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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Extraktion von Kohlenhydraten
und/oder Proteinen aus zerkleinertem oder verarbeiteten pflanzlichen
Material. Sie ist besonders für
die Gewinnung eines Protein- und Kohlenhydratgehalts aus Ölsamen nützlich,
aus welchen das Öl
extrahiert wurde.
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Hintergrund der Erfindung
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Pflanzliche
Materialien bestehen häufig
aus hochwertigen Materialien, wie Protein und wertvollen nicht-strukturellen Kohlenhydraten
in Kombination mit minderwertigen faserigen Strukturen, wie Hülsen und Stroh.
Einige, aber nicht alle, der wertvollen Proteine und Kohlenhydraten
sind wasserlöslich.
Viele der nicht wasserlöslichen
wertvollen Proteine und nicht-strukturellen Kohlenhydraten sind
als Teilchen vorhanden, die kleiner als die Faser sind.
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Eine
besondere Gruppe von Produkten, die nützliche Mengen an Kohlenhydraten
und Protein enthält, sind Ölsamenmaterialien,
aus welchen Öl
extrahiert wurde. Wenn diese durch einen Kaltpressprozess zur Entfernung
von Öl
entfettet wurden, enthalten sie auch eine beachtliche Menge an Restöl. Weniger Öl ist vorhanden,
wenn sie durch einen Lösemittelprozess
entfettet werden. Insbesondere ist das Produkt, das verbleibt, nachdem Öl aus Kanola-Raps
(Rapssamen) entfernt wurde, das als entfettete Kanola-Flocken bezeichnet wird,
eine reiche Quelle an wertvollen Proteinen und Kohlenhydraten. Diese Ölsamenmaterialien
enthalten auch minderwertige faserige Materialien, wie Hülsen und
Stroh, die entfernt werden sollten, um ein höherwertiges Produkt zu erhalten.
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Eine
Möglichkeit,
das minderwertige Fasermaterial von dem wasserlöslichen wertvollen Material
zu trennen, ist durch wässerige
Extraktion. In wässerigen
Extraktionsverfahren wird dem pflanzlichen Ausgangsmaterial Wasser
zugegeben, um einen dicken Schlamm zu bilden. Für gewöhnlich besteht der Schlamm
aus drei unterschiedlichen Phasen: einer Flüssigkeit, die die löslichen
Komponenten des Ausgangsmaterials enthält, einer leichten Feststoffphase,
die aus feinen Teilchen in Suspension besteht; und einer schweren
Feststoffphase, die aus faserigen Materialien, wie Hülsen und
restlichem Stroh besteht. Extraktionsverfahren sind häufig dazu
bestimmt, nur die flüssige
Phase von dem Schlamm zu entfernen. Solche Verfahren verwenden etablierte
Trennungstechniken, wie Zentrifugation, die dazu bestimmt sind,
ein klares flüssiges
Extrakt zu erzeugen. Die feinen Teilchen in Suspension jedoch, die
wertvolle Proteine und Kohlenhydraten enthalten, werden in jedem
Trennungssystem, das ein klares Extrakt erzeugt, zu dem festen Rückstand
geleitet. Häufig
wird eine chemische Modifizierung verwendet, um die Löslichkeit
von Proteinen in dem Schlamm zu verbessern. Diese Modifizierungen
erhöhen
jedoch die Kosten des Verfahrens und können den Nährwert des Extrakts beeinträchtigen.
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Es
wäre vorteilhaft,
ein mechanisches Trennungssystem zu entwickeln, das die Feinstoffe
zu dem Extrakt lenkt, und dabei ein Extrakt erzeugt, das sowohl
aus der flüssigen
Phase wie auch der leichten Feststoffphase besteht, die die wertvollen
Feinstoffe enthält.
Dies würde
die Gewinnung sowohl löslicher
wie auch nicht löslicher
(kleiner teilchenförmiger),
nicht faseriger, nicht struktureller Materialien in dem Extrakt
ermöglichen. Das
nicht lösliche,
kleine teilchenförmige
Material ist häufig
reich an wertvollen Materialien, wie Kohlenhydraten und Proteinen.
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Wenn
jedoch viele zerkleinerte pflanzliche Produkte aufgeschlämmt werden,
ist der flüssige
Anteil des Schlamms dick und viskos. Der Grund ist, dass verschiedene
wasserlösliche
oder teilweise lösliche
Proteine und Kohlenhydraten in die Wasserphase des Schlamms übergehen.
In entfetteten Ölsamen
kann auch etwas rückständiges Öl vorhanden
sein. Ebenso können
nach dem Entfettungsprozess (insbesondere im Falle der Herstellung
entfetteter Kanola-Flocken)
einige kleine Partikel von Zellenfleisch vorhanden sein. Diese sind reich
an Proteinen und daher besonders wertvoll in der Gewinnung.
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Im
Falle eines dicken viskosen Ausgangsschlamms aus pflanzlichem Material,
wie eines Schlamms aus Öl-extrahierten
Kanola-Flocken, ist eine effiziente Extraktion einer Flüssigkeit
plus der leichten Feststoffphase mit gewissen Schwierigkeiten verbunden.
Eine auf Kompression beruhende Filtration kann verwendet werden,
um ein Extrakt zu erhalten, das Feststoffe der leichten Phase enthält. In diesem
Prozess wird der Schlamm mit einem Filtermedium gepresst, das Porenöffnungen
oder Öffnungsgrößen aufweist,
die den Durchgang der leichten Feststoffphase in dem Schlamm ermöglichen,
während
die schweren Feststoffe als extrahierter Presskuchen zurückgehalten
werden. Ein Beispiel dieser Art von Prozess ist in den PCT veröffentlichten
Anmeldungen
WO 01/87083 und
WO 03/047438 von Maenz
et al. offenbart. Die dicke viskose Eigenschaft des Schlamms führt jedoch
zu einem Verdichten des Filtermediums, einer schlechten Trennung
pro Flächeneinheit
des Filtermediums und einer beachtlichen Extrusion des Schlamms
von den Seiten des Filtermediums. Daher erfordert eine direkte Verarbeitung
eines viskosen Schlamms aus pflanzlichem Material durch Kompressionsfiltration,
wie in der veröffentlichten
PCT-Anmeldung beschrieben, eine ausgedehnte Filterfläche und
langsame Verfahrensraten. Es ist eine beachtliche Ausrüstung erforderlich,
die die Produktionskosten erhöht.
