Разработка экстракционной установки для растительного сырья
Доклад
На тему
Разработка
экстракционной установки для растительного сырья
Научный руководитель, д.т.н.,
каф. ТОППП – Агафонова Н.
М.
ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА
Экстрагированием
называется
извлечение из сложного по составу твердого или жидкого вещества одного или
нескольких его компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной
растворимостью.
В ряде пищевых
производств экстрагирование является одним из основных процессов. Это
извлечение сахара из свеклы в свеклосахарном производстве, извлечение масел из
масличных семян в производстве растительных масел, получение эфирных масел в
эфирномасличном производстве, экстрагирование ферментов из культур плесневых
грибов в производстве ферментных препаратов. Важную роль процесс
экстрагирования в системе твердое тело – жидкость играет в производстве вина, пива,
крахмала, ликеро-водочных изделий, растворимых кофе и чая [4].
В наиболее общем виде процесс
экстрагирования состоит из четырех стадий:
проникновения
растворителя в поры частиц растительного сырья;
растворения целевого
компонента;
переноса экстрагируемого
вещества внутри частицы растительного сырья к поверхности раздела фаз;
переноса экстрагируемого
вещества в жидкой фазе от поверхности раздела и распределения по массе
экстрагента.
Экстракция жидкостная – способ разделения и извлечения
компонентов смеси путем их перевода из одной жидкой фазы в другую (обычно
органическую), содержащую экстрагент.
Экстракт - лекарственная форма, получаемая
извлечением (вытяжкой) действующего компонента из лекарственного сырья с
помощью экстрагента, по виду которого экстракты разделяют:
Водные
Спиртовые
Эфирные
Существуют следующие
способы экстракции:
Сверхкритическая
экстракция
Докритическая экстракция
- СО2;
- ультразвуковая.
По типу растворителя:
Экстракция водой;
Экстракция маслом;
Экстракция глицерином.
Экстракция органическими
растворителями (ацетон, бензин, гексан, дихлорэтан, диэтиловый эфир,
изопропанол, хлористый этил, этанол).
В различных
отраслях пищевой промышленности для экстрагирования полезных компонентов из
твердых тел широко применяют экстракторы различных конструкций периодического и
непрерывного действия. К экстракторам периодического действия относятся
настойные чаны, экстракторы с рециркуляцией, многочисленные экстракционные
установки, виброэкстракторы, экстракторы, работающие под вакуумом. К экстракторам
непрерывного действия - колонные (одноколонные, двухколонные, многоколонные),
наклонные и горизонтальные, (шнековые и лопастные), ротационные корпуса с
вращением вокруг горизонтальной оси (одноходовые и двухходовые) или вертикальной
оси, оросительные (ленточные, ковшовые, лопастные, шнековые), аппараты с кипящим
и виброкипящим слоем [4].
Рассмотрим
типовые экстракторы [3].
Экстракторы
ступенчатого (батарейного) типа относятся к экстракторам периодического
действия. Они состоят из отдельных емкостей (диффузоров), соединенных между
собой коммуникациями, по которым в каждый диффузор могут подводиться экстракт,
подогретый до определенной температуры, и вода или какая-либо другая
экстракционная жидкость. В каждый диффузор через верхнее отверстие загружается
материал, подлежащий экстрагированию, а через нижнее выгружается отработанный
материал. Верхнее и нижнее отверстия герметически закрываются крышками.
К
существенным недостаткам диффузионных батарей относятся: сложность устройства,
трудность ремонта и обслуживания, большие затраты рабочей силы при
эксплуатации.
В сахарной,
масложировой, сокоэкстрактной, ферментной, винодельческой и других отраслях
пищевой промышленности применяют и испытывают различные типы экстракторов
непрерывного действия с полной автоматизацией технологического процесса.
Наибольшее распространение получили экстракторы одно-, двух- и многоколонные;
наклонные (шнековые и лопастные); ротационные; горизонтальные (шнековые и
лопастные); оросительные (ленточные, ковшовые шнековые). Находятся в стадии
испытания экстракторы с кипящим и виброкипящим слоем.
Одноколонные
экстракторы с транспортирующими устройствами шнеков и лопастей применяют в тех
отраслях пищевой промышленности, где экстрагируемый материал мало отличается по
объему от окружающей его экстрагирующей жидкости.
