Verfahren zur Gewinnung von Extrakten mit flüssigen Lösungsmitteln
Verholzte Pflanzenteile, wie sie in getrockneten Drogen z. B. als Ausgangsmaterial für die Herstellung von kosmetischen und aromatischen Erzeugnissen in Form von alkoholischen oder anderen Lösungsmittel-Extrakten auf kaltem Wege Verwendung finden, liegen meist in kleinstückiger Form vor. Soweit die Herstellung derartiger Extrakte mit diesem Ausgangsmaterial in kleineren Gewerbebetrieben vorgenommen wird, spielt die Frage der Rationalisie- rung keine besondere Rolle. Deshalb wird immer noch das sogenannte Perkolationsverfahren verwendet; in moderneren Betrieben werden Batterien von Perkolatoren im Durchlaufverfahren angewandt.
Dabei wird die Extraktion, die auch Mazeration genannt wird, im Standverfahren durchgeführt, d. h. das sperrige Gut wird in einen Behälter eingetragen und mit einem Lösungsmittel, welches meist verdünnter Alkohol ist, überschichtet. Um die Diffusion zu beschleunigen, hat man auch bereits die Flüssigkeit periodisch oder kontinuierlich umgepumpt, wobei man in den hintereinandergeschalteten Perkolatoren eine fortschreitende Anreicherung erzielt hat.
Die Nachteile der bekannten Verfahren liegen in einer langen Extraktionszeit und in der Schwierigkeit, die in der verholzten Zellwand als Benetzungsflüssigkeit vorhandene Lösungsmittelmenge mit den darin gelösten Extraktstoffen auf rationelle Weise zurückzugewinnen.
Die für die Extraktionszeit massgebende Diffusion der Extraktstoffe aus den verholzten Pflanzenteilen hängt nämlich von deren Grösse und Form ab; je kleiner die Pflanzenteile aufbereitet sind, desto grösser ist ihre Oberfläche und desto günstiger ist der Diffusionsquotient. Der Zerkleinerung sind aber Grenzen gesetzt, da bei zu starker Zerkleinerung ein Übermass an staubförmigen Anteilen entsteht, welche bei grosstechnischen Anlagen unliebsame Ablagerungen und Verstopfungen in den Leitungen, Armaturen und Pumpen verursachen. Ausserdem entsteht bei zu weit gehender Zerkleinerung an den Zerkleinerungsorganen erhebliche Wärme, die den Extraktstoffen in den verholzten Pflanzenteilen schädlich werden kann.
Mit Rücksicht auf die Füllung und Entleerung bei grosstechnischen Extraktionsanlagen sind dem Zer kleinerungsgrad ebenfalls Grenzen gesetzt, wenn komplizierte Räumvorrichtungn vermieden werden sollen.
Die für die Extraktionszeit massgebende Diffu sion wird weiter durch die Quellung der verholzten Zellwände des Pflanzenmaterials beeinflusst, die von der Konzentration der Lösungsmittel abhängig ist. Zu stark zerkleinerte und deshalb zu dicht gelagerte Pflanzenteile werden durch die Quellung in ihrer Diffusionsfähigkeit erheblich eingeschränkt, weil die dabei mit Lösungsmittel gefüllten Zwischenräume stark verkleinert sind.
Bei Anwendung von Durchlaufverfahren in Verbindung mit Perkolatoren-Batterien und Gegenstromverfahren ist es zwar gelungen, eine hohe Konzentration des Extraktes im Lösungsmittel zu erhalten, wie dies beim Extrahieren meist erwünscht ist, Aber dem Prinzip des Verfahrens nach, bei dem in stehenden Gefässen das Extraktionsgut ruht und nur das Lösungsmittel bewegt wird, braucht man dafür grosse Lösungsmittelmengen, da das Extrattionsgut immer ganz mit dem Lösungsmittel überschichtet wird. Je nach dem Schüttgewicht des Extraktionsgu- tes beträgt dieses Verhältnis pro Kilogramm Festgut zu Liter Lösungsmittel 1:4 bis 1:6. Bei einem in einem bestimmten Lösungsmittel löslichen Anteil von z.
