استخراج مستدام مع ثاني أكسيد الكربون
تتأرجح مضخات النزوح
يستخدم ثاني أكسيد الكربون بشكل خاص في صناعة الأغذية والمشروبات ومستحضرات التجميل والصناعات الدوائية لاستخراج المواد الطبيعية والروائح والدهون والزيوت والشموع والبوليمرات والإنزيمات والملونات في حالتها المادية فوق الحرجة. لأنه على الرغم من سمعته السيئة باعتباره أحد غازات الدفيئة ، فإن ثاني أكسيد الكربون هو مذيب طبيعي وصديق للبيئة له مزايا على الوسائط الاصطناعية والضارة مثل n-hexane عندما يتعلق الأمر بالاستدامة. تعد مضخات الإزاحة المتأرجحة مثالية لاستخراج ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج.
استخراج ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج هو ممارسة شائعة في معالجة القفزات من أجل تخمير البيرة. تستخدم مضخات المكبس ذات الضغط العالي المتخصصة في هذه العملية.
مضخات وأنظمة
هذه العملية لديها تقليد طويل. منذ أكثر من 50 عامًا ، بدأ الباحثون والمطورون العمل على هذه المسألة ، وتم تطوير الأنظمة الأولى ، على سبيل المثال ، القهوة منزوعة الكافيين. كيف نحصل على الكافيين من حبوب القهوة؟ يتم ضغط ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط عال جدًا ، مما يؤدي إلى انفصال المكون المطلوب عن المادة الخام. عندما يتم تقليل الضغط ، يطلق ثاني أكسيد الكربون المواد التي تمت إزالتها مرة أخرى ويتم إنتاج مستخلص.
الحجج ضد عمليات استخراج المواد الكيميائية
لتجنب الآثار المسببة للأمراض ، السامة ، وبالتالي الخطرة في أي منتج ، من الأكثر أمانًا إهمال استخدام أي مذيبات عضوية تمامًا. ومع ذلك ، فإن التخلص من المذيبات الكيميائية الصديقة للبيئة أمر معقد ويتطلب تكاليف كبيرة. وهذا يخلق أهدافًا متضاربة لأي مصنع يلتزم بالاستدامة.
الحجج لصالح CO2 المذيبات العضوية
في السنوات الأخيرة ، زاد الضغط في عمليات الاستخراج من تقريبا. 300 بار تقريبا. 1000 بار. هذا يؤدي إلى تقليل وقت المعالجة ، مما يسمح بإنتاج مكونات أكثر كفاءة بطريقة أفضل. وهذا يجعل الاستخدام التجاري بشكل عام أكثر كفاءة اقتصاديًا وأكثر فعالية. هذا الاتجاه العام الحالي بين المستهلكين نحو المنتجات البيولوجية يدعم هذا التطور.
لماذا لا تزال عملية استخراج CO2 في الاتجاه
تطبيق كلاسيكي لهذه العملية هو تخمير البيرة: الاستخراج الانتقائي لأحماض ألفا وبيتا يغير طيف المواد المرة في القفزات الطبيعية وفقًا للنكهة المطلوبة. يمكن لهذا النوع من "تصميم المشروبات" أن يؤثر على مدى أذواق البيرة العطرية أو المعتدلة أو المرة. يسمح مستخلص القفزات بدون مواد مرّة للمشروبات العصرية مثل "ليمونادي القفزات" ذات النكهات الخاصة في السوق. تسمح المرونة الناتجة لمصانع الجعة بالتكيف مع اتجاهات المستهلكين وتصنيع منتجات صحية مخصصة لمتطلبات العملاء.
تعد مضخات الإزاحة المتأرجحة مثالية لاستخراج ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج.
مبدأ استخراج ثاني أكسيد الكربون
يمكن وصف العملية بثلاث كلمات رئيسية: الاستخراج والفصل والتكثيف.
