Способ экстракции растительного сырья и установка для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к технике и технологии экстракции растительного сырья и может быть использовано в пищевой промышленности, медицине и парфюмерии. Сущность изобретения: способ экстракции растительного сырья включает загрузку, обработку сырья экстрагентом, слив мисцеллы, выпаривание из нее экстрагента, конденсацию паров экстрагента по меньшей мере частично в экстракционном объеме путем барботирования в виде пузырьков через смесь сырья и жидкого экстрагента, что позволяет ускорить процесс экстракции и повысить выход экстрактивных веществ. Для осуществления способа в экстракционной установке испаритель по газовой фазе соединен с конденсатором, а через сопла барботера - с нижней частью экстрактора. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике и технологии экстракции растительного сырья и может быть использовано в пищевой промышленности, медицине и парфюмерии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ экстракции растительного сырья, включающий загрузку сырья в экстрактор, его обработку жидким экстрагентом, слив мисцеллы, выпаривание в испарителе экстрагента из мисцеллы с образованием паров, конденсацию паров экстрагента с последующей подачей конденсата на обработку сырья.

Недостатками этого способа являются длительность процесса экстракции и низкая концентрация мисцеллы из-за медленной диффузии экстрагента внутрь растительных клеток, что снижает выход экстрактивных веществ при истощающей экстракции.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является установка для экстракции растительного сырья, содержащая последовательно соединенные в замкнутый контур экстрактор, испаритель, конденсатор и сборник экстракта.

Она обладает низкой производительностью из-за медленного протекания процесса экстракции при отсутствии перемешивания смеси сырья с экстрагентом и низким выходом экстрактивных веществ из-за медленной диффузии экстрагента внутрь клеток обрабатываемого растительного сырья.

В предлагаемом способе экстракции растительного сырья, включающем загрузку сырья в экстрактор, его обработку жидким экстрагентом, слив мисцеллы, выпаривание в испарителе экстрагента из мисцеллы с образованием паров, конденсацию паров экстрагента с последующей подачей конденсата на обработку сырья, согласно изобретению, по меньшей мере часть образовавшихся в испарителе паров отделяют и подают путем барботирования в экстрактор до конденсации их в смеси сырья с жидким экстрагентом.

Эти технологические операции позволяют осуществлять перемешивание смеси сырья и экстрагента без применения подвижных элементов конструкции установки, генерировать в реакционном объеме смеси акустические колебания, вскрывающие оболочки клеток растительного сырья и облегчающие диффузию в них экстрагента.

В предпочтительном варианте перед барботированием пары экстрагента подвергают адиабатному расширению.

Эта технологическая операция позволяет снизить колебания температуры во время экстракции, увеличить скорость вдува пузырьков паров экстрагента и проходимый ими до конденсации путь, а также повысить энергоемкость генерируемых акустических колебаний.

Предлагаемая установка для экстракции растительного сырья, содержащая последовательно соединенные в замкнутый контур экстрактор, испаритель, конденсатор и сборник экстракта, согласно изобретению, снабжена установленным в нижней части экстрактора барботером, образованным соплами, а испаритель по газовой фазе соединен с соплами.

Такая конструкция позволяет реализовать предлагаемый способ при минимальных энергозатратах и колебаниях температуры и давления в экстракторе во время проведения процесса экстракции, что повышает надежность установки при одновременном повышении ее производительности.

Предпочтительным вариантом предусмотрено размещение сопел по концентрическим окружностям, центры которых расположены на вертикальной геометрической оси экстрактора. Такое расположение сопел гарантирует равномерную обработку сырья по сечению экстрактора. В этом случае возможно размещение сопел на каждой окружности с постоянным шагом наклонно к вертикальной геометрической оси экстрактора. Такое расположение сопел позволяет регулировать в более широких пределах с большей точностью частоту и амплитуду генерируемых акустических колебаний.