B. 5 O/o des Gewichtes vom Extraktionsgut erreicht man nur in vielen Stufen unter Aufwendung grosser Mengen umgewälzter Flüssigkeit in langen Extraktionszeiten eine wirtschaftlich hohe Konzentration des extrahierbaren Anteils und befriedigende Ausbeuten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Extraktions- oder Mazerationszeit wesentlich zu verkürzen und den Lösungsmittelverbrauch herabzusetzen. Gegenstand der Erfindung ist demgemäss ein Verfahren zur Gewinnung von Extrakten aus verholzten, die löslichen Inhaltsstoffe nur langsam abgebenden Materialien mit Hilfe eines flüssigen Lösungsmittels in einem zylindrischen, um eine horizontale Achse rotierenden Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass man den Behälter vollständig mit dem grobstückigen Extraktionsgut, aber nur teilweise mit dem Lösungsmittel füllt. Infolge der Rotationsbewegung des Behälters ergiesst sich das Lösungsmittel ständig über das Extraktionsgut. Man kann den zylindrischen Behälter um seine Hauptachse rotieren lassen; die Rotation kann aber auch um eine gegen die Hauptachse des Behälters geneigte Achse erfolgen; z. B. bei einem Taumelbehälter.
Die Verwendung von rotierenden Trommeln ist in der Trenntechnik an sich bekannt, so z. B. bei Vollmantelschleudern. Die bekannten Vollmantelschleudern rotieren jedoch im Gegensatz zu dem bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Zylinder um eine vertikale Achse. Das Extraktionsgut wird infolge der Zentrifugalwirkung fest an der Trommelwand zusammengedrückt und die Extrak- tionsflüssigkeit wird im kontinuierlichen Durchlauf durch den an der Wand der Trommel anliegenden, die Trommel also nicht vollständig erfüllenden Filterkuchen hindurchgeführt. Während bei den bekannten Vollmantelschleudern die Kanalbildung durch den Filterkuchen verhindert werden soll und Hilfsmittel angegeben werden, um diese Kanalbildung zu unterbinden, kommt es bei dem erfindungsgemässen Verfahren gerade darauf an, Kanäle in dem Gut aufrecht zu erhalten.
Daher kommt die bei dem erfindungsgemässen Verfahren geltende Vorschrift, dass grobstückiges Gut verwendet wird.
Zur Extraktion von fett- und ölhaltigen Stoffen aus mehligem und schlammigem Extraktionsgut sind um eine horizontale Achse rotierende Trommeln bekannt, die vollständig mit dem Extraktionsgut gefüllt werden. In die Trommeln sind Filterelemente eingesetzt, durch welche das gasförmige oder flüssige Extraktionsmittel kontinuierlich hindurchgeführt wird.
Das Extraktionsgut ist in den Trommeln beweglich und scheuert an den Filterflächen, so dass bei gewissen Extraktionsgütern Reinigungsgeräte notwendig sind, um die Filter vor Verstopfung durch das Extraktionsgut zu bewahren.
In den bekannten rotierenden Schleudern und auch in den für die Extraktion von öl-und fetthaltigen Massen bestimmten Geräten werden Extraktionsgüter verarbeitet, die die zu extrahierenden Inhaltstoffe rasch abgeben, während die Erfindung sich mit der Behandlung von solchen Stoffen befasst, welche die Inhaltstoffe nur langsam abgeben. Dieser Unterschied in den zu verarbeitenden Gütern bedingt einen grundsätzlichen Unterschied auch in der Verfahrensweise, so dass die bei der Extraktion von leicht extrahierbaren Inhaltsstoffen bekannten Massnahmen nicht ohne weiteres auf die Extraktion von schwer extrahierbaren Inhaltsstoffen übertragbar sind.
Somit verbleibt für einen mit der Erfindung vergleichbaren Stand der Technik nur das eingangs bereits erwähnte Perkolationsverfahren, dessen durch die Erfindung überwundene Nachteile bereits eingehend dargelegt sind.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren bleiben zwischen den Berührungsflächen und Kanten der einzelnen Teile des grobstückigen Extraktionsgutes Zwischenräume über, durch welche die Extraktionsflüssigkeit sich bewegen kann. Das in dem Behälter unbewegliche Extraktionsgut wird bei der Rotation dauernd in seiner gesamten Oberfläche durch den Lösungsmittelsumpf geführt; immer, wenn grobstükkiges Gut aus dem Sumpf herausgetreten ist, kann das an seiner Oberfläche mitgenommene Lösungsmittel abtropfen und in den Flüssigkeitssumpf zurücklaufen.
