Extracción sostenible con dióxido de carbono
Bombas de desplazamiento oscilante
El dióxido de carbono se usa particularmente en la industria alimentaria, de bebidas, cosmética y farmacéutica para extraer sustancias naturales, aromas, grasas, aceites, ceras, polímeros, enzimas y colorantes en su estado físico supercrítico. A pesar de su mala reputación como gas de efecto invernadero, el CO2 es un disolvente natural y ecológico que tiene ventajas sobre los medios sintéticos y nocivos como el n-hexano en lo que respecta a la sostenibilidad. Las bombas de desplazamiento oscilante son ideales para la extracción supercrítica de CO2.
La extracción supercrítica de CO2 es una práctica común en el procesamiento de lúpulo para elaborar cerveza. Para este proceso se utilizan bombas de émbolo de alta presión altamente especializadas.
Bombas y sistemas
Este proceso tiene una larga tradición. Hace más de 50 años, los investigadores y desarrolladores comenzaron a trabajar en este tema y pronto se desarrollaron los primeros sistemas, por ejemplo, para el café descafeinado. ¿Cómo sacamos la cafeína del grano de café? El dióxido de carbono se comprime a una presión muy alta, lo que hace que el componente deseado se separe de la materia prima. Cuando se reduce la presión, el dióxido de carbono libera las sustancias eliminadas nuevamente y se produce un extracto.
Los argumentos contra los procesos de extracción química.
Para evitar rastros patógenos, tóxicos y por lo tanto peligrosos en un producto, es más seguro omitir por completo el uso de solventes orgánicos. Sin embargo, la eliminación ecológica de solventes químicos es complicada e implica costos significativos. Esto crea objetivos contradictorios para cualquier fabricante que esté comprometido con la sostenibilidad.
Los argumentos a favor del solvente orgánico CO2
En los últimos años, la presión en los procesos de extracción aumentó de aprox. 300 bar a aprox. 1,000 bar. Esto conduce a un tiempo de procesamiento reducido, lo que permite producir ingredientes más eficientes de una manera más suave. Esto hace que el uso comercial en general sea más eficiente económicamente y más efectivo. La tendencia general actual entre los consumidores hacia productos biológicos apoya este desarrollo.
Por qué el proceso de extracción de CO2 sigue en tendencia
Una aplicación clásica de este proceso es la elaboración de cerveza: la extracción selectiva de ácidos alfa y beta cambia el espectro de sustancias amargas en los lúpulos cultivados naturalmente de acuerdo con el sabor deseado. Este tipo de "diseño de bebidas" puede influir en el sabor aromático, suave o amargo de una cerveza. Un extracto de lúpulo sin sustancias amargas permite que se establezcan en el mercado bebidas de moda como la "limonada de lúpulo" con sabores especiales. La flexibilidad resultante permite a las cervecerías adaptarse a las tendencias del consumidor y fabricar productos saludables que se adaptan a los requisitos del cliente.
Las bombas de desplazamiento oscilante son ideales para la extracción supercrítica de CO2.
El principio de extracción de CO2.
El proceso se puede describir con tres palabras clave: extracción, separación y condensación.
Primero, el CO2 líquido se sobreenfría y se alimenta a la bomba. Debido a la fuerte compresión, con presiones de hasta 1,000 bar, el CO2 se calienta y se transfiere a un estado supercrítico. En estas condiciones, posee las propiedades de un gas y un líquido y se caracteriza principalmente por sus excelentes capacidades de disolución. La alta fluidez del CO2 supercrítico le permite penetrar en los poros más pequeños de los alimentos y extraer las sustancias deseadas de la materia prima. El CO2 supercrítico se expande y se calienta. Se convierte nuevamente en un gas y se evapora sin dejar rastro, dejando nada más que el extracto puro. Como el CO2 es inerte, no reacciona con el extracto ni distorsiona sus propiedades.
Diagrama esquemático de los componentes del proceso de un sistema de extracción de CO2, que puede tener diferentes diseños según el proceso.