أولاً ، يتم تبريد ثاني أكسيد الكربون السائل بشكل فائق ويتم إدخاله في المضخة. بسبب الضغط الشديد ، مع وجود ضغوط تصل إلى 1000 بار ، يتم تسخين ثاني أكسيد الكربون ونقله إلى حالة فوق الحرجة. في ظل هذه الظروف ، يمتلك خواص الغاز والسائل ويتميز بشكل أساسي بقدراته الذائبة الممتازة. تسمح السيولة العالية لثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة بالوصول إلى أصغر مسام الطعام واستخراج المواد المطلوبة من المادة الخام. ثم يتم توسيع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج وتسخينه. يتحول إلى غاز ويتبخر بدون أثر ، ولا يترك شيئًا سوى المستخلص النقي. نظرًا لأن CO2 خامل ، فإنه لا يتفاعل مع المستخلص ولا يشوه خصائصه.
رسم تخطيطي لمكونات العملية لنظام استخراج CO2 ، والذي يمكن أن يكون له تصاميم مختلفة حسب العملية.
مزيد من المعلومات يرجى الاطلاع هنا:
مقارنة مع تخمير البيرة:
استخراج القفزات الكيميائية مع الإيثانول مقابل ثاني أكسيد الكربون كمذيب
المقارنة ، التي ليست بالطبع شاملة ، تبحث في بعض الحقائق من مجالات الإنتاج والتكوين والنقاء والكفاءة الاقتصادية. كنقطة انطلاق ، تستخدم عملية الاستخراج المستمرة كحول التخمير لمعالجة قفزات التماثيل عند درجات حرارة تقريبية تقريبًا. 60 ° C. عند استخدام ثاني أكسيد الكربون ، يشار إلى ذلك كعملية دفعية بها ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج كمذيب. تستخدم حبيبات القفزات كمنتج أساسي. تتم معالجتها في درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية ، مع ضغوط استخراج تصل إلى 300 بار.
اعتمادًا على تكوين الصنف المحدد ، يحتوي مستخلص الإيثانول على جميع المواد المريرة ، بينما يسمح ثاني أكسيد الكربون باستخراج انتقائي لما يسمى أحماض ألفا أو بيتا ، مما يعني أن المواد المريرة غير المحددة في القفزات لا تكاد توجد في المستخلص بعد ذلك. يمكن أن تحقق العملية استخراجًا جيدًا للمبيدات الحشرية والنترات والمعادن الثقيلة ، حيث يحقق تطبيق ثاني أكسيد الكربون قيمًا أفضل. من الناحية الاقتصادية ، تكاليف الإنتاج لعملية استخراج ثاني أكسيد الكربون أعلى قليلاً ، حيث يجب أولاً إنتاج كريات القفزات لهذه العملية وهي أيضًا عملية دفعية. استخراج الإيثانول لديه استقرار تقريبا. أسبوع واحد ، استخراج CO2 تقريبا. أسبوعين ، حيث يمكن أن تبقى المقتطفات المعبأة لمدة ست سنوات أو أكثر في درجة حرارة التخزين المناسبة.
تحدي تكنولوجيا مضخة الضغط العالي CO2
إن التحدي الذي يواجه تقنية المضخة هو ثاني أكسيد الكربون المتوسط ، وهو غازياً في ظل الظروف المحيطة الطبيعية. يجب الاحتفاظ به باستمرار في حالة سائلة من خلال المراقبة الدقيقة لمعلمات العملية لمنع تلف التجويف في المضخة. تتطلب خصائص التزييت الضعيفة والضغط العالي لثاني أكسيد الكربون السائل مضخاتًا تم تطويرها خصيصًا بمستوى عالٍ من موثوقية العملية. على وجه التحديد ، هذا يعني أنه يجب تطوير المضخة خصيصًا لتطبيق ثاني أكسيد الكربون: يجب أن تكون نهاية القدرة قادرة على تحمل قوى القضيب الناتجة عن ارتفاع ضغط الشفط ويجب ضمان التشحيم الأمثل لنقاط الحمل. في الوقت نفسه ، يزيد الضغط إلى 1000 بار ، مما يؤدي إلى زيادة في درجات الحرارة تقابل ذلك: وهذا يتطلب تبريدًا فعالًا لقسم السائل مع قنوات تبريد في صناديق الحشوات وكتل الصمامات.
