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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Extraktion basischer
bzw. saurer Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere zum Entnikotinisieren von Tabak
durch Extraktion des Pfianzenmaterials mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt
mischbaren Lösungsmitteln und durch Abtrennen der Pfianzeninhaltsstoffe aus ihrer
wäßrigen Lösung mittels Ionenaustausch.
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Zum Entnikotinisieren von Tabak sind Verfahren bekannt, wobei der
Tabak mit Lösungsmitteln extrahiert wird. Bei einem Teil dieser Verfahren wird der
Tabak, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Vorbehandlung, mit Wasser oder einem
organischen Lösungsmittel extrahiert, aus der erhaltenen Lösung das Nikotin entfernt
und die verbliebene Lösung, welche noch andere Tabakinhaltsstoffe enthält, dem Tabak
wieder zugeführt.
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Bei der Verwendung organischer Lösungsmittel entfernt man das Nikotin
daraus beispielsweise durch Auswaschen mit Säuren oder Salzlösungen. Dabei läßt
es sich nicht vermeiden, daß ein Teil dieser Säuren oder Salze in gelöster oder
suspendierter Form auf den Tabak gelangt und dessen Qualität beeinträchtigt. Auch
verbleibt ein Teil der löslichen Tabakinhaltsstoffe in den zur Auswaschung verwendeten
Lösungen.
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Man hat deshalb auch schon versucht, Tabak mit Wasser zu extrahieren
und aus den erhaltenen Lösungen das Nikotin durch Ionenaustauscher zu entfernen,
da hierbei die Säuren in fester, unlöslichel Form vorliegen und die geschilderten
Nachteile wegfallen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der ursprüngliche
Zustand des Tabaks in ungünstiger Weise verändert wird. Beispielsweise verarmt der
Tabak hierbei an anorganischen Kationen, was zu einer erheblichen Verschlechterung
der Abbrandeigenschaften führt. Durch die gute Löslichkeit vieler Tabakinhaltsstoffe
in Wasser liegt die sich einstellende Gleichgewichtskonzentration in diesem Fall
bei etwa 300/0. Ferner büßt der Tabak einen Teil seiner physikalischen Eigenschaften
ein, und zum Wegtrocknen des in beträchtlicher Menge anhaftenden Wassers sind große
Wärmemengen nötig.
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Es ist ferner bekannt, Tabak mittels organischen, mit Wasser nicht
unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln zu extrahieren und die von dem Tabak abgetrennte
organische Phase anschließend einer Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Lösungen anorganischer
Salze und Säuren zu unterwerfen. Diese Verfahrensweise hat zwar den Vorteil, daß
der Tabak nicht unmittelbar mit Wasser in Berührung kommt, jedoch läßt es sich durch
die gegenseitige Löslichkeit der wäßrigen Lösung und der organischen Phase nicht
vermeiden, daß Salze und insbesondere anorganische Mineralsäuren, die in organischen
Lösungsmitteln verhältnismäßig gut löslich sind, bei der Rückführung der organischen
Phase auf den Tabak gelangen. Diese mit dem organischen Lösungsmittel auf den Tabak
gelangenden Mineralsäuren bilden mit dem im Tabak vorhandenen Nikotin Salze. Im
Gegensatz zu den Nikotinsalzen organischer Säuren sind jedoch die Nikotinsalze von
Mineralsäuren in organischen Lösungsmitteln so wenig lösbar, daß auch durch längere
Extraktionszeiten eine befriedigende Entnikotinisierung des Tabaks nicht mehr erreicht
werden kann.
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Die Mineralsäuren fixieren also in gewisser Weise das Nikotin auf
dem Tabak, statt es zu entfernen.
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Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile
vermeiden kann, wenn
die je für sich bekannten Verfahrensschritte der Extraktion des Pflanzenmaterials
mittels organischen, mit Wasser nicht unbegrenzt mischbaren Lösungsmitteln (Verfahrensschritt
I), und des Abtrennens der Pflanzeninhaltsstoffe aus ihrer wäßrigen Lösung mittels
Ionenaustausch (Verfahrensschritt II) über eine Flüssig-Flüssig-Extraktionsstufe
miteinander verknüpft werden, indem das organische, mit den Pflanzeninhaltsstoffen
beladene Lösungsmittel im Gegenstrom zu der wässerigen, in der Ionenaustauschstufe
von den Pflanzeninhaltsstoffen befreiten Lösung geführt wird.
