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Grüne Chemie: Extraktion natürlich vorkommender Moleküle

Die griechischen Götter des Olymps besaßen ein natürliches Mittel mit überragenden Eigenschaften - den Nektar, das Getränk der Unsterblichkeit.

Für die Sterblichen hat CELSIUS die nectaCel Extraktionsprozesse und -anlagen entwickelt.

Die Natur ist überreich an Molekülen mit hochinteressanten Eigenschaften für den Menschen, zur Heilung von Krankheiten oder einfach für sein Wohlbefinden. Die Natur ist eine unerschöpfliche Ressource für die Kosmetik-, Aroma- und Parfümindustrie sowie die Herstellung von Functional Food, usw.

Es gibt zahlreiche organische Moleküle, die genutzt werden können – für ihre Wirkung, ihren Geschmack, ihren Geruch, ihren Nährwert oder eine besondere Eigenschaft, die ihnen in Verbindung mit anderen Merkmalen große Bedeutung verleiht.

Je nachdem, ob die Moleküle für Gesundheits-, Kosmetik- oder Ernährungszwecke gewonnen werden, baut CELSIUS basierend auf den Verfahren der Pflanzenchemie Anlagen zur Herstellung von Extrakten, Reaktanten, ätherischen bzw. festen Ölen, Absolues oder funktionellen Inhaltsstoffen.

CELSIUS bietet nectaCel Anlagen für die Lösungsmittelextraktion von Molekülen pflanzlichen oder tierischen Ursprungs an. Die Extraktion und die Trennung von Lösungsmittel und Extrakt erfolgen bei atmosphärischem Druck, im Vakuum oder unter Druck, mit oder ohne Umrühren.

Jede Anlage wird für eine bestimmte Matrix und ein bestimmtes Lösungsmittel ausgelegt:

  • - Wasserdampf,
  • - Wasser,
  • - Alkohol,
  • - Hexan, Toluol, usw.
  • - grüne Lösungsmittel,
  • - Flüssiggas.

Die Auslegung der nectaCel Extraktionsanlagen erfolgt auf der Grundlage des bewährten Know-hows in der Chemie- und Prozesstechnik sowie der Thermodynamik von CELSIUS – mit ständigem Augenmerk auf die Anlagensicherheit, die optimierte Ressourcenverwaltung, Energieeinsparungen und den Umweltschutz.

EXTRAKTION NATÜRLICH VORKOMMENDER MOLEKÜLE:

Unter Extraktion natürlich vorkommender Moleküle verstehen wir alle Verfahren, durch die Moleküle aus einem festen Substrat tierischen oder pflanzlichen Ursprungs in eine flüssige Phase übertragen werden können.

Je nach Fachbereich wird der Rohstoff Matrix, Füllstoff, Feststoff, Pflanze, Droge oder Bagasse genannt.
Ist der Rohstoff durch den Extraktionsvorgang erschöpft, spricht man nur noch von Presskuchen, erschöpften Feststoffen, Treber, Trester, unlöslichen Feststoffen, Füllstoffen, Rückständen, usw.

Unterschieden werden:

  • - Mechanische Verfahren wie z.B. die Kaltpressung. Am bekanntesten ist die Ölextraktion, bei der Samen oder Kerne mechanisch gepresst werden, um eine bereits vorhandene flüssige Phase herauszutrennen. CELSIUS stellt keine Anlagen für mechanische Verfahren her.
  • - Verfahren der Pflanzenchemie. In diesen Verfahren kommen Sachkenntnisse aus der Chemie- und Prozesstechnik sowie der Thermodynamik zur Anwendung, die zum Fachbereich von CELSIUS gehören.

Die Extraktion natürlich vorkommender Moleküle betrifft insbesondere das Lösen der gewünschten Moleküle in einem Lösungsmittel.

Das Verfahren verläuft in zwei aufeinanderfolgenden Phasen:

  1. 1. Ein Extraktionsschritt, bei dem eine Matrix pflanzlichen oder tierischen Ursprungs sorgfältig mit einem Lösungsmittel vermischt wird. Das gewünschte Molekül wird im Lösungsmittel gelöst. Die erhaltene Lösung wird auch Extraktionsflüssigkeit oder Filtrat genannt. Diese Phase wird je nach Fachbereich und Extraktionsbedingungen Solvatisierung, Mazeration, Aufschließung, Dekokt, Aufguss, Auslaugung, Elution, Zerreibung, Perkolation, usw. genannt.
  2. 2. Ein Trennschritt zwischen dem Lösungsmittel und dem Extrakt. Das Lösungsmittel wird verdampft, der verbleibende Extrakt ist flüssig (gelöster Stoff) oder fest (kristallisiert) oder in suspendierter Form. Je nach Extrakt wird diese Phase Verdampfung, Sieden, Desolvatisierung, Kristallisation, usw. genannt.