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Comparación con la elaboración de cerveza:
extracción química de lúpulo con etanol versus CO2 como solvente
La comparación, que por supuesto no es exhaustiva, analiza algunos de los hechos de las áreas de producción, composición, pureza y eficiencia económica. Como punto de partida, el proceso continuo de extracción utiliza alcohol de fermentación para procesar umbelas de lúpulo a temperaturas de aprox. 60 ° C. Cuando se usa CO2, esto se conoce como un proceso por lotes con dióxido de carbono supercrítico como solvente. Los pellets de lúpulo se utilizan como producto primario. Se procesan a temperaturas inferiores a 60 ° C y con presiones de extracción de hasta 300 bar.
Dependiendo de la composición de la variedad específica, el extracto de etanol contiene todas las sustancias amargas, mientras que el CO2 permite la extracción selectiva de los llamados ácidos alfa o beta, lo que significa que las sustancias amargas inespecíficas en el lúpulo apenas están presentes en el extracto. El proceso puede lograr una muy buena extracción de pesticidas, nitratos y metales pesados contenidos, por lo que la aplicación de CO2 logra mejores valores. Desde un punto de vista económico, los costos de producción para el proceso de extracción de CO2 son ligeramente más altos, ya que primero se deben producir pellets de lúpulo para el proceso y también es un proceso por lotes. El extracto de etanol tiene una estabilidad de aprox. una semana, el extracto de CO2 de aprox. dos semanas, por lo que los extractos envasados pueden mantenerse durante seis años o más a la temperatura de almacenamiento correcta.
Desafío para la tecnología de bombas de alta presión de CO2
El desafío para la tecnología de bombeo es el CO2 medio, que es gaseoso en condiciones ambientales normales. Debe mantenerse constantemente en estado líquido mediante un control preciso de los parámetros del proceso para evitar daños por cavitación en la bomba. Las malas propiedades de lubricación y la alta compresibilidad del CO2 líquido requieren bombas especialmente desarrolladas con un alto nivel de fiabilidad del proceso. Específicamente, esto significa que la bomba debe estar especialmente desarrollada para la aplicación de CO2: el extremo de potencia debe ser capaz de resistir las fuerzas de la barra resultantes de la alta presión de succión y se debe garantizar una lubricación óptima de los puntos de apoyo. Al mismo tiempo, la presión aumenta hasta 1,000 bar creando un aumento de temperatura correspondientemente más alto: esto requiere un enfriamiento efectivo de la sección de fluido con canales de enfriamiento en las cajas de relleno y bloques de válvulas.
Como algunos componentes no se pueden enfriar directamente, es importante adaptar los materiales y el diseño para que se absorba lo menos posible del calor de compresión generado. Debido a que el CO2 se somete alternativamente a compresión y expansión, es necesario minimizar o evitar el aumento de temperatura y las pérdidas resultantes.
Otra palabra clave aquí es la optimización del espacio muerto en la sección de fluido de la bomba: la optimización siempre garantiza una alta eficiencia volumétrica. Esta eficiencia volumétrica es cada vez más importante debido a la creciente presión de procesamiento. La eficiencia volumétrica influye en el caudal y, por lo tanto, en la función de toda la bomba.
Particularmente con presiones muy altas de hasta 1,000 bar, un diseño con volumen de espacio muerto optimizado en la sección de fluido es crucial para la función general de la bomba. Los componentes del extremo de líquido diseñados incorrectamente no solo pueden hacer que la bomba deje de bombear, sino también simplemente comprimir y expandir sin descargar el volumen deseado del medio.
Tecnología de bomba de alta presión de CO2 en uso
Las bombas de émbolo de alta presión que se adaptaron a este tipo de desafíos especiales son particularmente adecuadas para su uso en la extracción de CO2. Para esto, la sección de fluido de las bombas se rediseñó e integró en una variedad de diferentes bombas de émbolo de alta presión comprobadas, personalizadas para cada modelo. Las bombas se utilizan en todo el mundo para una variedad de diferentes procesos de extracción de CO2 en muchas industrias diferentes, incluido un sistema piloto para la extracción con CO2 de colorantes y saborizantes de tomates.
La variedad de sustancias a extraer es inmensa, por lo que los parámetros exactos y, por lo tanto, el diseño preciso de la bomba de émbolo de alta presión deben definirse individualmente durante la fase de planificación del proyecto. Una declaración general sobre qué bomba es la correcta en un sistema simplemente no es posible. Todas las bombas combinan un diseño robusto y compacto con tecnología innovadora y flexible, que cumple con todos los requisitos de la tecnología de producción más avanzada en cuanto a tamaño, peso y eficiencia energética. El diseño funcional de la bomba de émbolo de alta presión descrita logra una eficiencia mecánica de más del 90%, lo que significa que ofrece un nivel óptimo de eficiencia energética y sostenibilidad.
