Установка для экстракции растительного сырья
Полезная модель относится к установкам для экстракции в системе твердое тело - жидкость и предназначена для экстракции трудно извлекаемых компонентов из растительного сырья. Технический результат достигается совокупностью воздействия на растительное сырье акустического поля звуковых колебаний низких частот, создаваемого подачей экстрагента через гидродинамический излучатель, и поля с высокой плотностью акустической энергии, создаваемой группой пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей, что приводит к значительной интенсификации процесса экстракции.
Полезная модель относится к установкам для экстракции в системе твердое тело - жидкость и предназначена для экстракции трудно извлекаемых компонентов из растительного сырья, например, для извлечения смолы из древесины, биологически активных веществ из корней, скорлупы, косточек растений и может быть использовано в фармацевтической, пищевой, лесохимической и других отраслях промышленности.
Традиционные методы экстракции, к которым относят, например, мацерацию, ремацерацию, перколяцию, реперколяцию, непрерывное экстрагирование, циркуляцию нередко занимают часы, сутки или даже недели.
Скорость экстракции во многом определяется процессом диффузии на границе раздела фаз между растворителем и частицей растительного сырья. Поэтому, известны различные технические решения, направленные на улучшение межфазного массопереноса и, как следствие, повышающие эффективность массообмена.
К ним относятся способы и устройства для экстрагирования с постоянным или периодическим перемешиванием растительного сырья с помощью различных по конструкции мешалок.
Известно использование в устройстве для экстракции приводной мешалки с наклонными лопастями и закрепленных по периферии корпуса на пружинных кольцах отстойников. (Патент RU 2091121, 27.09.1997). Однако, в подобных устройствах возбуждаемые механическими мешалками потоки по масштабам значительно превышают характерные размеры диффузионных слоев и практически не изменяют их толщины, а, следовательно, и диффузионного сопротивления, то есть не оказывают существенного влияния на скорость межфазного переноса.
Интенсификация методов экстрагирования осуществляется созданием колебательного движения системы твердое тело - жидкость в звуковом или ультразвуковом диапазонах. Это приводит к изменению гидродинамических условий процесса, при этом частицы растительного сырья подвергаются сильным механическим и гидродинамическим ударам, что способствует усилению капиллярного эффекта, внутренней и внешней диффузии и, следовательно, ускорению процесса массообмена. С целью повышения эффективности извлечения действующих веществ из сырья экстрагирование проводят в турбулентном потоке экстрагента, при вибрации, пульсации жидкости через слой сырья, с применением ультразвука или электрической обработки материала.
Известна установка для экстракции (RU 2218204, 10.12.2003) для системы твердое тело - жидкость, содержащая корпус, устройства для загрузки исходного сырья и экстрагента, выгрузки проэкстрагированного сырья и экстракта и устройство для возбуждения ультразвуковых колебаний.
Недостатками этой установки являются низкая скорость процесса массообмена, а следовательно, и его низкая производительность. Кроме того, установка снабжена устройством для нагрева горячим паром, что приводит к усложнению аппаратурного обеспечения.
Технической задачей предложенной полезной модели является интенсификация процесса экстракции трудно извлекаемых компонентов из растительного сырья, снижение объемов экстрагентов, необходимых для экстракции.
Технический результат от использования предложенного устройства заключается в ускорении процесса экстракции при одновременном увеличении степени извлечения веществ.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет создания установки для экстракции растительного сырья, содержащей корпус и устройства для загрузки исходного сырья и экстрагента и выгрузки проэкстрагированного сырья и экстракта, в которой корпус разделен на камеры, первая из которых предназначена для насыщения растительного сырья экстрагентом в акустическом поле и снабжена гидродинамическим излучателем, установленная соосно с ней следующая камера служит для ультразвуковой обработки насыщенного экстрагентом растительного сырья и имеет укрепленные на ее боковой поверхности устройства для возбуждения ультразвуковых колебаний в виде электромеханических преобразователей, и последующая камера предназначена для окончательной экстракции растительного сырья.
Предпочтительно, в качестве электромеханических преобразователей использовать магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи.
Предпочтительно также, чтобы камера для окончательной экстракции растительного сырья была установлена под углом к двум первым камерам и снабжена шнековым транспортером.
Предлагаемая установка изображена на Фиг.1 и включает камеру 1, предназначенную для насыщения растительного сырья экстрагентом в акустическом поле, установленную соосно с ней камеру 2, которая служит для ультразвуковой обработки насыщенного экстрагентом растительного сырья, и камеру 3 - для окончательной экстракции растительного сырья. Установка снабжена циркуляционным контуром 4.
Камера 1, предназначенная для насыщения растительного сырья экстрагентом в акустическом поле, снабжена гидродинамическим излучателем 5, камера 2 - для ультразвуковой обработки насыщенного экстрагентом растительного сырья имеет укрепленные на ее боковой поверхности устройства для возбуждения ультразвуковых колебаний в виде электромеханических преобразователей, представляющих собой магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи 6.
