DE3030371A1 - Verfahren und anlage fuer die extraktion von stoffen aus frucht- und gemuesepresslingen und aus anderen pflanzenrohstoffen - Google Patents
Verfahren und anlage fuer die extraktion von stoffen aus frucht- und gemuesepresslingen und aus anderen pflanzenrohstoffenInfo
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Description
SCHIFF V. FDNER STREHL SCHOBEL-HOPF EBBIN6HAUS FINCK
303037 j
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage
für die Extraktion von Stoffen aus Frucht- und Gemüsepresslingen und aus anderen Pflanzenrohstoffen, insbesondere für
die Extraktion von Pektin.
.Bekannt sind Verfahren für die Extraktion von Pektinstoffen
aus trockenen Apfelpresslingen oder Zitrusfruchtschalen.
Nach einem der Verfahren - vgl. Karakolev G., II. Ognjanov,
M. Marinov. Pektinstoffe. Nauka i Iskustvo, Sofia (1956) wird
das Extraktionsgefäß mit Rohstoff - trockenen Apfelpress—
lingen - beschickt, die ein- oder zweimalig mit Wasser unter langsamem Rühren durchgespült werden. Wach einstündigem Abtropfen
des Spülwassers wird bei Mischung im Ruhezustand heißes Wasser und eine entsprechende Menge Mineralsäure (schwefelige,
Salz-, Schwefel- oder Salpetersäure) zwecks Durchführung der Extraktion hinzugefügt, wobei für eine bestimmte Zeit ein langsames
Umrühren vorgenommen wird. Danach erfolgt beim Ruhezustand der Mischung ein Abtropfen des Extrakts. Zu einer wiederholten
Extraktion wird dem Rest heißes Wasser zugeführt. Nach einem 30-minütigen Rühren erfolgt ein Abtropfen des zweiten
Extrakts. Zu einer dritten Extraktion wird dem Rest kaltes Wasser zugegeben. Es folgt ein Abtropfen des dritten Extrakts und
ein Weiterpressen des Restes. Bei einer Extraktion vorgespülter Apfelpresslinge oder Zitrusfruchtschalen entfällt der Vorgang
"Durchspülen mit Wasser".
Bekannt ist eine Vorrichtung für die Realisierung des o.g. Verfahrens
- vgl. Literaturstelle Karakolev - . Sie besteht aus einem mit einem Deckel verschlossenen Holzgefäß, wobei der
Deckel eine Öffnung für die Beschickung mit Rohstoff aufweist.
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Auf demselben ist eine Antriebsvorrichtung - Elektromotor mit
Schneckenuntersetzungsgetriebe für den Antrieb eines vertikalen Rahmenrührwerks - angebracht, das hängend in der Mischung im
Gefäß eingetaucht ist. Zur Erweiterung des Rührbereiches weist der Rahmen auch mehrere Radialflügel auf. Das Gefäß hat eine
zweite Innenwand oder einen Doppelboden mit gelochten säurebeständigen Terrakottafliesen, die dem Abtropfen dienen.
Die wichtigsten Nachteile des beschriebenen Verfahrens und der Anlagen sind an erster Stelle die geringe Diffusionsgeschwindigkeit
der Pektinstoffe vom Pflanzengewebe zum Lösungsmittel. Das bewirkt eine lange Zeitdauer des Extraktionsvorgangs (von
8 bis 14 Uhr), bei niedriger Pektinausbeute (50 bis 70 %). Durch die genannten Anlagen wird keine intensive und gleichmäßige
Homogenisierung der Mischung in allen Bereichen des Extraktors gewährt und außerdem eine bedeutende Energiemenge für
das unnötige Drehen der gesamten Mischungsmasse im Extraktor verbraucht.
Bei einem weiteren Verfahren wird der Rohstoff einer Säure-Vorbehandlung
mit Chlorwasserstoff oder einem anderen Säureagens zwecks Erreichens einer löslichen Pektinform unterzogen, wonach
auch der Extraktionsvorgang selbst durchgeführt wird - vgl. Kertesz, Z.I., Th« Pectic Substances. Intersience Publishers,
New York (1951).