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Hierbei werden in vorteilhafter Weise in dem organischen Lösungsmittel
die hierin löslichen, aber nicht abzutrennenden Pflanzeninhaltsstoffe so weit angereichert,
daß die in der nach der Extraktion dem Pflanzenmaterial anhaftenden Lösungsmittelmenge
enthaltene Menge an Pflanzeninhaltstoffen der bei der Extraktion entzogenen entspricht.
Auch werden vorteilhafterweise in der wässerigen Phase lösliche, aber nicht abzutrennende
Inhaltsstoffe so weit angereichert, bis sich ein Lösungsgleichgewicht zwischen der
organischen und der wässerigen Phase eingestellt hat.
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Von dieser wässerigen Phase, weIche keine fremden Bestandteile enthält,
kann nach Passieren des Ionenaustauschers ein Teil abgetrennt, dem extrahierten
Pflanzenmaterial zugeführt und durch einen entsprechenden Anteil Frischwasser ersetzt
werden.
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In den Zeichnungen ist schematisch eine praktische Ausführungsform
der Erfindung am Beispiel der Entnikotinisierung von Tabak dargestellt, wobei zeigt
Fig. 1 das Verfahrensprinzip und F i g. 2 eine kontinuierliche Verfahrensweise.
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Eine Pumpe 1 befördert das organische Lösungsmittel durch den Tabakbehälter
2 und den Flüssig-Flüssig-Extraktor 3 im Kreislauf 1-2-3-1 (VerfahrensschrittI).
Im Gegenstrom zum organischen Lösungsmittel wird Wasser in den Flüssig-Flüssig-Extraktor
3 mittels der Pumpe 4 befördert und über den Ionenaustauscherbehälter 5 ebenfalls
in einem Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführt.
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Im Kreislauf des organischen Lösungsmittels 1-2-3-1 (VerfahrensschrittI)
werden außer Nikotin bzw. dessen Salzen zu Beginn der Verfahrensdurchführung noch
verschiedene Inhaltsstoffe des Tabaks extrahiert. Da erfindungsgemäß das Nikotin
durch Waschen mit Wasser im Gegenstrom fortwährend aus dem organischen Lösungsmittel
entfernt wird, kann letzteres auch immer wieder von neuem Nikotin aufnehmen, wodurch
eine fortschreitende Extraktion von Nikotin aus dem Tabak erfolgt.
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Im Gegensatz dazu werden die anderen Tabakinhaltsstoffe im Lösungsmittel
bis zu einem Gleichgewichtszustand angereichert. Dieser ist dann erreicht, wenn
dem Tabak nach Verlassen des Extraktorf 3 durch das anhaftende Lösungsmittel, das
im nachfolgenden Trockner verdampft, die gleiche Menge an Tabakinhaltsstoffen wieder
zugeführt wird, die ihm während der Extraktion zunächst entzogen worden ist. Dadurch
bleibt die Menge dieser nicht abzutrennenden Stoffe auf dem Tabak in der Gesamtbilanz
des Prozesses konstant. Vorteilhafterweise verfährt man so, daß der behandelte und
zur Trocknung gelangende Tabak mindestens das Doppelte seines Eigengewichtes an
Lösungsmittel enthält.
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Auch das im Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführte Wasser
zur Extraktion des organischen
Lösungsmittels hat das Bestreben,
sich mit Nikotin bzw. dessen Salzen, aber auch mit einigen anderen wasserlöslichen
Tabakinhaltsstoffen anzureichen. Da das Nikotin aus der wässerigen Phase mittels
eines Ionenaustauschers (5) entfernt wird, kommt es in bezug auf Nikotin nicht zu
einer Sättigung, so daß die wässerige Phase immer von neuem Nikotin aus dem organischen
Lösungsmittel aufnehmen kann.
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Für die anderen in das Wasser übergehenden, jedoch nicht abzutrennenden
Tab akinhaltsstoffe wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, indem deren Menge in
der wässerigen Phase konstant bleibt. Gewünschtenfalls kann man die Konzentration
dieser Stoffe in der wässerigen Phase dadurch begrenzen, daß man laufend einen Teil
dieser Phase auf den behandelten Tabak zurückführt und durch frisches Wasser ersetzt.
Eine gesonderte Rückführung kann sich erübrigen, wenn man diese wässerige Lösung
zur Herstellung der üblichen Soßen verwendet. Dies ist nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren insofern möglich, als nur hierbei die wässerige Phase praktisch frei von
Nikotin und Fremdstoffen ist.