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Willis
et al.
USP 5814230 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Trennung von groben und
ultrafeinen Feststoffen von einem Flüssigkeitsstrom. In diesem Verfahren
werden mehrere Filtersiebe mit verschiedenen Porenöffnungsgrößen wiederholt
durch die Feststoffe enthaltende Beschickungssuspension geführt, bis
sich ein Filterkuchen auf der Oberfläche der Siebe bildet und eine
geklärte
flüssige
Phase frei von Feststoffen erzeugt wird. Die Feststoffe werden anschließend von
dem Sieb entfernt und mittels zum Beispiel Vibration und direkte
Luftströme
oder durch Entwässerung
auf Kompressionsbasis entwässert.
Die mehreren Siebe mit zunehmend kleineren Porenöffnungen dienen dazu, ein geklärtes Extrakt
frei von Feststoffen zu erzeugen, und somit verblieben im Falle
einer Extraktion eines pflanzlichen Schlamms die wertvollen Fragmente von
Zellenfleisch nicht in dem Extrakt, das durch dieses Verfahren erzeugt
wird.
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Glorer
USP 4975183 lehrt, dass
eine Rührvorrichtung
automatisch während
einer druckbetriebenen Filtration eines Feststoffe enthaltenden
Schlamms angehoben und abgesenkt werden kann, um eine gleichförmige Verteilung
des Kuchens auf der Filterfläche
und somit eine verbesserte Leistung des Filtrationsverfahrens zu
erreichen. Das Verfahren kann als Verbesserung einer herkömmlichen
druckbetriebenen Ein-Stufen-Filtration bezeichnet werden.
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Lindoerfer
et al.
USP 4921615 lehren
ein mehrstufiges druckbetriebenes Verfahren zur Feststoffentfernung
aus viskosen Flüssigkeiten.
In diesem Verfahren wird der viskose Beschickungsschlamm, der Feststoffe
enthält,
in einer Reihe von Stufen, die Filtermaterial zunehmend geringerer
Porengrößen enthalten, druckgefiltert.
Dieses Verfahren ist zum Erzeugen eines klaren flüssigen Extrakts
bestimmt.
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Eine
durch Laufräder
angetriebene Filtration ist eine bekannte Filtrationstechnik. Bei
einer solchen Filtration wird ein drehendes Laufrad nahe einem Filtermedium
geführt,
während
ein Schlamm über
dasselbe Filtermedium geleitet wird. Das Laufrad streicht den Schlamm
wiederholt über
das Filtermedium und minimiert die Verdichtung des Schlamms auf
dem Filtermedium. Die durch Laufräder angetriebene Filtration
neigt jedoch dazu, einen Rückstand
zu hinterlassen, der weiterhin einen hohen Wassergehalt hat.
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Die
Zentrifugation ist eine bekannte Filtrationstechnik. Die Zentrifugation
ist jedoch bei viskosen pflanzlichen Schlämmen nicht effektiv, da die
viskose Eigenschaft des Schlamms keine angemessene Trennung unter
Verwendung etablierter zentrifugaler Filtrationsverfahren ermöglicht.
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Somit
bieten gegenwärtige
Trennvorrichtungen und -verfahren kein praktisches und kosteneffektives Mittel
zur Trennung wasserlöslicher
Proteine und kleiner Teilchen von Zellenfleisch (falls vorhanden)
von dem übrigen
pflanzlichen Material, insbesondere, wenn ein viskoser Schlamm vorhanden
ist. Zusätzlich
neigen sie dazu, den Rückstand
ziemlich nass zu belassen, so dass eine beachtliche Menge an Energie
zum Trocknen erforderlich ist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein zweistufiges Hochkapazitätsfiltrationssystem,
das zum Trennen eines viskosen Schlamms als Ausgangsmaterial geeignet
ist. Die Erfindung dient zur effizienten Abtrennung eines viskosen
wässerigen
Extrakts, das wasserlösliche
Komponenten plus wertvolle kleine Teilchen aus Zellenfleisch (falls
vorhanden) enthält,
von dem verbleibenden pflanzlichen Material. Der endgültige Rückstand,
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
erzeugt wird, kann anschließend
ohne hohen Energieaufwand getrocknet werden. Die Erfindung ist besonders
beim Trennen von Kohlenhydraten und Proteinen von entfetteten Ölsamen,
insbesondere entfetteten Kanola-Flocken nützlich.
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In
dem Filtrationssystem der Erfindung gibt es eine erste Stufe mit
einer durch Laufräder
angetriebenen Filtration, gefolgt von einer weiteren Stufe mit Filtration
durch ein Kompressionsfiltermittel oder eine Zentrifuge.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben,
von welchen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Filtrationsvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt;
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1a eine
Teilschnittansicht einer Modifizierung der Ausführungsform von 1 unter
Verwendung einer Schneckenpresse zeigt;
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer Filtrationsvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt; und
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3 eine
dritte Ausführungsform
einer Filtrationsvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine erste Filtrationsstufe unter
Verwendung einer durch Laufräder angetriebenen
Filtration ausgeführt.
Die Öffnungsgröße (auch
als "Porenöffnung" bekannt) des Filtermediums kann
so eingestellt werden, dass feine Feststoffe in Suspension durch
die Öffnungen
gehen können,
während Feststoffe
größerer Dimensionen
als die maximale Öffnungsgröße des Filters
auf dem Filtermedium als Rückstand
zurückgehalten
werden.
