Многофункциональное устройство для переработки природного органического сырья в жидкой среде
Полезная модель относится к устройствам для переработки природного органического сырья, например, сапропеля, торфа, отходов виноделия и т.п. Предназначено для получения суспензий, паст, коллоидов с повышенным содержанием биологически активных веществ, может быть использовано для получения физиотерапевтических и косметических средств функционального назначения. Устройство содержит рабочую емкость, виброструйные магнитные активаторы с регулируемой частотой и изменяемым зазором рабочего элемента, оборудовано дозаторами природного сырья и технологической жидкости, может дополнительно содержать запорный элемент регулируемого проходного сечения, нагреватель, датчик температуры и блок терморегулирования, сигнал которого способен изменять параметры питающего напряжения. Техническим результатом является повышение функциональных возможностей устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 3 ист., 2 ил.
Полезная модель относится к устройствам для переработки природного органического сырья, в частности, лечебных грязей, торфа, измельченных отходов сельскохозяйственных культур, и может быть использована для получения паст и коллоидов для косметики и физиотерапии, эмульсионных фитопродуктов с повышенным содержанием питательных компонентов и других продуктов функционального назначения.
Известно, что природное органическое сырье, в том числе лечебные грязи, сапропель, пелоиды содержат большое количество ценных для физиотерапии и косметологии веществ, однако применение их в натурном виде недостаточно эффективно, а выделение энзимов в чистом виде не всегда экономически оправдано. Отходы сельскохозяйственного производства содержат белки, углеводы, витамины, однако большая часть питательных компонентов заключена в клетках и биологически недоступна. Проблему рационального использования природных ресурсов можно решать только в том случае, если разработано достаточно универсальное технологическое оборудование, способное перерабатывать широкий перечень органического сырья.
Известно устройство для виброструйного разжижения и перемешивания жидкостей (см. патент РФ 
2128547. Виброструйный перемешиватель и разжижитель жидкостей и суспензий. Опубл. 10.04.1999). Рабочий элемент известного устройства выполнен в виде нескольких симметрично расположенных подпружиненных пластин с отверстиями. Пластины через разделяющие перегородки расположены против соответствующего магнитопровода и являются якорями электромагнитного вибропривода. Собственная частота колебаний якорей в жидкой среде равна частоте напряжения питания электромагнитного привода. Колебания рабочих элементов приводят к разжижению и перемешиванию жидкостей.
Недостатком известного устройства является ограниченный перечень перерабатываемого природного сырья.
Известно устройство, реализованное в способе активации растворов (см. патент РФ 2203862 Способ вибрационной струйной магнитной декомпрессионной акустической активации растворов, C02F 1/48, опубл. 2003.05.10). Виброструйный магнитный активатор предназначен для активации парафинсодержащей нефти или подобной жидкости. Активатор имеет подвижные рабочие элементы с отверстиями трапециевидной в сечении формы. Катушка электромагнита запитывается от блока электропитания импульсами напряжения с частотой, равной частоте собственных колебаний активатора в растворе. При движении рабочего элемента к стенке электромагнита раствор сжимается (компрессия), а при движении его в обратном направлении испытывает разряжение (депрессия), кроме того, колеблющийся в растворе активатор излучает акустические волны, распространяющиеся по объему раствора.
Недостатком известного устройства является ограниченные функциональные возможности - обработка вязких или загустевших технологических жидкостей.
Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является виброструйный перемешиватель (см. патент РФ 2208474 Виброструйный перемешиватель и разжижитель вязких жидкостей и суспензий, B01F 11/00, B01F 13/08. Опубл. 2003.07.20), в котором корпус перемешивателя выполнен в виде правильной многогранной призмы, на гранях которой расположены пластины-якори с отверстиями трапециевидной в сечении формы. Каждая пластина закреплена непосредственно на грани корпуса посредством полукруглой плоской пружины. Колебания рабочего органа приводят к образованию на выходе из отверстий мощных турбулентных струй, за счет чего осуществляется перемешивание, активация и гомогенизация смеси.
Устройство по патенту РФ 2208474 выбрано за прототип.