Одноколонный
экстрактор типа КДА применяется в сахарной промышленности.
Металлоемкость
одноколонных аппаратов невелика и в них более полно, по сравнению с другими
типами аппаратов используется рабочий объем. Сравнительно большая нагрузка
единицы объема аппарата материалом способствует уменьшению перемешивания его по
высоте колонны. Но кроме преимуществ одноколонные аппараты имеют следующие
недостатки:
- наличие
предварительной тепловой обработки материала требует дополнительной установки
ошпаривателей, занимающих дополнительную производственную площадь;
- применение
ошпаривателей со сложными перемешивающими устройствами и центробежных насосов
приводит к значительному измельчению материала, что не позволяет экстрагировать
в таких аппаратах тонкоизмельченные материалы.
Многоколонный
аппарат состоит из шести вертикальных колонн, соединенных вверху и внизу
переходными коленами. Сечение колонн может быть круглым или овальным. Нижние
колена имеют башмаки, которые являются опорами для аппарата.
Транспортирующее устройство состоит из двух цепей, к которым прикреплены
решетки на расстоянии 400 мм друг от друга, образуя, таким образом,
отдельные камеры для материала в колоннах аппарата. Цепи приводятся в движение
от пары приводных звездочек, расположенных в верхней части шестой колонны.
Звездочки приводятся во вращательное движение от привода.
Однако в
производственных условиях выявлен целый ряд недостатков:
1) необходимость в большой
высоте здания для установки аппарата;
2) наличие слишком длинной
цепной транспортной системы приводит к удлинению цепей, что требует частого их
натяжения (к цепи приводит к длительным остановкам аппарата);
3) неравномерность нагрузки
камер материалом, особенно их перегрузка, что приводит к прогибу каркаса сит в
период прохождения ими верхних и нижних соединительных башмаков (происходит
вследствие непараллельности расположения смежных несущих решеток в этих
местах);
4) недостаточность
гидростатического напора для фильтрации жидкости через материалы, что приводит
к снижению производительности аппарата;
5) большая по сравнению с
другими конструкциями металлоемкость.
К
экстракторам непрерывного действия относится также шнековый горизонтальный
экстрактор. Экстрактор состоит из горизонтального цилиндрического
корпуса и вертикальной колонны. В корпусе установлено транспортирующее
устройство, представляющее собой полый вал с перфорированными витками,
на которых укреплены лопасти-рыхлители. В начале горизонтального корпуса установлен
ситовый пояс для отделения экстракта.
К
достоинствам этого аппарата можно отнести незначительныеL требования к качеству
экстрагируемых материалов и обеспечение автоматичности работы, которая
заключается в том, что при прекращении вращения корпуса аппарата прекращается
движение материала и экстракта. В каждой камере концентрация экстракта остается
постоянной и не происходит перемешивания экстракта по всей длине аппарата,
обеспечивается точное дозирование экстракта по отношению к массе материала.
К
конструктивным недостаткам относятся громоздкость, большая металлоемкость,
малый коэффициент использования конструктивного объема, быстрый износ внутренних
устройств аппарата и внутренней части корпуса вследствие химической коррозии и
физических воздействий, большие затраты на текущий и капитальный ремонты.
Описание
разрабатываемой установки
Предлагаемая
экстракционная установка относится к технике экстракции растительного сырья
растворителем, а именно к экстракционным установкам для обработки
пряно-ароматического, витаминного и лекарственного растительного сырья жидкой
двуокисью углерода с целью получения СО2-экстрактов - ценнейших, экологически чистых,
незаменимых компонентов при производстве изделий пищевых отраслей,
фармацевтики, бытовой химии, парфюмерии, косметики.
Традиционно в
промышленности эксплуатируются стационарные установки — с использованием в качестве
растворителя жидкой двуокиси углерода, с несколькими экстракторами
периодического действия, которые работают при температуре около 25°С и давлении
насыщенных паров 65,5 МПа,
загруженные слоем экстрагируемого материала.
Основное требование
к экстрактору - обеспечить эффективность, т.е. используя минимальное количество
растворителя достичь возможно полное извлечение экстрактивных веществ за
минимальное время рабочего цикла, включая затраты времени на перезагрузку
экстрактора.