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Die
Streichwirkung des Laufrades kann dann zum Abschaben des Rückstandes
von der Oberfläche des
Filtermediums und zu dessen Entfernung von der Fläche, wo
die Filtration ausgeführt
wird, verwendet werden.
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Die Öffnungsgröße, wenn
Schlämme
aus entfetteten Ölsamen,
insbesondere entfettetem Kanola-Raps, gefiltert werden, wird vorzugsweise
so gewählt,
dass sie den Durchgang feiner Teilchen von Zellenfleisch ermöglicht,
während
die größeren Feststoffe,
die weniger wünschenswertes
pflanzliches Material sind, zurückgehalten
werden.
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Der
Rückstand,
der durch die Laufradfiltration erhalten wird, enthält noch
einen hohen Prozentsatz an Feuchtigkeit. Ein solcher Rückstand
kann nicht auf herkömmliche
Weise getrocknet werden, da die Kosten für die Trocknung unerschwinglich
wären.
Daher wird eine zweite Filtrationsstufe verwendet. Die zweite Filtrationsstufe
kann entweder eine Zentrifugation oder Filtration durch Kompression
sein.
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Die
zentrifugale Filtration ist nicht bevorzugt, da der Rückstand
dazu neigt, ein großes
Volumen aufzuweisen. Dies bedeutet, dass eine große Zentrifuge
erforderlich ist, wodurch die Gerätekosten für den Betrieb steigen. Ebenso
ist der Feuchtigkeitsgehalt des Rückstands der Feststoffphase
nach der Zentrifugation im Allgemeinen höher als jener, der durch Kompressionsfiltration
erhalten wird. Die zentrifugale Filtration ist jedoch zur Verwendung
in der zweiten Stufe möglich,
da die viskose Flüssigkeit
in dem ursprünglichen
Schlamm durch ihren Durchgang durch das Laufradfilter deutlich weniger
viskos gemacht wurde.
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Die
Kompressionsfiltration verringert zunehmend das verfügbare Volumen
des zu filternden Materials, um die Filtration auszuführen. Die
Kompressionsfiltration kann mehrere Arten umfassen.
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Bei
einer Art kann ein Kolben verwendet werden, um das zu filternde
Rückstandsmaterial
gegen ein Filtermedium zu komprimieren, wodurch die verbleibende
Flüssigkeit
herausgepresst wird.
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Eine
andere Art von Kompressionsfiltration beinhaltet kontinuierliche
Prozesse, wodurch ein Feuchtigkeit beladenes Beschickungsmaterial
kontinuierlich zu der Eingangsfläche
des Geräts
geführt
wird, das Beschickungsmaterial dann unter Druck durch die Presse
geleitet wird, die Feuchtigkeit durch eine Filterfläche auspresst,
und der entwässerte
Kuchen von der Ausgangsfläche
ausgegeben wird. Zwei Beispiele für kontinuierliche Kompressionsfiltrationssysteme
sind die Verwendung einer Bandpresse oder einer Schneckenpresse.
Ein Bandpressen- oder Schneckenpressen-Kompressionsfilter hat den Vorteil,
dass es ein kontinuierliches Verfahren ist, während eine Kolbenkompression
ein chargenartiges Verfahren ist.
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Die
Flüssigkeit,
die aus dem Rückstand
durch das Kompressionsfilter oder die Zentrifuge extrahiert wird,
kann nach Wunsch mit der Flüssigkeit
von der Laufradfiltrationsstufe vereint werden. Als Alternative
kann sie, zur Verringerung der gesamtem Wasserverbrauchs, als Wasser
verwendet werden, das dem Laufradfilter zugegeben wird, und das
flüssige
Endprodukt kann als Filtrat von der Laufradfiltrationsstufe entfernt
werden. Nach Wunsch können
ferner die minimalen Öffnungen
des Filtermediums in der Kolben-Kompressionspresse oder
des Bandes, das für
die Bandpresse gewählt
wird, eine Größe aufweisen,
die den Durchgang kleiner Fragmente von Zellenfleisch ermöglicht,
die in dem Rückstand
mitgeführt
werden könnten
oder die mit der extrudierten Flüssigkeit
ausfallen könnten.
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Die
minimale Öffnung
des Filtermediums kann abhängig
von der größten Dimension
der Feststoffteilchen gewählt
werden, die durch das Filter durchgehen sollen. Die Wahl erfolgt
vorzugsweise in Bezug auf typische Größen von Zellenfleischteilchen
oder anderen wertvollen kleinen Teilchen, die vorhanden sind. Im
Falle von entfettetem Kanola-Raps gibt es typische Zellenfleischteilchen,
die eine größte Dimension
von etwa 75 Mikrometer haben. Daher ist besonders bevorzugt, Filter
mit einer minimalen Öffnung
von mindestens 100 Mikrometer und vorzugsweise einer minimalen Öffnung von
150 Mikrometer zu haben, so dass Zellenfleisch in das Extrakt gehen
kann. Die maximale Öffnung
ist nicht besonders kritisch, vorausgesetzt, sie ist klein genug, so
dass die faserigen Materialien, die vorhanden sind, nicht durchgehen
können.
Für gewöhnlich können Filter mit
maximalen Öffnungen
von bis zu 2500 Mikrometer verwendet werden, da für gewöhnlich die
meisten der faserigen Materialien, wie Hülsen und Stroh (die in dem
Retentat nach der Filtration verbleiben sollen) nicht durch Filter
dieser Größe hindurchgehen.