Основным недостатком устройства, выбранного за прототип, является ограниченная сфера применения - разжижение и перемешивание вязких нефтей или загустевших жидкостей, в частности, оно не приспособлено для переработки суспензий, содержащих твердые частицы. Кроме того, виброструйный перемешиватель полностью погружен в технологическую жидкость, при работе электромагниты разогреваются и нагревают перерабатываемую среду, что не всегда допустимо.
Технической задачей является повышение функциональных возможностей устройства с расширением номенклатуры перерабатываемого сырья и свойств получаемого продукта, для чего необходимо создать устройство многокомпонентного воздействия с регулируемыми параметрами воздействующих факторов.
Поставленная задача решается тем, что рабочую емкость (реактор) оборудуют дозатором измельченного органического сырья, дозатором технологической жидкости, а также одним или несколькими виброструйными магнитными активаторами, например, типа ВЭСМ-0,3 производства ОАО «СКБ Сибэлектромотор» (г.Томск). Виброструйный активатор закреплен на стенке емкости, причем его магнитопровод вынесен за стенку емкости, а рабочий элемент расположен внутри емкости и выполнен с возможностью перемещения, что позволяет регулировать расстояние между плоскостью рабочего элемента и стенкой емкости. Для расширения возможностей устройство может быть оборудовано блоком терморегулирования.
Конструкция многофункционального устройства для переработки природного органического сырья в жидкой среде поясняется рисунками.
На фиг.1 представлена схема устройства с указанием его основных узлов и деталей.
На фиг.2 показан вид устройства сверху.
Устройство (фиг.1) содержит рабочую емкость 1, оборудованную дозатором сырья 2, дозатором технологической жидкости 3, выходным патрубком 7. На стенках емкости закреплен один или несколько виброактиваторов с электромагнитами 8 и подвижными рабочими элементами 4, имеющими отверстия трапециевидной в сечении формы. Электромагниты 8 вынесены за стенки рабочей емкости, а рабочие элементы 4 являются якорями и имеют возможность через стенку-перегородку взаимодействовать с магнитопроводами электромагнитов 8. Устройство имеет блок регулировки 5, служащий для изменения величины зазора между подвижным рабочим элементом 4 и стенкой рабочей емкости. Кроме того, устройство оборудовано нагревателем 10, датчиком температуры 6 и блоком терморегулирования 11. На схеме также показан блок питания 9 для подачи на электромагниты 8 питающего напряжения ~Uпит с регулируемой частотой.
Описанная конструкция иллюстрирует техническое решение, но не ограничивает форму рабочей емкости, которая может быть выполнена в виде многоугольной призмы, как показано на рисунке, в виде горизонтального лотка с необходимым количеством виброактиваторов или в любом другом удобным для эксплуатации виде.
Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).
В рабочую емкость 1 через дозаторы 2 и 3 подают в расчетном соотношении измельченное сырье и технологическую жидкость, например, воду, спирт, петролейный эфир, гексан или их смесь. Перед работой, в зависимости от свойств перерабатываемого сырья, выбирают технологическую жидкость и рабочие параметры устройства, а именно, с помощью регулировочного блока 5 выставляют величину рабочего зазора между подвижными элементами 4 и стенкой емкости 1 и задают частоту питающего напряжения ~Uпит от блока питания 9.
В рабочем цикле подвижные элементы 4 виброактиваторов совершают вынужденные колебания. В перерабатываемой гетерогенной смеси органического сырья и жидкой среды происходит формирование упомянутых выше малых объемных порций. Объем смеси, находящийся в зазоре 14 между элементами 4 и стенкой рабочей емкости 1, подвергается интенсивному механическому и магнитному воздействию, действию знакопеременного давления, что приводит к разрушению агломератов с образованием тонкодисперсной суспензии.
Проходя через отверстия вибрирующих рабочих элементов, смесь подвергается воздействию мощных турбулентных струй, высоких сдвиговых напряжений, акустических и магнитных полей. Частота основного воздействия 50 Гц может модулироваться от ±0,1 до ±10 Гц, обеспечивая ускорение рабочего органа 100 g и скорость затопленной струи до 10 м/с. При этом в зоне активации смеси реализуются сдвиговые градиенты до 15×103 1/с, перепады давления ±3×10 5 Па, магнитная индукция до 1,9 Тл.
