Способ экстрагирования материалов
Изобретение относится к способам экстрагирования растворителями с применением вакуума и может быть использовано для извлечения ценных компонентов из растительного сырья, применяемых в химико-фармацевтической и пищевой промышленности, а также для удаления нежелательных элементов из различных соединений в химической промышленности, например низкомолекулярных соединений из капролактама при производстве полиамидного волокна. Предлагаемый способ предусматривает перед экстракцией сырье подвергнуть дегазации с использованием импульсного вакуумирования, растворитель (экстрагент) нагреть до температуры, не вызывающей денатурацию материала, осуществить смачивание и пропитку нагретого и дегазированного сырья нагретым растворителем в вакуум-импульсном режиме, после чего провести экстракцию также в вакуум-импульсном режиме. Импульсное вакуумирование проводят при остаточном давлении 0,1-13,3 кПа, времени его достижения и скоростного сбора за 0,05-1,0 с. Способ обеспечивает проведение экстрагирования с высокими эксплуатационными характеристиками, интенсификацию процесса и повышение качества экстрагируемых веществ из растительного сырья. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к технике экстрагирования растворителями с применением вакуума и может быть использовано для извлечения ценных компонентов из растительного сырья, применяемых в химико-фармацевтической и пищевой промышленности, а также для удаления нежелательных элементов их химических соединений в производстве различных материалов на основе таких соединений.
Известны способы экстрагирования с использованием вакуума, например а.с. NN 827100, 1055759, 1065468, 1286232, заявка Японии N 60-20041, публ. 85.05.20, N 2-502 и др. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является взятое за прототип изобретение по а.с. N 1286232 "Способ экстрагирования из твердого тела" по кл. МПК B 01 D 11/02. Способ предусматривает этапы подготовки сырья к экстракции и непосредственно экстракцию. При подготовке сырье измельчают, измельченное сырье вакуумируют, заливают растворителем, эту смесь нагревают до рабочей температуры процесса (40 - 80oC). При этом над раствором устанавливается равновесное давление паров растворителя. В процессе нагревания газовый объем над паровым пространством соединяется с источником давления (атмосферой). При экстракции уменьшают давление (соединяют с вакуумом), в результате чего сырье и растворитель оказывается перегретыми от точки кипения. Это обуславливает вскипание жидкости в парах твердого тела, выталкивание растворителя с целевым продуктом из клеток сырья в объем растворителя, деформацию и разрушение межфазного диффузионного пограничного слоя при общем перемешивании объема жидкости пузырьками пара и образование взвешенного слоя сырья. Как только растворитель вскипел, давление в системе увеличивают (сбрасывают вакуум). При этом сырье и растворитель оказываются переохлажденными от точки кипения, вскипание мгновенно прекращается за счет "схлопывания" пузырьков пара в порах сырья и объеме растворителя. "Схлопывание" пузырьков пара в порах и капиллярах твердого тела сопровождается заполнением их новой порцией растворителя, частичным разрушением части пор твердой фазы и увеличением за счет этого массопереноса. Импульсный характер чередования давления в системе при экстракции обеспечивает интенсивное вымывание целевого продукта из клеток сырья, а регенерация энергии фазового перехода растворителя позволяет осуществлять циклы чередования давления в течение длительного времени без перерыва для компенсации необратимых тепловых потерь. Способ предусматривает следующие режимы: при подготовке сырья - вакуумирование до остаточного давления 20 - 30 кПа (150 - 225 мм рт.