Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Экстракция сжиженными и сжатыми газами 9
1.2. Диоксид-углеродные экстракты 12
1.3. Технология и аппаратурное оформление процессов диоксид-утлеродного экстрагирования 20
1.4. Математическое моделирование процессов диоксид -углеродного экстрагирования растительного сырья 26
1.5. Выводы 34
2. Методы совершенствования процесса С02 - экстрагирования биологически активных веществ 35
2.1. Разработка критерия совершенствования процесса диоксид - углеродного экстрагирования растительного сырья (Qc) 35
2.2. Разработка математической модели процесса 2-экстрагирования растительного сырья 39
2.3. Выводы 46
3. Результаты экспериментальных исследований процесса СО 2 -экстрагирования 47
3.1. Методика исследования и экспериментальная установка 47
3.2. Результаты экспериментальных исследований 55
3.3. Рационализация экспериментальных исследований при переменной повторносте: 62
3.4. Определение числовых характеристик математического описания процесса СО 2-экстрагирования 71
3.5. Выводы 73
4. Исследование адекватности математического описания процесса СО2-экстрагирования 74
4.1. Разработка критерия адекватности математического описания процесса СО г-экстрагирования 74
2. Выводы 84
5. Приложения результатов исследования
5.1. Совершенствование процесса СО2-экстрагирования растительного сырья по критерию Qc 85
5.2. Определение рационального времени ведения процесса С02- экстрагирования растительного сырья 91
5.3. Экономический эффект совершенствования процесса СО2 -экстрагирования по критерию /?(ПС), 95
5.4. Оценка стабильности процесса экстрагирования биологически активных веществ 106
5.5. Выводы 111
Общие выводы 112
Литература
- Технология и аппаратурное оформление процессов диоксид-утлеродного экстрагирования
- Разработка математической модели процесса 2-экстрагирования растительного сырья
- Результаты экспериментальных исследований
- Определение рационального времени ведения процесса С02- экстрагирования растительного сырья
Введение к работе
Актуальность работы. Основным направлением научных исследований и разработок в пищевой промышленности является поиск прогрессивных путей производства высококачественной продукции. Главной задачей современного этапа развития пищевой промышленности является повышение эффективности технологических процессов при обеспечении высокого качества готовой продукции. Необходимо повышение технического и технологического уровня предприятий путем оснащения их новым оборудованием, прогрессивной технологией, обеспечивающими требуемое увеличение объема производства при снижении отходов и затрат.
В настоящее время использование в переработке сырья свойств сжиженных и сжатых газов относится к одной из интенсивно развивающихся областей современной биотехнологии. Доказано, что использование технологии экстрагирования двуокисью углерода позволяет извлечь из растительного сырья практически весь комплекс душистых и биологически активных веществ.
Диоксид-углеродные экстракты используются в консервной,
парфюмерно-косметической, пиво-безалкогольной, кондитерской,
ликероводочной, медицинской промышленности и бытовой химии. Использование технологии диоксид-углеродного экстрагирования как мягко режимной, менее трудоемкой и быстрой обработки растительного сырья, является необходимым условием получения природных экологически чистых эфирных масел высокого качества. В них сохраняется количество, природное соотношение всех компонентов и, следовательно, биохимический состав. К преимуществам использования сжиженных и сжатых газов в качестве экстрагентов биологически активных веществ, относится возможность ведения процесса экстрагирования при сравнительно невысоких положительных температурах (5-30* С), что ведет к
сохранению в полученном экстракте большинства выделяемых биологически активных веществ. Наряду с этим следует отметить, что на сегодняшний день продукты, получаемые с помощью С02 -экстракции у нас в стране являются достаточно дорогими, а их состав нестабильным, что ведет к низкой конкурентоспособности с экстрактами, произведенными на западе. Таким образом совершенствование техники и технологии экстракции растительного сырья жидким диоксидом углерода возможно на основе углубления исследований как самого процесса экстракции, так и соответствующей аппаратуры. Величина выхода экстрактивных веществ также может сильно варьироваться в зависимости от различных факторов, что создает предпосылку к осмысленной рационализации процесса, для получения экстракта со стабильным выходом экстрактивных веществ.