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Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine mit den bekannten
Verfahren nicht erreichte dreifache Selektivität aus, die durch den bevorzugten
Übergang des Nikotins durch die drei Phasengrenzen Tabak/organisches Lösungsmittel,
organisches Lösungsmittel/Wasser und Wasser/lonenaustauscher erreicht wird.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dadurch,
daß eine direkte Berührung des Tabaks mit der wässerigen Phase vermieden wird und
tabakfremde Säuren und Salze in vorteilhafter Weise vom Tabak ferngehalten werden.
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Das im Kreislauf 4-3-5-4 (Verfahrensschritt II) geführte Wasser belädt
sich mit Nikotin bzw. Nikotinsalzen aus der organischen Phase und tritt in die Säule
des Ionenaustauschers ein. Nach dem Verlassen dieser Säule enthält das Wasser nur
noch ganz geringe Spuren von Nikotin. Durch die Säuren des Tabaks, die aus ihren
Salzen durch den Ionenaustauscher ebenfalls freigesetzt werden, reagiert die wässerige
Phase sauer. Der pH-Wert schwankt je nach Tabaksorte und Verfahrensbedingungen und
ist stets vor Eintritt in die lonenaustauschersäule höher als danach. Wenn diese
Säuren durch die basischen Stoffe des Tabaks zu Salzen gebunden werden, dann werden
sie beim Durchgang durch den Ionenaustauscher wieder freigesetzt. Dadurch wird trotz
verhältnismäßig geringer anwesender Säuremengen ständig ein bestimmter niedriger
pH-Wert aufrechterhalten, der sich auf den Übergang des Nikotins von der organischen
in die wässerige Phase besonders vorteilhaft auswirkt.
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Zur weiteren Absenkung des pH-Wertes kann man der wässerigen Phase
geringe Mengen Säuren zusetzen, z. B. Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure oder
Citronensäure. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren sind hierfür jedoch keine stöchiometrischen,
sondern nur ganz geringe Mengen nötig, da der Ionenaustauscher ständig aus den durch
Neutralisation mit Nikotin entstandenen Salzen die freien Säuren regeneriert.
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Als Ionenaustauscher können die handelsüblichen, natürlichen oder
künstlichen Typen verwendet werden, wobei man zweckmäßigerweise Kationenaustauscher
in der Säureform wählt, weil hierdurch -
wie oben erwähnt - die natürlichen Säuren
des Tabaks diesem erhalten bleiben.
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Als organische Lösungsmittel für das erfindungsgemäße Verfahren eignen
sich beispielsweise Ketone, wie Butanon und Cyclohexanon; Ester, wie Methylacetat,
Athylacetat und Butylacetat; Äther, wie Diäthyläther, Diisopropyläther und Diisobutyläther;
Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Cyclohexan, Benzol und Toluol; halogenierte
Kohlenwasserstoffe, wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Methylenchlorid, Trichloräthylen,
Monofluordichloräthylen und Difluordichloräthylen; ferner in Wasser schwerlösliche
Alkohole, wie Isobutanol, Amylalkohol und Cyclohexanol. Darüber hinaus kommen auch
andere als die beispielsweise genannten Lösungsmittel in Betracht, sofern sie mit
Wasser nicht unbegrenzt mischbar sind und keinen allzu hohen Siedepunkt haben.
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Auch Mischungen von zwei oder mehreren verschiedenen Lösungsmitteln
können vorteilhaft sein, entweder hinsichtlich des Extraktionseffektes oder hinsichtlich
der Verfahrensgestaltung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Tabak,
und zwar in jedem Verarbeitungsstadium, vor allem für Rohtabak, entrippten Tabak
und Schnittabak.
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Die Feuchtigkeit des für die Extraktion eingesetzten Tabaks sollte
in Anpassung an die jeweiligen Verfahrensbedingungen in einem mittleren Bereich
liegen, da zu trockner Tabak durch erhöhten Bruch und zu feuchter Tabak wegen der
zusätzlich aufzuwendenden Trocknungsenergie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
herabmindert. In dem meisten Fällen arbeitet man vorteilhaft bei einer Tabakfeuchtigkeit
zwischen 12 und 20°/o, womit diese jedoch weder nach oben noch nach unten auf den
angegebenen Bereich begrenzt ist.
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Bei der Verfahrensweise gemäß Fig. 2 wird zunächst Tabak aus der
Tabaksvorratseinrichtung 6, z. B. durch eine Schütteleinrichtung oder eine pneumatische
Förderung, und Lösungsmittel aus dem Lösungsmittelvorratsbehälter 7, z. B. durch
den eigenen Fall oder mittels einer Pumpe, in die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung
2 eingefüllt. Das bei der Extraktion im Gleich- oder im Gegenstrom die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung
2 verlassende und mit Nikotin beladene Lösungsmittel fließt in die Flüssig-Flüssig-Extraktionseinrichtung
3, wo es von einer aus der Ionenaustauscheinrichtung 5 mittels der Pumpe 4 herangeführten
wässerigen Phase vom Nikotin befreit wird, und fließt dann, nach erfolgter Phasentrennung,
über die Pumpe 1 wieder in die Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 und damit in
den Kreislauf zurück.