Wenn jedoch kleinere Teile von Hülsen
und Stroh vorhanden sind, kann die maximale Öffnung entsprechend verringert
werden, insbesondere da sehr wenig Zellenfleisch einen größten Durchmesser
von mehr als 75 Mikrometer hat. Daher ist häufig ein Filter mit einer maximalen Öffnung von
190 Mikrometer oder 250 Mikrometer bevorzugt.
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Unter "maximaler Öffnung" und "minimaler Öffnung" des Filters wird
die durchschnittliche maximale oder minimale Dimension (je nach
Fall) der Öffnungen
des Filters verstanden. Wenn die Öffnungen im Wesentlichen rund
und von gleicher Größe sind,
sind die maximale Öffnung
und die minimale Öffnung
gleich, und beide sind der Durchmesser der Öffnung (diese wird manchmal
als "Porengröße" bezeichnet). Wenn
sie annähernd
einen quadratischen Querschnitt aufweisen, ist die "maximale Öffnung" die Diagonale über das
Quadrat und die minimale Öffnung
ist die Länge
einer Seite. Im Allgemeinen ist bevorzugt, dass die Öffnungen
rund, quadratisch oder rechteckig sind, mit Seiten und Enden, die sich
in der Länge
nicht sehr unterscheiden, als über Öffnungen
mit einer Dimension (zum Beispiel einer Länge) zu verfügen, die
viel größer als
eine andere Dimension (zum Beispiel die Breite) ist. Somit unterscheiden
sich die maximale und minimale Öffnung
vorzugsweise nicht so sehr voneinander. Die Öffnungen sollten auch annähernd denselben
Querschnitt durch die gesamte Dicke des Filtermediums aufweisen,
um zu verhindern, dass Teilchen in dem Filtermedium gefangen werden.
Die meisten Filtermedien für
eine Laufradfiltration oder Bandfiltration sind Draht- oder Tuchmaschennetze
mit gleichen quadratischen oder annähernd quadratischen Öffnungen
zwischen abwechselnden parallelen Drähten oder Fäden des Maschennetzes. Im Falle
eine Bandpresse beeinflussen die Dicke der Bänder und die Webemuster des
Materials auch, was durch das Band hindurchgehen kann, und müssen ebenso
wie die Öffnungsgröße berücksichtigt
werden, wenn kleine Teilchen (wie Zellenfleisch) durch das Band
hindurch gehen sollen.
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Es
werden mehrere Ausführungsformen
der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. In 1 ist eine Schlammbildungsstufe allgemein
mit 10 bezeichnet. Entfettete Ölsamen 1 (oder ein
anderes pflanzliches Produkt, das lösliche Proteine und/oder Kohlenhydrate
und kleine Teilchen unlöslicher
Proteine und/oder Kohlenhydrate in einem Feststoff enthält, der
vorwiegend faserig ist) und Wasser 2 werden in ein Gefäß 12 eingebracht.
In dem Gefäß 12 werden
sie mit Hilfe eines Laufrades 13 gemischt und gerührt, um
einen Schlamm 100 zu bilden. Der Schlamm 100 wird
periodisch aus dem Gefäß 12 entfernt.
Dies kann auf jede herkömmliche
Weise erfolgen, aber wird in der vorliegenden darstellten Ausführungsform
mit Hilfe eines Auslassrohres 15 durchgeführt. Das
Auslassrohr 15 kann mit einem geeigneten Ventilmittel 14 bereitgestellt
sein, mit dem es verschlossen wird, bis die entfetteten Ölsamen 1 und
das Wasser 2 zur Bildung eines Schlamms 100 der
gewünschten
Konsistenz vermischt sind.
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Der
Schlamm 100, der durch das Rohr 15 entfernt wird,
wird durch ein durch Laufräder
angetriebenes Filter geleitet, das allgemein mit 20 bezeichnet
ist. Das durch Laufräder
angetriebene Filter hat ein Filtermedium 21, das vorzugsweise
ein Maschennetz ist, das zu einem Rohr gebildet ist. Das Maschennetz
umgibt ein Laufrad 22, das eine Schneckenpresse ist, die
eng gegen das Maschennetz 21 sitzt, das das Rohr bildet.
Der Schlamm 100 geht durch das Maschennetzrohr 21 und
die Schneckenpresse. Während
sie den Schlamm vorwärts
und nach oben bewegt, streicht die Schneckenpresse 22 durch
den engen Kontakt der Schneckenpresse 22 mit dem Maschennetzfiltermedium 21 den
Schlamm über
das Filtermedium 21. Das Maschennetz weist zweckdienlich
eine derart ausreichend große
Maschennetzgröße (minimale Öffnung)
auf, dass die kleinen Teile des Zellenfleisches, die sich in dem
Schlamm befinden, durch das Maschennetz hinaus gehen und mit der Flüssigkeit
in einen Behälter 23 fallen.
Der Behälter 23 enthält daher
Flüssigkeit 101,
die aus dem Schlamm gefiltert wurde, und kleine Zellenfleischteilchen 102,
die auch durch das Maschennetz 22 gegangen sind. Flüssigkeit 101 und
Zellenfleischteilchen 102 sind beide reich an Protein und
können
weiter verarbeitet werden, um hochwertige Nahrung oder Nahrungsergänzung für Mensch
oder Tier herzustellen.
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An
der Oberseite der Schneckenpresse 22 erscheint ein feuchter
Rückstand 103,
der der Rückstand ist,
der nach dem Filtern von Flüssigkeit 101 und
Zellenfleisch 102 aus dem Schlamm 100 erhalten
wird. Der Rückstand 103 wird
in ein Kompressionsfilter in der Form einer Bandpresse 30 geleitet.
Die Bandpresse 30 ist schematisch mit einem Endlosband 31 dargestellt,
das über
Walzen 33 läuft,
und mit einem Endlosband 32, das über Walzen 34 läuft. Die Bänder sind
so ausgerichtet, das sie über
die Walzen in einem schlangenförmigen
Pfad laufen, während
auf das Material zwischen den Bändern
eine zunehmende Kompression ausgeübt wird, während das Gemisch von links
nach rechts in 1 hindurch läuft. Wenn sich die Bänder nähern, wird Flüssigkeit
aus dem Rückstand 103 gepresst
und fällt
als Flüssigkeit 104 in
den Behälter 35.
Am Auslass 36 ist der Rückstand 103 weitgehend
entwässert
und läuft
aus dem Auslass 36 als im Wesentlichen fester Presskuchen 105.