Auf diese Vieise wird der nachfolgende Diffusionsvorgang verbessert,
was jedoch zu keiner vollständigen Pektinausbeute führt. Die Erhöhung der Extraktionstemperatur beeinflußt einerseits
den Ausbeutevorgang positiv, andererseits jedoch führt sie zu einer Minderung des Geliervermögens des Pektins, hervorgerufen
durch das Auslösen von Abbauvorgängen.
Die Extraktion organischer Stoffe aus Naturrohstoffen stellt bestimmte Anforderungen an eine kurze Zeitdauer des Vorgangs,
da eine Möglichkeit zur Auslösung unerwünschter chemischer, chemisch-physikalischer und mikrobiologischer Nebenvorgänge
besteht. Die Versuche für die Erhöhung der Extraktionsgeschwin-
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digkeit durch den Einsatz von Ultraschalleinwirkung haben "bis
jetzt zu keinerlei industrieller Anwendung auf dem Gebiet der Pektinproduktion geführt, da die angewandten Ultraschallgeneratoren
einen ungenügenden technologischen Effekt und einen niedrigen Wirkfaktor aufweisen. Eine weitere Möglichkeit zur
Erhöhung der Geschwindigkeit des Vorgangs bietet die Realisierung einer kontinuierlichen Extraktion im Gegenstrom - vgl.
Owens, H.S., R.M. McCready and W.P. McLay. Food Technol. 3,
(1949), Graham, R.P., A.D. Shepherd. Agricultural and Food
Chemistry, 1, 16, 993 (1953). Insbesondere bei der Pektinproduktion wurde bis jetzt mit einer Gegenstromextraktion keine
positive Lösung, hauptsächlich wegen technischer und technologischer Schwierigkeiten beim Extraktionsvorgang, beim Abscheiden
des Extraktes und bei der Zuverlässigkeit der Vorrichtung, erzielt.
Vorgeschlagen werden auch ein Verfahren und eine Anlage für die Intensivierung der Extraktion von Pflanzenrohstoffen - vgl.
K. Marev, Chr. Kratschanov, A. Bratanov, N. Kirtschev - Urheberschein Nr. 24725, Volksrepublik Bulgarien - durch ein periodisches
kurzfristiges Turbulenzumrühren des Extraktionsmittels und der Pflanzenmasse mit einem Rührwerk, das hohe relative
Bewegungsgeschwindigkeiten (von 5 bis 20 m/s) und einen Übergang
der Masse von Niederdruck- in Hochdruckbereiche gewährt, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Bei
der Extraktion gewisser Pflanzenrohstoffe (z.B. Kaffee, Soja, Kräuter u.a.) hat sich dieses Verfahren als recht rationell
bewährt. Bei der Pektinextraktion schränken jedoch gewisse Nachteile, hauptsächlich solche der Anlage, die Anwendung günstigerer
technologischer Betriebsarten ein. Bei einem leichteren Umrühren der Masse wird der Vorgang in einem zylindrischen
Gefäß mit flachem Boden durch die Bildung nicht genügend aktiver Bereiche des Ektraktionsvolumens begleitet, was zu einer
Verzögerung des Vorgangs und zu einer Minderung des Effekts des Verfahrens führt. Bei einem intensiveren Umrühren erfolgt
eine wesentliche Zerstörung der Struktur der Masse, sie wird
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klebrig und tropft nur langsam ab, wodurch der Effekt des gesamten Vorgangs ebenfalls absinkt.
Bekannt sind Verfahren für das Durchspülen von Obst- und Gemüsepresslingen
nach dem Abscheiden des Naturfruchtsaftes zwecks Erhöhung der Saftausbeute, sowie Anlagen für deren Realisierung,
die durch eine Laminarumströmung des Extraktionsmxttels um die
extrahierbaren Partikel - vgl. Bonev M., Technologie der Konservierung von Obst- und Gemüsesäften und -konzentraten,
Plovdiv (1978) - gekennzeichnet sind.
