Bier aus dem Zapfhahn

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

  • 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.

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.

In der Lebensmittel-, Nahrungsmittelergänzungs-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sind unzählige Anwendungen zu beobachten: Der Bedarf für hochwertige Öle, Wachse, Extrakte, Farb- und Wirkstoffe nimmt stetig zu. Naturstoffe lassen sich durch das Extraktionsverfahren mit CO2 auf verschiedene Weise veredeln, beispielsweise durch den Entzug von Fetten und Ölen, Duftstoffen und Aromen, Wirkstoffen oder Schadstoffen. Sowohl Heilpflanzen als auch gewöhnliche Pflanzenstoffe – wie Algen, Obst und Gemüse, Beeren und Früchte, Kräuter und Gewürze, Samen, Getreide und Nüsse – dienen als Rohstofflieferanten. Sogar zur Extraktion von Schadstoffen aus kontaminierten Rohstoffen kann dieses Verfahren nützlich sein.

Uraca

Hochdruck-Plungerpumpen wie diese (2) eignen sich zum Fördern von überkritischem CO2 bei der Extraktion, etwa in einem Aggregat mit Frequenzumrichter, Motor, Steuerung und Bedieneinheit (3).(Bild Uraca)

Herausforderung an die Pumpe

Dieser sicherlich nicht vollständige Vergleich stellt punktuelle Fakten aus den Bereichen Herstellung, Zusammensetzung, Reinheit und Wirtschaftlichkeit bei der Extraktion mit CO2 oder Alkohol gegenüber. Als Ausgangspunkt werden beim kontinuierlichen Prozess des Extraktionsverfahrens mit Gärungsalkohol Hopfendolden bei Temperaturen von ca. 60 °C verarbeitet. Bei Verwendung von CO2 spricht man von einem Chargenprozess mit überkritischem Kohlenstoffdioxid als Lösungsmittel. Das Ausgangsprodukt sind Hopfenpellets, die bei Temperaturen von unter 60 °C und bei Extraktionsdrücken bis 300 bar verarbeitet werden. Je nach sortentypischer Zusammensetzung sind im Ethanol-Extrakt alle Bitterstoffe enthalten, während bei CO2 die selektive Extraktion von sogenannten Alpha- oder Beta-Säuren möglich ist. So sind die unspezifischen Bitterstoffe, welche der Hopfen mit sich bringt, im Extrakt kaum noch enthalten. Beim Prozess ist eine Extraktion von enthaltenen Pflanzenschutzmitteln, Nitraten und Schwermetallen sehr gut zu erzielen, wobei die CO2-Applikation bessere Werte erzielt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Produktionskosten beim CO2-Extraktionsverfahren etwas höher, da zunächst Hopfenpellets für den Prozess hergestellt werden müssen und es sich um einen Chargenprozess handelt. Die Haltbarkeit des Ethanol-Extraktes liegt bei etwa einer Woche, die des CO2-Extraktes bei etwa zwei Wochen. Mit geeigneter Lagertemperatur können die abgepackten Extrakte sechs Jahre und länger haltbar sein.

Die Herausforderung für die Pumpentechnologie ist das Medium CO2, das unter normalen Umgebungsbedingungen gasförmig ist. Durch genaue Überwachung der Prozessparameter muss es immer im flüssigen Zustand gehalten werden, damit es nicht zu Schäden durch Kavitation in der Pumpe kommt. Schlechte Schmiereigenschaftenund die hohe Kompressibilität von flüssigem CO2 erfordern speziell entwickelte Pumpen mit einer zuverlässigen und hohen Prozesssicherheit: Das Triebwerk muss den durch den hohen Saugdruck entstehenden Stangenkräften standhalten können, und eine optimale Schmierung der Lagerstellen muss sichergestellt sein. Druckerhöhungen um bis zu 1.000 bar bedeuten gleichzeitig einen entsprechend hohen Temperaturanstieg: Dies erfordert eine effektive Kühlung des Flüssigkeitsteils mit Kühlkanälen in den Stopfbuchsen und Ventilblöcken. Da sich manche Bauteile nicht direkt kühlen lassen, ist es wichtig, die Werkstoffe und die Kons-truktion so aufeinander abzustimmen, dass die Aufnahme der entstehenden Kompressionswärme so gering wie möglich ausfällt. Da das CO2 abwechselnd einer Kompression und einer Expansion unterliegt, ist es erforderlich, die Erwärmung und die damit verbundenen Verluste zu minimieren bzw. zu vermeiden.