Es tritt also sowohl im Extraktionsmittelsumpf wie auch beim Zurücklaufen des Lösungsmittels eine intensive, sich stets erneuernde Waschung und Spülung der gesamten Oberfläche des Extraktionsgutes ein, welche durch Umpumpen des Lösungsmittels in Standbehältern niemals erreicht wird. Durch die laminare Strömung des Lösungsmittels an der Oberfläche des Extraktionsgutes gelingt es in wenigen Tagen die dem Verhältnis extrahierbaren Anteil aus dem Extraktionsgut und angewendeter Lösungsmittelmenge maximal mögliche Extraktkonzentration zu erreichen. Eine stufenlose Regelung der Umlaufdrehzahl des Zylinders, als besondere Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens, erlaubt minimale Extraktionszeit und maximale Extraktausbeute für jedes beliebige Extraktionsgut sicherzustellen.
Auf diese Weise kann man durch das Verfahren gemäss der Erfindung die für jedes Extraktionsgut verschiedenen Diffusionsvorgänge zwischen Lösungsmittel und extrahierbarem Anteil optimal gestalten. Durch die kontinuierliche Überflutung des Extraktionsgutes mit dem Lösungsmittel und dem anschliessenden freien Ablauf des Lösungsmittels über die gesamte Oberfläche des Extraktionsgutes wird die Diffusion an der Grenzfläche des Extraktionsgutes bestmöglich herbeigeführt.
Ähnlich wie die eigentliche Extraktion kann auch der gegebenenfalls an die Extraktion anschliessende Waschvorgang durchgeführt werden:
Der Behälter wird nach dem Ablassen des extrakthaltigen Lösungsmittels für den Waschvorgang mit einer, verglichen mit dem Behälter-Volumen, sehr geringen Menge an Waschflüssigkeit, bei Alkohol als Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, gefüllt.
Diese Waschflüssigkeit ergiesst sich aufgrund der Drehbewegung des Behälters ständig über das Extraktionsgut und wäscht den Restgehalt an Lösungsmittel und löslichem Extrakt heraus. Die Waschung erfolgt zweckmässig in mehreren Stufen, wobei Waschflüssigkeit aus früheren Chargen verwendet wird. Die in geringer Menge anfallende und daher Lösungsmittel und Extraktstoff in verhältnismässig hoher Konzentration enthaltende Waschflüssigkeit ist für die Verschneidung des für die Extraktion benutzten Lösungsmittels geeignet oder kann durch aufeinanderfolgende Verwendung in mehreren Chargen auf jeden erwünschten Extraktgehalt angereichert werden.
Die Extraktion und/oder die Waschung können unter Vakuum durchgeführt werden; dies bringt den Vorteil, dass eine Oxydation der Extraktstoffe unterbunden ist.
Das Arbeiten im Vakuum war bei den bisher angewandten Perkolationsverfahren nicht möglich, da ein kontinuierliches Umpumpen von Flüssigkeit unter Vakuum praktisch nicht durchführbar ist.
Wenn die Extraktion unter Vakuum stattfindet, so können die Bedingungen innerhalb des Behälters derart gewählt werden, dass das Lösungsmittel auch bei Zimmertemperatur siedet. Auf Grund des unterschiedlichen Dampfdruckes von Wasser und Lösungsmittel bei Alkohol z. B. ist der Lösungsmittelgehalt in der Dampfphase grösser als der Lösungsmit telgehalt in der Flüssigkeitsphase. Wenn daher Lösungsmittel ständig verdampft und an einer anderen Stelle wieder kondensiert, besitzt das Kondensat eine höhere Konzentration als dem Mengenverhältnis von Alkohol und Wasser in dem Lösungsmittel entspricht. Das über das Extraktionsgut zurückfliessende Kondensat besitzt daher auf Grund seiner erhöhten Konzentration auch eine verstärkte Extraktionswirkung.
Um den Verdampfungs- und Kondensationsvorgang innerhalb des Behälters zu begünstigen, kann man innerhalb des Behälters eine kältere und eine wärmere Zone erzeugen, wobei die wärmere Zone zweckmässig im tiefsten Teil des Behälters und die kältere Zone im höchsten Teil des Behälters gelegen ist, so dass das Kondensat sich über das Extraktionsgut zurück nach dem Lösungsmittelsumpf im wärmerein Teil des Behälters ergiesst.
Die kalte und die warme Zone behalten ihre Lage im Raum bei, d. h. sie ändern ihre Lage nicht im Verlaufe der Drehbewegung des Behälters.