На фиг. 1 показана схема экстракционной установки; на фиг.2 - фрагмент днища экстрактора; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.2.

Экстракционная установка для реализации способа содержит последовательно соединенные в замкнутый контур экстрактор 1, испаритель 2 и конденсатор 3, при этом испаритель 2 дополнительно соединен по газовой фазе с экстрактором 1 через сопла 4, расположенные в его нижней части. Установка также содержит источник 5 подпитки контура экстрагентом и сборник 6 экстракта.

Сопла 4 могут быть (фиг.4) размещены по концентрическим окружностям с центрами на вертикальной геометрической оси экстрактора 1, при этом они могут быть размещены в вертикальных плоскостях с постоянным для каждой окружности шагом А по ее дуге и углом наклона к вертикальной геометрической оси экстрактора 1.

На изображенной установке способ реализуется следующим образом.

Растительное сырье, например измельченный перец красный жгучий, загружают в экстрактор 1 и заливают экстрагентом, например жидкой двуокисью углерода, из источника 5. Экстрагент проходит через заполненный сырьем экстрактор 1, растворяет экстрактивные вещества обрабатываемого сырья и совместно с ними в виде мисцеллы поступает в испаритель 2. Повышением температуры в испарителе 2 достигают выпаривания экстрагента из мисцелы и отделения экстрактивных веществ. Газовая фаза экстрагента делится на две любые части, одна из которых поступает в конденсатор 3, в котором ожижается и возвращается в экстрактор 1, а другая поступает в нижнюю часть экстрактора 1 через сопла 4 и барботируется в виде пузырьков через реакционный объем экстрактора 1. Барботаж газовой фазы экстрагента приводит к интенсивному перемешиванию смеси сырья с экстрагентом в жидкой фазе, что ускоряет в ней массообменные процессы. Одновременно происходит охлаждение газовой фазы экстрагента при теплообмене с его жидкой фазой, подаваемой из конденсатора 3. Это приводит к конденсации пузырьков паров экстрагента, возникновению ударной волны при их схлопывании, которая периодически перекрывает выходные отверстия сопел 4, что приводит к кавитационному изменению давления в суспензии и генерации в ней акустических колебаний высокой энергоемкости. Акустические колебания ускоряют диффузию экстрагента внутрь клеток растительного сырья и экстракцию их содержимого. Кроме того, кавитация и амплитуда акустических колебаний разрушают клеточные оболочки сырья. Это позволяет экстрагировать непосредственно содержимое разрушенных клеток обрабатываемого сырья независимо от проникающей способности экстрагента через клеточные оболочки.

Адиабатное расширение газовой фазы экстрагента в соплах 4 позволяет снизить их температуру и повысить кинетическую энергию пузырьков, что увеличивает путь их пробега до конденсации, чем улучшает перемешивающее воздействие и увеличивает энергоемкость генерируемых акустических колебаний, т. е. их амплитуду, что ускоряет разрушение клеточных оболочек обрабатываемого растительного сырья.

Размещение сопел 4 по концентрическим окружностям с центрами на вертикальной геометрической оси экстрактора 1 позволяет повысить равномерность обработки сырья по сечению экстрактора 1 за счет равномерного по сечению перемешивающего воздействия барботируемой газовой фазы экстрагента, а также исключить хаотичное влияние истечения пузырьков пара экстрагента на частоту акустических колебаний, генерируемых соплами каждой окружности.

Размещение сопел 4 в вертикальных плоскостях с постоянным для каждой окружности шагом по ее дуге и углом наклона к вертикальной геометрической оси экстрактора 1 позволяет точно регулировать частоту и амплитуду генерируемых акустических колебаний для каждого кольца расположения сопел 4, что позволяет подобрать оптимальное соотношение газовой фазы экстрагента, подаваемой в сопла 4, и жидкой фазы, подаваемой через конденсатор 3, и температур газовой и жидкой фазы экстрагента для генерации акустических колебаний, разрушающих клеточные оболочки обрабатываемого сырья за наикратчайший интервал времени.

