Экстракция в СВЧ электромагнитном поле

Размещено на Аllbest.ru

Экстракция в СВЧ электромагнитном поле

В результате информационно-патентного поиска установлена перспективность технологического процесса экстракции в СВЧ электромагнитном поле. Проведено технико-экономическое обоснование процесса экстракции в СВЧ электромагнитном поле с использованием метода целевой функции, в качестве которой был выбран сравнительный интегральный эффект. Технико-экономическй расчет показал, что срок окупаемости СВЧ-экстрактора составляет 1 год, 3 месяца, что для электротехнологической установки является приемлемым, внутренняя норма доходности составила 61%, при минимальном значении ВНД при внедрении новых технологий = 25%.

Экстракция, растительные масла, СВЧ излучение, этиловый спирт

Extraction in the microwave electromagnetic field

As a result of information-patent search, the promisingness of the technological extraction process in the microwave electromagnetic field has been established. A feasibility study of the extraction process in a microwave electromagnetic field was carried out using the objective function method, which was chosen as the comparative integral effect. The technical and economic calculation showed that the payback period of the microwave extractor is 1 year, 3 months, which is acceptable for an electrical technological installation, the internal rate of return was 61%, with a minimum value of IRR for the introduction of new technologies = 25%.

Extraction, vegetable oils, microwave radiation, alcohol

Растительные масла - это продукты, извлекаемые из масличного сырья. Их состав более чем на 95% состоит из полиненасыщенных кислот, микроэлементов, витаминов. Недостаток данных элементов в организме может привести к проблемам гормонообразования, роста и функционирования человеческого тела. Благодаря своей пользе растительные масла нашли широкое применение в медицине, косметологии, фармакологии. Очень активно применяются масла льна, облепихи, расторопши, кедра, оливы, а также овощных культур, как тыква и морковь, что объясняется более выраженным воздействием растительных масел на организм человека по сравнению с отварами и настоями.

В связи с данной проблемой возникает задача сохранения наибольшего количества ценных веществ в маслах. Решением данной проблемы является получение растительных масел с помощью экстракции в СВЧ электромагнитном поле.

Экстракция - это процесс разделения жидких смесей и извлечения компонентов смеси при помощи жидкого растворителя (экстрагента), избирательно растворяющего только извлекаемые компоненты [1].

Уже доказано, что масла, полученные в результате экстракции в СВЧ электромагнитном поле, являются более высококачественными и содержат большее количество ценных веществ по сравнению с маслами, полученными в процессе прессования.

Однако при получении растительных масел с помощью СВЧ поля имеются определенные проблемы. К ним относятся длительность процесса экстракции, которая превышает длительность процесса прессования и использование таких жидкостей, как бензин и этиловый спирт в качестве растворителей.

В ходе работы над данной задачей был проведен информационный поиск, в ходе которого было найдено на сегодняшний день 11 патентных документов, 4 статьи, а также 7 диссертаций, посвященных проблеме экстракции растительных масел.

В работах [2] - [6] рассмотрена суть процесса экстракции в СВЧ электромагнитном поле, способы экстракции биологических веществ, а также математическое моделирование процесса. В работах [7] - [9] рассмотрены конструкции устройств для экстракции в СВЧ электромагнитном поле.

В работе [2] рассмотрен способ получения экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской, который включает измельчение скорлупы и экстрагирование ее в две стадии с выделением конечного продукта. Скорлупу измельчают до размеров частиц 100-200 мкм. Основное экстрагирование осуществляют 40% -ным водно-спиртовым раствором в течение 25-30 мин, после отделения шрота проводят доэкстрагирование его водно-содовым раствором с концентрацией 2, 0-2, 5 г/л в течение 25-30 мин. Основное экстрагирование и доэкстрагирование проводят в электромагнитном поле СВЧ при удельной СВЧ-мощности - 300-400 Вт·ч/кг, температуре 80-90°С, гидравлическом модуле 8-10 дм3/кг. После нейтрализации содового экстракта его смешивают с основным экстрактом и концентрируют. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс и увеличить выход экстрактивных веществ.

В работе [3] рассмотрен способ микроволновой экстракции растительного сырья, предусматривающий смешивание сырья с неполярным растворителем, подачу смеси в поле центробежных сил с образованием пленочного режима течения, обработку пленки микроволновой энергией, разделение фаз, выделение экстрактивных веществ из мисцеллы отгонкой газовой фазы растворителя и ее возврат в цикл при конденсации, осуществляемой барботированием с адиабатным расширением в пленку экстракционной смеси в процессе микроволновой обработки, причем барботирование газовой фазы растворителя осуществляют при сверхзвуковых скоростях истечения и барботирование ведут в пульсирующем режиме.