Циркуляционный контур 4 имеет патрубок 7 для подачи экстрагента под давлением через гидродинамический излучатель 5 в камеру 1, патрубок 8 ввода экстрагента и вывода экстракта из камеры 1, насос 9 и запорно-регулирующий вентиль 10.
Камера 3 имеет шнековый транспортер 11.
Установка снабжена устройством 12 для загрузки исходного сырья, устройством 13 для выгрузки проэкстрагированного сырья и устройством 14 для загрузки экстрагента и выгрузки экстракта.
Предложенная установка работает следующим образом:
Экстрагент через устройство 14 при открытом запорно-регулирующем вентиле 10 подают в циркуляционный контур 4. С помощью насоса 9 экстрагент под давлением сильной струей попадает в патрубок 7 и через гидродинамический излучатель 5 в камеру 1. При открытом запорно-регулирующем вентиле 10 экстрагент попадает в камеру 1 и через патрубок 8.
Предварительно измельченное и высушенное растительное сырье вводят через устройство 12 для загрузки исходного сырья в камеру 1. Уровень экстрагента в установке поддерживают постоянным. Суспензия частиц растительного сырья в экстрагенте проходит предварительную обработку в камере 1 в акустическом поле звуковых колебаний низких частот, создаваемом подачей экстрагента через гидродинамический излучатель 5, при этом происходит быстрое насыщение частиц растительного сырья экстрагентом вследствие нарушения диффузионного слоя на границе раздела фаз между экстрагентом и частицей.
Относительно сухая частица растительного сырья, содержащая воздух, способный расширяться и сжиматься, попадает в ультразвуковое поле гидродинамического излучателя с широким спектром частот. Собственная частота частицы, которая зависит от ее размеров и содержания воздуха, с большой вероятностью совпадает с одной из частот, генерируемых гидродинамическим излучателем. Резонансные пульсации частицы приводят к разрушению диффузионного слоя на границе раздела фаз между растворителем и частицей, высвобождению воздуха и быстрому насыщению частицы экстрагентом.
Насыщенные экстрагентом частицы растительного сырья под действием силы тяжести поступают в камеру 2 с высокой плотностью акустической энергии, создаваемой группой пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей 6 подключенных к ультразвуковому генератору (на чертеже не показан). Высокая плотность энергии обеспечивает интенсивную экстракцию растворимых в экстрагенте веществ, которые содержит частицы растительного сырья.
Затем проэкстрагированное растительное сырье попадает в камеру 3 и с помощью шнекового транспортера 11 поднимается навстречу потоку чистого экстрагента, подаваемого в камеру 3.(на чертеже не показано) Вследствие нарушения диффузионного слоя в камере 1 происходит увеличение степени извлечения биологически активных веществ и в камере 3 при промывании остатка растительного сырья экстрагентом в противотоке.
Проэкстрагированное растительное сырье выводят из камеры 3 через устройство выгрузки 13. Камера 3 расположена под наклоном к камерам 1 и 2, что позволяет экстрагенту, содержащему экстрагированные вещества, стекать обратно в камеру 2. Экстракт, содержащий биологически активные вещества и остатки экстрагента, отводят через патрубок 8 и устройство 14 для загрузки экстрагента и выгрузки экстракта. Экстрагент отгоняют и получают комплекс биологически активных веществ. Отогнанный экстрагент возвращают обратно в процесс.
Именно совокупность воздействия на растительное сырье акустического поля звуковых колебаний низких частот, создаваемого подачей экстрагента через гидродинамический излучатель, и поля с высокой плотностью акустической энергии, создаваемой группой пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей приводит к значительной интенсификации процесса экстракции. Под действием ультразвуковых колебаний скорость процесса диффузионного переноса возрастает в несколько раз. Реализованная в предложенной установке интенсивная управляемая совокупность ультразвуковых воздействий позволяет более чем на два порядка сократить длительность процесса экстракции растворимых в органических жидкостях соединений.
Предпочтительно использовать предложенную установку в процессах экстрагирования трудно извлекаемых компонентов из твердого растительного сырья, в частности, дли извлечения смолы из древесины.
1. Установка для экстракции растительного сырья, содержащая корпус и устройства для загрузки экстрагента и выгрузки экстракта, и устройства для загрузки исходного сырья и выгрузки проэкстрагированного сырья, при этом корпус установки разделен на камеры, первая из которых предназначена для насыщения растительного сырья экстрагентом в акустическом поле и снабжена гидродинамическим излучателем, установленная соосно с ней следующая камера служит для ультразвуковой обработки насыщенного экстрагентом растительного сырья и имеет укрепленные на ее боковой поверхности устройства для возбуждения ультразвуковых колебаний в виде электромеханических преобразователей, а последующая камера предназначена для окончательной экстракции растительного сырья.
2. Установка для экстракции по п.1, отличающаяся тем, что электромеханические преобразователи представляют собой магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи.
3. Установка для экстракции по п.1, отличающаяся тем, что камера для окончательной экстракции растительного сырья установлена под углом к двум первым камерам и снабжена шнековым транспортером.