Das Extraktionsverfahren kann auch mit dem gegenteiligen Ziel, ein unerwünschtes Molekül aus der Matrix zu extrahieren, angewendet werden, wie z.B. beim Entfetten, wobei die gereinigte Matrix das Feinprodukt darstellt.

AUSWAHLKRITERIEN FÜR LÖSUNGSMITTEL:

Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung eines Extraktionsverfahrens ist die Auswahl des geeigneten Lösungsmittels. Welche Kriterien sind bei der Auswahl zu beachten?

Die bei der Auswahl eines Lösungsmittels relevanten Kriterien sind:

  • - Das Solvatationsvermögen des gesuchten Moleküls. Bei diesem Kriterium geht es um die Begriffe der Polarität bzw. des ionischen Charakters.
  • - Die Fähigkeit des Lösungsmittels, die Membranwand der Zellen in der Matrix zu durchqueren. Kleine Moleküle gelangen leichter in die Poren der Zellen.
  • - Die thermodynamischen Eigenschaften, auf deren Grundlage die Betriebsbedingungen und die in den Anlagen eingesetzten Technologien bestimmt werden.

Die Selektivität des Lösungsmittels ist ein sekundäres Kriterium bei seiner Auswahl. Es gilt, nur das gewünschte Molekül aus der Matrix zu extrahieren und die unerwünschten Moleküle in der Matrix zu belassen. Dieses Kriterium ist allerdings nur sekundär, da die einzelnen extrahierten Molekülarten in einer späteren Reinigungsphase getrennt werden können.

Die ethische Auswahl eines Lösungsmittels und eines Extraktionsverfahrens beruht außerdem auf Begriffen wie z.B.:

  • - Die Verwendung erneuerbarer Ressourcen und eines schonenden grünen Lösungsmittels, das zumindest recycelt ist.
  • - Ein niedriger Energieverbrauch.
  • - Ein Verfahren, das bei einer Temperatur funktioniert, die dem Produkt nicht schadet.

EXTRAKTIONSVERFAHREN:

Die Extraktionsverfahren unterscheiden sich, je nachdem, ob das Lösungsmittel gasförmig, fest, flüssig oder überkritisch ist.

1. Wasserdampfdestillation:

Bei diesem Verfahren wird Wasserdampf als Extraktionsmittel eingesetzt, der das gewünschte Molekül durch Bildung eines Azeotrops herauslöst. Die extrahierte Gaslösung kondensiert in eine Mischung zweier organischer, wässriger, nicht mischbarer flüssiger Lösungen, wobei die organische Lösung das gewünschte Molekül enthält.
Dieses Verfahren wird für die Extraktion von ätherischen Ölen eingesetzt. Es ist vorbehalten für Extrakte, welche die Dampftemperatur vertragen.

2. Kalt-Enfleurage:

Bei diesem Verfahren ist das Lösungsmittel ein Feststoff und das Extraktionsprodukt eine feste Lösung. In diesem Zusammenhang ist die Kalt-Enfleurage zu erwähnen, bei der Blütenblätter von Hand auf einer Fettschicht angeordnet werden. Dieses Verfahren ist nur schwer industriell anwendbar.

3. Extraktion mit flüssigem Lösungsmittel:

Zahlreiche flüssige Lösungsmittel finden sowohl im Labor wie auch im industriellen Maßstab Anwendung:

  • - Wasser,
  • - Alkohole,
  • - Hexan, Toluol, usw.

Diese Lösungsmittel sind in der Extraktionsphase unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen flüssig. Für die Phase der Trennung von Lösungsmittel und gelöstem Stoff müssen sie in den gasförmigen Zustand gebracht werden, entweder durch Erhöhung der Temperatur oder Minderung des Drucks bzw. beides.

Das Verfahren wird unter Berücksichtigung folgender Punkte angewandt:

  • - Die Temperatur in der Trennphase durch Verdampfung des Lösungsmittels. Insbesondere bei der Wasserextraktion bei atmosphärischem Druck darf sich der Extrakt bei der Siedetemperatur nicht zersetzen.
  • - Das Vorhandensein von potentiell schädlichem, im Extrakt gelöstem verbleibendem Lösungsmittel (Hexan oder Toluol).
  • - Das notwendige Recycling bei kostspieligen bzw. schädlichen Lösungsmitteln.