В
предлагаемой экстракционной установке для этого применяется кассета,
представляющей собой конструкцию по форме близкую к внутреннему объему
экстрактора (цилиндр из тонкого листового материала с сетчатым днищем). Кассета
может решить вопрос ускорения и механизации как загрузки экстрактора (загрузка
кассеты производится заранее вне работающего экстрактора, а сама загрузка
заключается лишь быстрой установки загруженной кассеты в открытый на
перезагрузку экстрактор), так и выгрузки (кассета с проэкстрагированным
материалом в период перезагрузки быстро вынимается из экстрактора). Недостатком
в этом случае является плохое контактирование подаваемого в кассету
растворителя с экстрагируемым материалом. Подача растворителя производится
струей сверху через боковое отверстие и в этом случае возможно
каналообразование в слое экстрагируемого материала, в некоторых случаях
растворитель проходит в пристеночной области со стороны подачи растворителя.
Данный
экстрактор (рис. 1) выполнен в виде цилиндрического сосуда высокого давления
(корпуса), закрепленного крышкой (люком) и снабженного входным и выходным
патрубками для экстракционной жидкости. Экстрактор снабжен герметичным
центральным полым стержнем, на внешней поверхности которого установлен
вибратор, и стаканом (кассетой) для загрузки исходного сырья, выполненным в
виде двух соосных цилиндров с общим дном и зафиксированным между крышкой и дном
аппарата.
Таким
образом, экстрактор состоит из корпуса с патрубками, люка и кассеты, которая
имеет сверху распределительную тарелку-крышку с расположенными на ней
отверстиями, закрытыми шарами-поплавками, положение шаров-поплавков над
отверстиями ограничивается клетьевыми устройствами.
Рис. 1
Экстрактор с кассетой: 1 – корпус; 2 – кассета; 3 – крышка-распределитель; 4 –
шары-поплавки
Главными
недостатками данного технического решения являются сложность конструкции и
недостаточно большой выход экстракционного материала.
Их можно
устранить с помощью использования сетчатого дна с пьезокерамическими ультразвуковыми
преобразователями.
Использование ультразвуковых колебаний в промышленности открывает
широкие возможности для интенсификации технологических процессов, улучшения качества продукции и повышения общей культуры производства [2].
Ультразвук – это:
Механические колебания
упругой среды, распространяющиеся с определенной скоростью и обладающие
известной энергией
Ультразвуковые волны —
это чередующиеся сгущения и разрежения среды
В ультразвуковом
диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение: он хорошо
поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность
ультразвуковых колебаний
При распространении в
газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления,
многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и
техники
Наибольший
эффект достигается при применении ультразвуковых колебаний в жидких и газообразных средах, участвующих в различных процессах мясной, ликероводочной,
хлебопекарной промышленности [1].
Ультразвуковая
экстракция позволяет:
Сократить
время извлечения биологически активных веществ;
Получить
максимальный выход биологически активных веществ при низких температурах;
Увеличить
глубину экстракции с сохранением органолептических свойств;
Ускорить
процессы растворения;
Ускорить
процессы диспергирования и получения тонкодисперсных суспензий
В данной
экстракционной установке предлагается использовать пьезокерамические ультразвуковые
преобразователи.
Пьезокерамические
преобразователи могут быть изготовлены в виде вогнутых поверхностей.
Для возбуждения колебаний
в керамических преобразователях на их боковые поверхности наносятся слои
серебра (обкладки), к которым подводится напряжение от высокочастотного генератора
Данная
установка обеспечивает равномерный контакт растворителя с экстрагируемым
материалом, находящемся в кассете, что позволяет повысить эффективность
экстракции и в результате сократить время процесса, а также затраты двуокиси
углерода и энергозатраты на ведение процесса экстракции [5].
Литература
1. Агранат Б. Д. и др. Основы физики и техники ультразвука. –
М.: Высшая школа, 1987. – 352 с.
2. Беззубов А. Д. Ультразвук и его применение в пищевой
промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1964. – 196 с.
4. Рогов И. А. Физические методы обработки пищевых продуктов.
М.: Пищевая промышленность, 1971. – 223с.
5. Сагателян Г. Р. Технология изготовления пьезоэлектрических
преобразователей для аппаратов ультразвуковой терапии, диагностики и хирургии.
– М.: МГТУ, 1993. – 33 с.