Dieser Presskuchen wird mit einem Messer 40 geschnitten
oder zerkleinert und fällt
als Produkt 106 in einen Behälter 41. Das Produkt 106 ist
zur Verwendung als Futter für
Wiederkäuer
geeignet.
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1 zeigt
eine Schnittansicht durch eine andere Form eines Kompressionsfilters,
das zur Verwendung mit dem System von 1 geeignet
ist. Der Rückstand 103 wird
in ein Kompressionsfilter in der Form einer Schneckenpresse 70 geleitet.
Die Schneckenpresse 70 ist mit einem Querschnitt durch
das Gehäuse 71 dargestellt,
um die Betriebsweise dieser Art von Schneckenpresse zu zeigen. Eine
Archimedische Schnecke 72 dreht in dem Gehäuse 71,
um einlangenden Rückstand 103 von
links nach rechts in der Zeichnung entlang dem Durchlass zu schieben,
der durch das Gehäuse 71 gebildet
wird. Die Archimedische Schnecke 72 weist einen zunehmenden
Durchmesser ihrer Welle 77 von links nach rechts in 1a auf.
Der Durchlass, der durch das Gehäuse 71 und
die Schneckenwindungen 78 definiert ist, nimmt daher in
der Querschnittsfläche
von links nach rechts ab. Während
die Schneckenpresse dreht, wird durch die Abnahme der Querschnittsfläche, die dem
Material zur Verfügung
steht, das durch den Durchlass geht, der Druck auf dem Material
erhöht,
was bewirkt, dass Flüssigkeit
aus der Schneckenpresse über
ein Filtermedium 73 ausgetrieben wird, das entlang einer
Innenlänge
der Schneckenpresse angeordnet ist. Die Flüssigkeit wird entlang einem
Durchlass 75 geleitet, von dem aus sie zu dem Behälter 35 von 1 gelenkt werden
kann. Am Ende des Filters ist der Rückstand 103 komprimiert
und läuft über den
Durchlass 76 als Presskuchen aus dem Filter, der in den
Behälter 41 von 1 gelenkt
werden kann.
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2 zeigt
eine Variante von 1. In 2 bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Abschnitte wie in 1.
Anstelle einer Bandpresse 30 hat die Ausführungsform
von 2 einen Kolbenpresse 50. Die Kolbenpresse 50 hat
eine Kompressionskammer 51, von der ein Ende aus einem
Maschennetz 52 gebildet ist. Die Kompressionskammer 51 ist
zweckdienlich ein Zylinder, kann aber nach Wunsch jede andere Form
aufweisen, vorausgesetzt, der Kolben passt hinein, um den Rückstand 103 zu
komprimieren. Feuchter Rückstand 103 wird
(zum Beispiel durch ein Förderband 29)
in die Kompressionskammer 51 geleitet, wo er gegen das Maschennetzende 52 liegt.
Wenn der Zylinder ausreichend mit einem bestimmten Teil des feuchten
Rückstandes 103A gefüllt ist,
wird die Versorgung mit Rückstand
unterbrochen. Dies kann erfolgen, indem die Fördervorrichtung 29 zu
einem Haltegefäß (nicht
dargestellt) gelenkt wird, oder die Schneckenpresse 22 abgeschaltet
wird, so dass kein Material auf das Förderband 29 gelangt.
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Der
Kolben 53 wird dann in die Kompressionskammer 51 abgesenkt,
wodurch er den Rückstand 103 komprimiert
und presst, um Flüssigkeit 104 auszupressen.
Diese Flüssigkeit
wird in einem Gefäß 35 gesammelt.
Der Kolben 53 wird dann zurückgezogen, und der komprimierte
Rückstand
wird als Presskuchen 105A entfernt. Dieser wird auf einem
geeigneten Förderband 42 zu
einem Messer 40 vorgeschoben, wo er in Teile geschnitten
wird, die in einen Behälter 41 fallen,
um das Produkt 106A zu bilden. Produkt 106A aus
dieser Ausführungsform
ist im Wesentlichen dasselbe wie das Produkt 106 aus der
zuvor besprochenen ersten Ausführungsform,
mit der Ausnahme, dass, abhängig
von dem zuvor besprochenen Druck, mit der Ausnahme, dass, abhängig von
dem Druck, der von dem Kolben 53 in der Kompressionskammer 51 ausgeübt wird,
und der Länge
der Zeitperiode, in der der Druck ausgeübt wird, das Produkt 106A von
dieser Ausführungsform
etwas trockener werden kann als das Produkt 106 der ersten
Ausführungsform.
Die Tatsache, dass das Produkt trockener werden kann, ist natürlich ein
Vorteil, da weniger anschließende
Trocknung erforderlich ist. Dies muss jedoch gegen die Tatsache
abgewogen werden, dass, da die Kompressionskammer gefüllt und
anschließend der
Kolben in diese gepresst werden muss, das Verfahren von 2 diskontinuierlich
ist, nicht wie das kontinuierliche Verfahren von 1.
Im Allgemeinen benötigt
das Verfahren von 1 weniger Arbeitsaufwand als das
Verfahren von 2.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. In 3 werden dieselben Bezugszeichen
wie in 1 und 2 verwendet, in welchen ähnliche
Elemente dargestellt sind.
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Die
Ausführungsform
von 3 zeigt eine andere Art des Laufradfilters als 1.
In 3 ist das Laufradfilter ein offenes Gefäß, das allgemein
mit 60 bezeichnet ist, mit Wänden 61 und einem
Maschennetzboden 62. In dem Gefäß befindet sich ein paddelförmiges Laufrad,
das allgemein mit 63 bezeichnet ist, das Paddelschaufeln 64 aufweist,
die um eine angetriebene Achse 65 drehen. Während die
Schaufeln 64 drehen, schieben sie den Schlamm gegen das
Filtermaschennetz 62. Dadurch wird Flüssigkeit 101, die
Zellenfleisch enthält,
in den darunter liegenden Behälter 23 ausgetrieben.