Es folgt nun die Beschreibung bevorzugter Aus führungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens:
Ein Taumelzylinder, welcher in einem Winkel um seine Längsachse drehbar ist, wird mit dem Extraktionsgut vollständig gefüllt und anschliessend evakuiert.
Nach Erreichen des erwünschten Unterdruckes wird in den Taumelzylinder Lösungsmittel eingesaugt und zwar in solcher Menge, dass es etwa bis zur Achse des Taumelzylinders steht. Das Lösungsmittel ist z. B. ein etwa 40 bis 60 0/obiger Alkohol; das in dem Taumelzylinder verbleibende Restvakuum wird aufrechterhalten. Durch das Vakuum werden während der Extraktion unerwünschte Veränderungen der Extraktionsstoffe durch Oxydation mit dem Luftsauerstoff ausgeschlossen.
Durch das Vakuum wird das Eindringen des Lösungsmittels in die Kapillarräume der verholzten Pflanzenteile erleichtert und die Benetzung der inneren Oberflächen beschleunigt. Das Vakuum bringt also eine Herabsetzung der Extraktionszeit mit sich.
Nach Einfüllen des Lösungsmittels in den Zylin- der wird dieser in Drehbewegung versetzt. Das Lösungsmittel wird durch diese Bewegung des Zylinders und des mit dem Zylinder bewegten Extraktionsgutes ebenfalls in dauernde Bewegung versetzt und es ergiesst sich ständig über das gesamte Extraktionsgut.
Die Drehzahl des Zylinders wird je nach dem verwendeten Extraktionsgut und der angewandten Menge an Lösungsmittel gewählt. Die Einsparung an Lösungsmittel ist erheblich; dies ist auf Grund des hohen Preises des Lösungsmittels Alkohol z. B. von grösster Bedeutung. Der Zeitgewinn kommt darin zum Ausdruck, dass in wenigen Tagen die gleiche Menge an Extrakt erhalten wird, die nach dem Perkolationsverfahren erst nach Wochen und Monaten erzielt werden konnte.
Das Verfahren lässt sich noch dahingehend ausbauen, dass mehrere Taumelzylinder hintereinander geschaltet werden; dies bedeutet eine weitere Einsparung an Lösungsmittel und ermöglicht die Gewinnung von Hochkonzentraten, deren Konzentration bis zur Grenzlöslichkeit der Extraktstoffe in dem Lösungsmittel geht.
Nach Erreichen des Diffusions-Gleichgewichtes wird das Lösungsmittel aus dem Zylinder abgelassen.
Es wird sodann der Waschprozess mit einer sehr geringen Menge Waschflüssigkeit durchgeführt. Als Waschflüssigkeit werden Wasser oder Waschfraktio- nen aus vorhergehenden Ansätzen verwendet. Es genügt, wenn die Trommel bis zu 1/, ihres Volumens oder mit noch weniger Waschflüssigkeit gefüllt wird.
Durch Anwendung wechselnder Drehzahlen erreicht man, dass trotz der geringen Menge Waschflüssigkeit das gesamte Extraktionsgut mit Waschflüssigkeit in Berührung kommt. Der Wechsel der Drehzahl kann von einer Programmsteuerung bewirkt werden und periodisch sein.
Der Waschvorgang wird in Stufen durchgeführt, d. h. die Waschflüssigkeit wird mehrmals erneuert.
Die Konzentration des Alkohols z. B. in der Waschflüssigkeit Wasser kann ganz nach Wunsch eingestellt werden, je nach der Verwendungsart der Waschflüssigkeit. Bei der Verwendung ein und derselben Waschflüssigkeit für die Auswaschung von Extraktionsgut von aufeinanderfolgenden Chargen kann sowohl der Alkoholgehalt wie auch die Extraktstärke wunschgemäss so hoch angereichert werden, dass die Waschflüssigkeit mit dem ersten Extrakt, ohne diesen wesentlich zu verdünnen, vermischt werden kann.
