V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время экстрагирование является одним из основных процессов, применяемых в фармацевтической, косметической, химической и других отраслях промышленности. Особую роль экстрагирование играет в пищевой промышленности: в сахарном, маслоэкстракционном, эфирно-масленичном производстве, при получении концентратов кофе и чая, в ликероводочном, ферментном, пивоваренном, консервном производствах, в производстве мяса, вина, безалкогольных напитков и многих других продуктов. В целом экстрагирование является высокоэффективным и экономически целесообразным процессом.

Существует большое количество экстракционных аппаратов, которые хорошо зарекомендовали себя, но они имеют ряд недостатков, к которым относятся большие габариты, высокие продолжительность обработки сырья и энергозатраты, сравнительно низкая степень извлечение компонентов.

На наш взгляд, наиболее перспективным, является применение роторно-пульсационного аппарата (РПА) в процессе экстрагирования.

Экстрагирование с применением РПА основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. При работе РПА происходит интенсивное механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока, процесс повторяется до получения концентрированного извлечения. Повышается производительность процесса и увеличивается выход действующих веществ.

Нами была разработана конструкция РПА, состоящая из корпуса с установленным в нем ротором, в ступице которого имеются отверстия, и статором, выполненных в виде чередующихся коаксиальных цилиндров с прорезями. Статор жестко закреплен на крышке аппарата. Отличительной особенностью аппарата являются изогнутые лопасти, расположенные в области между зубьями ротора и внутренней стенкой корпуса, изогнутые по винтовой линии в сторону противоположную вращению ротора и соединенные со штуцерами на крышке аппарата. Лопасти предназначены для вывода части продукта из аппарата на промежуточную обработку или для отбора готового продукта. Как и количество дополнительных обработок, число лопастей для дополнительной обработки может варьироваться.

Аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок подаются компоненты жидкой и твердой фаз во внутреннюю рабочую область, где под действием центробежных сил материальный поток движется через зубья ротора и статора, при этом твердое тело подвергается измельчению, истиранию и ударным нагрузкам. Кроме этого возникают пульсации потока и кавитационные явления, увеличивающие выход сухих веществ. Затем часть потока выводится из внешней рабочей области аппарата на дополнительную обработку. Остальная часть продукта циркулирует в основной рабочей области аппарата. Прошедший дополнительную обработку продукт возвращается в основную рабочую область аппарата через загрузочный патрубок.

С целью проверки эффективности спроектированной установки была проведена серия экспериментов. Эксперименты в РПА проводились при частоте вращения ротора 1500 – 2500 об/мин. Время обработки, в зависимости от эксперимента, варьировалось от 5 до 20 мин. Соотношение твердой и жидкой фазы составляло от 1:2 до 1:5. Зазор между ротором и статором составлял 0,1 мм и оставался постоянным. Температура обработки 40 – 80 °С. В качестве дополнительной обработки было выбрано СВЧ-устройство, для создания необходимого температурного режима, так как этот вид обогрева наиболее энергоэкономичен. Мощность СВЧ-излучения составляла 600 – 800 Вт.

Во время экспериментов было видно, что после установки лопасти для дополнительной обработки нагрузка на электродвигатель аппарата увеличилась в среднем на 5%. Это можно объяснить тем, что лопасти создают некую преграду на пути материального потока, тем самым увеличивая энергопотребление.

Объектами исследования служили плоды черноплодной рябины и смородины. Ягода подавалась в аппарат в различных состояниях: замороженная, размороженная и свежая.

Результаты, полученные в ходе экспериментов, сравнивали с результатами классического настойного метода экстрагирования.

Экстрагирование наиболее эффективно осуществлялось при использовании замороженного сырья. При исследовании свежей и размороженной ягоды внешняя оболочка не разрушалась полностью, что затрудняло протекание процесса экстрагирования.

В результате применения РПА размер частиц твердой фазы уменьшился на 60 – 80 %, что позволило увеличить поверхность контакта фаз. Применение РПА значительно интенсифицирует процесс, так продолжительность операций сокращается более чем в 2 – 3 раза. Выход сухих веществ из твердой фазы увеличился на 10 – 16 %. Интенсификация процесса в роторно-пульсационном экстракторе обусловлена воздействием на обрабатываемую среду: пульсационными давлениями, интенсивной кавитацией. За счет пульсации скорости потока жидкости у поверхности частиц увеличивает механизм конвективной диффузии.

При прохождении продукта через СВЧ устройство повышение температуры составляет от 5 до 25 °С, в зависимости от мощности излучения и продолжительности нахождения суспензии в камере. СВЧ обработка части продукта позволяет быстро обеспечить необходимый температурный режим в аппарате и поддерживать его в течение процесса. По нашим расчетам использование СВЧ-нагрева позволяет снизить затраты энергии на 40 – 60 % по сравнению с традиционными способами нагрева обрабатываемой среды.

Код для цитирования: Скопировать