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Von
Zeit zu Zeit wird die Versorgung mit entfettetem Kanola-Raps 1 und
Wasser 2 unterbrochen. Die Paddel 64 werden betrieben,
bis im Wesentlichen keine Flüssigkeit
mehr durch das Maschennetz 62 geht. In dem Gefäß 60 verbleibt
dann ein Rückstand 103B,
nicht unähnlich
103 der ersten Ausführungsform
oder 103A der zweiten Aus führungsform. Das Laufrad 63 wird
entfernt, und der Inhalt des Gefäßes 60 wird
auf ein Förderband 29 gekippt
und zu der zweiten Stufe geleitet. Der Inhalt ist ein feuchter Rückstand 103B.
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In
der Ausführungsform,
die in 3 dargestellt ist, ist die zweite Stufenfiltration
eine Chargen-Filterzentrifuge,
die allgemein mit 80 bezeichnet ist. Die Zentrifuge hat
eine zentrale Achse 81, die von einem Motor 82 angetrieben
wird. Die Achse stützt
einen Arm 83 mit einem Trenngefäß (das im Querschnitt dargestellt
ist) am Ende. Das Trenngefäß ist bei 84 in
einer Position und bei 84A (in Strichlinien) in einer zweiten
Position dargestellt. Ein angelenktes Zugangsmittel (nicht dargestellt)
ermöglicht
einen Zugang zu dem Trenngefäß während des
Betriebs, wobei das Trenngefäß (ursprünglich in
der Position, die durch Strichlinien 84A dargestellt ist)
mit dem feuchten Rückstand 103B beladen
wird, wie schematisch durch den Pfeil 91 dargestellt ist. Die
Zentrifuge wird zum Trennen von Flüssigkeit von dem Rückstand
betrieben. Die Zentrifuge wird dann gestoppt, wobei sich das Trenngefäß zum Beispiel
in der Position 84 befindet, die durch Volllinien eingetragen ist.
Der feuchte Rückstand 103B hat
sich in einen Feststoff 105B (der im Allgemeinen dem festen
Presskuchen 105 ähnlich
ist) und Flüssigkeit 104 getrennt.
Die Flüssigkeit 104 und
der Feststoff 105B werden von der Zentrifuge entfernt,
wie durch Pfeile 95 beziehungsweise 96 dargestellt
ist. Der Feststoff 105B kann mit einem Messer 40 geschnitten
werden, um Teile 106B herzustellen, ähnlich den Teilen des Produkts 106 oder 106A in
den vorangehenden Ausführungsformen.
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Anstelle
der dargestellten Chargen-Zentrifuge kann eine kontinuierliche Zentrifuge
verwendet werden.
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In
jeder der beschriebenen Ausführungsformen
ist die Flüssigkeit 104 reich
an Protein. Sie kann direkt als Nahrung oder Tiernahrung oder gemischt
mit Flüssigkeit 101 (und
darin enthaltenem Zellenfleisch 102) zur direkten Verwendung
als Nahrung oder Tiernahrung verwendet werden. Zur Verringerung
des Wasserverbrauchs des Verfahrens kann Flüssigkeit 104 als Alternative
als Flüssigkeitsbeschickung
der ersten Stufe anstelle von Wasser 2 verwendet werden,
oder mit etwas Wasser 2 als Rest gemischt werden. Dies
ist durch gestrichelte Pfeile 110 beziehungsweise 111 dargestellt.
Wenn eine derartige Wiederverwertung der Flüssigkeit 104 angewendet
wird, kann das flüssige
Produkt von dem Behälter 23 entweder
kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen werden, wie mit 112 dargestellt
ist.
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In
vielen Fällen
ist es wünschenswert,
eine oder mehrere der Filtrationsstufen zu wiederholen, um die Gewinnung
von Protein in dem flüssigen
Produkt zu erhöhen.
Somit ist es manchmal wünschenswert,
das Produkt 106, 106A oder 106B erneut
in Wasser aufzuschlämmen,
und die erste und zweite Stufenfiltration zu wiederholen. Somit
wird das Verfahren ein zweites Mal (oder öfter als zweimal) wiederholt,
wobei das Produkt 106, 106A oder 106B anstelle
der Ölsamen 1 als
Eintrag für
die erste Stufe verwendet wird. Dies extrahiert weitere lösliche Proteine
und mehr kleine Teilchen von Zellenfleisch, so dass ein höherer Protein- und Kohlenhydratgehalt
der entfetteten Ölsamen
oder eines anderen pflanzlichen Produkts in den flüssigen Produkten 101 und 104 gewonnen
wird.
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In
einigen Fällen
ist es auch wünschenswert,
den feuchten Rückstand 103, 103A oder 103B wieder
in das Gefäß 61 einzubringen,
um die erste Stufenfiltration ein oder mehrere Male zu wiederholen,
bevor der feuchte Rückstand über das
Förderband 29 zu
der zweiten Stufe geleitet wird. Dies ist schematisch durch die Strichlinie 113 dargestellt.
Das Filtergerät
der zweiten Stufe (ein Kompressionsfilter oder eine Zentrifuge)
ist teurer als das Filtergerät
der ersten Stufe. Eine Wiederholung der ersten Stufe kann daher in
einigen Fällen ermöglichen,
dass mehr Proteinprodukt in das Gefäß 23 extrahiert wird,
wodurch weniger Durchläufe
durch das Gerät
der zweiten Stufe notwendig sind, während weiterhin eine gute Extraktionseffizienz
beibehalten wird.