Наличие дополнительных воздействий на частицы твердой фазы со стороны чередующихся компрессий, депрессий, микровзрывов кавитационных пузырьков, сопровождающихся резким повышением температуры в объемах, сравнимых с клеточными, приводит к измельчению твердых частиц, вплоть до субклеточных размеров, нарушению клеточной структуры сырья с выбросом минорных БАВ в жидкую фазу, а также к изменению эффективной вязкости и напряжения сдвига смеси. Описанные факторы существенно интенсифицируют массообмен и ускоряют диффузионные процессы.
Переработка органического природного сырья сопровождается экстрагированием растворимых в технологической жидкости биологически активных компонентов (БАВ). Межфазное взаимодействие жидкости с вновь образующейся свободной поверхностью твердой фазы способствует процессам гидратации и коллоидообразования. При этом подвижные элементы 4 выполняют функцию насоса, их конусообразные отверстия действуют как сопла и формируют в рабочей емкости потоки массы, перемешивая и гомогенизируя смесь. Существенно, что за счет противотоков одни и те же малые объемные порции многократно попадают в зону активации, особенно при оборудовании рабочей емкости несколькими виброструйными магнитными активаторами, за счет чего смесь приобретает повышенную биологическую активность, гомогенность, требуемую вязкость и другие заданные характеристики. Целевой продукт выгружается через выходной патрубок 7.
Новым в предлагаемом многофункциональном устройстве является то, что рабочая емкость имеет дозатор сырья 2 с загрузочным люком и дозатор жидкости 3, совместная работа которых служит для задания влагосодержания смеси, а в общем случае других экстрагентов - для управления реологическими свойствами смеси. Электромагнит 8 каждого магнитного активатора вынесен за стенку рабочей емкости и не влияет на температурный режим переработки, пластина-якорь расположена вблизи стенки рабочей емкости, а зазор 14 между рабочим элементом 4 и стенкой рабочей емкости 1 выполнен регулируемым. Это, в свою очередь, позволяет задавать величину малых объемных порций смеси в зависимости от физико-механических свойств перерабатываемого органического сырья.
Такая конструкция обеспечивает ряд преимуществ, повышающих функциональные возможности устройства по сравнению с аналогами и прототипом. Во-первых, за счет регулирования физико-механических свойств смеси значительно расширен перечень перерабатываемого природного сырья, включая гетерогенные смеси. В частности, за счет задания расчетного влагосодержание среды повышена способность смеси к связыванию свободной воды и образованию коллоидов. Регулируемый зазор между подвижным элементом и стенкой рабочей емкости позволяет настроить устройство на оптимальный режим работы, т.е. интенсифицировать массообменные процессы, что обеспечивает более полное извлечение биологически активных веществ. Совокупность перечисленных признаков устраняет основные недостатки прототипа и позволяет использовать устройство для переработки практически любого измельченного природного сырья.
Параметры работы устройства могут быть отрегулированы не только при смене природного сырья, но и в рамках одного технологического цикла. Дело в том, что по мере измельчения твердой фазы и связывания свободной воды реологические свойства смеси изменяются, следовательно, необходимо поддерживать оптимальный режим переработки, например, плавно изменять частоту колебаний рабочих элементов.
Если устройство-прототип пригодно, в основном, для переработки структурированных жидкостей, то предлагаемое устройство может перерабатывать различное сырье типа сапропеля, отходов виноделия, свекловичного жома, пивной дробины, измельченного торфа и т.п. Устройство обладает способностью дезагрегировать твердые образования, диспергировать и разрушать твердые частицы, повышать эффективность процесса экстрагирования.
Природное органическое сырье содержит термочувствительные биологически активные вещества. Подвергаясь интенсивному механическому, кавитационному и магнитному воздействию, смесь может нагреваться до высокой температуры, что нежелательно. Термолабильность, или чувствительность к повышению температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. При температуре выше 60°С начинает проявляться тепловая денатурация белка-фермента с изменением его ферментативной активности. При температуре 100°С почти все ферменты, содержащиеся в природном органическом сырье, утрачивают свою активность.