В работе [4] рассматривается способ экстракции натурального продукта из биологического материала. Способ позволяет осуществлять экстракцию в отсутствии растворителя и позволяет получать экстракт, лишенный любых остатков растворителя. Биологический материал помещают в камеру при полном отсутствии растворителя. Снижают давление прерывистым образом. Одновременно воздействуют на биологический материал СВЧ-полем. Получают смесь паров экстрагента и экстрагируемого продукта. Камеру нагревают. Нагрев камеры, воздействие СВЧ-полем, понижение давления внутри камеры комбинируют таким образом, чтобы осуществить гидродистилляцию продукта парами воды из указанного биологического материала. Нагрев камеры проводят преимущественно при 100oС. Воздействуют СВЧ-полем преимущественно с частотой 300 МГц. Мощность прикладывают в диапазоне преимущественно от 100 до 10000 Вт/кг обрабатываемого материала.

В работе [5] рассмотрен способ получения кедрового масла, включающий экстракцию измельченных орехов этиловым спиртом с последующим отделением масла от спирта. При этом экстракцию осуществляют под воздействием СВЧ-излучения при мощности 500-1000 Вт в течение 3-6 мин. При получении масла используют ядра орехов. Изобретение позволяет получить высококачественное кедровое масло, не содержащее танниды, сократить длительность процесса производства и расход электроэнергии.

В работе [6] рассмотрен способ экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ-энергии, при котором экстракцию ведут паром воды, входящей в состав сырья и нагреваемой энергией СВЧ-излучения. Сырье загружают в диэлектрическую камеру, в которой оно не перемешивается, не дробится и сохраняет свою изотропность и целостность капилляров. При этом в диэлектрическую камеру помещают предварительно загруженные сырьем цилиндрические диэлектрические контейнеры, которые расположены горизонтально, камера вращается со скоростью 2-10 об/мин. Облучение сырья проводят с помощью антенной системы с диаграммой направленности СВЧ-излучения, при которой электрическое поле направлено параллельно оси камеры. Изобретение позволяет увеличить выход ценных веществ и получить продукцию высокого качества за счет использования СВЧ-энергии.

В работе [7] рассмотрена конструкция промышленного СВЧ-экстрактора. Промышленное устройство включает цилиндрическую камеру из нержавеющей стали, по поверхности которой в заданной последовательности расположены двенадцать магнетронных источников СВЧ-энергии. Камера расположена вертикально и по ее оси располагается мешок-контейнер из диэлектрического материала с отверстиями для выхода экстракта и водного раствора солей, содержащихся в растительном сырье. Экстрагируемые пары конденсируются на охлаждаемых стенках камеры, стекают вниз и собираются на дне и попадают в сосуд-сборник. Благодаря вращению контейнера с регулируемой скоростью обеспечивается полное поглощение подводимой энергии в заданном объеме камеры. В данном устройстве предусмотрена возможность проведения процесса экстракции при более низких температурах за счет уменьшения давления в рабочем объеме. Изобретение позволяет в два раза по сравнению с прототипом увеличить производительность устройства и получать продукцию высокого качества.

В работе [8] рассмотрено промышленное устройство для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ-энергии. Устройство включает металлическую камеру и источники СВЧ-излучения. При этом в металлической камере размещена цилиндрическая камера из диэлектрического материала, предназначенная для закладки сырья. Вдоль металлической камеры размещено не менее шести расположенных в два ряда источников СВЧ-энергии. Устройство дополнительно содержит антенную систему для равномерного облучения сырья, обеспечивающую полное поглощение подводимой СВЧ-энергии. При этом диэлектрическая камера с помещенным в нее цилиндрическим контейнером вращается со скоростью от 2 до 10 об/мин. Металлическая камера изготавливается герметичной и имеет патрубок для подключения средств создания разреженного или повышенного давления. Изобретение позволяет увеличить производительность работы, получить продукцию высокого качества за счет использования СВЧ-энергии.

Среди найденных работ наиболее подходящей по тематике является [8] (Промышленное устройство для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ энергии). В данном патентном документе предлагается установка, чертеж которой приведен на рис. 1.

Рис. 1. Чертеж промышленного устройства для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ энергии

Данное промышленное устройство отличается от аналогов наличием цилиндрической камеры из диэлектрического материала, предназначенной для закладки сырья, при этом камера выполнена с возможностью вращения со скоростью от 2 до 10 об/мин.

