Способ экстрагирования веществ парфюмерного, пищевого и фармацевтического назначения

Изобретение относится к масложировой промышленности. Исходный материал циклически нагревают, подвергая воздействию микроволновой энергией, до достижения заданной температуры, а полученный экстракт принудительно охлаждают до заданной температуры. На каждом цикле исходный материал сначала нагревают микроволновой энергией до температуры 40-50°С с одновременным впрыском в рабочий объем экстрактора мелкодисперсного экстрагента с периодом воздействия на сырье 0,5 минут при частоте 2 цикла в минуту и повышением давления в рабочем объеме экстрактора до 3000-4000 мм рт.ст. Затем понижают температуру материала до 25-30°С и давление в рабочем объеме экстрактора до 10^-1-10^-2 мм рт.ст. Воздействие микроволновой энергией осуществляют только на стадии нагревания, а продолжительность процесса составляет не более 10 минут, впрыск экстрагента прекращают на последних двух минутах экстрагирования. Изобретение позволяет сократить инерционность и энергоемкость процесса экстрагирования, повысить качество выходного продукта и расширить функциональные возможности оборудования на его основе. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение, способ экстрагирования веществ парфюмерного, пищевого и фармацевтического назначения, относится к сельскому хозяйству, парфюмерной, пищевой и фармацевтической промышленности, а в частности к способам и средствам вытяжки ценных компонентов из продукции растениеводства.

Известен способ экстрагирования веществ [1], включающий три последовательные стадии: смешивание исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твердого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента достигается выпариванием, высаливанием и т.п.

Достоинствами экстрагирования являются сравнительно низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность ее автоматизации.

Недостатками известного способа экстрагирования в ряде случаев является значительные инерционность и энергоемкость и затруднение полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ. Значительные временные затраты на экстрагирование в некоторых случаях обуславливают потери извлекаемых веществ, что снижает производительность способа.

Известно, что экстрагирование подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При экстрагировании из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества В в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината R. При взаимной растворимости экстрагента С и растворителя А исходного раствора Р зависимость концентрации y=f(x) для равновесной системы (для которой концентрация у_p) представима диаграммой вида (см. фиг.1). Если раствор Р разбавлен, а вещество В в экстракте Э находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, то функция концентрации описывается по

(К_р - коэффициент распределения) и не зависит от y_р, а линия равновесия на диаграмме у-х является прямо пропорциональной (линейной) 1; в противном случае функция концентрации К_р непрямо пропорциональна и линия равновесия криволинейна 2. Но K_p=f(t) (зависит от температуры t), K_p ≠ f(p) (практически не зависит от давления р) и определяется экспериментальным путем.

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешивания экстрагента и исходного раствора действительная (реальная) концентрация у<у_р, а характеристика эффективности экстрагирования Δу и ее движущей силы определяются по

В результате однократного экстрагирования возможно достижение сравнительно небольшого значения Δу, т.е. сравнительно незначительной степени извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому прибегают к многократному повторению актов смешивания и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении. Если в исходном растворе концентрация у вещества В уменьшается от x₁ до х₂, то концентрация вещества В в фазе экстракта возрастает от 0 до у₁.

Из уравнения материального баланса, описываемого выражением

где D и W - соответственно расход чистых экстрагента и растворителя, х₁ и y₁ - концентрации относительно чистого растворителя и чистого экстрагента С, а М - количество экстрагированного вещества В, можно определить D из

Уравнение (3) описывает прямую, проходящую через точки с координатами (х₂, 0) и (x₁, y₁). Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента С растет по мере уменьшения х₂ в растворителе и уменьшения его y₁ в экстракте.

Кинетика экстрагирования описывается общим уравнением массообмена по

где М - количество экстрагированного вещества В, К - коэффициент эффективности процесса, Δc - средняя разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах, F - величина межфазной поверхности, а τ - время длительности процесса. Величина Δс однозначно определяется заданными концентрациями х, у и у_p, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путем турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F - путем диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкодисперсные фракции. Точное значение К аналитически, пока, невыразимо, поэтому эффективность (2) процесса экстрагирования выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия. Графическое определение числа ступеней равновесия с частично растворимыми экстрагентом и растворителем приведено на фиг.1.

