Доповідь
На тему
Розробка екстракційної установки для рослинної сировини
Науковий керівник, д.т.н.,
каф. ТОППП - Агафонова Н. М.
ФГТУ ВПО Іжевська ГСХА
Екстрагуванням називається витяг зі складного за складом твердого або рідкого речовини одного чи декількох його компонентів за допомогою розчинника, що володіє виборчої розчинністю.
У ряді харчових виробництв екстрагування є одним з основних процесів. Це вилучення цукру з буряка в цукробуряковому виробництві, витяг масел з олійного насіння у виробництві рослинних масел, отримання ефірних олій у ефірномаслічноє виробництві, екстрагування ферментів з культур цвілевих грибів у виробництві ферментних препаратів. Важливу роль процес екстрагування в системі тверде тіло - рідина грає у виробництві вина, пива, крохмалю, лікеро-горілчаних виробів, розчинних кави і чаю [4].
У найбільш загальному вигляді процес екстрагування складається з чотирьох стадій:
проникнення розчинника в пори частинок рослинної сировини;
розчинення цільового компонента;
перенесення екстрагуються речовини всередині частинки рослинної сировини до поверхні розділу фаз;
перенесення екстрагуються речовини в рідкій фазі від поверхні розділу і розподілу за масою екстрагенту.
Екстракція рідинні - спосіб поділу та вилучення компонентів суміші шляхом їх переведення з однієї рідкої фази в іншу (звичайно органічну), що містить екстрагент.
Екстракт - лікарська форма, що отримується витяганням (витяжкою) діючого компоненту з лікарської сировини за допомогою екстрагенту, по вигляду якого екстракти поділяють:
Водні
Спиртові
Ефірні
Існують наступні способи екстракції:
За температурним режимом:
Надкритична екстракція
Докритичний екстракція
- СО2;
За типом розчинника:
Екстракція водою;
Екстракція маслом;
Екстракція гліцерином.
Екстракція органічними розчинниками (ацетон, бензин, гексан, дихлоретан, діетиловий ефір, ізопропанол, хлористий етил, етанол).
У різних галузях харчової промисловості для екстрагування корисних компонентів з твердих тіл широко застосовують екстрактори різних конструкцій періодичної і безперервної дії. До екстрактора періодичної дії відносяться настойние чани, екстрактори з рециркуляцією, численні екстракційні установки, віброекстрактори, екстрактори, що працюють під вакуумом. До екстрактора безперервної дії - колонні (одноколонние, двохколонним, багатоколонний), похилі і горизонтальні, (шнекові та лопатеві), ротаційні корпусу з обертанням навколо горизонтальної осі (одноходові і двоходові) або вертикальної осі, зрошувальні (стрічкові, ковшові, лопатеві, шнекові) , апарати з киплячим і віброкиплячому шаром [4].
Розглянемо типові екстрактори [3].
Екстрактори ступеневої (батарейного) типу відносяться до екстрактора періодичної дії. Вони складаються з окремих ємностей (дифузорів), з'єднаних між собою комунікаціями, за якими в кожен дифузор можуть підводитися екстракт, підігрітий до певної температури, і вода або будь-яка інша екстракційна рідина. У кожен дифузор через верхнє отвір завантажується матеріал, що підлягає екстрагування, а через нижнє вивантажується відпрацьований матеріал. Верхнє і нижнє отвори герметично закриваються кришками.
До істотних недоліків дифузійних батарей відносяться: складність пристрою, труднощі ремонту та обслуговування, великі витрати робочої сили при експлуатації.
У цукровій, масложирової, сокоекстрактний, ферментної, виноробної та інших галузях харчової промисловості застосовують і відчувають різні типи екстракторів безперервної дії з повною автоматизацією технологічного процесу. Найбільшого поширення набули екстрактори одно-, двох-і багатоколонний; похилі (шнекові та лопатеві); ротаційні; горизонтальні (шнекові та лопатеві); зрошувальні (стрічкові, ковшові шнекові). Знаходяться в стадії випробування екстрактори з киплячим і віброкиплячому шаром.
Одноколонние екстрактори з транспортують пристроями шнеків і лопатей застосовують у тих галузях харчової промисловості, де екстрагуються матеріал мало відрізняється за обсягом від навколишнього його екстрагують рідини.
Одноколонний екстрактор типу КДА застосовується в цукровій промисловості.