In diesem Falle würde also nach Beendigung der Extraktion statt mit Wasser mit einer Waschfraktion aus einem vorhergegangenen Ansatz der Waschprozess eingeleitet, wobei sich die Menge der Waschflüs sigkeit nach den vorliegenden Werten für Alkoholund Extraktgehalte der Waschflüssigkeit richtet und nach dem zu erwartenden Ergebnis nach Einstellung des Diffusionsgleichgewichtes und Mischungsgleich gewichtes. Die weiteren Waschstufen können mit entsprechend niedrigeren Fraktionen aus vorhergehenden Ansätzen vorgenommen werden, so dass eine fortschreitende Anreicherung sowohl im Alkoholwie auch im Extraktgehalt in den Waschfraktionen erfolgt, bis die erste Fraktion zum Erstextrakt gegeben werden kann, und nur die letzte Waschung mit Wasser erfolgt. Auf diese Weise können z.
B. die Alkoholverluste auf ein wirtschaftlich sinnvolles Minimum herabgedrückt und der Extraktgewinn nahe an 1000/o herangeführt werden. Eine Rückgewinnung von im Extraktionsgut verbliebenem Restalkohol kann natürlich dadurch uninteressant werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Extraktionsgut ebenfalls in einen um eine horizontale Achse drehbaren Zylinder gebracht; auch hier wird zweckmässig so viel Extraktionsgut in den Zylinder eingefüllt, dass nach Eintritt der Quellung ein starrer Körper von dem Extraktionsgut und dem Zylinder gebildet ist.
Der Innenraum des Zylinders kann evakuiert werden.
Anschliessend wird Lösungsmittel eingesaugt. Die physikalischen Bedingungen in dem Zylinder werden nunmehr so gewählt, dass bei verhältnismässig niederen Temperaturen das Lösungsmittel siedet, d. h. es wird in dem Zylinder ein entsprechendes Vakuum aufrechterhalten. Bei Zimmertemperatur liegt der Siededruck des reinen Athylalkohols bei 40 Torr, der des Wassers bei 17 Torr. Drucke in dieser Grössenordnung lassen sich im grosstechnischen Masstab ohne weiteres erreichen. Um denSiedeprozess in dem Zylinder aufrechtzuerhalten, wird dem sich langsam drehenden Zylinder ständig Wärme zugeführt und zwar durch Beheizung eines Längsstreifens des Zylindermantels im jeweils untersten Bereich desselben.
Das verdampfende Lösungsmittel wird im oberen Teil des Zylinders wieder kondensiert und fliesst durch das Extraktionsgut nach dem unteren Teil des Zylinders zurück. Die Kondensation wird durch Kühlung der jeweils obengelegenen Zylindermantelwandung begünstigt.
Der Extraktgehalt des verdampfenden und damit auch des kondensierten Lösungsmittels ist Null, so dass das Konzentrationsgefälle zwischen Lösungsmittel und Extraktionsgut an der Stelle des Eintritts des Kondensats in das Extraküonsgut ein Maximum ist.
Dieses hohe Konzentratgefälle begünstigt die Extraktion und setzt damit die Extraktionsdauer herab. Da der Dampfdruck des Alkohols höher ist als der Dampfdruck des Wassers, ist das Konzentrationsverhältnis von Alkohol zu Wasser in der Dampfphase und damit auch in dem Kondensat ein grösseres als das Konzentrationsverhältnis im Lösungsmittel. Das Kondensat, welches das Extraktionsgut benetzt, ist damit höher konzentriert als das zur Verwendung kommende Lösungsmittel. Dies bedeutet, dass die Extraktionsdauer kürzer wird als bei Verwendung des jeweiligen Lösungsmittels unter der Annahme einer gleichmässigen Verteilung von Alkohol und Wasser eigentlich zu erwarten wäre.
Wenn das Vakuum durch Undichtigkeit nach und nach schlechter werden sollte, so wird wieder evakuiert, so dass der Vakuumverlust ausgeglichen wird.
Die Beheizung des unteren Zylinderteils, d. h. des in diesem unteren Zylinderteil enthaltenen Lösungsmittelsumpfes, erfolgt z. B. durch grössere Strahlungsheizelemente.
Bei Aufrechterhaltung eines Vakuums von etwa 10 Torr z. B. liegen die Siedepunkte der Komponenten Alkohol-Wasser im Bereich zwischen Gefrierpunkt des Wassers und Zimmertemperatur, so dass trotz Aufheizung im Lösungsmittelsumpf das Prinzip eines Extralktions-Verfahrens bei Raumtemperatur auch dann noch aufrechterhalten werden kann.
N.B.: Der Schutzbereich des Patentes ist durch Art. 2 Ziff. 2 Pat G beschränkt.