4. Flüssiggase:

Flüssiggase sind Lösungsmittel, die unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen im gasförmigen Zustand sind.

Diese Technik weist folgende Vorteile auf:

  • - Im Vergleich zu Wasserdampf erfolgt der Prozess bei Umgebungstemperatur, wodurch das Produkt nicht beeinträchtigt wird.
  • - Im Vergleich zu bestimmten Lösungsmitteln kann ein gegenüber dem Produkt inertes, ggf. umweltverträgliches grünes Lösungsmittel verwendet werden.
  • - Im Vergleich zu überkritischem CO2 kann mit relativ niedrigem Druck und ohne mechanische Ausrüstung gearbeitet werden.

Das allgemeine Schema ist dasjenige der Extraktion mit einem flüssigen Lösungsmittel, der Verdampfung, Kondensation und des Recyclings des Lösungsmittels.

Der Prozess läuft in aufeinanderfolgenden Phasen ab:

  1. 1. Eine Extraktionsphase, bei der der Rohstoff mit dem flüssigen Lösungsmittel vermischt wird.
  2. 2. Eine Trennphase nach der Übertragung der erhaltenen Lösung in den Verdampfer. Im Verdampfer wird das Lösungsmittel verdampft, es kondensiert im atmosphärischen Kondensator und wird im Lagertank gesammelt. In diesem isobaren und isothermen Prozess wird das Lösungsmittel unter denselben Temperatur- und Druckbedingungen verdampft und dann kondensiert.
  3. 3. Eine Evakuierphase im Verdampfer und im Extraktor, bei der das Lösungsmittel verdampft wird, um einerseits die Trennung im Verdampfer abzuschließen, und andererseits das Lösungsmittel aus dem festen Substrat zu desorbieren. Für den erschöpften Rohstoff handelt es sich um einen Trocknungsvorgang unter Wärme- und Vakuumeinwirkung, um das Lösungsmittel vollständig zu recyceln. An der Austrittsseite der Vakuumpumpe wird das verbleibende gasförmige Lösungsmittel bei atmosphärischem Druck an der Kältebrücke nach folgendem, allgemeinem Schema kondensiert.

Das Lösungsmittel befindet sich zu jedem Zeitpunkt – im Extraktor, Verdampfer, Kondensator und Lagertank – im Verdampfungsgleichgewicht.

  • - Durch eine Wärmezufuhr im Extraktor werden die Matrix und das Lösungsmittel auf die optimale Extraktionstemperatur gebracht. Der Druck entspricht demjenigen des Gleichgewichts.
  • - Das Lösungsmittel wird durch eine Wärmezufuhr im Verdampfer verdampft.
  • - Durch eine Kältezufuhr im Kondensator wird das Lösungsmittel kondensiert.

Für den Prozess und die Vorrichtung zur Extraktion mit Flüssiggas mit Recycling des Lösungsmittels und ohne Umwälzpumpe hat CELSIUS ein Patent angemeldet.

Das wichtigste thermodynamische Merkmal für die Auswahl des Lösungsmittels ist der Dampfdruck.

Das Lösungsmittel muss folgende Bedingungen erfüllen:

  • - Im Extraktor bei der Extraktionstemperatur nahe der Umgebungstemperatur flüssig sein, ohne dass der Druck auf einen für die Anlage übermäßigen Wert erhöht werden muss (Extraktionsphase). In der Praxis darf der Dampfdruck bei einer Temperatur von 35°C nicht mehr als 10bar betragen.
  • - Eine Kondensationstemperatur bei atmosphärischem Druck haben, die mit herkömmlichen Kühleinrichtungen erreicht werden kann (Trocknungsphase). In der Praxis muss die Kondensationstemperatur bei atmosphärischem Druck über 30°C liegen.

Bei diesen beiden Kriterien handelt es sich im industriellen Rahmen um Kriterien zur wirtschaftlichen Optimierung.

Hinsichtlich des Extrakts werden zwei Familien von Inertgasen in Betracht gezogen:

  • - Alkane.
  • - Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), zulässige Kühlgase.

Im folgenden Diagramm sind die Dampfdruckwerte der wichtigsten Flüssiggase im Vergleich zu herkömmlichen Lösungsmitteln dargestellt.

Das Diagramm ermöglicht die Auswahl anhand der obigen Kriterien.

