Extraction durable avec du dioxyde de carbone
Pompes à déplacement oscillant
Le dioxyde de carbone est utilisé notamment dans l'industrie alimentaire, des boissons, des cosmétiques et pharmaceutique pour extraire des substances naturelles, des arômes, des graisses, des huiles, des cires, des polymères, des enzymes et des colorants dans leur état physique supercritique. Car malgré sa mauvaise réputation de gaz à effet de serre, le CO2 est un solvant naturel et respectueux de l'environnement qui présente des avantages sur les milieux synthétiques et nocifs comme le n-hexane en matière de durabilité. Les pompes volumétriques oscillantes sont idéales pour l'extraction de CO2 supercritique.
L'extraction de CO2 supercritique est une pratique courante dans le traitement du houblon pour le brassage de la bière. Des pompes à piston haute pression hautement spécialisées sont utilisées pour ce processus.
Pompes et systèmes
Ce processus a une longue tradition. Il y a plus de 50 ans, les chercheurs et les développeurs ont commencé à travailler sur cette question et les premiers systèmes, par exemple pour le café décaféiné, ont rapidement été développés. Comment extraire la caféine du grain de café? Le dioxyde de carbone est comprimé sous très haute pression, entraînant la séparation du composant souhaité de la matière première. Lorsque la pression est réduite, le dioxyde de carbone libère à nouveau les substances retirées et un extrait est produit.
Les arguments contre les procédés d'extraction chimique
Pour éviter les traces pathogènes, toxiques et donc dangereuses dans un produit, il est plus sûr d'omettre complètement l'utilisation de solvants organiques. L'élimination respectueuse de l'environnement des solvants chimiques est cependant compliquée et entraîne des coûts importants. Cela crée des objectifs contradictoires pour tout fabricant qui s'engage pour la durabilité.
Les arguments en faveur du solvant organique CO2
Ces dernières années, la pression dans les processus d'extraction est passée d'env. 300 bar à env. 1000 bar. Cela conduit à un temps de traitement réduit, permettant de produire des ingrédients plus efficaces d'une manière plus douce. Cela rend l'utilisation commerciale globalement plus rentable et plus efficace. La tendance générale actuelle des consommateurs vers les produits biologiques soutient cette évolution.
Pourquoi le processus d'extraction du CO2 est toujours à la mode
Une application classique de ce processus est le brassage de la bière: l'extraction sélective des acides alpha et bêta modifie le spectre des substances amères dans le houblon cultivé naturellement en fonction de la saveur souhaitée. Ce type de «conception de boisson» peut influencer le goût d'une bière aromatique, douce ou amère. Un extrait de houblon sans substances amères permet aux boissons à la mode comme la «limonade de houblon» aux saveurs particulières de s'implanter sur le marché. La flexibilité qui en résulte permet aux brasseries de s'adapter aux tendances de consommation et de fabriquer des produits sains adaptés aux besoins des clients.
Les pompes volumétriques oscillantes sont idéales pour l'extraction de CO2 supercritique.
Le principe de l'extraction du CO2
Le processus peut être décrit avec trois mots clés: extraction, séparation et condensation.
Tout d'abord, le CO2 liquide est surfondu et introduit dans la pompe. En raison d'une forte compression, avec des pressions allant jusqu'à 1 000 bars, le CO2 est chauffé et transféré dans un état supercritique. Dans ces conditions, il possède les propriétés d'un gaz et d'un liquide et se caractérise principalement par ses excellentes capacités de dissolution. La grande fluidité du CO2 supercritique lui permet de pénétrer dans les plus petits pores des aliments et d'extraire les substances désirées de la matière première. Le CO2 supercritique est ensuite détendu et chauffé. Il redevient un gaz et s'évapore sans laisser de trace, ne laissant que l'extrait pur. Le CO2 étant inerte, il ne réagit pas avec l'extrait et ne dénature pas ses propriétés.
Diagramme schématique des composants de processus d'un système d'extraction de CO2, qui peuvent avoir différentes conceptions selon le processus.
Plus d'informations ici:
Comparaison avec le brassage de la bière:
extraction chimique du houblon avec de l'éthanol par rapport au CO2 comme solvant
La comparaison, qui n'est bien entendu pas exhaustive, examine certains faits concernant les domaines de la production, de la composition, de la pureté et de l'efficacité économique. Comme point de départ, le processus continu d'extraction utilise de l'alcool de fermentation pour traiter les ombelles de houblon à des températures d'env. 60 ° C. Lorsque du CO2 est utilisé, il s'agit d'un processus discontinu avec du dioxyde de carbone supercritique comme solvant. Les pastilles de houblon sont utilisées comme produit principal. Ils sont traités à des températures inférieures à 60 ° C et avec des pressions d'extraction jusqu'à 300 bars.
