsstoffe extrahieren. Das macht den kommerziellen Einsatz insgesamt wirtschaftlicher und effektiver. Der anhaltende Trend der Konsumenten zu biologischen Produkten im Allgemeinen unterstützt diese Entwicklung.

Eine klassische Anwendung für die überkritische CO2-Extraktion findet sich in der Bierherstellung: Mit der selektiven Extraktion von Alpha- und Beta-Säuren wird das Spektrum der Bitterstoffe des Hopfens je nach Geschmacksrichtung entsprechend verändert. Wie aromareich, wie mild oder wie bitter ein Bier schmeckt, lässt sich mit dieser Art von „Beverage-Design“ beeinflussen. Ein Hopfenextrakt ohne Bitterstoffe führt dazu, dass sich Trendgetränke wie „Hopfenlimonade“ mit besonderen Geschmacksnoten auf dem Markt etablieren. Die gewonnene Flexibilität erlaubt es Herstellern, auf die Trends der Konsumenten einzugehen und auf Kundenbedürfnisse zugeschnittene gesunde Produkte herzustellen. Auch in der Medizin rücken sensible Stoffe aus der Naturheilkunde vermehrt in den Fokus. Um diese für die Präventivmedizin oder Therapeutik zu gewinnen, kommen immer intelligentere, feinabgestimmte Verfahrenstechniken zum Einsatz. Ebenso gibt es in der Naturkosmetik, die Konsumenten verstärkt nachfragen, verschiedene Allergene, die es aus den Substanzen zu extrahieren gilt.

Extraktion, Separation, Kondensation

Drei Stichworte beschreiben den Prozess: Extraktion, Separation und Kondensation. Zunächst wird flüssiges CO2 unterkühlt und der Pumpe zugeführt. Durch starke Kompression auf bis zu 1.000 bar wird das CO2 gleichzeitig erwärmt und in einen überkritischen Zustand gebracht. Unter diesen Bedingungen weist es sowohl die Merkmale eines Gases als auch einer Flüssigkeit auf und zeichnet sich vor allem aufgrund seines hervorragenden Lösungsvermögens aus. Durch seine hohe Fließfähigkeit dringt überkritisches CO2 in kleinste Poren von Lebensmitteln ein und löst die gewünschten Stoffe aus dem Rohmaterial. Durch anschließendes Entspannen und Erwärmen wird das überkritische CO2 wieder gasförmig und verflüchtigt sich restlos, wodurch lediglich das reine Extrakt übrigbleibt. Durch seine Inertheit reagiert CO2 nicht mit dem Extrakt und verfälscht auch nicht dessen Eigenschaften.

Heftausgabe: August 2017
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Über den Autor

Janina Spanbalch, Produktmanagement, Uraca
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