DE3828097A1

DE3828097A1 - Verfahren zur gewinnung von verwertbaren substanzen aus naturprodukten und verwendung einer vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3828097A1
Application number: DE19883828097
Authority: DE
Inventors: Pierre Fillet
Original assignee: DEFIMAS A RESPONSABILI Ste
Current assignee: DEFIMAS A RESPONSABILI Ste
Priority date: 1987-08-18
Filing date: 1988-08-18
Publication date: 1989-03-02
Also published as: FR2619514B1; FR2619514A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von ver wertbaren Substanzen aus Naturprodukten und die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Oft muß die Extraktion von "verwertbaren", in Pflanzen und/oder Tiergewebe enthaltenen Substanzen durchgeführt werden. Die "verwertbaren" Substanzen können beispielsweise Wirkstoffe, die in der Pharmazie oder Kosmektik verwendet werden, Farbstoffe, Aroma, Harze oder Polymere sein.

In den bekanntesten Verfahren wird ein richtiges Extrak tionsverfahren durchgeführt, d.h., das Ausgangsmaterial wird zuerst zerkleinert und dann mit einem flüssigen oder gasför migen Lösungsmittel in Berührung gebracht. Dieses Lösungs mittel (oder Lösungsmittelgemisch) soll in die Hohlräume des die verwertbare Substanz enthaltenden Ausgangsmaterials eindringen, die Substanz lösen und sie aus den Hohlräumen mitnehmen. Da die Wände der Hohlräume, in denen sich die verwertbare Substanz befindet, sehr häufig aus einer mehr oder weniger porösen Membran bestehen, kann das verwendete Lösungsmittel verschiedene Substanzen enthalten, die den Durchgang des Lösungsmittels durch die Membran begünstigen. So kann das verwendete Hauptlösungsmittel beispielsweise Wasser, ein organisches Lösungsmittel, ein Gemisch von Was ser und eines Lösungsmittels oder Kohlendioxid unter über kritischen Bedingungen sein.

Diese Extraktionsverfahren weisen im großtechnischen Maßstab verschiedene Schwierigkeiten auf, wovon die wichtigsten die Verwendung von beträchtlichen Mengen an Lösungsmittel, die sehr hohen Behandlungskosten, die Notwendigkeit, die Extrak tion während einer relativ langen Zeit durchführen zu müs sen, und eine niedrige Produktivität sind, was darauf zu rückzuführen ist, daß durch diese Extraktionsverfahren nur ein Teil der theoretisch zur Verfügung stehenden Menge an verwertbarer Verbindung gewonnen werden kann.

Um diese Schwierigkeiten zu beheben, wurde schon vorgeschla gen, vor dem eigentlichen Extraktionsverfahren auf das Aus gangsmaterial (das vorzugsweise vorher zerkleinert worden ist) einen enzymatischen Komplex einwirken zu lassen, der bis zu einem gewissen Grad die Struktur der Hohlraumwände zerstören soll, die die verwertbare Verbindung enthalten, und auch das Eindringen sowie das Austreten des Lösungsmit tels aus den Hohlräumen begünstigt.

Dieses enzymatische Verfahren bedeutet einen Fortschritt in bezug auf Ausbeute und Extraktionsgeschwindigkeit im Ver gleich zu den oben beschriebenen klassischen Extraktionsver fahren; es weist jedoch bedeutende Nachteile auf, insbeson dere was die Notwendigkeit der genauen Anpassung der enzyma tischen Wirkung an die gewünschte Substanz und die zusätz lichen Schwierigkeiten der Gewinnung der reinen verwertbaren Verbindungen betrifft.

Es wurde nun festgestellt, daß es durch mechanische Wirkun gen möglich ist, die Struktur des Ausgangsmaterials (Pflan zen und/oder Tiergewebe) so zu zerstören, daß die Wände der Hohlräume, in denen sich die verwertbaren Substanzen befin den, diese Substanzen freisetzen.