Selon la composition de la variété spécifique, l'extrait d'éthanol contient toutes les substances amères, tandis que le CO2 permet une extraction sélective des acides dits alpha ou bêta, ce qui signifie que les substances amères non spécifiques dans le houblon sont à peine présentes dans l'extrait par la suite. Le processus peut obtenir une très bonne extraction des pesticides, nitrates et métaux lourds contenus, grâce à quoi l'application de CO2 atteint de meilleures valeurs. D'un point de vue économique, les coûts de production pour le processus d'extraction de CO2 sont légèrement plus élevés, car les pastilles de houblon doivent d'abord être produites pour le processus et il s'agit également d'un processus discontinu. L'extrait à l'éthanol a une stabilité d'env. une semaine, l'extrait de CO2 d'env. deux semaines, grâce auxquelles les extraits conditionnés peuvent se conserver pendant six ans ou plus à la bonne température de stockage.
Défi pour la technologie des pompes CO2 haute pression
Le défi pour la technologie des pompes est le CO2 moyen, qui est gazeux dans des conditions ambiantes normales. Il doit être constamment maintenu à l'état liquide grâce à une surveillance précise des paramètres du processus pour éviter les dommages par cavitation dans la pompe. Les mauvaises propriétés de lubrification et la compressibilité élevée du CO2 liquide nécessitent des pompes spécialement développées avec un haut niveau de fiabilité du processus. Concrètement, cela signifie que la pompe doit être spécialement développée pour l'application de CO2: la partie puissance doit pouvoir résister aux forces des tiges résultant de la pression d'aspiration élevée et une lubrification optimale des points d'appui doit être assurée. Dans le même temps, des augmentations de pression jusqu'à 1000 bars créent une augmentation de température correspondante plus élevée: cela nécessite un refroidissement efficace de la section de fluide avec des canaux de refroidissement dans les presse-étoupes et les blocs de soupapes.
Comme certains composants ne peuvent pas être refroidis directement, il est important d'adapter les matériaux et la conception de sorte que le moins possible de la chaleur de compression générée soit absorbée. Du fait que le CO2 est soumis alternativement à la compression et à l'expansion, il est nécessaire de minimiser ou d'éviter l'élévation de température et les pertes qui en résultent.
Un autre mot-clé ici est l'optimisation de l'espace mort dans la section fluide de la pompe: l'optimisation garantit toujours une efficacité volumétrique élevée. Cette efficacité volumétrique devient de plus en plus importante en raison de l'augmentation de la pression de traitement. L'efficacité volumétrique influence le débit et donc la fonction de la pompe entière.
En particulier avec des pressions très élevées jusqu'à 1 000 bars, une conception avec un volume d'espace mort optimisé dans la section fluide est cruciale pour le fonctionnement général de la pompe. Des composants d'extrémité de liquide mal conçus peuvent non seulement faire cesser le pompage de la pompe, mais aussi simplement comprimer et se dilater sans décharger le volume souhaité du fluide.
Technologie de pompe à CO2 haute pression utilisée
Les pompes à piston haute pression qui ont été adaptées à ce type de défis particuliers sont particulièrement adaptées à une utilisation dans l'extraction de CO2. Pour cela, la section fluide des pompes a été repensée et intégrée dans une variété de différentes pompes à piston haute pression éprouvées, personnalisées pour chaque modèle. Les pompes sont utilisées dans le monde entier pour une variété de processus d'extraction de CO2 différents dans de nombreuses industries différentes, y compris dans un système pilote d'extraction au CO2 de colorants et d'arômes de tomates.
La variété des substances à extraire est immense, de sorte que les paramètres exacts et donc la conception précise de la pompe à piston haute pression doivent être définis individuellement pendant la phase de planification du projet. Il n'est tout simplement pas possible de déterminer quelle pompe est la bonne dans un système. Toutes les pompes combinent une conception robuste et compacte avec une technologie innovante et flexible, répondant à toutes les exigences de la technologie de production de pointe en termes de taille, de poids et d'efficacité énergétique. La conception fonctionnelle de la pompe à piston haute pression décrite atteint une efficacité mécanique de plus de 90%, ce qui signifie qu'elle offre un niveau optimal d'efficacité énergétique et de durabilité.
