Установка и способ снижения остаточных уровней растворителя

 

Предложенные способ и установка относятся к химической промышленности и используются для снижения остаточных уровней растворителя, в частности остающихся после экстракции. Установка содержит аппарат для экстрагирования, предназначенный для содержания в нем упомянутого вещества в жидком состоянии и загрязненного фторуглеводородным растворителем, и источник газа для барботажа экстракта биомассы в аппарате паром, удаляющим растворитель. Источник газа включает в себя жесткий полый переходник, имеющий отверстие для выпуска газа и соединенный с источником сжатого пара, удаляющего растворитель, вследствие чего пар, удаляющий растворитель, течет из своего источника по полому жесткому переходнику, выходя через отверстие для выпуска газа. Отверстие для выпуска газа погружено с возможностью перемещения в жидкое вещество для обеспечения барботажа этого вещества паром, удаляющим раствор. Способ снижения уровней растворителей в веществе, экстрагированном из биомассы, предусматривает барботаж упомянутого вещества, находящегося в жидком состоянии и загрязненного фторуглеводородным растворителем, паром, удаляющим растворитель. Данный способ приводит к эффекту перемещения газа, что позволяет в устройстве улучшить распределение газа в веществе. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к установке и способу снижения остаточных уровней растворителя, в частности остающихся после "экстрагирования" биомассы. Это экстрагирование пахучих, ароматических или фармацевтически активных ингредиентов из материалов естественного происхождения (эти материалы именуются "биомассой" по всему тексту данной заявки).

Примеры материалов биомассы включают в себя, но не ограничиваются ими, пахучие или ароматические вещества, такие как кориандр, гвоздика, иллициум настоящий, кофе, апельсиновый сок, семена фенхеля, тмин, имбирь и другие разновидности коры, листьев, цветов, фруктов, корней, корневищ и семян. Биомассу также можно экстрагировать в виде биологически активных веществ, таких как пестициды, и фармацевтически активных веществ или их предшественников, получаемых, например, из растительного материала, культуры клеток или питательной среды для ферментации.

В настоящее время растет технический и коммерческий интерес к использованию растворителей, близких к критическим, в таких процессах экстрагирования. Примеры таких растворителей включают в себя сжиженный диоксид углерода или представляющее конкретный интерес семейство растворителей на основе разновидностей органических фторуглеводородов (ФУВ).

Термином "фторуглеводород" авторы изобретения называют материалы, которые содержат только атомы углерода, водорода и фтора и которые, таким образом, не содержат хлор.

Предпочтительными фторуглеводородами являются фторалканы (предельные (насыщенные) фторуглеводороды) и, в частности, _1-4 фторалканы. Подходящие примеры C_1-4 фторалканов, которые можно применять в качестве растворителей, включают в себя, помимо прочих, трифторметан (R-23), фторметан (R-41), дифторметан (R-32) пентафторэтан (R-125), 1,1,1-трифторэтан (R-143a), 1,1,2,2-тетрафторэтан (R-134), 1,1,1,2-тетрафторэтан (R-134a), 1,1-дифторэтан (R-152a), гептафторпропаны и, в частности, 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан (R-227ea), 1,1,1,2,3,3-гексафторпропан (R-236ea), 1,1,1,2,2,3-гексафторпропан (R-236cb), 1,1,1,3,3,3-гексафторпропан (R-236fa), 1,1,1,3,3-пентафторпропан (R-245fa), 1,1,2,2,3-пентафторпропан (R-245ca), 1,1,1,2,3-пентафторпропан (R-245eb), 1,1,2,3,3-пентафторпропан (R-245ea) и 1,1,1,3,3-пентафторбутан (R-365mfc). При желании можно использовать смеси двух или более фторуглеводородов.

Предпочтительными являются R-134a, R-227ea, R-32, R-125, R-245ca и R-245fa.

Фторуглеводородом, особенно предпочтительным для использования в настоящем изобретении, является 1,1,1,2-тетрафторэтан (R-134a).

Экстрагирование биомассы можно проводить с использованием других растворителей, таких как хлорфторуглероды (ХФУ) и хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и/или смесей растворителей.

Известные процессы экстрагирования с использованием растворителей обычно проводят на оборудовании с замкнутым контуром для экстрагирования. Типичный пример 10 такой системы условно изображен на фиг.1.

В этой типичной системе обеспечивается возможность просачивания сжиженного растворителя под действием силы тяжести вниз через слой биомассы, поддерживаемый в аппарате 11. Затем он течет в испаритель 12, где летучий растворитель испаряется за счет теплообмена с горячей текучей средой. Пар из испарителя 12 затем сжимается компрессором 13. Сжатый пар после этого подается в конденсатор 14, где он сжижается посредством теплообмена с холодной текучей средой. Затем сжиженный растворитель, по выбору, собирают в промежуточный сборник (ресивер) 15 или возвращают непосредственно в аппарат 11 для экстрагирования, замыкая контур.