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Die
Verhältnisse
von Wasser zu Ölsamen
oder einem anderen pflanzlichen Material, das in diesem Verfahren
verwendet wird, können
beachtlich schwanken. Hohe Feuchtigkeitsverhältnisse (Verhältnisse
mit mehr Wasser) bieten im Allgemeinen eine verbesserte Extraktionseffizienz;
die Gerätekosten
sind jedoch aufgrund der Größe der Geräte höher, die
zum Bewältigen
größerer Wassermengen
und Flüssigkeitsströme notwendig
sind. Niederere Feuchtigkeitsverhältnisse führen zu übermäßig dicken Schlämmen, die
schwierig zu befördern
sind und eine weniger effiziente Extraktion wertvoller Proteine
bieten. Im Allgemeinen ist bevorzugt, ein Wasser/Ölsamen-Verhältnis von
etwa 2,5:1 bis 20:1 (Gew./Gew.) bei Kanola-Flocken zu verwenden.
Es ist auch bevorzugt, das Wasser zu erwärmen (zum Beispiel auf 50 bis
75 Grad C), um die Auflösung
der Proteine und Kohlenhydraten darin zu unterstützen. Das Verhältnis von
Wasser zu pflanzlichem Produkt und die Wassertemperatur hängen jedoch
weitgehend von der Verfahrensökonomie
bei der besonderen Installation ab und sollen das beschriebene Verfahren
nicht einschränken.
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Das
Laufradfilter 60 von 3 kann in
den Ausführungsformen
von 1 und 2 anstelle des Laufradfilters 20 dieser
Figuren verwendet werden. Die Zentrifuge 80 (oder eine kontinuierliche
Zentrifuge) kann in der Ausführungsform
von 1 oder 2 anstelle der Kompressionsfilter
dieser Ausführungsformen verwendet
werden. Wichtig ist, dass eine Laufrad-Stufenfiltration vorhanden
ist, um das Volumen der viskosen Flüssigkeit zu entfernen, gefolgt
von einer Kompression der zweiten Stufe oder einem zentrifugalen
Filtrationsverfahren zur Verringerung der Feuchtigkeit.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Vergleichsbeispielen näher beschrieben.
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Beispiel 1
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(Vergleichsbeispiel – Verwendung nur einer Bandpresse)
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In
diesem Beispiel wurden Kanola-Flocken mit Wasser gemischt und nur
unter Verwendung einer Kompressionsfiltration gefiltert (die Anordnung
ist in 1 mit 30 dargestellt). Das Produkt (106)
wird dann in einer geringeren Menge an Wasser resuspendiert und
wieder durch die Bandpresse gefiltert.
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Fünfzehn kg
der öl-extrahierten,
von Lösemittel
befreiten Kanola-Flocken wurden mit 90 kg Wasser bei 60°C aufgeschlämmt (6 Teile
Wasser: 1 Teil Ausgangsflocken) und 10 Minuten auf eine gleichförmige Konsistenz
gemischt. Es wurde ein sehr viskoser Schlamm erhalten. Der Schlamm
wurde auf eine Bandfilterpresse mit 7 Walzen (Modell EJ-25-9, Frontier
Technologies, Allegan, Michigan, USA) geleitet, die mit Bändern von etwa
5 × 30
cm (2 × 12
Inch) , mit 9,9 Kubikmeter/min (350 Kubikfuß/min) Luftdurchlassöffnung ausgestattet war.
(Dieses Gerät
ist schematisch in 1 bei 30 dargestellt.) Der Schlamm
wurde zwischen den Bändern derart
komprimiert, dass ein Extrakt, das kleine Fragmente von Zellenfleisch
enthielt, von dem extrahierten Rückstandsmaterial
getrennt wurde. Der Druck auf den Bändern wurde bei 551 kPa (80
psi) konstant gehalten. Verarbeitungsraten wurde auf ein Maximum
eingestellt, basierend auf der Menge an Schlamm, die in die Presse
ohne Extrusion von Schlamm von den Seiten des Bandes geleitet werden
konnte, während
eine annehmbare Endtrockensubstanz des Presskuchens von > 30 % beibehalten wurde.
Die Bandverarbeitungsraten wurden als die Menge an trockenen weißen Flocken
in dem Schlamm berechnet, die pro Meter Bandbreite pro Minute verarbeitet
wurden. Das Gewicht und der Trockensubstanzgehalt des Extrakts und
des ersten Presskuchens wurden bestimmt.
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Der
Kuchen von dem ersten Durchlauf wurde dann mit 60 kg Wasser bei
60°C wieder
aufgeschlämmt, so
dass die Gesamtmenge an Wasser, die in den zwei Durchläufen verwendet
wurde, gleich 10 Teilen Wasser: 1 Teil trockene Kanola-Flocken war.
Der zweite Schlamm war weniger viskos als der erste, aber weiterhin
nennenswert viskos. Er wurde durch die Bandfilterpresse, wie zuvor
beschrieben, verarbeitet. Verfahrensraten und Messungen des Extrakts
und des Kuchens waren wie bei dem ersten Durchlauf.
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Das
Extrakt (Flüssigkeiten 102 und 104)
von den zwei Durchläufen
wurde vereint und das Gesamtgewicht, der Trockensubstanzgehalt und
die Extraktionseffizienz wurden bestimmt. Suspendierte Feststoffe
wurden als des Gesamtvolumens des Extrakts als gepackte Feststoffe
am Boden der Zentrifugenröhre
nach der Zentrifugation bei 5000 U/min über 5 min bestimmt.
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Beispiel 2
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(Beispiel unter Verwendung des Verfahrens
der Erfindung)
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In
diesem Beispiel wird die Vorrichtung, die schematisch in 1 dargestellt
ist (ein Filter vom Laufradtyp, wie schematisch bei 20 dargestellt,
gefolgt von einer Bandpresse, wie schematisch bei 30 dargestellt), verwendet.