Flüssiggas Butan
C4H10
R134a
1.1.1.2 Tetrafluorethan
C2F4H2
Siedetemperatur bei Patm -0.5°C -26°C
Dampfdruck bei 35°C 2,3 bar 7,9 bar

Unter technischen Gesichtspunkten sind die Betriebsbedingungen leichter für Butan zu erreichen, das den grünen Lösungsmitteln zugeordnet wird. Durch die Verwendung von Butan wird die Anlage als ATEX-Bereich eingestuft.

Im folgenden Mollier-Diagramm für Butan sind die Zustandsänderungen des Lösungsmittels im Verlauf des Extraktions- und Verdampfungszyklus dargestellt.

Extraktion mit Butan nach isobarem und isothermem Verfahren

Im isobaren und isothermen CELSIUS-Prozess erfolgen die Verdampfung und Kondensation des Lösungsmittels unter denselben Temperatur- und Druckbedingungen. Weder für die Durchführung des Zyklus noch für die Einspritzung oder das Recycling des Lösungsmittels sind eine Lösungsmittelpumpe bzw. ein -kompressor erforderlich.

Für die Extraktion mit Tetrafluorethan (TFE oder R134a) ist der Betriebsdruck etwas höher, wie im folgenden Mollier-Diagramm dargestellt.

Extraktion mit R134a nach isobarem und isothermem Verfahren

Zum vollen Verständnis der Vorteile des CELSIUS-Prozesses müssen die obenstehenden Mollier-Diagramme mit den Mollier-Diagrammen der Verfahren in den folgenden Abschnitten verglichen werden.

Für die Trennphase ist die Extraktion mit Flüssiggas ebenfalls vorteilhafter als die Extraktion mit herkömmlichen Lösungsmitteln.
Aufgrund der Differenzen zwischen den Verdampfungstemperaturen und der Form des Phasendiagramms von Lösungsmittel/gelöstem Stoff ist es einfacher, den gelösten Stoff aus einem Flüssiggas zu trennen als aus einem herkömmlichen organischen Lösungsmittel.

Das gewerbliche Eigentum am beschriebenen Prozess und der Vorrichtung ist patentgeschützt.

Die Anwendungen des Extraktionsprozesses mit Flüssiggasen werden für die Kunden von CELSIUS vertraulich untersucht. Es handelt sich im Wesentlichen um die Extraktion von Molekülen für die Pharma-, Kosmetik-, Aroma- und Parfümindustrie sowie Functional Food.

5. Extraktion mit R134a mit Kühlaggregat:

Als Extraktionslösungsmittel kann wiederum dasselbe Tetrafluorethan wie oben genannt (TFE oder R134a je nach der Nomenklatur der Kältetechniker) eingesetzt werden, allerdings nach einem völlig anderen Verfahren.

Hier kommt die kälteerzeugende Eigenschaft des Fluids zum Tragen – das Lösungsmittel durchläuft mit Hilfe eines Gaskompressors einen Carnot-Zyklus entsprechend den im folgenden Mollier-Diagramm dargestellten Zustandsveränderungen.

Extraktion mit R134a mit Kühlkompressor

Anwendungen im kleinen Maßstab wurden unter Verwendung von zweckentfremdeten Kälteaggregaten durchgeführt. Zur Komplexität der mechanischen Bauelemente kommt bei diesem Verfahren der zusätzliche Energieverbrauch durch den Gaskompressor hinzu.

6. Extraktion mit überkritischem CO2:

Seit der Einführung dieses Extraktionsverfahrens stellte sich überkritisches CO2 als ein sehr vielversprechendes Lösungsmittel heraus:

  • - CO2 ist völlig inert, gefahrlos und sehr kostengünstig.
  • - Im überkritischen Zustand stellt es sich als ein ausgezeichnetes Lösungsmittel heraus.
  • - Die Extraktion und Trennung erfolgen bei Umgebungstemperatur, was vorteilhaft ist für wärmeempfindliche Moleküle.

Das CO2 wird verwendet:

  • - In der überkritischen Phase bei der Extraktion mit einem Druck über 72 bar, in der Praxis im Bereich von 300 bis 500 bar.
  • - In der Gasphase bei der Trennung im Bereich von 20 bis 60 bar.

Das Lösungsmittel durchläuft mit Hilfe einer Pumpe für flüssige Lösungsmittel einen Carnot-Zyklus nach folgendem Mollier-Diagramm.

Extraktion mit überkritischem CO2 im Mollier-Diagramm

Die maximalen Betriebsdruckwerte der Anlagen erhöhen die Investitionskosten für eine Extraktionsanlage mit überkritischem CO2 und begrenzen die Anlagenkapazität.