Экстрагирование запахов, ароматов или фармацевтически активных веществ из материалов естественного происхождения с использованием не содержащих хлор растворителей на основе ФУВ и других растворителей, как уже отмечалось, представляет растущий технический и коммерческий интерес. Одна причина использования системы с замкнутым контуром для экстрагирования, изображенной на фиг.1, заключается в том, чтобы избежать нежелательного высвобождения ФУВ или других растворителей в атмосферу.

Остаточные уровни растворителей в экстрактах, подлежащих использованию в кормах, регламентированы нормативными документами во многих странах. Остаточные уровни растворителей в экстрактах для других приложений обычно регламентируются не так жестко. Даже в случае, когда законодательство не предписывает конкретный уровень остатка растворителя, вообще говоря, желательно минимизировать эти остаточные уровни, когда это приемлемо с точки зрения экономичности и возможности реализации. В известных технических решениях остаточные уровни растворителя снижались за счет сочетания нагрева и разрежения или - в случае растворителей, содержащих СO₂, - только посредством относительно умеренного разрежения. К сожалению, процесс нагрева и разрежения зачастую негативно влияет на ароматы конечного экстракта, при этом многие из "отмечаемых в первую очередь" летучих компонентов оказываются удаленными вместе с растворителем.

Одним из ключевых преимуществ применения растворителя, такого как 1,1,1,2-тетрафторэтан (R-134a), для экстрагирования материалов биологического происхождения является его способность улавливать относительно летучие пахучие и ароматические компоненты. Для поддержания высокого качества экстрактов, полученных с помощью R-134a, требуется способ снижения остаточных уровней растворителя, не оказывающий существенного влияния на органолептическое поведение экстракта.

Согласно изобретению в первом его аспекте предложена установка, охарактеризованная в п.1 формулы изобретения.

Согласно изобретению во втором его аспекте предложен способ, охарактеризованный в п.3 формулы изобретения.

Предпочтительные признаки установки и способа охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Теперь, в качестве неограничительного примера, приводится описание предпочтительных конкретных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг.1 приведено условное изображение известной установки для экстрагирования биомассы, на фиг. 2 изображена часть установки, показанной на фиг.1, модифицированная для включения в нее признаков в соответствии с изобретением, на фиг. 3 изображен альтернативный аппарат, не являющийся частью заявляемого здесь изобретения, на фиг.4 и 5 приведены графики, иллюстрирующие результаты сравнительных экспериментов, включающих в себя способ согласно изобретению.

На фиг.2 изображена часть системы, показанной на фиг.1, модифицированная в соответствии с изобретением. На фиг.2 части конструкции, выполняющие ту же функцию, что и их аналоги на фиг.1, обозначены теми же позициями, а их подробное повторное описание опущено.

Магистраль 12а подачи пара растворителя, выходящая из верхней части испарителя 12, выполнена с возможностью переключаемого соединения посредством клапана 29 управления расходом с компрессором 13 (когда аппарат эксплуатируют для экстрагирования биомассы), с магистралью вакуума (для очистки испарителя 12 в конце процесса экстрагирования) или с магистралью 31 отвода барботирующего газа.

Клапан 29 управления расходом выполнен с возможностью управления, например, вручную или посредством компьютера.

На фиг.2 изображен жесткий переходник 27 для барботажа, который погружен в жидкость 26 экстракта биомассы в испарителе 12, которая во время и непосредственно после экстрагирования загрязнена фторуглеводородным растворителем (ФУВ-растворителем).

Жесткий переходник 27 представляет собой удлиненный элемент, в котором выполнено одно или несколько отверстий. Жесткий переходник открыт на одном конце, который соединен с магистралью 27а подачи сжатого барботирующего газа, такого как воздух или азот.

Жесткий переходник 27 может быть вставлен в испаритель 27, например через плиту или люк для обеспечения доступа, и заглублен под поверхность экстракта 26. Когда барботирующий газ течет по магистрали 27а в полое внутреннее пространство 26, он выходит через отверстия в жестком переходнике 27 и обеспечивает сквозной барботаж жидкости 26.

Альтернативная компоновка показана на фиг.3, где барботаж происходит в полом аппарате 25, отдаленном от испарителя 12. В этом случае можно использовать жесткий переходник так же, как показано на фиг.2. В другом варианте, как показано на чертежах, источник 30 барботирующего газа (воздуха или N₂) может быть постоянно подсоединен посредством канала, находящегося под поверхностью жидкости 26 в аппарате 25 или испарителе 12. Последняя компоновка не является частью заявляемого изобретения.