Дополнительные возможности имеются у модификации заявленного устройства, снабженного системой терморегуляции, которая не допускает перегрева перерабатываемого органического сырья и служит для достижения требуемых параметров конечного продукта. Система терморегуляции включает нагреватель 10, датчик температуры 6 и блок терморегулирования 11, совокупность которых обеспечивает заданный тепловой режим переработки. Сигналы датчика температуры 6 поступают на блок терморегулирования 11. При снижении температуры смеси она подогревается нагревателем 10, при повышении температуры выше заданной блок терморегулирования выдает сигнал на уменьшение частоты или амплитуды колебаний рабочих элементов активаторов. Нагреватель 10 служит для нагревания смеси и интенсификации процесса экстрагирования БАВ, или, при необходимости, для бактерицидной температурной обработки. В зависимости от целей переработки устройство может быть оборудовано несколькими датчиками температуры с разными рабочими диапазонами.
Таким образом, оборудование устройства дополнительно нагревателем и датчиком температуры расширяет функциональные возможности устройства, позволяет вести переработку в заданном температурном режиме, обеспечивает бактерицидную обработку конечного продукта без разрушения ценных термолабильных компонентов.
Предлагаемое устройство для переработки природного органического сырья в жидкой среде может быть как устройством разовой загрузки, так и устройством проточного типа. В первом случае емкость загружается расчетными количествами измельченного сырья и технологической жидкости, смесь перерабатывается до требуемых кондиций по дисперсности и вязкости, после чего выгружается через выходной патрубок. Во втором случае сырье и технологическая жидкость непрерывно поступают в рабочую емкость через соответствующие дозаторы, смесь последовательно обрабатывается виброструйными магнитными активаторами, за счет чего она диспергируется и гомогенизируется. Рабочая емкость оборудована запорным элементом регулируемого проходного сечения для непрерывной подачи переработанного сырья в приемную емкость.
Пример. В рабочую емкость V30л, оборудованную шестью виброактиваторами, загрузили 20 кг нативного сапропеля оз.Карасевое Томской области, добавили дистиллированную воду из расчета влагосодержания 75% с учетом влаги в сырье. Смесь активировали при температуре от 18-35°С в течение 30 мин при частоте 50 Гц и зазоре рабочего элемента 6 мм, затем нагрели до 54°С и активировали 15 мин при частоте 60 Гц и зазоре 3,5 мм. Получили тонкодисперсную гомогенную пасту, прошедшую положительную санэпидэкспертизу на соответствие ТУ915 8-004-02069318-2009, получившую гигиенический сертификат 70ТС10 000707, пригодную для косметического ухода за кожей лица.
Техническим результатом является повышение функциональных возможностей устройства. За счет воздействия комплекса физических и химических факторов органическое сырье приобретает повышенное содержание биологически активных веществ. Продукты переработки могут быть использованы по функциональному назначению в медицине и косметологии, как кормовые добавки для животных. Кроме того, из продуктов переработки могут быть выделены концентраты БАВ, для чего используют жидкостную экстракцию, центрифугирование и другие известные физические или химические методы.
1. Патент РФ 2128547. Виброструйный перемешиватель и разжижитель жидкостей и суспензий, опубл. 10.04.1999
2. Патент РФ 2203862. Способ вибрационной струйной магнитной декомпрессионной акустической активации растворов, опубл. 10.05.2003
3. Патент РФ 2208474. Виброструйный перемешиватель и разжижитель вязких жидкостей и суспензий, опубл. 20.07.2003. Прототип.
1. Многофункциональное устройство для переработки природного органического сырья в жидкой среде, содержащее рабочую емкость и, по крайней мере, один виброструйный магнитный активатор с подвижными рабочими элементами, имеющими отверстия трапециевидной в сечении формы, соединенный с блоком электропитания, отличающееся тем, что рабочая емкость оборудована дозатором природного органического сырья, дозатором технологической жидкости, упомянутый виброструйный магнитный активатор закреплен на стенке рабочей емкости так, что его электромагнит расположен с наружной стороны емкости, рабочий элемент расположен напротив упомянутого электромагнита, параллелен внутренней стенке и выполнен с возможностью регулирования зазора между плоскостью рабочего элемента и стенкой.
2. Многофункциональное устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая емкость дополнительно оборудована нагревателем и снабжена датчиком температуры, соединенным с блоком терморегулирования, соединенным, в свою очередь, с блоком электропитания виброструйного магнитного активатора, причем сигнал упомянутого блока терморегулирования имеет возможность изменять выходные параметры упомянутого блока электропитания.
3. Многофункциональное устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая емкость дополнительно оборудована запорным элементом регулируемого проходного сечения.