ст.), выдержку при этом давлении, нагрев системы твердое тело-жидкость до 40 - 80oC, выдержку при этой температуре, затем в течение 1 мин цикл сброса и последующее повышение давления при вскипании раствора с частотой таких циклов в диапазоне 0,1 - 2 Гц, при этом при понижении давления поддерживают перегрев на 5 - 15oC от точки кипения. Способ позволяет интенсифицировать массоперенос (выход полезных веществ 97%) с одновременным уменьшением энергозатрат. Однако данный способ имеет ограниченные эксплуатационные возможности. Он может использоваться только для экстракции из растительного сырья с неплотной структурой, такого как крапива, ромашка. При экстракции сырья с высокой плотностью (например, лопух) режимы этого способа недостаточно эффективны. Для этого понадобится более длительное количество циклов, что приведет к более длительному нагреву сырья и как следствие к ухудшению качества и уменьшению количества экстрагируемых ценных компонентов, а также к увеличению энергозатрат. Кроме того, этот способ недостаточно обеспечивает увеличение массопереноса при экстракции сырья с неплотной структурой и имеет недостаточную степень перегрева растворителя в материале при вакуумировании. Задачей настоящего изобретения является разработка способа экстракции, позволяющего повысить его эксплуатационные возможности за счет создания условий для возможности экстрагирования веществ с повышенной плотностью с одновременным повышением интенсивности процесса, выхода экстрагируемых веществ и повышения их качества. Для решения поставленной задачи предлагаемый способ предусматривает перед экстракцией сырье подвергнуть дегазации с использованием импульсного вакуумирования, растворитель (экстрагент) нагреть, осуществить смачивание и пропитку дегазированного сырья нагретым растворителем в вакуум-импульсном режиме, после чего провести экстракцию также в вакуум-импульсном режиме. Импульсное вакуумирование проводят при остаточном давлении 0,1 - 13,3 кПа, времени его достижения и скоростном сбросе его за 0,05 - 1,0 с. Предложенный способ представлен ниже с более подробным изложением операций и обеспечивающих их режимов. Подготовка растительного сырья. Измельченное сырье нагревают до предельно допустимой температуры, не вызывающей денатурацию (изменение качественных характеристик сырья). Для растительного сырья это температура обычно не выше 56oC. Проводят импульсное вакуумирование до остаточного давления 0,1 - 13,3 кПа с временем его достижения за 0,05 - 1,0 с, дают выдержку при этом давлении в течение 1 - 3 мин в зависимости от вида растительного сырья. Нагретое сырье, подвергаясь импульсному вакуумированию, освобождается от газов, находящихся между частичками сырья, в его капиллярах и внутренней поверхности частичек, а также происходит удаление с их поверхности адсорбционных газов. Одновременно происходит дополнительное разрыхление волокон сырья за счет разрушения их структуры расширением объема газов и паров в фибриллярной структуре растительного сырья. При этом можно использовать свежее, невысушенное сырье, т.к. влага не только не мешает, но и при данных режимах способствует улучшению его смачиваемости на границе раздела фазы и последующей пропитке экстрагентом по объему экстрагируемого сырья. После выдержки сырья под вакуумом производят скоростной сброс вакуума (за 0,05 - 1,0 с), после чего циклы нагрева, импульсного вакуумирования, выдержки под вакуумом повторяют 2 - 3 раза в зависимости от вида сырья. При этих режимах дополнительно повышаются удельная поверхность сырья и удаление газов из внутренних слоев и с поверхности материала, что благоприятствует более эффективной последующей экстракции. Подготовка экстрагента. При экстракции растительного сырья в качестве экстрагентов наиболее часто используется вода, этиловый спирт или его водный раствор. Экстрагент перед экстракцией нагревают до той же температуры, что и сырье (не выше 56oC). Контактирование компонентов. Подготовленное сырье (подогретое, дегазированное, разрыхленное) заливают под вакуумом подогретым экстрагентом в количестве, необходимом для обеспечения модуля ванны не более чем 1:10 (до образования зеркала над поверхностью