После завершения процесса экстракции очищенный от экстрагента экстракт из испарителя 2 сливают в сборник 6, откуда удаляют по мере накопления на дальнейшую переработку, шрот отработанного сырья удаляют из экстрактора 1, загружают в него новую дозу сырья, экстрактор 1 заполняют экстрагентом из конденсатора 3, наполняют необратимые потери экстрагента со шротом из источника 5, после чего цикл повторяется.

П р и м е р 1. В экстрактор с рабочим объемом 10 л загружают 3 кг перца красного жгучего. Экстрагент, жидкую двуокись углерода, после заполненения рабочего объема экстрактора подают в экстрактор из конденсатора непрерывным потоком со скоростью 1 кг/мин, в экстракционный объем барботируют 1 кг/мин газовой фазы двуокиси углерода из испарителя, т.е. 50% отводимого экстрагента. Время получения первых 10 г экстракта по сравнению с прототипом снижено на 75% , выход экстрактивных веществ при полной истощающей экстракции увеличен на 18%.

П р и м е р 2. В том же экстракторе экстрагируют то же сырье тем же экстрагентом без подачи в заполненный экстрактор экстрагента из конденсатора, но при барботировании в экстракционный объем 1 кг/мин газовой фазы экстрагента из испарителя, т.е. 100% отводимого экстрагента. Время получения первых 10 г экстракта снижено на 68%, выход экстракта при полной истощающей экстракции увеличен на 18%.

П р и м е р 3. В том же экстракторе экстрагируют то же сырье тем же экстрагентом. Экстрагент подают в экстрактор из конденсатора непрерывным потоком со скоростью 99 кг/мин, в экстракционный объем барботируют 1 кг/мин газовой фазы экстрагента из испарителя, т.е. 1% отводимого экстрагента. Время получения первых 10 г экстракта снижено на 76%, выход экстракта при полной истощающей экстракции увеличен на 18%.

Аналогичный результат получен при экстракции различных видов растительного сырья (ромашки, цедры лимона, лепестков розы, столовой свеклы, биомассы дрожжей, чая, кофе, табака, семян люпина) различными экстрагентами (жидким аммиаком, жидкой закисью азота, жидким пропаном, жидким неоном, водой, ацетоном, бензином, этанолом, подсолнечным маслом, метилацетатом, серной кислотой, водно-спиртовым раствором, водным раствором хлорида натрия, водным раствором гидрокарбоната натрия, и др.).

Таким образом предлагаемая технология экстракции и установка для ее осуществления позволяют ускорить процесс экстрагирования целевого продукта из растительного сырья и увеличить выход экстрактивных веществ и их концентрацию в мисцелле.

Формула изобретения

1. Способ экстракции растительного сырья, включающий загрузку сырья в экстрактор, его обработку жидким экстрагентом, слив мисцеллы, выпаривание в испарителе экстрагента из мисцеллы с образованием паров, конденсацию паров экстрагента с последующей подачей конденсата на обработку сырья, отличающийся тем, что по меньшей мере часть образовавшихся в испарителе паров отделяют и подают путем барботирования в экстрактор до конденсации их в смеси сырья с жидким экстрагентом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед барботированием пары экстрагента подвергают адиабатному расширению.

3. Установка для экстракции растительного сырья, содержащая последовательно соединенные в замкнутый контур экстрактор, испаритель, конденсатор и сборник экстракта, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в нижней части экстрактора барботером, образованным диском с выполненными в нем соплами, а испаритель по газовой фазе соединен с соплами.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что сопла размещены по концентрическим окружностям, центры которых расположены на вертикальной геометрической оси экстрактора.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что сопла на каждой окружности размещены с постоянным шагом и наклонно к вертикальной геометрической оси экстрактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4