Da die verwertbare Substanz durch die mechanische Wirkung der Strukturzerstörung "freigesetzt" wird folgt daraus, daß ein einfaches In-Berührung-Bringen des zerstörten Ausgangs produkts mit einer Flüssigkeit die Entfernung dieser ver wertbaren Substanz verursacht. Die Wirkung der Flüssigkeit ist daher eher eine Wasch- als eine Extraktionswirkung, wie sie herkömmlicherweise verstanden wird. Das hat zwei Folgen:

1. Die Entfernung der verwertbaren Verbindung erfolgt we sentlich schneller als bei der Extraktion und
2. die zur Durchführung der Waschvorgänge verwendeten Flüs sigkeiten können identisch oder verschieden von denen für die Extraktion sein.

Außerdem wurde festgestellt, daß die Zeiten, die zur Gewin nung der verwertbaren Substanz(en) aus dem zerstörten Aus gangsmaterial notwendig sind, von der gleichen Größenordnung sind, wie die Zeiten zur Durchführung dieser Strukturzerstö rung.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Gewin nung von verwertbaren Substanzen aus Naturprodukten, wie Pflanzen und/oder Tiergewebe, anzugeben, bei dem in ein- und derselben Vorrichtung kontinuierlich nacheinander die Struktur des Ausgangsmaterials zerstört und die verwertbare Substanz gewonnen werden kann.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Gewinnung von verwertbaren Substanzen aus Naturproduk ten, wie Pflanzen und/oder Tiergewebe, das dadurch gekenn zeichnet ist, daß die Struktur des Ausgangsprodukts konti nuierlich und in ein- und derselben Vorrichtung durch inten sive Scherung unter starker Verdichtung mechanisch zerstört wird und die zerstörten Produkte mit einer Flüssigkeit, die die Entfernung der gewünschten verwertbaren Substanz gewähr leistet, in Berührung gebracht wird.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Vor richtung, die an sich für andere Anwendungen bekannt ist, zur Durchführung der Strukturzerstörung und der Entfernung der verwertbaren Substanz. Diese Vorrichtung ist vorzugs weise ein Extruder, insbesondere mit zwei Schnecken, in dem das Ausgangsprodukt mindestens einer intensiven Scherung unter starker Verdichtung unterworfen und das zerstörte Produkt mit einer geeigneten Trägerflüssigkeit in Berührung gebracht werden kann.

Obwohl es in diesem Fall schwierig ist, die genaue Intensi tät der Scherung anzugeben, ist eine Scherung, die durch eine mechani sche Wirkung von etwa 50 bis 100 W/h/kg des behandelten Produkts während 1 bis 30 s, erhalten wird.

Durch starke Verdichtung wird eine Verdichtung von etwa 25 bis 225 bar verstanden.

Der geeignete Schergrad und der Verdichtungsgrad werden je nach Ausgangsprodukt gewählt, wobei ggf. die notwendigen Vorversuche durchgeführt werden.

Nachdem die maximalen Mengen an verwertbaren Substanzen, die je Einheit an Ausgangsprodukt extrahiert werden können, festgestellt worden sind, wird das Ausgangsprodukt intensi ven mechanischen Behandlungen unterworfen, wie sie im Labo ratoriumsmaßstab durchgeführt werden können. Die Menge an verwertbarer, durch diese mechanischen Behandlungen freige setzte Substanz wird bestimmt, um Anhaltspunkte zu haben, die die Wahl der Scherungs- und Verdichtungsdaten der in dem Extruder zu verwendenden Schnecke ermöglichen.

Es versteht sich, daß das Ausgangsprodukt mehreren Zersto rungsbehandlungen durch intensive Scherung unter starkem Druck unterworfen werden kann; diese aufeinanderfolgenden Maßnahmen werden in ein- und derselben Vorrichtung durchge führt.