نظرًا لأن بعض المكونات لا يمكن تبريدها مباشرةً ، فمن المهم تكييف المواد والتصميم بحيث يتم امتصاص أقل قدر ممكن من حرارة الضغط المولدة. نظرًا لأن CO2 يتعرض بالتناوب للضغط والتوسع ، فمن الضروري تقليل أو تجنب ارتفاع درجة الحرارة والخسائر الناتجة.
الكلمة الرئيسية الأخرى هنا هي تحسين المساحة الميتة في قسم الموائع في المضخة: يضمن التحسين دائمًا كفاءة حجمية عالية. هذه الكفاءة الحجمية أصبحت ذات أهمية متزايدة بسبب ارتفاع ضغط المعالجة. تؤثر الكفاءة الحجمية على معدل التدفق وبالتالي وظيفة المضخة بأكملها.
وبصفة خاصة مع وجود ضغوط عالية جدًا تصل إلى 1000 بار ، فإن التصميم ذي الحجم الأمثل للمساحة المميتة في قسم الموائع يعد أمرًا بالغ الأهمية للوظيفة العامة للمضخة. لا يمكن أن تتسبب مكونات الطرف السائل المصممة بشكل غير صحيح في توقف المضخة عن الضخ ولكن أيضًا للضغط والتوسيع دون تفريغ الحجم المطلوب من الوسط.
تكنولوجيا مضخة الضغط العالي CO2 قيد الاستخدام
تعتبر مضخات المكبس ذات الضغط العالي والتي تم تكييفها مع هذه الأنواع من التحديات الخاصة مناسبة بشكل خاص للاستخدام في استخراج ثاني أكسيد الكربون. لهذا الغرض ، تم إعادة تصميم قسم السوائل في المضخات ودمجها في مجموعة متنوعة من مضخات المكبس ذات الضغط العالي المختلفة المُثبتة ، والمخصصة لكل طراز. يتم استخدام المضخات في جميع أنحاء العالم لمجموعة متنوعة من عمليات استخراج ثاني أكسيد الكربون المختلفة في العديد من الصناعات المختلفة ، بما في ذلك في نظام تجريبي لاستخراج ثاني أكسيد الكربون والملونات المنكهة من الطماطم.
إن مجموعة المواد المراد استخراجها هائلة ، لذا يجب تحديد المعلمات الدقيقة وبالتالي تصميم دقيق لمضخة المكبس ذات الضغط العالي بشكل فردي خلال مرحلة تخطيط المشروع. إن عبارة عامة عن المضخة هي الصحيحة في أي نظام غير ممكنة بكل بساطة. تجمع جميع المضخات بين التصميم المتين والمدمج مع التكنولوجيا المبتكرة والمرنة ، وتفي بجميع متطلبات تقنية الإنتاج الحديثة فيما يتعلق بالحجم والوزن وكفاءة الطاقة. يحقق التصميم الوظيفي لمضخة المكبس ذات الضغط العالي الموصوفة كفاءة ميكانيكية تتجاوز 90٪ ، مما يعني أنها توفر مستوى مثاليًا من كفاءة الطاقة واستدامتها.
مفهوم النظام في هندسة المضخات
من أجل تلبية متطلبات العملاء اليوم ، مطلوب مفهوم النظام بما في ذلك حلول التوصيل والتشغيل في هندسة المضخات أيضًا: يريد العملاء وحدات كاملة للتحكم في القيادة والمضخات ، تتكون من جهاز محول التردد المضغوط ، وهو ثلاثة غير متزامن محرك ذو طور ووحدة تحكم وتشغيل (انظر الشكل 3). إن محرك المرحلة الثالثة غير المتزامن IE3 الذي يتم تبريده بالهواء مناسب للتحكم المستمر في السرعة عبر محول التردد ويدفع مضخة الغطاس في نطاق العمل المطلوب. تقوم محولات التردد بمراقبة درجة الحرارة والتيار وسرعة المحرك.