Ein Nachteil dieser Verfahren und Anlagen ist die stark verzögerte
Diffusion, was zu einer unvollständigen Extraktion führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage für die periodische Extraktion von Stoffen aus Obst- und Gemüsepresslingen
und Pflanzenrohstoffen zu schaffen, die eine beschleunigte und vollständige Diffusion der wasserlöslichen
Stoffe vom Pflanzengewebe zur flüssigen Phase durch eine passende physikalische und chemische Einwirkung und ein effektives
Abscheiden des Extrakts bei mehrmaliger Rohstoffextraktion sichern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren für die beschleunigte
Ausbeute von Pektin und der übrigen extrahierbaren Stoffe aus Pflanzenrohstoff, bei dem der Vorgang unter kontinuierlicher
Bewegung der gesamten Masse in zwei sich zyklisch ablösenden Betriebsarten mit unterschiedlicher Intensität verläuft
und durch einen programmierbaren Automaten und einen Zweigang-Elektromotor erreicht wird, wobei der Elektromotor
ein Rührwerk für das sprudelartige Turbulenzumrühren bei hohen relativen Geschwindigkeiten von 3 bis 25 m/s antreibt und wobei
die gesamte Masse mehrmals Bereiche mit unterschiedlichem Druck und Geschwindigkeit passiert, wonach der Extrakt abgetropft
wird und dann wiederholt bis zur vollständigen Ausbeute der extrahierbaren Stoffe verfahren wird. Dies ermöglicht den
Einsatz des erzeugten zweiten Extrakts zur ersten Extraktion,
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des dritten zur zweiten usw., zwecks Erzeugung eines Extraktes mit höherer Feststoffkonzentration.
Für die Realisierung dieses Verfahrens ist eine Anlage (siehe Zeichnung) geschaffen, "bestehend aus einem vertikalen geschlossenen
und wärmeisolierten zylindrischen Gefäß (14) mit einem
Verhältnis von Durchmesser zu Höhe wie 2:3, mit einer inneren
Abtropfwand (1), mit einem strahlenförmigen Querschnitt, einem kegelförmigen Boden und einem Deckel (7) mit Betriebsöffnungen
für die Eingabe von Rohstoff (13), von Flüssigkeit (9), für Belüftung und mit einem Mannloch (8), ferner mit Meß- und Prüfgeräten
für den Füllungsgrad, die Temperatur und den pH-Wert, mit einer Antriebsvorrichtung (12) auf dem Deckel, die mit der
¥elle des Rührwerks verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Welle (5) ein Propellerrad (16) mit gekrümmten
Schaufeln befestigt ist, wobei die Welle in einem durch feststehende stromrichtende, am Diffusor (4) befestigte
Schaufeln (15) getragenen Lager gestützt ist, wobei das Lager
und die Ansaugstutzen (17) durch Stiftschrauben am Gefäßboden fest angebracht sind, und dadurch gekennzeichnet, daß sich ein
kreisförmiges Zerstäuberrohr (2) mit Bohrungen im Gefäß (14)
befindet, das mit einer Injektoranlage (3) verbunden ist, wobei
dieselbe an ihrem Eingan^sende einen Mischinjektor Ο O)
mit einer Steuerapparatur für die gemeinsame oder getrennte Eingabe flüssiger Reagenzien aufweist.
Das Verfahren und die Anlage für die Pektinextraktion weisen folgende Vorteile auf:
Es wird eine beschleunigte Diffusion im gesamten Extraktionsvolumen infolge der ständigen sprudeiförmigen und Turbulenzbewegung
der Masse durch zwei sich zyklisch ablösende Betriebsarten mit unterschiedlicher Intensität des Rührwerks erreicht,
wodurch hohe relative Geschwindigkeiten und große Übertragungsmengen erreicht werden. Bei dieser Behandlungsart und infolge
. der besonderen Form der Rippen der Abtropfwand wird ein beschleunigtes und gleichmäßiges Abscheiden des Extrakts erzielt.