Die Entfernung der gewünschten verwertbaren Substanz nach ihrer Freisetzung durch Zerstörung der Struktur des Natur produkts ist sehr einfach. Diese Entfernung kann eine ein fache bläschenartige Mitnahme oder ein Lösen der gewünschten Substanz in der Trägerflüssigkeit sein. Im allgemeinen wird die Trägerflüssigkeit vorzugsweise stromabwärts in den Ex truder eingeführt, so daß sie im Gegenstrom in dem Extruder zirkuliert. Mehrere Entfernungsstufen sind oft wünschens wert.

Das Ausgangsprodukt kann vorher aufbereitet worden sein (durch Zerkleinern oder Verdichten), so daß einerseits eine leichte Versorgung des Extruders möglich ist und anderer seits die Strukturzerstörung erleichtert ist. Festzustellen ist außerdem, daß erfindungsgemäß gleichzeitig mit dem Aus gangsprodukt, d.h. in den Fülltrichter des Extruders, die ganze Menge oder ein Teil der verwendeten Trägerflüssigkeit und ggf. verschiedene Zusatzstoffe (beispielsweise basische oder saure) zugegeben werden können, die die Durchführung der mechanischen Zerstörung erleichtern.

Moderne Extruder sind mit Heiz-, Kühl- oder Aufbereitungs vorrichtungen sowie Filtern ausgerüstet, die erfindungsgemäß zur Optimierung der angestrebten Ergebnisse eingesetzt wer den können.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer an sich bekannten Vorrichtung, d.h. eines Extruders, insbesondere eines Extruders mit zwei Schnecken, zur Durchführung der Strukturzerstörung durch intensive Scherung unter starkem Druck und zur Aufnahme einer Flüssigkeit, die mit dem zer störten Produkt in Berührung gebracht wird, um die verwert baren Substanzen aus den sie enthaltenden Naturprodukten, wie Pflanzen und/oder Tiergewebe, zu gewinnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Vergleich zu bekann ten Verfahren viele wichtige Vorteile auf, wovon die wich tigsten sind:

- Die Extraktionsgeschwindigkeit ist beträchtlich erhöht (von 15 bis 40 s gegenüber 1 bis 2 h),
- die Extraktionsausbeute ist stark erhöht (von 2- bis 5 mal gegenüber statischen klassischen Verfahren),
- der Energieverbrauch ist um einen Faktor von 5 bis 20 vermindert,
- das Verfahren kann bei genau geregelter Temperatur, insbe sondere bei niedriger Temperatur, durchgeführt werden, wodurch ein unerwünschter Abbau der gewünschten Substanz vermieden wird,
- die Kosten für Arbeitskräfte sind wesentlich niedriger als die bei bekannten klassischen Verfahren.

Die Erfindung wird durch die Figur erläutert, die einen Extruder mit zwei Schnecken darstellt.

In der Figur ist

- 1 das Gehäuse, das die beiden parallelen Schnecken 2 umgibt; die beiden Schnecken sind identisch, rasten zusam men ein und werden in der gleichen Richtung durch einen Motor (mit Reduktionsgetriebe, nicht dargestellt) gedreht,
- das durch den Fülltrichter 3 eingeführte Ausgangsmaterial wird je nach Form, Orientierung und Anordnung der Schnecken entlang des Gehäuse verdichtet, geschert, ent spannt und vermischt. In der beschriebenen und in den Beispielen verwendeten Vorrichtung wird die intensive Scherung unter hohem Druck insbesondere im Teil A der Vorrichtung durchgeführt, die Scherung entspricht einer Wirkung von etwa 75 W/h in 10 s, der Druck beträgt 75 bar.
- Der Extruder wird in 4 mit der Trägerflüssigkeit versorgt, die auf verschiedenen Stufen 5, 6 und 7 entnommen und in 8 oder 9 wieder eingeführt wird. Mit verwertbarer Substanz beladene oder nicht beladene Flüssigkeit kann in den Füll trichter über die Leitung 10 wieder eingeführt werden;
- die mit verwertbarer Substanz beladene Flüssigkeit wird in 11 entnommen,
- das zerstörte und von der im Extruder gewonnenen, verwert baren Substanz freie Ausgangsprodukt wird in 12 abgeführt.