материала). После заливки производят скоростной (за 0,05 - 1,0 с) сброс вакуума и дают выдержку 1 - 3 мин, при этом происходит пропитка сырья экстрагентом. Циклы набора и импульсного сброса повторяют 2 - 3 раза для более глубокой пропитки материала экстрагентом. Экстрагирование. Смесь смоченного и пропитанного экстрагентом сырья нагревают при атмосферном давлении до рабочей температуры, проводят импульсное вакуумирование при остаточном давлении 0,1 - 13,3 кПа за время достижения 0,05 - 1,0 с и дают выдержку в течение 1,0 - 10,0 мин. За это время происходит интенсивное кипение смеси, при котором частично испаряется экстрагент, и как следствие снижается температура смеси. После выдержки осуществляют скоростной сброс вакуума за 0,05 - 1,0 с, во время которого происходит более глубокое проникновение экстрагента в капиллярную структуру сырья. При атмосферном давлении производят нагрев смеси не выше 56oC. Далее циклы нагрева, вакуумирования, выдержки под вакуумом, скоростного сброса вакуума в зависимости от вида сырья повторяют 3 - 10 и более раз до окончания процесса экстракции. Такие режимы экстрагирования способствуют более глубокой пропитке экстрагируемой массы и более полному извлечению экстрагируемых компонентов. После экстрагирования экстракт отделяют от массы и при необходимости подвергают фильтрации, концентрированию, сушке. При реализации заявляемого способа используется импульсное вакуумирование с величиной остаточного давления 0,1 - 13,3 кПа, временем достижения за 0,05 - 1,0 с и скоростным сбросом вакуума за то же время. При скоростном вакуумировании экстрагент вскипает не только в объеме смеси, но и внутри экстрагируемого материала, обеспечивая тепло- и массообмен и дополнительно разрыхляя его структуру. При этом тепло- и массообмен имеют максимальное значение, что ведет к интенсивному растворению ценных компонентов сырья в экстрагенте. Чем выше скорость вакуумирования экстрагируемой смеси, тем выше нерелаксируемое давление паров воды и газов, образующихся внутри экстрагируемого материала, и, соответственно, выше степень разрыхления материала. Чем выше скорость сброса вакуума, тем выше импульс градиента атмосферного давления для лучшего проникновения экстрагента во внутреннюю структуру материала, способствующего большему извлечению экстрагируемых веществ. Увеличение глубины вакуума технически нецелесообразно, т.к. температура растворителя может снизится настолько, что растворитель становится неактивным. При уменьшении глубины вакуума степень перегрева незначительна и время кипения при каждом цикле сокращается. При этом разрыхление и дегазация экстрагируемого материала, а также смачивание и пропитка его растворителем ухудшаются, что приводит к снижению эффективности процесса. На стадиях дегазации сырья и экстрагирования температура нагрева связана со свойствами растительного сырья и она не должна влиять на изменение свойств экстрагируемого материала. Для различных материалов температура подбирается экспериментально. Ниже приведены примеры экстрагирования растительного сырья, а также экстракции полиакриламида. 1. Экстракция солодкового корня. 0,5 кг измельченного солодкового корня нагревали до 40oC и подвергали импульсному вакуумированию до остаточного давления 2,6 - 6,6 кПа и выдержке при данном вакууме в течение 3 мин. Экстрагент - дистиллированную воду - нагревали до 40oC, под вакуумом заливали им массу солодкового корня (модуль 1: 10), подвергали импульсному вакуумированию за 0,5 с до остаточного давления 2,6 - 6,6 кПа, выдерживали при этом давлении 3 мин, затем сбрасывали вакуум и выдерживали при атмосферном давлении 10 мин. При этом проводили нагрев остывшей смеси (до 25oC) в процессе вакуумирования смеси до 40oC. Проводили 3 цикла нагрева массы смеси, набора вакуума, выдержки под вакуумом, скоростного сброса и выдержки массы при атмосферном давлении. Общее время экстрагирования составило 60 мин. Полученный экстракт после фильтрации полностью соответствует