В результате анализа отечественной и зарубежной литературы можно
сделать вывод, что в настоящее время отсутствует теория
совершенствования процесса диоксид - углеродного экстрагирования
растительного сырья. В связи с этим актуальным является развитие научных
основ и разработка теории совершенствования процесса С02-
экстрагирования, которая позволит перевести работу экстракционных
установок для экстракции жидкой углекислотой на
высокопроизводительный и энергосберегающий режим, и на ряду с этим получать продукт обладающий высокой конкурентноспособностью.
Цель работы. Совершенствование производства диоксид-углернодныъх экстрактов из растительного сырья путем рационализации длительности процесса при его гарантированной стабильности.
Основные задачи исследования.
Разработать критериальную зависимость для совершенствования процесса С02 - экстракции растительного сырья.
Провести теоретический анализ процесса СО 2 -экстракции
и разработать соответствующую математическую модель.
3. Создать методику определения рационального времени ведения
экстрагирования, гарантирующую получение экстракта со стабильным
выходом экстрактивных веществ.
Методы исследования. В работе применены теоретические методы
исследования с использованием математического моделирования и
экспериментальной проверкой адекватности предложенных зависимостей.
Эксперименты проводили на специальной установке для экстракции
растительного сырья жидким диоксидом углерода. Математическое
моделирование, обработку результатов исследований и проверку
адекватности математических описаний выполняли с использованием ЭВМ.
* Научная новизна работы.
- определена зависимость выхода экстрактивных веществ от времени
ведения процесса и разработан алгоритм определения рационального
количества повторностей эксперимента;
- разработана математическая модель, описывающая кинетику процесса
С02 -экстрагирования, т.е изменение выхода экстрактивных веществ в
функции времени;
разработан критерий совершенствования процесса С02-
экстрагирования, обеспечивающий получение стабильного выхода
экстрактивных веществ;
Т - определено рациональное время ведения процесса для различных
видов растительного сырья.
Практическая ценность работы.
- повышена эффективность работы экстракционного оборудования в
условиях производства диоксид - углеродных экстрактов;
- разработана методика определения рационального времени ведения
процесса, позволяющая совершенствовать производство диоксид-
углеродных экстрактов путем увеличения количества производственных циклов;
экономическая эффективность совершенствования процесса С02-экстрагирования по разработанному критерию заключается в увеличении процентного приращения прибыли в среднем на 20%.
Технология и аппаратурное оформление процессов диоксид-утлеродного экстрагирования
Результаты проведенных экспериментальных работ по экстракции растительного сырья сжиженными газами и применению полученных экстрактов послужили основанием для выдачи рекомендаций по проектированию и созданию нового оборудования для производства С02-экстрактов - натуральных пищевых ароматизаторов и биологически активных веществ из растительного сырья. Впервые такое производство осуществлено в конце 1965 г. на экспериментальном заводе Краснодарского НИИ пищевой промышленности, где был построен первый в мировой практике опытно-промышленный цех по выработке растительных диоксид-углеродных экстрактов [31].
В установках экстракции растительного сырья применение диоксида углерода в качестве экстрагирующего рабочего тела характеризуется высокой эффективностью [32, 102, 103]. Диоксид углерода используют в виде жидкой и паровой фазы при докритических давлениях и температурах, а также в виде жидкой и газопаровой фазы при сверхкритических давлениях [33, 101, 104, 108]. Как показывает анализ публикаций как у нас в стране, так и за рубежом, с 1965 года, когда в России стала использоваться диоксид-углеродная экстракция, достигнуты значительные успехи. Показана [34], в частности, недостаточная эффективность распылительных и насадочных колонных аппаратов. Исследована эффективность массообменной аппаратуры для экстракции жидкофазных материалов под давлением с применением мембран. Становится возможным создание аппарата с высокой удельной поверхностью массообмена. С учетом опыта эксплуатации экстракционных установок спроектирована моноблочная установка для экстракции сырья индивидуальными сжиженными газами и их смесями [35].
Поскольку до 1965 года СО 2-экстракты в нашей стране не производились, первоочередной задачей стало создание необходимых лабораторных устройств для исследования экстракции растительного сырья сжиженными газами. Вначале были разработаны и созданы лабораторные и камеральные установки, пригодные для проведения экспериментов по экстракции растительного сырья сжиженными газами и получения представительных образцов экстрактов для исследования их состава, свойств и испытания в промышленности [36]. Установки такого рода включают в себя термостатируемую емкость для растворителя, экстрактор и мисцеллосборники. Последние размещены в общем корпусе, снабженном быстросъемным люком, смотровыми стеклами, электролампочкой для освещения и рубашкой для обогрева. Для контроля давления в корпусе служит манометр. Емкость и корпус обогреваются или охлаждаются термостатируемой жидкостью.