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Die Behandlungsart ist für eine mehrmalige Extraktion, für
eine Verkürzung des Produktionszyklus sowie für eine Erhöhung der Ausbeute an extrahierbaren Stoffen gut geeignet. Bei der
Pektinextraktion insbesondere erhöht sich die Ausbeute um 10 bis 60 % im Vergleich zu den gegenwärtig in der Industrie
eingesetzten Extraktionsverfahren.
Das Extraktionsverfahren wird durch folgende Beispiele erläutert
:
Das Extraktionsgefäß wird mit 8 t kaltem Wasser beschickt, der
Rührmechanismus in Gang gesetzt und 500 kg trockene Apfelpreßlinge zugegeben. Nach 2-minütigem Umrühren wird der Antrieb abgestellt
und die flüssige Phase mittels Abtropfens durch die Innenwand des Extraktors abgelassen, sodann eine Menge von bis
zu 350C erwärmtem Wasser für das vollständige Abspülen der wasserlöslichen
Stoffe eingegeben, die nach einminütigem Umrühren in der gleichen Weise durch Abtropfen abgelassen wird. Danach
werden 6,5 t heiße (80 - 900C) Schwefligsäure-Wasser-Lösung bei
gleichzeitigem Anlassen des Rührantriebes hinzugefügt, wobei derselbe für den folgenden automatischen Betrieb programmiert
ist: 10 min leichtes Umrühren, 1 min intensives, wiederholt 10 min leichtes Umrühren usw., mit Gesamtdauer 30 min. Währenddessen
werden die Temperatur (75 - 85°C) und der pH-Wert (ph = 2,0) der Masse überwacht und durch ein Injizieren von Dampf
und Säure mittels der Injektoranlage korrigiert. Nach Ablauf der angegebenen Zeitdauer wird der Antrieb abgestellt und es
erfolgt ein Abtropfen des Extrakts (65 - 75 % der flüssigen Phase). Es wird wiederholt 6,5 t saures Extrahiermittel eingegeben
und die Extraktion in der beschriebenen Weise durchgeführt. Nach Abtropfen des zweiten Extrakts wird die Pflanzenstoffmasse
aus dem Extraktor abgelassen und zum Abpressen weiterbefOrdert.
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Die Apfelpreßlinge werden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise mit Wasser durchgespült. Der Unterschied im Extraktionsvorgang besteht in der Durchführung der ersten Extraktion an
Stelle mit frischem sauren Extrahiermittel mit heißem Extrakt der zweiten Extraktion und der zweiten Extraktion mit heißem
Extrakt der dritten.
Ins Extraktionsgefäß werden 8 nr kaltes Wasser eingegeben, das
Rührwerk in Gang gesetzt und 500 kg Apfelpreßlinge zugegeben. Nach 1-minütigem Umrühren und 50-minütigem Ruhezustand erfolgt
das Abtropfen der flüssigen Phase (6,5 m ). Danach werden 8,5 nr heißes Wasser (t = 92°C) hinzugegeben und eine Sättigung mit SO2
bis ca. 0,5 und mit Wasserdampf mittels des Mischinjektors zwecks Erreichen der erforderlichen Temperatur (80 - 85°C) durchgeführt.
Nachdem die gewünschten Parameter hinsichtlich pH-Wert und Temperatur erreicht sind, wird die Mischung 1 min lang umgerührt,
danach folgt ein 30-minütiger Ruhezustand, dann folgt 1 min Umrühren, 30-minütiger Ruhezustand, 1 min Umrühren und nach 60 min
Ruhezustand wird der Extrakt abgetropft. Nach Abtropfen von 70 % der flüssigen Phase wird eine neue Menge Wasser mit einer Temperatur
von 900C eingegeben, es erfolgt eine zusätzliche Sättigung
mit SO2 bis 0,3 und, falls erforderlich, das Eingeben von
Wasserdampf durch den Mischinjektor zwecks Erreichen der Temperatur (70 - 800C), wonach die Extraktion folgendermaßen durchgeführt
wird: 30 see Umrühren, 30 min Ruhezustand, 30 see Umrühren
und 60 min Ruhezustand und danach ein Abtropfen des Extrakts. Nach dem Abtropfen von 70 % der flüssigen Phase wird die restliche
Masse zum Abpressen weiterbefördert.