Die Erfindung wird durch die Beispiele erläutert.

Beispiel 1

In einen Extruder mit zwei sich gleichzeitig drehenden Schnecken mit einem Achsenabstand von 45 mm, die sich mit 200 U/min drehen und zwei Arbeitszonen umfassen, werden am Kopf 200 kg Pfefferminzblätter der Art Milly und Mitchasu (Mentha piperita) eingeführt.

- Vor dem Einführen wurde die Pfefferminze durch zweistün diges Einlegen in kaltes Wasser vorimprägniert. Die Pfef ferminzblätter werden einfach durch leichtes Drücken ver dichtet;
- die Versorgung der Doppelschnecke mit Pfefferminzblättern und das Einspritzen eines Wasser-Alkohol-Gemisches auf der Höhe der zweiten Stufe der Doppelschnecke erfolgt gleich zeitig;
- eine Flüssigkeit, die sehr wenig feine feste Teilchen enthält, wird unter dem Filter der ersten Arbeitszone gesammelt;
- die für eine vollständige Entfernung notwendige Menge an Wasser-Alkohol-Gemisch kann zwei- bis sechsmal höher als die Masse der eingeführten Pfefferminzblätter (je nach Qualität der verwendeten Pfefferminze) sein;
- die Extraktionsausbeute beträgt dann über 90%.

Durch Destillation der gesammelten Flüssigkeit wird ein Gemisch erhalten, das eine Terpenfraktion, Menthol und Men thon enthält, wobei die mittlere Verweilzeit in der Vorrich tung 35 s beträgt. Die Gesamtmenge von 200 kg Ausgangsmate rial (angegeben in Trockenmaterial) wird in1 h 10 min behandelt.

Beispiel 2

Erdrauchblätter, die vorher gehackt und leicht gedrückt wurden, werden in die Vorrichtung nach einstündigem Einlegen in kaltem Wasser eingeführt.

100 kg Erdrauch werden in 50 min behandelt. Gekühlt wird durch einen Wasserstrom im Doppelmantel des Gehäuses der Vorrichtung.

Die Ausbeute an Fumarin und Fumarsäure, die die gewünschten verwertbaren Produkte sind, beträgt 310%, bezogen auf die durch klassische Wasserdampfextraktion erhaltene Maximalaus beute. Die Ausbeute ist praktisch quantitativ in bezug auf die an der Pflanze durchgeführten Analysen.

Beispiel 3

Hopfenaroma wird viel in der Brauerei verwendet, erhalten wird es durch Extraktion mit Kohlendioxid unter überkriti schen Bedingungen.

Die vorhergehende Zerstörung der Struktur des Hopfens im erfindungsgemäßen Verfahren gestattet eine Ausbeuteverbesse rung um fast das Doppelte und eine Verminderung der Kapazi tät des Behandlungsreaktors mit CO₂ von 5 auf 1. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß dieser Reaktor bei einem Druck von 60 bis 100 bar betrieben wird, ist die Ersparnis der Investition beträchtlich. Die Extraktionsdauer selbst ist um etwa zwei Drittel der Normalzeit vermindert.

Beispiel 4 Behandlung von Zuckerrohrstengeln zur Extraktion von Furfural

Die Produktivität des klassischen sauren Hydrolyseverfahrens von in Zuckerrohrstengeln enthaltenen Pentosanen wird durch die Diffusion der sauren Reagenzien durch die Pflanzenmem branen, die die Pentosane enthalten, begrenzt. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, diese Pro duktivität ohne zusätzliche Investition (außer der Doppel schnecke) zu verdoppeln.