Металоємність одноколонних апаратів невелика і в них більш повно, в порівнянні з іншими типами апаратів використовується робочий об'єм. Порівняно велике навантаження одиниці об'єму апарата матеріалом сприяє зменшенню перемішування його по висоті колони. Але крім переваг одноколонние апарати мають такі недоліки:
- Наявність попередньої теплової обробки матеріалу вимагає додаткової установки ошпарівателей, що займають додаткову виробничу площу;
- Застосування ошпарівателей зі складними пристроями, що перемішують і відцентрових насосів призводить до значного подрібнення матеріалу, що не дозволяє екстрагувати в таких апаратах тонкоподрібнені матеріали.
Багатоколонний апарат складається з шести вертикальних колон, з'єднаних угорі й унизу перехідними колінами. Перетин колон може бути круглим або овальним. Нижні коліна мають башмаки, які є опорами для апарату. Транспортуючий пристрій складається з двох ланцюгів, до яких прикріплені грати на відстані 400 мм один від одного, утворюючи, таким чином, окремі камери для матеріалу в колонах апарату. Ланцюги наводяться в рух від пари приводних зірочок, розташованих у верхній частини шостої колони. Зірочки наводяться в обертальний рух від приводу.
До переваг даного типу апаратів необхідно віднести суворий противоток фаз на всьому шляху екстрагування.
Однак у виробничих умовах виявлено цілу низку недоліків:
1) необхідність у великій висоті будинку для установки апарата;
2) наявність занадто довгою ланцюгової транспортної системи призводить до подовження ланцюгів, що вимагає частого їх натягу (до ланцюга призводить до тривалих зупинок апарату);
3) нерівномірність навантаження камер матеріалом, особливо їх перевантаження, що призводить до прогину каркаса сит в період проходження ними верхніх і нижніх з'єднувальних черевиків (відбувається внаслідок непаралельності розташування суміжних несучих решіток у цих місцях);
4) недостатність гідростатичного напору для фільтрації рідини через матеріали, що призводить до зниження продуктивності апарату;
5) більша порівняно з іншими конструкціями металоємність.
До екстрактора безперервної дії відноситься також шнековий горизонтальний екстрактор. Екстрактор складається з горизонтального циліндричного корпусу і вертикальної колони. У корпусі встановлено транспортує пристрій, що є порожнистий вал з перфорованими витками, на яких укріплені лопаті-розпушувачи. На початку горизонтального корпусу встановлений ситовий пояс для відділення екстракту.
До переваг цього апарата можна віднести незначні L вимоги до якості екстрагуються матеріалів і забезпечення автоматичності роботи, яка полягає в тому, що при припиненні обертання корпусу апарату припиняється рух матеріалу та екстракту. У кожній камері концентрація екстракту залишається постійною і не відбувається перемішування екстракту по всій довжині апарату, забезпечується точне дозування екстракту по відношенню до маси матеріалу.
До конструктивних недоліків відносяться громіздкість, велика металоємність, малий коефіцієнт використання конструктивного об'єму, швидкий знос внутрішніх пристроїв апарату і внутрішньої частини корпусу внаслідок хімічної корозії і фізичних впливів, великі витрати на поточний і капітальний ремонти.
Опис розроблюваної установки
Пропонована екстракційна установка відноситься до техніки екстракції рослинної сировини розчинником, а саме до екстракційним установок для обробки пряно-ароматичної, вітамінного і лікарської рослинної сировини рідкої двоокисом вуглецю з метою отримання СО2-екстрактів - найцінніших, екологічно чистих, незамінних компонентів при виробництві виробів харчових галузей, фармацевтики, побутової хімії, парфумерії, косметики.
Традиційно в промисловості експлуатуються стаціонарні установки - з використанням в якості розчинника рідкого двоокису вуглецю, з кількома екстрактора періодичної дії, які працюють при температурі близько 25 ° С і тиску насичених парів 65,5 МПа, завантажені шаром екстрагуються матеріалу.
Основна вимога до екстрактора - забезпечити ефективність, тобто використовуючи мінімальну кількість розчинника досягти можливо повне вилучення екстрактивних речовин за мінімальний час робочого циклу, включаючи витрати часу на перезавантаження екстрактора.