На данной установке можно определить влияние на эффективность экстракции температуры процесса, характера и степени измельчения сырья, количества подаваемого растворителя.
Для производства крупных партий диоксид-углеродных экстрактов на экспериментальном заводе КНИИХПСП скомплектована и смонтирована технологическая линия для обработки растительного сырья жидкой двуокисью углерода [37], [38]. Основными узлами линии для комплексной переработки растительного сырья являются участки мойки, инспекции и сушки растительного сырья, участок подготовки сухого сырья для экстракции (дробление, лепесткование), непосредственно экстракторы для ведения процесса, дистилляторы, конденсаторы, сборники для сжиженного газа и экстракта, а также участки фасовки и упаковки готовой продукции.
Для отработки технологических режимов и оценки содержания экстрактивных веществ в сырье Г.И. Касьяновым и его учениками была сконструирована специальная установка [39], которая позволяет определить влияние на выход экстракта температуры, степени и характера измельчения сырья, продолжительности процесса, скорости и количества подаваемого растворителя, эффективности экстракции смесями различных сжиженных газов и органических веществ.
Как показывают исследования, применение диоксида углерода в различных агрегатных состояниях возможно практически во всех процессах переработки сырья [40, 41, 42, 110]. Так практически все существующие в консервной отрасли линии позволяют перерабатывать сырье в течение длительного времени (порядка двух - трех часов), в присутствии кислорода воздуха, высоких температур при бланшировании (79 - 80 е С), пастеризации (95 - 100С) и стерилизации (100 - 120С) [43]. Эти режимы приводят к значительным потерям витаминных комплексов, изменению жирорастворимых веществ, окислению и полимеризации термолабильных компонентов. Во избежание вышеуказанных недостатков разработаны и будут разрабатываться в будущем производственные линии, с помощью которых можно получать высококачественный продукт.
Разработка математической модели процесса 2-экстрагирования растительного сырья
Аддитивность числителя и знаменателя критерия (2.5) не является критичной, т.к следует иметь в виду, что эта аддитивность есть следствие линеаризации оценок A(R) и A(V). В большинстве случаев такая линеаризация обеспечивает потребную в техническом отношении точность. В случае, если практически выясняется необходимость уточнения, это может быть сделано, например, добавлением нелинейных членов в разложение оценок в ряды Маклорена. В этом случае критерий теряет свойство аддитивности.
Логика исследования предполагает количественное описание вышеуказанных функций. Следует отметить, что относительно знаменателя критерия в этом плане проблемы не возникает, поскольку его компоненты представляют собой переменные и параметры процесса, такие например, как время процесса, давление в рабочей емкости, энергопотребление, специфику сырья и его подготовки и т.д, причем в функции времени эти характеристики в большинстве своем носят параметрический характер, что позволяет описать их влияние на процесс с помощью соответствующих интегралов.
Что касается векторов числителя критерия Пс, то здесь дело обстоит сложнее. Предположим, что результат процесса экстрагирования определяется, в основном, величиной суммарного выхода экстрактивных веществ.
В относительно редких случаях на такие представления накладываются требования потребителя по обеспечению некоторой потребной концентрации в общем экстракте того или иного БАВ (например каратиноидов в облепиховом экстракте, тех или иных витаминов в чесночном экстракте и т.д), что может обеспечиваться соответствующим корректированием условий процесса, главным образом его временем, либо спецификой получения экстракта с определенной концентрацией того или иного БАВ [22].
Предложенный выше подход к проблеме совершенствования процесса СО 2 -экстрагирования позволяет в полной мере реализовать цель и задачи работы при выполнении одного принципиального условия: наличие адекватной математической модели процесса, которая отражала бы в полной мере зависимость выхода экстрактивных веществ от времени ведения процесса.
В нижеследующем разделе изложены этапы разработки математического описания процесса, в результате которой получены расчетные алгоритмы выбора вышеуказанного рационального параметрического сочетания характеристик. Специфичность модели, заключающаяся главным образом в простоте подхода, позволит получить числовые оценки некоторых величин, входящих в представленный выше критерий.
