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Hochdrucktechnologie von HERMETIC zur CO2-Extraktion im Entkoffeinierungsprozess von Lavazza. (Bildquelle: HERMETIC-Pumpen GmbH)

In Verbindung mit den hohen Temperaturen und der extrem niedrigen Viskosität der Flüssigkeit stellt der Prozess hohe Anforderungen an die installierte Ausrüstung. Als Umwälzpumpe kommt eine Spaltrohrmotorpumpe der Firma HERMETIC-Pumpen GmbH zum Einsatz. Die kompakte Einheit in Hochdruckausführung inklusive Überwachungsausrüstung sorgt für einen zuverlässigen CO2-Durchfluss durch die Kaffeebohnen. Dank der verschleiß- und wartungsarmen Bauweise von topumps kann Koffein im 24-Stunden-Betrieb ohne Einbußen bei der Lebensdauer gefördert werden.

Überkritisches Kohlendioxid befindet sich oberhalb seiner kritischen Temperatur und seines kritischen Drucks in einem überkritischen Zustand. Seine Eigenschaften liegen zwischen denen eines Gases und denen einer Flüssigkeit: Es hat die Viskosität, Kompressibilität und Diffusionsfähigkeit eines Gases sowie die Dichte und Löslichkeit einer Flüssigkeit. Es kann leicht in andere Stoffe eindringen und daraus die gewünschten Stoffe extrahieren. Aufgrund seiner natürlichen Eigenschaften und der Reinheit des Endprodukts wird es hauptsächlich in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt. Ein Beispiel ist die Entkoffeinierung von Kaffeebohnen.

Lavazza: „natürliches“ CO2-Entkoffeinierungsverfahren. Bei der Entkoffeinierung wird den noch grünen Kaffeebohnen das Koffein entzogen. Lavazza verwendet ausschließlich die CO2-Methode. Die Entkoffeinierung erfolgt durch einen „natürlichen“ Prozess, bei dem alle Elemente, die während der verschiedenen Verarbeitungsschritte mit dem Produkt in Kontakt kommen, für die Verwendung in Lebensmitteln geeignet sind.

In der 1991 zu diesem Zweck in Betrieb genommenen Lavazza-Anlage in Pozzilli in der italienischen Region Molise werden die grünen Kaffeebohnen zunächst gequollen, indem ihr Feuchtigkeitsgehalt unter Zugabe von Trinkwasser auf über 35 % erhöht wird. Anschließend werden die Bohnen in einen Extraktor (Autoklaven) geleitet, wo Kohlendioxid unter überkritischen Bedingungen strömt. Bei diesem Verfahren wird das Koffein aus den Kaffeebohnen extrahiert und anschließend zurückgewonnen. Am Ende der Extraktionsphase wird der Autoklav mit dem Kaffee drucklos gemacht und der Kaffee in die nächste Trocknungsphase überführt. In diesem Verarbeitungsschritt werden die Kaffeebohnen getrocknet, bis sie einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 11 % erreichen.

Hoher Druck, hohe Temperatur, niedrige Viskosität Die Verwendung von CO2 in einem überkritischen Aggregatzustand ist der Schlüssel für eine erfolgreiche Koffeinextraktion. Die vorherrschende hohe Temperatur führt zu extrem hohen Dampfdrücken bei niedrigsten Viskositäten. Dies stellt eine außergewöhnliche Herausforderung für die Kreiselpumpe dar. Auch die Mischung aus CO2, Wasser und Koffein kann dazu führen, dass Rückstände durch die Pumpe fließen.

Hermetisch dichte Pumpenlösung in Hochdruckausführung Für die Förderung des überkritischen CO2 durch den Extraktor setzt Lavazza auf eine Spaltrohrmotor-Kreiselpumpe der HERMETIC-Pumpen GmbH. Für die zuverlässige Förderung sorgt die mehrstufige Hochdruck-Kreiselpumpe vom Typ CAMHV. Die Prozessbedingungen sehen einen Druck von über 200 bar, eine Temperatur von über 80 °C und einen CO2-Fluss von über 140 m³/h vor. Bei Spaltrohrmotorpumpen sind der Motor und die Hydraulikkomponenten Teil eines Blocks, wobei Rotor und Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Der Rotor wird von mediumgeschmierten Radiallagern getragen. Der Stator des Antriebsmotors ist durch ein Statorrohr vom Rotorraum getrennt. Der Rotorraum bildet mit dem Gehäuseteil der Pumpe einen gemeinsamen Raum.

Ein verschleißarmes Konstruktionsprinzip für den 24-Stunden-Dauerbetrieb Dank der integralen und kompakten Bauweise kommt die Spaltrohrmotorpumpe ohne Wellendichtungen, herkömmliche Lager und Kupplungen aus. Dies ist ein Vorteil gegenüber Pumpen mit Gleitringdichtungen, die anfälliger für die im Förderprozess herrschenden Drücke und Temperaturen sind. Zudem läuft die Pumpe sehr geräuscharm.

Die HERMETIC-Technologie „ZART“ (Zero Axial and Radial Thrust) sorgt dafür, dass die Rotoreinheit berührungs- und verschleißfrei läuft. ZART basiert auf einem umfassenden Axialschubausgleich mittels berührungsloser hydrodynamischer Gleitlager. Um der geringen Viskosität des Fördermediums und der daraus resultierenden verringerten Tragfähigkeit Rechnung zu tragen, wurde die Pumpe in vertikaler Position eingebaut. In diesem Fall haben die Gleitlager keine Rotorlasttragfunktion, sondern nur eine Führungsfunktion. Das Rotorgewicht wird hydrostatisch getragen. Durch diese Konstruktion kann der Rotor im Dauerbetrieb ohne Verschleiß und mechanische Kontakte arbeiten. Dies ermöglicht eine Koffeingewinnung im Dauerbetrieb über mehrere Jahre. Ein weiterer Vorteil der vertikalen Installation besteht darin, dass die Entgasungsvorgänge der Pumpe erleichtert werden.

Zuverlässiger Axialschubausgleich mit Rotorpositionsüberwachung Bei Spaltrohrmotorpumpen gleicht sich die axiale Position der Pumpenwelle während des Betriebs automatisch aus. Dadurch stellt sich automatisch ein kräftefreier Gleichgewichtszustand ein und es wirken keine Axialkräfte auf den Axiallagerbund der Gleitlager. Bei der im Lavazza-Werk installierten Pumpe sorgt eine Axialsteuerscheibe für den Axialschubausgleich. Die Pumpe ist mit der HERMETIC-Rotorpositionsüberwachung „MAP“ ausgestattet, um den axialen Rotorausgleich während des Betriebs der Pumpe zu überwachen. Die Rotorlageüberwachung erkennt kleinste Abweichungen des Rotors außerhalb des zulässigen Bereichs und dient als Frühwarnsystem zur Vermeidung unerwünschter Betriebszustände.

Wissen und Erfahrung in den ungewöhnlichsten Anwendungen Mit dieser anspruchsvollen Anwendung beweist HERMETIC jahrzehntelange Erfahrung mit hermetisch dichten Pumpen auch in komplexen und kritischen Prozessen. In enger Zusammenarbeit mit den Kunden bringt HERMETIC ständig neue Anwendungen auf den Markt. Damit ist HERMETIC einer der führenden Hersteller hermetisch dichter Pumpen weltweit.

Quelle: Hermetic-Pumpen GmbH