Das Extraktionsgefäß wird mit 8 nr Wasser beschickt, das Rührwerk
in Gang gesetzt und 500 kg Apfelpreßlinge eingegeben. Nach 1-minütigem Umrühren und 50-minütigem Ruhezustand erfolgt ein
Abtropfen der flüssigen Phase (6,5 nr). Danach werden 8,5 nr heisses
Wasser (t = 92°C) hinzugefügt, es erfolgt eine S02-Sättigung
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bis ca. 0,5 und die Eingabe von Wasserdampf durch den Mischinjektor
zwecks Erreichens der erforderlichen Temperatur (80 - 85°C)
Nach Erreichen des gewünschten pH-Wertes und der Temperatur wird die Mischung 20 min lang gerührt und danach zum Abscheiden oder
Abpressen weiterbefördert.
Ins Extraktionsgefäß werden 5000 kg frische Apfelpreßlinge eingegeben,
5 m Wasser hinzugefügt und das Rührwerk in Gang gesetzt. Es folgen 1 min intensives Umrühren und dann 10 min leichtes Umrühren.
Danach wird die flüssige Phase (verdünnter Apfelsaft) abgetropft und die Preßlinge zum weiteren Abpressen und Trennen
der flüssigen Phase befördert und die durchgespülten Preßlinge in bekannter Art und Weise getrocknet.
5500 kg frische Rübenpreßlinge werden mit 4,5 nr Wasser im Extraktionsgefäß
vermischt und die Mischung 2 min lang intensiv und dann 10 min leicht umgerührt. Danach wird die flüssige Phase
(verdünnter Rübensaft) abgetropft, die feste Phase einem Abpressen zwecks Abscheidens einer zusätzlichen Saftmenge unterzogen
und der Preßlingrest nach üblicher Art und V/eise getrocknet.
Dieses Beispiel verläuft analog dem Beispiel 5, wobei der Unterschied
im Extraktionsvorgang in einer zweimaligen Extraktion besteht, zuerst mit verdünntem Apfelsaft, erzeugt bei einer vorangehenden
zweiten Extraktion von Apfelpreßlingen und danach eine
Extraktion mit Wasser.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Extraktionsanlage
ist in der eine Gesamtansicht der Anlage darstellenden Zeichnung angeführt. Diese besteht aus einem geschlossenen wärmeisolierten
Gefäß mit kegelförmigem Boden, mit innerer Abtropfwand und einem Deckel mit Mannloch, Belüftungsöffnung und einer Öffnung für die
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Rohstoffeingabe. Auf dem Deckel ist eine Antriebsvorrichtung
(Elektromotor und Getriebe) montiert, durch die eine vertikale Welle angetrieben wird. Am unteren Teil der Welle ist ein Laufrad
(Propeller) mit räumlich gekrümmten Schaufeln und einem
Leitblech angebaut. Über dem Laufrad wird die Welle in einem von Leitschaufeln getragenen Lager gestützt. Die Schaufeln sind
ihrerseits an einem verlängerten Diffusor befestigt, der zusammen mit dem Ansaugstutzen am unteren Ende feststehend am kegelförmigen
Gefäßboden befestigt ist. Durch den oberen Deckel ist ein vertikales Wasserrohr und, seitlich, eine Injektoranlage montiert,
wobei dieselbe in ihrem oberen Teil einen Mischinjektor (Venturi-Rohr) aufweist und ihr unteres Ende ins Gefäß ragt und mit dem
kreisförmigen Zerstäuberrohr verbunden ist. Die Antriebsvorrichtung ist mit einem entsprechend der gewünschten Betriebsart vorprogrammierbaren
Schalter gekoppelt.