يتم توفير التحكم المستمر في السرعة / الضغط للمحرك غير المتزامن ثلاثي الأطوار من خلال وحدة مدمجة موصلة ومحول تبريد الهواء (FC) مع الفولتية واسعة النطاق المختلفة وكفاءة طاقة اسمية لا تقل عن 97٪. وحدة FC جاهزة تمامًا للتوصيل. إنه يتكون من مفتاح كسر الحمولة لضمان الفصل الآمن ، توصيل الطاقة والمحرك ، إلكترونيات الطاقة ، وحدة التحكم والمراقبة ، مرشح إدخال EMC وشاشة FC مع التنقل في القائمة البديهية لجميع وظائف FC. يمكن أن تتكيف مع متطلبات العملاء إذا لزم الأمر. من أجل تطبيق تشغيل ومراقبة ومضخة فردي وموثوق ومريح ، يمكن على سبيل المثال استخدام حاوية صغيرة إضافية مزودة بنظام SLC للفشل الآمن SLC. يتيح هذا التخصيص تلبية وظائف ومتطلبات السلامة الخاصة بالتطبيق والخاصة بالعملاء.
وحدة مضخة الغطاس ذات الضغط العالي لتطبيق CO2 كوحدة مدمجة مع محول التردد ، المحرك ووحدة التحكم / التشغيل
يمكن إجراء العرض والتشغيل والمعلمات في الموقع من خلال لوحة لمس مريحة مع التنقل في القائمة البديهية - على سبيل المثال لإعداد القيم / مجموعة القيم ولعرض القيمة / القيمة الفعلية والخطأ والحالة وكذلك بيانات المضخة والمحركات. تعمل الإشارات السرية والتماثلية أو واجهات الناقل (معيار Profinet) على الاتصال بوحدة تحكم بمستوى أعلى.
مجموعة كبيرة ومتنوعة من التطبيقات للمذيبات العضوية الواعدة
يمكن ملاحظة عدد لا يحصى من التطبيقات في الصناعات الغذائية والمكملات الغذائية ومستحضرات التجميل والصناعات الدوائية: إن الطلب على استخراج الزيوت والشمع والمستخلصات والملونات والمواد الفعالة عالية الجودة في ارتفاع مستمر. يمكن تكرير المواد الطبيعية من خلال عملية الاستخراج باستخدام ثاني أكسيد الكربون العضوي بعدة طرق مختلفة: على سبيل المثال عن طريق إزالة الدهون والزيوت والعطور والروائح والمواد الفعالة أو المواد الضارة. النباتات الطبية وكذلك المواد النباتية الشائعة - مثل الطحالب والفواكه والخضروات والتوت والأعشاب والتوابل والبذور والحبوب والمكسرات - توفر المواد الخام. يمكن أن تكون هذه العملية مفيدة لاستخراج المواد الضارة من المواد الخام الملوثة.
مضخات مخصصة
لمجموعة متنوعة من العمليات
من حيث المبدأ ، فإن "الاستخراج" يدور حول إزالة مادة معينة من المنتج الأولي ثم توفيره في شكله النقي لاستخدام المادة المستخرجة لمزيد من المعالجة. يتطلب التنوع الكبير من المواد النباتية الخام أيضًا تباينًا مماثلاً في العمليات ، حيث يجب تحديد المعلمات المناسبة بشكل فردي في كل حالة للسماح بالاستخراج الأمثل للعوامل الطبيعية.
يعد استخدام وهندسة مجموعات القيادة والتحكم المخصصة والموحدة أساسًا لمثل هذه التطبيقات المتطورة من الناحية الفنية لمضخة ثاني أكسيد الكربون ذات الضغط العالي والتي لها متطلبات جوهرية لموثوقية العملية والسلامة الشخصية. يجب تكييف جميع أجزاء النظام للعملية والوظيفة والسلامة والتطبيق فيما يتعلق بكفاءة الطاقة وتوافر النظام. تسعى ممارسات التصنيع الحديثة والمستدامة إلى تحقيق الكفاءة الشاملة المثلى وهيكل فعال في تصميم مضغوط ، مع مراعاة العملية وتحسين التآكل - بما في ذلك مراقبة بيانات الأداة والمعالجة لوحدة المضخة بأكملها.