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Der extrahierte Tabak wird durch eine geeignete Fördereinrichtung
aus der Fest-Flüssig-Extraktionseinrichtung 2 in die Trockeneinrichtung 8 übergeführt.
Das hier durch Wärmezufuhr, gegebenenfalls unter Vakuum, verdampfende Lösungsmittel
gelangt in die Lösungsmittel-Rückgewinnungseinrichtung 16, in der es beispielsweise
durch Kühlen, Komprimieren, Auswaschen oder Adsorbieren zurückgewonnen wird und
aus der es in den Lösungsmittel-Vorratsbehälter 7 zurückfließt. In der Trockeneinrichtung
8 kann mittels der Aufsprüheinrichtung 17 ein Teil der von der Ionenaustauscheinrichtung
5 ablaufenden wässerigen Phase, gegebenenfalls als Bestandteil einer üblichen Soße,
dem Tabak zugeführt werden.
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Zusammen mit dem Lösungsmittel verdampfendes
Wasser
wird in der Lösungsmittel-Rückgewinnungseinrichtung 16 abgeschieden und nach Trennung
vom Lösungsmittel im Wasserbehälter 14 gesammelt. Dieser steht mit der Ionenaustauscheinrichtung
5 in Verbindung und liefert Wasser zur Ergänzung der wässerigen Phase im Flüssig-Flüssig-Extraktor
3 sowie zum Rückspülen der Ionenaustauscherfüllung. Das Wasser kann auch in den
Regeneriermittelbehälter 13 geleitet werden zur Bereitung des Regeneriermittels
für die Ionenaustauscher.
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Das bei der Regenerierung aus der Inonenaustauschereinrichtung 5
anfallende nikotinhaltige Regenerat wird zunächst in den Regeneratsammelbehälter
12 befördert. Die Aufarbeitung geschieht in der angeschlossenen Regeneratoraufarb
eitungseinrichtung 15, wo entweder Wasser allein verdampft wird oder, nach Zusatz
von Alkalien, gleichzeitig Nikotin.
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Der die Trockeneinrichtung 8 verlassende Tabak wird in die Konditioniereinrichtung
9 befördert, wo er auf einen gewünschten Feuchtigkeitsgehalt gebracht wird und wo
er gegebenenfalls auch noch andere Zusätze oder Beimischungen erhalten kann, und
gelangt schließlich in die Lagereinrichtung 10, welche aus Fässern, einem Silo oder
einer anderen geeigneten Einrichtung bestehen kann.
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Das vorstehend am Beispiel der Entnikotinisierung von Tabak beschriebene
erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in gleicher Weise zur selektiven Extraktion
von basischen Inhaltsstoffen aus anderem pflanzlichem Material anwenden. Das Verfahren
kann auch bei sinngemäßer Abwandlung in gleicher Weise zur selektiven Extraktion
von sauren Pflanzeninhaltsstoffen dienen, wobei dann als Ionenaustauscher ein Anionenaustauscher
verwendet und die wässerige Phase gegebenenfalls durch Zusatz von Basen auf einen
pH-Wert über 7 eingestellt wird.
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Als Beispiel für die Extraktion eines sauren Pflanzeninhaltsstoffes
ist die Extraktion von Ascorbinsäure aus Hagebutten zu nennen. Die getrockneten
Hagebutten werden zunächst bei Zimmertemperatur in einem Flüssig-Fest-Extraktor
mit Cyclohexanol extrahiert. Das vom Pflanzenmaterial abfließende organische Lösungsmittel
wird in einer Raschigkolonne im Gegenstrom kontinuierlich mit Wasser in Berührung
gebracht und dann im Kreislauf wieder über das Pflanzenmaterial geführt; die wässerige
Phase wird über eine Säule, enthaltend Ionenaus-
tauscher vom Typ eines aliphatischen
Amin-Phenol-Formaldehyd-Kondensats, geführt und läuft von da im Kreislauf zur Raschigkolonne
zurück. Nach Erschöpfung des Ionenaustauschers wird dieser mit 20/oiger Natriumhydroxidlösung
regeneriert und aus dem abfließenden Regenerat nach bekannten Methoden die Ascorbinsäure
gewonnen.