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Fünfzehn kg
der öl-extrahierten,
von Lösemittel
befreiten Kanola-Flocken wurden mit 90 kg Wasser bei 60°C aufgeschlämmt (6 Teile
Wasser: 1 Teil Ausgangsflocken) und 10 Minuten auf eine gleichförmige Konsistenz
gemischt. Der Schlamm (der sehr viskos war) wurde einem durch Laufräder angetriebenen
Filter vom Schneckenpressentyp, das mit einem konischen Filtersieb
mit einem Durchmesser von 6 Inch mit 118 Mikrometer großen Öffnungen
ausgestattet war (Modell FF-8, Vincent Corporation, Tampa, Florida,
USA) zugeführt. Das
Laufrad führte
den Schlamm über
die Innenfläche
des Siebs, was zu einer Trennung führte, um ein dickes Extrakt,
das kleine Fragmente von Zellenfleisch enthielt, und einen extrahierten
Kuchen zu erzeugen. Das Gewicht und der Trockensubstanzgehalt des
Extrakts und des Filterkuchens wurden bestimmt.
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Der
Filterkuchen von dem Laufradfiltrationsschritt war relativ nass
und somit schlecht zum Trocknen geeignet. Während der ersten Filtrationsstufe
wurde jedoch ein wesentlicher Anteil der viskosen Flüssigkeit entfernt.
Der Kuchen wurde dann direkt durch die Bandfilterpresse verarbeitet,
wie in dem vorangehenden Vergleichsbeispiel beschrieben wurde. Verfahrensraten,
Gewichte und Trockensubstanzgehalt des Extrakts und Kuchens wurden
wie beschrieben bestimmt.
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Der
Kuchen, der von der Bandfilterpresse ausgegeben wurde, wurde mit
60 kg Wasser bei 60°C
wieder aufgeschlämmt,
so dass die Gesamtmenge an Wasser, die in den zwei Durchläufen verwendet
wurde, gleich 10 Teilen Wasser: 1 Teil trockene Kanola-Flocken war.
Der zweite Schlamm wurde durch das Laufradfilter verarbeitet und
der Kuchen wurde dann durch die Bandfilterpresse, wie zuvor für den ersten
Durchlauf beschrieben, verarbeitet. Verfahrensraten und Messungen
der Extrakte und Kuchen waren wie bei dem ersten Durchlauf. Die
Tabelle zeigt Bandpressenverarbeitungsraten, Gewichte und Trockensubstanzgehalt
von Extrakten und Kuchen, Extraktionseffizienzen und Trockensubstanzverluste
für das
Vergleichsbeispiel (Beispiel 1) und das Beispiel gemäß der Erfindung
(Beispiel 2).
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In
der Tabelle werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
- BP – Bandpresse.
BP-1 bezeichnet den ersten Durchlauf durch die Bandpresse in dem
Beispiel und BP-2 bezeichnet den zweiten Durchlauf durch die Bandpresse.
- IF – Laufradfilter.
IF-1 bezeichnet den ersten Durchlauf durch das Laufradfilter in
Beispiel 2 und IF-2 bezeichnet den zweiten Durchlauf durch das Laufradfilter
in Beispiel 2. Das Laufradfilter wurde in Beispiel 1 nicht verwendet.
- Extrakt – die
vereinten Flüssigkeiten,
die als 102 und 104 in 1 dargestellt
sind, mit jedem darin enthaltenen Zellenfleisch 102.
- dm – Trockensubstanz
- ss – suspendierte
Feststoffe
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Sowohl
das Laufradfilter wie auch die Bandfilterpresse ermöglichten
den Durchgang beachtlicher Mengen an wertvollem Zellenfleischmaterial
in der Form kleiner Teilchen suspendierter Feststoffe. In dem Extrakt
trat eine sehr geringe Kontamination des Extrakts durch Hülsenmaterial
auf.
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In
Beispiel 1 extrudierten beiden Schlämme mit hoher Feuchtigkeit
von den Seiten des Bands, was zu sehr langsamen Verarbeitungsraten
führte.
In Beispiel 2 entfernte die anfängliche
Verarbeitung des Schlamms mit dem Laufradfilter 69,2 kg Extrakt
und erzeugte einen 21,8 kg Kuchen, der leicht durch einen Durchlauf durch
die Bandpresse verarbeitet wurde. Die Bandpressenverarbeitungsrate
war 7,4-mal höher
als jene, die ohne Entfernung des Flüssigkeitsvolumens mit dem Laufradfilter
erhalten wurde. Die endgültige
Trockensubstanz des Presskuchens war 37,0 %.
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Ähnliche
Ergebnisse wurden in der Verarbeitung des resuspendierten Kuchens
aus dem ersten Durchlauf erhalten.
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Die
vorangehende Entfernung des Volumens der viskosen Flüssigkeit
mit dem Laufradfilter führt
somit zu einem 15-fachen
Anstieg in den Bandpressenverarbeitungsraten, wie auch zu einer
etwas besseren Extraktionseffizienz. Etwa 75 % des Proteins in den
Kanola-Flocken wurden in dem Extrakt gewonnen.
| | | Extrakt | Kuchen | |
| Durchlauf | Bandpressen-Verarbeitungs-Rate (kg dm/m/min) | (kg) | %
dm | %
ss | (kg) | %
dm | Extraktionseffizienz
(%) |
| Bsp.1 | BP-1 | 0,42 | 75,9 | 7,4 | | 21,8 | 33,4 | |
| | BP-2 | 0,14 | 59,5 | 3,9 | | 10,9 | 37,0 | 55,1 |
| Bsp.2 | IF-1 | | 69,2 | 8,8 | 30,0 | 40,8 | 21,5 | |
| | BP-1 | 3,09 | 14,7 | 6,9 | 16,7 | 17,9 | 38,5 | |
| | IF-2 | | 53,3 | 2,1 | 13,3 | 21,3 | 22,5 | |
| | BP-2 | 2,13 | 7,2 | 3,6 | 10,0 | 13,0 | 31,2 | 58,1 |
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Während die
Erfindung in bestimmten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, ist klar, dass andere Ausführungsformen
für einen
Fachmann offensichtlich sind. Daher sollte die Erfindung nicht durch die
besonderen Ausführungsformen
beschränkt
sein, sondern sollte vielmehr den vollen Umfang umfassen, der in
den beiliegenden Ansprüchen
beschrieben ist.