Разработка математической модели процесса диоксид-углеродного экстрагирования растительного сырья Как было показано выше (раздел 2.1), процессу С02-экстрагирования может быть поставлено в соответствие множество функциональных математических моделей. Например, процесс может быть описан в виде совокупностей конечных отношений, определяющих статику, что, в принципе, уже определяет возможность получения функциональных связей между входными и выходными характеристиками. Следовательно, проблема заключается прежде всего в рационализации методик выбора математического описания. По нашему мнению в основе методики выбора лежат два момента:
1. Информационная емкость модели, имеющая прямое отношение к исследованию сущности процесса на различных уровнях.
2. Практические возможности, открывающиеся математическим описанием для рационального ведения технологического процесса.
Первый фактор определяет необходимость учета доминирующих аспектов сущности процесса. Если в разработанном математическом описании присутствуют доминирующие элементы естественно - научной специфики производства С02- экстрактов, то в дальнейшем естественное стремление исследователя к повышению адекватности математического описания автоматически повышает его информационную емкость. Учет второго фактора определяет возможность получения априорных оценок эффективности процесса при данных исходных характеристиках, что в свою очередь практически решает проблему научно обоснованного выбора рационального режима в конкретных случаях.
В соответствии с организационно - методической схемой создания гибких технологических систем по диоксид - углеродному экстрагированию растительного сырья, разработанной Г.И Касьяновым [7], задача настоящего раздела относится к "проектированию", важнейшим элементом которого является моделирование и анализ экстракционного процесса.
Результаты экспериментальных исследований
Для размещения установки в помещении должны быть соблюдены следующие условия: -температура воздуха 15-20 С; -влажность воздуха 40-60%. Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией.
Изначально процесс вели в течении двух часов [7], в трех повторностях для каждого из пяти видов исходного сырья. Пробы экстракта отбирали каждые пятнадцать минут для измерения выхода экстрактивных веществ. Суть процесса состоит в том, что углекислота вымывает эфирные масла, жирные кислоты и другие БАВ из исходного сырья, которые впоследствии оседают в испарителе, а потом собираются в специальный сборник. Чем интенсивнее поток углекислоты, тем быстрее идет процесс экстрагирования. Поток углекислоты регулируется специальным краном, чтобы избежать нежелательного перелива ее в испарителе. Анализ публикаций, проведенный нами в первой главе диссертационной работы показал, что эффективность выделения биологически активного компонента из растительного сырья зависит от значительного количества факторов, среди которых можно выделить следующие: степень и способ измельчения сырья, которые сокращают путь диффузии растворимых соединений внутри растительных тканей, ускоряют процесс экстрагирования в связи с увеличением числа разрушенных клеток, увеличивают общую поверхность контакта сырья с растворителем; рациональные условия экстрагирования (температура, давление, многократное движение растворителя сквозь слой растительного сырья). природа растворителя, обеспечивающая необходимую растворимость извлекаемых веществ.
В настоящей работе проводили исследование процесса С02-экстрагирования растительного сырья с целью получения на выходе диоксид-углеродного экстракта и использования полученных в ходе экспериментального процесса результатов для идентификации параметров разработанной в предыдущей главе математической модели.
Для оценки экстракционного процесса определяли средние квадратичные отклонения величин выхода экстрактивных веществ от среднего арифметического значения выхода в определенный момент времени для каждого вида сырья по следующему соотношению: аЧ „ где С - средняя величина выхода экстрактивных веществ в определенный момент времени; С, - величина выхода в определенный момент времени; п - число повторности эксперимента. Для одной повторности, воспроизводимость эксперимента оценивали с помощью коэффициента вариации: #V==100% . (3.2)
Изначально процесс вели в трех исходных повторностях для пяти видов растительного сырья, с определениями вышеуказанных характеристик при условии, что при г=0, С(г)=0 и следовательно все остальные характеристики процесса обращаются в ноль.
В диссертационной работе для обеспечения требуемой точности эксперимента ставилась задача получения общего коэффициента вариации (среднее арифметическое коэффициентов вариации в заданные временные промежутки), не превышающего 5% (0,05) для каждого из пяти видов исследуемого сырья.