Le concept de système en génie des pompes
Afin de répondre aux demandes des clients d'aujourd'hui, un concept de système est également nécessaire, comprenant des solutions plug-and-play dans l'ingénierie des pompes: les clients veulent des unités d'entraînement et de commande complètes dans les pompes, consistant en un dispositif compact de convertisseur de fréquence, un trois asynchrone - moteur triphasé et unité de commande et de commande (voir fig. 3). Le moteur asynchrone triphasé refroidi par air IE3 est adapté pour un contrôle de vitesse continu via le convertisseur de fréquence et entraîne la pompe à piston dans la plage de travail requise. Les convertisseurs de fréquence surveillent la température, le courant et la vitesse du moteur.
Le contrôle continu de la vitesse / pression pour le moteur triphasé asynchrone est fourni par l'unité compacte de convertisseur de fréquence (FC) refroidie par air, avec différentes tensions à large plage et une efficacité énergétique nominale d'au moins 97%. L'unité FC est entièrement prête à se connecter. Il se compose d'un interrupteur de coupure de charge pour une déconnexion sécurisée, d'une connexion d'alimentation et de moteur, d'une électronique de puissance, d'une unité de commande et de surveillance, d'un filtre d'entrée CEM et d'un affichage FC avec navigation intuitive dans les menus pour toutes les fonctions FC. Il peut être adapté aux besoins du client si nécessaire. Pour une application individuelle, fiable et confortable d'utilisation, de surveillance et de commande de pompes, un petit boîtier supplémentaire avec un automate de sécurité intégré S7 peut par exemple être utilisé. Cela permet à la personnalisation de répondre aux fonctions et exigences de sécurité spécifiques à l'application et au client.
Unité de pompe à piston haute pression pour application de CO2 en tant qu'unité compacte avec convertisseur de fréquence, moteur et unité de commande / fonctionnement
L'affichage, le fonctionnement et le paramétrage sur site peuvent être effectués via un écran tactile pratique avec une navigation intuitive dans les menus - par exemple pour le réglage des paramètres / valeurs de consigne et pour l'affichage de la valeur réelle / valeur de consigne, l'erreur et l'état ainsi que les données de la pompe et du moteur. Des signaux discrets et analogiques ou des interfaces de bus (norme Profinet) permettent de se connecter à un contrôleur de niveau supérieur.
Grande variété d'applications pour le solvant organique prometteur
D'innombrables applications peuvent être observées dans l'industrie alimentaire, les compléments alimentaires, les cosmétiques et l'industrie pharmaceutique: la demande d'extraction d'huiles, de cires, d'extraits, de colorants et de substances actives de haute qualité ne cesse d'augmenter. Les substances naturelles peuvent être raffinées par le processus d'extraction avec le CO2 organique de différentes manières: par exemple en éliminant les graisses et les huiles, les parfums et les arômes, les substances actives ou les substances nocives. Les plantes médicinales ainsi que les substances végétales courantes - telles que les algues, les fruits et légumes, les baies, les herbes et les épices, les graines, les céréales et les noix - fournissent les matières premières. Ce procédé peut même être utile pour extraire des substances nocives de matières premières contaminées.
Pompes personnalisées
pour une variété de processus
En principe, l '«extraction» consiste à retirer une certaine substance du produit primaire, puis à la fournir sous sa forme pure pour utiliser la substance extraite pour un traitement ultérieur. La grande variété de matières premières végétales nécessite également une variation correspondante des processus, les paramètres appropriés devant être définis individuellement dans chaque cas pour permettre une extraction optimale des agents naturels.
L'utilisation et l'ingénierie d'ensembles d'entraînement et de commande personnalisés et normalisés sont à la base de ces applications de pompes à CO2 haute pression techniquement sophistiquées qui ont des exigences importantes en matière de fiabilité des processus et de sécurité personnelle. Toutes les pièces du système doivent être adaptées au processus, à la fonction, à la sécurité et à l'application en ce qui concerne l'efficacité énergétique et la disponibilité du système. Une pratique de fabrication moderne et durable vise une efficacité globale optimale et une structure efficace dans une conception compacte, en tenant compte de l'optimisation des processus et de l'usure - y compris la surveillance des données d'instruments et de processus de l'ensemble de la pompe.