Ein weiteres Stichwort in diesem Zusammenhang ist die Schadraumoptimierung im Flüssigkeitsteil der Pumpe: Die Optimierung gewährleistet stets einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Dieser volumetrische Wirkungsgrad erfährt durch steigende Prozessdrücke zunehmend hohe Wichtigkeit. Der volumetrische Wirkungsgrad hat Einfluss auf den Durchsatz und somit auf die Funktion der gesamten Pumpe. Besonders bei sehr hohen Drücken bis 1.000 bar ist die schadraumoptimierte konstruktive Ausführung des Flüssigkeitsteils für ein generelles Funktionieren der Pumpe entscheidend. Bei falsch ausgelegten Flüssigkeitskomponenten kann es dazu führen, dass die Pumpe nicht mehr pumpt, sondern nur noch ohne Ausstoß der gewünschten Fördermenge komprimiert und expandiert.

Hochdruck-Plungerpumpen, die an die speziellen Herausforderungen angepasst sind, eignen sich besonders für den Einsatz in der CO2-Extraktion. Der Flüssigkeitsteil der Pumpen erfordert ein neues Konzept und ist in die unterschiedlichen Hochdruck-Plungerpumpenmodelle maßgeschneidert integriert. Die Vielfalt der Stoffe, die sich extrahieren lassen ist immens. Daher sind in der Projektierungsphase individuell die exakten Parameter und damit die genaue Ausführung der Hochdruck-Plungerpumpe festzulegen. Eine pauschale Aussage, welche Pumpe in einem System die richtige ist, ist schlichtweg nicht möglich.

System-Gedanke in der Pumpentechnologie

Die Hochdruck-Plungerpumpe von Uraca erzielt durch ihre Funktionsbauweise einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90 % und arbeitet damit energieeffizient und nachhaltig. Der luftgekühlte IE3-Asynchron-Drehstrommotor ist geeignet für die stufenlose Drehzahlregelung über den Frequenzumrichter und fährt die Plungerpumpe im geforderten Arbeitsbereich. Die Frequenzumrichter überwachen Temperatur, Strom und Drehzahl des Motors. Zur stufenlosen Drehzahl-/Druckregelung des Asynchron-Drehstrommotors dient die am Aggregat angebaute, luftgekühlte Frequenzumrichter-(FU-)Kompakteinheit mit verschiedenen Weitbereichsspannungen und einer nominalen Energieeffizienz von mindestens 97 %. Die komplett anschlussfertige FU-Einheit besteht aus einem Lasttrennschalter für sichere Trennung, Netz- und Motoranschluss, Leistungselektronik, Steuer-, Überwachungs- und Regelteil, EMV-Eingangsfilter sowie FU-Display mit intuitiver Menüführung für sämtliche FU-Funktionen. Sie lässt sich entsprechend den Prozessbedingungen anpassen. Für eine individuelle, sichere und komfortable Pumpenbedien-, Überwachungs- und Regelungsapplikation kann beispielsweise ein zusätzliches Kleingehäuse mit integrierter S7-Failsafe-SPS eingesetzt werden. Die Anzeige, Bedienung und Parametrierung vor Ort erfolgt über ein komfortables Touchpanel mit intuitiver Menüführung – u. a. mit Parameter-/ Sollwerteinstellung sowie Anzeige von Sollwert/ Istwert, Fehler und Status sowie Pumpen- und Motordaten. Diskrete und analoge Signale bzw. Busschnittstellen (Standard Profinet) dienen zur Anbindung an eine übergeordnete Steuerung. Pumpen dieser Art dienen für verschiedene CO2-Extraktionsprozesse in unterschiedlichen Branchen weltweit, so u. a. in einer Pilotanlage zur CO2-Extraktion von Farb- und Geschmacksstoffen aus Tomaten.

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