In der Praxis beschränkt sich das Extraktionsverfahren mit überkritischem CO2 auf:

  • - Pilotanlagen mit reduzierter Kapazität, für die ein Extraktor durch die Bearbeitung eines Stabs aus rostfreiem Stahl gefertigt werden kann.
  • - Sehr große dedizierte Anlagen, die im Vollzeitbetrieb ein Produkt mit hoher Wertschöpfung produzieren (wie z.B. Entkoffeinierungsanlagen).

ANWENDUNGEN DER EXTRAKTION UNTER DRUCK:

Der von CELSIUS entwickelte Prozess der Extraktion unter Druck ist für die Extraktion aller polaren oder unpolaren Moleküle pflanzlichen oder tierischen Ursprungs bestimmt.

Durch die geringeren Investitionskosten als für die Extraktion mit überkritischem CO2 und dem geringen Infrastrukturbedarf können die Extraktionsanlagen direkt am Produktionsort des Rohstoffs aufgestellt und der Rohstoff transportkostenfrei verarbeitet werden.

Die Verwendung eines Flüssiggases als Extraktionslösungsmittel weist zahlreiche Vorteile auf:

  • - Die eingesetzten Flüssiggase sind chemisch inert gegenüber der Matrix und dem Extrakt. Sie sind gefahrlos und können von lebenden Organismen eingeatmet oder verschluckt werden.
  • - Die Extraktions- und Trennphasen erfolgen bei Umgebungstemperatur, zum Vorteil von wärmeempfindlichen oder durch Wärme oxidierbaren Molekülen.
  • - Die Lösungsmittelmoleküle sind klein und können leicht die Zellwände durchqueren.
  • - Die Solvatationseigenschaften können durch die Verwendung eines Hilfslösungsmittels mit ergänzendem ionischem Charakter erweitert werden.
  • - Die Extraktion und Trennung erfolgen bei relativ niedrigem Druck (unter 10 bar), ohne technische Kapazitätsbeschränkungen für die Ausrüstung.

Butan und TFE (Tetrafluorethan) sind die meistgenutzten Flüssiggase in den nectaCel Extraktoren.

CELSIUS stellt Extraktoren mit folgenden Merkmalen her:

  • - Keine Pumpenbauteile – weder Umwälzpumpe noch Gaskompressor (mit Ausnahme einer Vakuumpumpe zur Vervollkommnung der Rückstandstrocknung am Ende des Extraktionsvorgangs).
  • - Ein Energiebedarf, der sich auf die Verdampfung und Kondensation des Lösungsmittels beschränkt.
  • - Fast vollständiges Recycling der gesamten Lösungsmittelmenge.
  • - Ein von CELSIUS entwickelter und patentierter Prozess.

Je nach Art des Extrakts wird dieser in flüssiger Form, in Pulverform, als Schwebstoff oder gelöst im Hilfslösungsmittel erhalten. Die erschöpfte Matrix wird vor dem Öffnen des Extraktors getrocknet.

Das Extraktionsverfahren kann auch mit dem gegenteiligen Ziel, ein unerwünschtes Molekül aus der Matrix zu extrahieren, angewendet werden, wobei die gereinigte Matrix das Feinprodukt darstellt.

CELSIUS untersucht gemeinsam mit Ihnen Ihren Bedarf:

  • - Die Extraktion mit Butan (ggf. mit einem Hilfslösungsmittel) wird anhand eines 1 Liter Labor-Extraktors getestet.
  • - Mit einem vielseitig einsetzbaren 500 Liter ATEX Pilot-Extraktor unter Druck kann eine bedeutende Extraktmenge zu Analysezwecken, zur Experimentierung der Reinigungsphase bzw. für klinische Chargen produziert werden.

Die nectaCel Extraktionsanlagen:

  • - Umfassen die notwendigen Ausrüstungen für die Extraktion, die Filtration, die Verdampfung des Lösungsmittels, die Konzentration des Extrakts, die Kondensation, Lagerung und das Recycling des Lösungsmittels.
  • - Werden schlüsselfertig in den eigenen Werkstätten von CELSIUS konstruiert und gefertigt. Sie sind -konform nach der Druckgeräte-Richtlinie 97/23/EG und der ATEX-Richtlinie 94/9/EG (für Butan bzw. Alkohol) und besitzen die folgende Kennzeichnung:

  • - Sind vielseitig einsetzbar oder für eine bestimmte Produktion bestimmt, in labortechnischem oder industriellem Maßstab.

Die Anwendungen der Extraktionsprozesse mit Lösungsmittel werden für die Kunden von CELSIUS vertraulich untersucht.