Beispiel 5

Kastanienbaumspäne werden feucht in eine Doppelschnecke eingeführt. In der Arbeitszone (Strukturzerstörung) kann die Temperatur des Materials etwa 80 bis 90°C erreichen. Es werden vier Arbeitszonen eingesetzt. Die Entfernung der Tannine, die mit Wasser durchgeführt wird, erreicht einen Extraktionsgrad von 95%. Gewonnen werden einerseits die Tannine und andererseits die Zellulosefasern.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt außer der Extraktion der Tannine noch folgende Vorteile:

- Die Qualität der am Ausgang der Vorrichtung erhaltenen Fasern ist wesentlich besser als die, die in klassischen Extraktionsverfahren mit heißem Wasser unter Druck erhal ten werden;
- diese Fasern werden im allgemeinen zur Herstellung von Faserplatten verwendet;
- die Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften ist bedeutend.

Beispiel 6

Kieferspäne (Landes) werden feucht in die Doppelschnecke eingeführt. In den Arbeitszonen kann die Temperatur 90°C erreichen.

In einer Vorrichtung mit vier Arbeitszonen kann praktisch die Gesamtmenge des ursprünglich im Holz enthaltenen Harzes ohne Verluste oder Abbau der Terpenverbindungen (α- und β- Pinene, Caren und Myrcen) gewonnen werden. Am Ausgang der Vorrichtung wird Holzzellstoff erhalten, dessen Fasern von hoher mechanischer Qualität praktisch keine Harzreste auf weisen.

In diesem Fall sowie im vorhergehenden Beispiel muß bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die mit den "feuchten" Kieferspänen eingeführte Wassermenge ausreichend sein, um die gewünschten Verbindungen mitzunehmen.

Beispiel 7

Gemäß der Arbeitsweise der Beispiele 1 bis 6 werden folgende Naturprodukte behandelt:

- Immergrünblüten zur Extraktion von Vincristin,
- Roggen-Mutterkorn,
- Rauwolfia serperitina zur Extraktion von Reserpin,
- Riesenalgen (Mavrocystis pyrefera) zur Extraktion von Alginaten,
- Purpurkörner der Klasse Rhodophycae zur Extraktion von Agar-Agar,
- Schalen von Zitrusfrüchten und Preßrückstände von Äpfeln zur Extraktion von Pektin und
- Tierrückstände, insbesondere Häute, zur Extraktion von Gelatine.

Beispiel 8

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Extraktion von Heparin durch Behandlung von Tiergeweben, die nach dem Schlachten anfallen. Rinderlebern und -lungen sind die geeignetsten Heparinquellen. Das erfindungsgemäße Ver fahren ermöglicht außer einer sehr einfachen Extraktion eine Produktivitätssteigerung von 300% und eine wesentlich höhe re Ausbeute als mit klassischen Verfahren.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von verwertbaren Substanzen aus Naturprodukten, wie Pflanzen und/oder Tiergewebe, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Ausgangsprodukts kontinuierlich und in ein- und derselben Vorrichtung durch intensive Scherung, die durch eine mechanische Wirkung von etwa 50 bis 100 W/h/kg des behandelten Produkts während etwa 30 s er halten wird, bei einem Druck von 25 bis 225 bar zerstört wird und die erhaltenen zerstörten Produkte mit einer Flüssigkeit, die die Entfernung der gewünschten verwertbaren Substan zen gewährleistet, in Berührung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorrichtung ein Extruder mit mindestens einer Zone intensiver Scherung unter starkem Druck und mindestens eine Berührungszone des Produkts mit dem Lösungsmittel verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorrichtung ein Extruder mit zwei Schnecken ver wendet wird.

4. Verwendung eines Extruders mit mindestens einer Zone intensiver Scherung unter starkem Druck und mindestens einer Berührungszone des Produkts mit einer Flüssigkeit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.