Die Anlage wirkt folgendermaßen:
Das geschlossene Gefäß (6) mit Wärmeisolation (14) wird mit. Wasser und anderen flüssigen Lösungsmitteln durch das Rohr (9)
und mit Rohstoff durch die Öffnung (13) beschickt, wobei gleichzeitig mittels der Schalttafel (11) die Antriebsvorrichtung (12)
eingeschaltet wird. Die angetriebene Welle (5) dreht das Laufrad (16), wobei ein Einsaugen der flüssigen Masse vom kegelförmigen
Boden (19) durch das Saugrohr (17) und ein Verdichten mittels der
stromrichtenden Schaufel (15) und durch den Diffusor (4) in Richtung zur Oberfläche zustandekommt. Die Masse, die eine Turbulenzbewegung
ausführt, breitet sich aus, sinkt ab, wird ständig mit neuer Masse übergössen und erreicht den Boden, von wo sie wieder
angesaugt wird usw. Es kommt eine komplizierte sprudelartige Turbulenzbewegung in vertikaler und radialer Richtung in allen Bereichen
des Extraktionsvolumens zustande. Die hohen Geschwindigkeiten
und die relativ hohe Leistung des Rührwerks erzeugen bei dieser Bewegung eine schnelle Diffusion und eine schnelle Homogenisierung
der Extraktionsmischung.
Mittels der Injektoranlage (3)» die am oberen Ende einen Mischinjektor
(10 aufweist, und am unteren Ende ein Zerstäuberrohr (2)
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mit Bohrungen hat, werden nach Vorschrift Dampf für eine Nächerwärmung
und chemische Reagenzien während des ExtraktionsVorgangs
eingegeben. Das Rührwerk kann durch ein manuelles oder automatisches Abschalten des Elektromotors abgestellt werden. Der
Übergang von niedrigen auf hohe Drehzahlen und umgekehrt wird automatisch programmgemäü oder auf Wunsch auch manuell vorgenommen.
Das Abscheiden des Extrakts kann bei abgeschaltetem oder mit niedrigen
Drehzahlen arbeitendem Antrieb durchgeführt werden. Beim Öffnen des Hahns (18) beginnt das Abtropfen der Masse, indem der
flüssige Extrakt durch die innere Wand (1) filtriert wird, die
eine Strahlenform im Querschnitt aufweist. Diese sowie eine große Oberfläche tragen zu einer leichteren Drainierung des Rohstoffes
bei. Nach mehrmaliger Extraktion wird derselbe durch den Hahn (20)
des kegelförmigen Bodens abgelassen.
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Claims (3)
1. Verfahren für die Extraktion von Obst- und Gemüsepresslingen
und Pflanzenrohstoffen in einem geschlossenen System durch gleichzeitige mechanische und hydrodynamische Einwirkung
auf den Rohstoff, dadurch gekennzeichnet , daß die Obst-Pflanzenmasse einer mehrmaligen Extraktion durch zwei
sich zyklisch wiederholende Betriebsarten mit verschiedener Intensität bei sprudelartigem und Turbulenzumrühren mit Geschwindigkeiten
von 3 bis 25 m/s unterzogen wird.
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2. Extraktionsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit einem geschlossenen warmeisolierten Gefäß,
mil; einer inneren Abtropfwand, die im Querschnitt strahlenförmig
ausgebildet ist, mit einem kegelförmigen Boden, mit einem Deckel mit Mannloch, einer Belüftungsöffnung und einer
Beschickungsöffnung, mit auf dem Deckel montierter Antriebsvorrichtung mit zwei Rotationsgeschwindigkeiten für eine Welle,
dadurch gekennz ei chne ΐ , daß am unteren Ende der
Welle ein Propellerrad (16) mit räumlich gekrümmten Schaufeln
befestigt ist, wobei die Welle in einem von einem Gitter aus
Leitschaufeln (15) getragenen Lager gelagert ist, das an einem
verlängerten Diffusor (4) befestigt ist, wobei der Letztere zusammen mit dem Ansaugstutzen (17) am Gefäßboden fest angebracht
ist.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichn
e t , daß sie eine Injektoranlage (3) aufweist, mit an ihrem oberen Ende angeordnetem Mischinjektor (10) in Form
eines Venturi-Rohres und mit an ihrem unteren Ende einem kreisförmigen
Zerstäuberrohr (2) mit Bohrungen an seiner unteren
Seite.
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