У запропонованій екстракційної встановленню для цього застосовується касета, що представляє собою конструкцію за формою близьку до внутрішнього об'єму екстрактора (циліндр з тонкого листового матеріалу з сітчастим днищем). Касета може вирішити питання прискорення та механізації як завантаження екстрактора (завантаження касети проводиться заздалегідь поза працюючого екстрактора, а саме завантаження полягає лише швидкого встановлення завантаженої касети у відкритий на перезавантаження екстрактор), так і вивантаження (касета з проекстрагірованним матеріалом у період перезавантаження швидко виймається з екстрактора ). Недоліком у цьому випадку є погане контактування подається в касету розчинника з екстрагуються матеріалом. Подача розчинника виробляється струменем зверху через бічний отвір і в цьому випадку можливе каналоутворення в шарі екстрагуються матеріалу, в деяких випадках розчинник проходить у пристінній області з боку подачі розчинника.
Даний екстрактор (рис. 1) виконаний у вигляді циліндричного судини високого тиску (корпусу), закріпленого кришкою (люком) і забезпеченого вхідним і вихідним патрубками для екстракційної рідини. Екстрактор забезпечений герметичним центральним порожнистим стрижнем, на зовнішній поверхні якого встановлено вібратор, і склянкою (касетою) для завантаження вихідної сировини, виконаним у вигляді двох співвісних циліндрів із загальним дном і зафіксованим між кришкою і дном апарату.
Таким чином, екстрактор складається з корпусу з патрубками, люка і касети, яка має зверху розподільну тарілку-кришку з розташованими на ній отворами, закритими кулями-поплавцями, положення куль-поплавців над отворами обмежується клітьового пристроями.
Рис. 1 Екстрактор з касетою: 1 - корпус; 2 - касета; 3 - кришка-розподільник, 4 - кулі-поплавці
Головними недоліками даного технічного рішення є складність конструкції і недостатньо великий вихід екстракційного матеріалу.
Їх можна усунути за допомогою використання сітчастого дна з п'єзокерамічними ультразвуковими перетворювачами.
Для інтенсифікації дифузії, екстракції та інших процесів, що протікають в рідкій фазі, спрощення конструкції апаратів можуть бути використані ультразвукові пристрої, які монтуються в діючу технологічну апаратуру харчової промисловості. У цих установках використовуються магнітострикційні, п'єзоелектричні і гідродинамічні перетворювачі.
Використання ультразвукових коливань у промисло вості відкриває широкі можливості для інтенсифікації технологічних процесів, поліпшення якості продукції та підвищення загальної культури виробництва [2].
Ультразвук - це:
Механічні коливання пружного середовища, що поширюються з певною швидкістю і володіють певною енергією
Ультразвукові хвилі - це чергуються згущення і розрідження середовища
В ультразвуковому діапазоні порівняно легко отримати направлене випромінювання: він добре піддається фокусуванні, в результаті чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань
При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує цікаві явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних галузях науки і техніки
Найбільший ефект досягається при застосуванні ультразвукових до коливання в рідких і газоподібних середовищах, які беруть участь у різних процесах м'ясної, лікеро-горілчаної, хлібопекарської промисловості [1].
Ультразвукова екстракція дозволяє:
Скоротити час вилучення біологічно активних речовин;
Отримати максимальний вихід біологічно активних речовин при низьких температурах;
Збільшити глибину екстракції із збереженням органолептичних властивостей;
Прискорити процеси розчинення;
Прискорити процеси диспергування та отримання тонкодисперсних суспензій
У даній екстракційної установці пропонується використовувати п'єзокерамічні ультразвукові перетворювачі.
П'єзокерамічні перетворювачі можуть бути виготовлені у вигляді увігнутих поверхонь.
Для порушення коливань в керамічних перетворювачах на їх бічні поверхні наносяться шари срібла (обкладки), до яких підводиться напруга від високочастотного генератора
Дана установка забезпечує рівномірний контакт розчинника з екстрагуються матеріалом, що знаходиться в касеті, що дозволяє підвищити ефективність екстракції і в результаті скоротити час процесу, а також витрати двоокису вуглецю і енерговитрати на ведення процесу екстракції [5].
Література
1. Агранат Б. Д. та ін Основи фізики і техніки ультразвука. - М.: Вища школа, 1987. - 352 с.
2. Беззубов А. Д. Ультразвук та його застосування в харчовій промисловості. - М.: Харчова промисловість, 1964. - 196 с.
3. Бергман Л. Ультразвук та його застосування в науці і техніці. - М.: Харчова промисловість, 1956. - 126.
4. Рогов І. А. Фізичні методи обробки харчових продуктів. М.: Харчова промисловість, 1971. - 223с.
5. Сагателян Г. Р. Технологія виготовлення п'єзоелектричних перетворювачів для апаратів ультразвукової терапії, діагностики та хірургії. - М.: МГТУ, 1993. - 33 с.