На примере ряда культур установлено, что процесс С02 -экстракции проходит в два периода: первый - продолжительностью до 40 минут идет с наибольшей скоростью и характеризуется извлечением веществ, в основном, из вскрытых клеток; второй - протекает с меньшей скоростью и характеризуется извлечением веществ из клеточных структур, обладающих большим диффузионным сопротивлением [7]. Также следует отметить, что содержание тех или иных выделяемых компонентов различно в том или ином виде растительного сырья, что и определяет различные вариации их выхода. Как видно из анализа публикаций, процесс экстрагирования можно вести два, три и более часов до проведения исчерпывающей экстракции, которая позволяет установить исходное содержание продукта в сырье. В данном случае процесс вели в течении двух часов, основываясь на предположении о нецелесообразности ведения его более длительное время в связи с незначительным увеличением выхода экстрактивных веществ по отношению к затратам [7].
Определение рационального времени ведения процесса С02- экстрагирования растительного сырья
Таким образом, задачей настоящего раздела является нахождение рационального времени ведения процесса с целью максимизации прибыли от производства данного экстракта.
Исходя из поставленной задачи, знаменатель критерия (5.7) может быть представлен в виде издержек на проведение процесса экстрагирования, которые могут включать в себя стоимость сырья, зарплату персоналу и комплекс энергетических затрат. Таким образом, с учетом вышесказанного, в данном конкретном случае критерий совершенствования процесса экстрагирования может быть записан в следующем виде где Kq(г) -коэффициент издержек.
Наличие соотношения (5.17) позволяет в экстракционном временном интервале [0;Г] найти граничную точку Г , правее которой цена продукта меньше издержек на его производство, что создает отрицательную эффективность процесса. Следует отметить, что, как правило, в технологической практике все виды издержек линейно зависят от времени.
Коэффициент к в числителе (5.17) может быть представлен в данном случае как Р(1%), и является стоимостью экстракта, выход которого составляет 1% от количества исходного растительного сырья, загруженного в экспериментальную установку. Такое представление к является вполне корректным, т.к оставшиеся в числителе величины представляют собой процент выхода экстрактивных веществ, и произведение этих величин с величиной Р(1%) представляет собой стоимость экстракта с полученным выходом экстрактивных веществ. Переменная Р{\%) может быть рассчитана по следующему соотношению где Р(МЭ(Т))- стоимость экстракта массой М3 на выходе из экстрактора в момент окончания процесса Т; Ряс(0) - стоимость подготовки сырья на момент начала экстрагирования (г = 0); Рс - стоимость сырья на проведение одной повторносте; С[Т] - величина выхода экстрактивных веществ в момент завершения процесса (Г = 2часа).
Величина ДА/, (Г)) определяется в данном случае на основании имеющихся данных по ценам за 1кг СОг- экстракта в нашей стране. Данные взяты из еженедельника "Товары и цены" на момент проведения соответствующего расчета. Данная величина будет рассчитана в зависимости от величины выхода экстрактивных веществ для того или иного вида растительного сырья.
Величина Ре определяется на основании данных о стоимости одного килограмма исходного сырья, с учетом того, что для проведения эксперимента требуется загрузить в каждый из двух экстракторов по пять килограмм высушенного до влажности 5% сырья. В результате проведенного расчета по достижению требуемой влажности установлено, что для использовавшихся видов растительного сырья уместны следующие соотношения (кг): облепиха 1 : 5, шиповник 1 : 4, перец красный 1 : 5,1, чеснок 1 : 4,7, солодка 1 : 2,9. Данное обстоятельство означает, что, например, для получения 1кг высушенной облепихи потребуется 7,5 кг облепихи с ее естественной влажностью.
Величина Р„х(0) представляет собой переменную, учитывающую затраты на подготовку сырья, в которую входит сумма затрат на электроэнергию и оплату обслуживающего персонала. В данном случае нами было произведено усреднение этой величины для всех пяти видов исходного сырья.
Знаменатель выражения (5.9) можно определить в данном случае, как суммарные затраты на выполнение экстрагирования за один час, с учетом затрат по электроэнергии за один час и тарифной ставки оператора за один час. Числовые оценки соответствующих значений приведены в таблице 5.2, для всех пяти видов исследуемого растительного сырья, с учетом цен за один килограмм С02 - экстракта, представленных в табл. 5.1.