требованиям ГОСТа 22840-77 "Экстракт солодкового корня". Жидкий экстракт солодки подвергали концентрированию и сушке до влажности 3 - 5%. Выход сухого экстракта достигает 22 - 26% от массы исходного сухого сырья. Данный экстракт полностью соответствует требованиям Государственной фармакопеи X изд. , ст. 260 "Экстракт корня солодки". Содержание глицирризиновой кислоты в сухом экстракте достигает 30%, содержание тяжелых металлов не превышает установленных норм. На чертеже показаны сравнительные результаты экстрагирования солодкового корня при различных условиях. На чертеже обозначены: на оси X - время в мин, на оси Y1 - выход сухого экстракта в %, на оси Y2 - выход глицирризиновой кислоты в %. Кривые 1,2 - выход сухого экстракта и содержание глицирризиновой кислоты при экстракции под вакуумом (p=2,6 кПа) при температуре 40oC. Кривые 3,4 - выход сухого экстракта и содержание глицирризиновой кислоты после вакуум-импульсной обработки только экстрагируемого сырья и последующей экстракции в вакууме (p=2,6 кПа) при 40oC. Кривые 5,6 - выход сухого экстракта и содержание глицирризиновой кислоты после обработки только экстрагента и последующей экстракции в вакууме (p=2,6 кПа) при 40oC. Кривые 7,8 - выход сухого экстракта и содержание глицирризиновой кислоты без предварительной обработки сырья и растворителя и вакуум-импульсного экстрагирования при p= 2,6 кПа и 40oC. Кривые 9, 10 - выход сухого экстракта и содержание глицирризиновой кислоты после вакуум-импульсной обработки сырья, растворителя и вакуум-импульсной экстракции при 40oC и p=2,6 кПа. Как видно из чертежа наибольший эффект имеет место при предварительной подготовке экстрагируемого материала, экстрагента и последующей экстракции в вакуум-импульсном режиме. 2. Экстракция шиповника. 0,5 кг измельченных плодов шиповника нагревали до 56oC, подвергали импульсному вакуумированию за 0,05 с до остаточного давления 0,1 - 13,3 кПа, давали выдержку под вакуумом в течение 3 мин. Экстрагент - воду - нагревали до 56oC, заливали массу плодов шиповника под вакуумом при модуле 1:10 и осуществляли экстрагирование при остаточном давлении 0,1 - 13,3 кПа со скоростью набора вакуума за 0,5 с. При этом масса охлаждалась до 25 - 30oC. В течение 5 мин массу нагревали при атмосферном давлении до 55 - 56oC и вновь повторяли этапы цикла: набор вакуума, выдержка, сброс его, нагрев массы смеси при атмосферном давлении, количество циклов - 5, общее время экстрагирования - 60 мин, выход аскорбиновой кислоты 98,82%, выход органических кислот до 98,27%, выход каротиноидов до 12,75
Формула изобретения
1. Способ экстрагирования материалов преимущественно из растительного сырья, включающий измельчение сырья, вакуумирование его, контактирование с растворителем, нагревание смеси и экстракцию в вакуум-импульсном режиме, отличающийся тем, что перед контактированием компонентов растворитель нагревают, сырье нагревают и подвергают дегазации, при этом дегазацию и последующее контактирование компонентов осуществляют с использованием импульсного вакуумирования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное вакуумирование стадии экстракции осуществляют при остаточном давлении 0,1 - 13,3 кПа и времени его достижения и скоростного сброса за 0,05 - 0,1 с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев компонентов и их смеси осуществляют до температуры, не вызывающей денатурацию материала. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактирование подготовленных компонентов проводят под вакуумом, дают выдержку в течение 1 - 5 мин, после чего осуществляют импульсный сброс вакуума и выдержку при атмосферном давлении до снижения температуры до постоянного значения в течение 1,0 - 10,0 мин. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что цикл нагрева массы, набора вакуума, выдержки под вакуумом, скоростного сброса и выдержки массы при атмосферном давлении повторяют 3 - 5 раз в зависимости от вида сырья до полного экстрагирования.РИСУНКИ
Рисунок 1