El concepto de sistema en ingeniería de bombas
Para cumplir con las demandas actuales de los clientes, se requiere un concepto de sistema que incluya también soluciones plug-and-play en la ingeniería de bombas: los clientes desean unidades de control y accionamiento completas en las bombas, que consisten en un dispositivo convertidor de frecuencia compacto, un tres asíncrono motor de fase y una unidad de control y operación (ver fig. 3). El motor trifásico asíncrono IE3 refrigerado por aire es adecuado para el control de velocidad continuo a través del convertidor de frecuencia y acciona la bomba de émbolo en el rango de trabajo requerido. Los convertidores de frecuencia controlan la temperatura, la corriente y la velocidad del motor.
El control continuo de velocidad / presión para el motor trifásico asíncrono es proporcionado por la unidad compacta, convertidor de frecuencia (FC) refrigerado por aire con diferentes voltajes de amplio rango y una eficiencia energética nominal de al menos 97%. La unidad FC está completamente lista para conectarse. Consiste en un interruptor de ruptura de carga para desconexión segura, alimentación y conexión del motor, electrónica de potencia, unidad de control y monitoreo, filtro de entrada EMC y pantalla FC con navegación de menú intuitiva para todas las funciones FC. Se puede adaptar a los requisitos del cliente si es necesario. Para una aplicación individual, confiable y cómoda de operación, monitoreo y control de bombas, se puede utilizar una carcasa pequeña adicional con un PLC S7 a prueba de fallas integrado, por ejemplo. Esto permite la personalización para cumplir con las funciones y requisitos de seguridad específicos de la aplicación y del cliente.
Unidad de bomba de émbolo de alta presión para aplicación de CO2 como unidad compacta con convertidor de frecuencia, motor y unidad de control / operación
La visualización, el funcionamiento y la parametrización en el sitio se pueden realizar a través de un panel táctil conveniente con navegación de menú intuitiva, por ejemplo, para configurar parámetros / valores establecidos y para mostrar el valor real / valor establecido, error y estado, así como datos de la bomba y el motor. Las señales discretas y analógicas o las interfaces de bus (estándar Profinet) sirven para conectarse a un controlador de nivel superior.
Gran variedad de aplicaciones para el prometedor solvente orgánico.
Se pueden observar innumerables aplicaciones en la industria alimentaria, de suplementos dietéticos, cosméticos y farmacéuticos: la demanda de extracción de aceites, ceras, extractos, colorantes y sustancias activas de alta calidad aumenta continuamente. Las sustancias naturales se pueden refinar mediante el proceso de extracción con el CO2 orgánico de muchas maneras diferentes: por ejemplo, eliminando grasas y aceites, fragancias y aromas, sustancias activas o sustancias nocivas. Las plantas medicinales, así como las sustancias vegetales comunes, como algas, frutas y verduras, bayas, hierbas y especias, semillas, cereales y nueces, proporcionan las materias primas. Este proceso puede incluso ser útil para extraer sustancias nocivas de materias primas contaminadas.
Bombas personalizadas
para una variedad de procesos
En principio, "extracción" consiste en eliminar una determinada sustancia del producto primario y luego proporcionarla en su forma pura para usar la sustancia extraída para su posterior procesamiento. La gran variedad de materias primas vegetales también requiere una variación correspondiente en los procesos, por lo que los parámetros adecuados deben definirse individualmente en cada caso para permitir la extracción óptima de los agentes naturales.
El uso y la ingeniería de conjuntos de control y accionamiento personalizados y estandarizados son la base para aplicaciones de bombas de CO2 de alta presión técnicamente sofisticadas que tienen requisitos sustanciales para la confiabilidad del proceso y la seguridad personal. Todas las partes del sistema deben adaptarse al proceso, la función, la seguridad y la aplicación con respecto a la eficiencia energética y la disponibilidad del sistema. La práctica de fabricación moderna y sostenible se esfuerza por lograr una eficiencia general óptima y una estructura eficiente en un diseño compacto, teniendo en cuenta el proceso y la optimización del desgaste, incluido el monitoreo de datos de proceso e instrumentos de toda la unidad de bombeo.