Предлагаемый способ снижения остаточных уровней ФУВ-растворителя заключается в следующем. По окончании процесса экстрагирования собранный экстракт подвергают умеренному разрежению, например посредством соединения с магистралью вакуума, показанной на фиг.2, для удаления массы растворителя с целью восстановления. На этой стадии остаточный уровень растворителя, вероятно, составляет порядка 10000 частей на миллион. После этого барботирующий газ вводят в экстракт, например по жесткому переходнику 27, и продолжают барботаж с той скоростью и в течение такого периода, которые достаточны для достижения желаемого уровня содержания остатка растворителя, составляющего, как правило, порядка 1-100 частей на миллион.

Во время барботажа выпускной канал испарителя или аппарата может быть соединен с магистралью 31 отвода барботирующего газа.

Этот процесс можно проводить: внутри испарителя/сборника 13 оборудования для экстрагирования (в соответствии со способом, проиллюстрированным на фиг. 2); в отдельном аппарате (в соответствии со способом, проиллюстрированным на фиг. 3); или в колонне очистки противотоком, в которой (жидкий) экстракт пропускают через набивочный материал в контакте с барботирующим газом. Хотя в качестве барботирующего газа можно использовать воздух для достижения хорошего эффекта, все же выгодно использовать азот, потому что он создает инертную атмосферу поверх экстракта, повышая таким образом стабильность хранения, особенно когда барботаж проводят в самом сборнике экстракта. Когда экстракт представляет собой твердое вещество или пасту с низкой температурой плавления, этот экстракт можно с выгодой увлажнять перед барботажем, чтобы образовывалась жидкость.

Эффективность способа иллюстрируется следующим неограничительным примером.

Пример Образцы подвергали комбинированному воздействию нагрева (до 40^oС) и вакуума в течение известных периодов времени, а также барботажу азотом. Строили графики, которые показывали скорость удаления 1,1,1,2-тетрафторэтана ("R-134a").

Применяли способы удаления, условия реализации которых перечислены в таблице.

Для определения количества остаточного R-134a навеску экстракта (0,5 г) помещали в гипосиловую пробирку и закрывали, ввинчивая в нее мембрану из силиконового каучука, покрытую полиэтилентерефталатом (ПЭТФ). Пробирку нагревали до 80^oС в течение 30 минут для высвобождения R-134a из экстракта. Пробирку вынимали из печи и нагнетали давление в пробирке, закачивая 20 мл воздуха из шприца. Затем давали шприцу повторно наполниться и немедленно впрыскивали содержимое в прибор для газовой хроматографии (ГХ) через газозаборный клапан. Прибор для ГХ был предварительно откалиброван.

Затем рассчитывали результаты в % (или в частях на миллион) по соотношению масс R-134a и биомассы или экстракта. Предел обнаружения составлял 50 частей на миллион по соотношению масс с учетом содержания R-134a в экстракте.

На фиг.4 и 5 отображены результаты обработки.

ОБСУЖДЕНИЕ Для экстракта иллициума настоящего, который применяли в этом эксперименте, использование вакуума и нагрева (40^oС) будет способствовать удалению относительно больших количеств остаточного R134a в течение относительно короткого промежутка времени (т.е. снижению от 2700 до 100 частей на миллион по соотношению масс менее чем за 20 минут), но для большего снижения потребуется большее время. Аналогичные результаты ожидаются и от других экстрактов.

Из фиг.5 можно увидеть, что наиболее эффективным средством удаления R-134а является способ барботажа азотом (снижение от 10000 до менее 1 части на миллион по соотношению масс за 10 минут). Этот способ также обладает дополнительным преимуществом, так как он не требует никакой термообработки экстракта. Кроме того, барботаж азотом создает инертную атмосферу для дальнейшего хранения.

Формула изобретения

1. Установка для снижения остаточных уровней растворителя в веществе (26), экстрагированном из биомассы, содержащая аппарат (12) для экстрагирования, предназначенный для содержания в нем упомянутого вещества в жидком состоянии и загрязненного фторуглеводородным растворителем (ФУВ-растворителем), и источник (27а) газа для барботажа экстракта биомассы в аппарате (12) паром, удаляющим растворитель, причем источник газа включает в себя жесткий полый переходник (27), имеющий отверстие для выпуска газа и соединенный с источником (27а) сжатого пара, удаляющего растворитель, вследствие чего пар, удаляющий растворитель, течет из своего источника по полому жесткому переходнику (27), выходя через отверстие для выпуска газа, при этом отверстие для выпуска газа погружено с возможностью перемещения в жидкое вещество (26) для обеспечения барботажа этого вещества паром, удаляющим растворитель.

2. Установка по п.1, в которой источник (27а) газа подает воздух и/или азот для барботажа экстракта биомассы.

3. Способ снижения уровней растворителей в веществе, экстрагированном из биомассы, предусматривающий барботаж упомянутого вещества, находящегося в жидком состоянии и загрязненного ФУВ-растворителем, паром, удаляющим растворитель.

4. Способ по п.3, при котором паром, удаляющим растворитель, является воздух или азот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6