Авторы приводят следующие характеристики данного устройства (табл. 1)

Таблица 1. Характеристики промышленного устройства для экстракции ценных веществ

Среди найденных диссертаций наибольший интерес представляет диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Бадмацыренова Баира Владимировича (Улан-Удэ).

Целью данной диссертации явилась разработка технологии и оборудования для получения масла из семян сосны сибирской (кедра сибирского) методом экстрагирования в электромагнитном поле СВЧ с максимальным сохранением его биологической ценности [9].

На основании теоретических и экспериментальных исследований автором была разработана новая экспериментальная установка с СВЧ-энергоподводом периодического действия для экстракции растительных масел (рис. 2).

В предложенной автором установке предусмотрено перемешивание сырья и экстрагента за счет вращения экстракционной емкости. Регулирование мощности излучения СВЧ-генератора позволяет уменьшить влияние температурных параметров на экстрагируемое вещество и предотвратить денатурацию белков, жиров и других биологически активных компонентов сырья.

Приводятся характеристики установки (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики установки для экстракции растительного сырья

Проведенный информационно-патентный поиск показал, что на сегодняшний день уже существую способы и конструкции, позволяющие проводить экстракцию в СВЧ электромагнитном поле, а следовательно данная проблема является актуальной.

Целью нашей работы является проведение технико-экономического обоснования процесса экстракции в СВЧ электромагнитном поле. Используя метод целевой функции технико-экономического сравнения, изложенный в [10], был проведен технико-экономический расчет СВЧ-экстрактора, предложенного Терловой Е. А. В качестве целевой функции был выбран сравнительный интегральный эффект:

где - интегральные эффекты, полученные предприятием при реализации каждого из вариантов при таком оптимальном сочетании параметров, когда эта величина достигает максимума в каждом из вариантов.

В результате технико-экономического расчета были получены следующие показатели (табл. 3) :

Таблица 3. Технико-экономическое обоснование СВЧ-экстрактора

Таким образом, в результате технико-экономического расчета было установлено, что срок окупаемости СВЧ-экстрактора составляет 1 год, 3 месяца, что для электротехнологической установки является приемлемым, внутренняя норма доходности составила 61%, при минимальном значении ВНД при внедрении новых технологий = 25%.

В ходе дальнейшей работы над данной проблемой планируется создание математической модели для детального рассмотрения влияния таких параметров, как конфигурация СВЧ установки, ее режим работы, длительность на процесс экстракции.

Библиографический список

экстракция свч электромагнитное поле

Плановский А. Н., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: учеб. пособие / А. Н. Плановский, В. М. Рамм, С. З. Каган. - 5-е изд., стер. - М. : Химия, 1968. - 848 с.

Способ получения экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской: пат. 2351641 Рос. Федерация. № 2007129456/13; заявл. 31. 07. 07. ; опубл. 10. 04. 09., 5 с.

Способ микроволновой экстракции растительного сырья: пат. 2060292 Рос. Федерация. № 94021000/13; заявл. 24. 05. 94. ; опубл. 20. 05. 96., 3 с.

Способ экстракции натурального продукта из биологического материала: пат. 215700 Рос. Федерация. № 95122234/13; заявл. 10. 05. 94. ; опубл. 27. 05. 96., 10 с.

Способ получения кедрового масла: пат. 2194070 Рос. Федерация. № 2000117428/13; заявл. 30. 06. 00. ; опубл. 10. 12. 02., 4 с.

Способ экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ энергии: пат. 2216574 Рос. Федерация. № 2002100236/13; заявл. 11. 01. 02.. ; опубл. 20. 11. 03., 6 с.

Промышленный СВЧ-экстрактор: пат. 63357 Рос. Федерация. № 2006146410/22; заявл. 27. 12. 06. ; опубл. 27. 05. 07., 6 с.

Промышленное устройство для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ-энергии: пат. 2216575 Рос. Федерация. № 2002100237/13; заявл. 11. 01. 02. ; опубл. 20. 11. 03., 6 с.

Бадмацыренов Б. В., Разработка оборудования и процесса экстракции кедрового масла в электромагнитном поле СВЧ: дис. канд. техн. наук: 03. 00. 23 / Б. В. Бадмацыренов; ВСГТУ. Улан-Удэ, 2004. - 147 с.

Архангельский Ю. С., СВЧ электротермия / Ю. С. Архангельский - Саратов, СГТУ, 1998. - 408 с.

Размещено на Аllbest.ru