В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (см. фиг.2). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в которой концентрации компонентов А, В и С прямо пропорциональны длинам перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны треугольника.

Под бинодальной кривой EG расположена область гетерогенных смесей, а над бинодальной кривой - гомогенных растворов. Процессы экстрагирования, поскольку в них чередуются акты смешивания и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента С, получают тройную гетерогенную смесь Р, которая расслаивается на экстракт Q и рафинат R с концентрацией b экстрагируемого вещества, а смешав рафинат со свежей порцией экстрагента, получают новую гетерогенную смесь P₁, которая в дальнейшем расслаивается на экстракт Q₁ и рафинат R₁ с более низкой концентрацией b₁ экстрагируемого вещества. Положение конод, прямых QR и Q₁R₁, определяется для каждой системы экспериментально. Продолжая акты смешивания и расслоения, добиваются дальнейшего понижения концентрации b_i компонента В в рафинате, т.е. повышения степени вытяжки Δу. Число построенных конод однозначно соответствует числу ступеней равновесия. Т.о., после каждого акта смешивания и расслаивания падает концентрация извлекаемого вещества В как в рафинате R, так и в экстрагенте С.

Известен способ повышения концентрации вещества В в экстракте Э и большего его исчерпывания из рафината R [2], предполагающий экстрагирование с обратной флегмой, сущность чего сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и повторному возвращению долей этих фракций в экстракторах навстречу отводимых потоков.

Недостатки известного способа экстрагирования - значительные временные и энергетические затраты.

Экстрагируемое вещество растительного и животного происхождения сосредоточено в клетках, разделенных липидными мембранами с анизотропными свойствами, что препятствует его извлечению из внутриклеточного пространства, особенно при экстрагировании высокомолекулярных и гидрофобных соединений. Значительные размеры и молекулярный вес разнообразных функциональных групп экстрагируемого вещества определяют различные нековалентные связи между собой и молекулами растворителя (экстрагента). Все вышеперечисленное существенно затрудняет вытяжку экстрагируемых веществ из сырья. К тому же, высокая реакционная способность экстрагируемого вещества и лабильность его структуры создают дополнительные ограничения на технологические параметры процесса экстрагирования.

Известен, как более близкий к предмету изобретения, «способ получения экстрактов с использованием электрофизических методов воздействия» [3], состоящий в том, что на первом этапе исходный материал водонасыщают, воздействуя электрическим током повышенной частоты, на втором этапе водонасыщенный исходный материал помещают в жидкость с высокими диэлектрическими свойствами и воздействуют микроволновой (СВЧ) энергией заданной мощности на единицу объема исходного материала до достижения заданной температуры жидкости, на третьем этапе полученный экстракт принудительно охлаждают до заданной температуры и неоднократно повторяют циклы нагрева и охлаждения в течение заданного отрезка времени.

Существенными недостатками известного способа являются необходимость предварительного водонасыщения, использования жидкости с определенными диэлектрическими свойствами и токов повышенной частоты, а в совокупности - значительные временные и энергетические затраты на вытяжку требуемых веществ.

Задача изобретения - сокращение временных и энергетических затрат на экстрагирование.

Решение поставленной задачи достигается тем, что исходный материал, в дополнение к циклическому воздействию микроволновой энергией и понижению температуры экстракта, на каждом цикле, сначала подвергают нагреву микроволновой энергией до заданной (до 40÷50°С) температуры с одновременным впрыском в объем экстрактора мелкодисперсного экстрагента и повышением давления (до 3000÷4000 мм рт.ст.) в объеме экстрактора, а затем понижают (до 25÷30°С) его температуру и давление (10^-1-10^-2 мм рт.ст.) в объеме экстрактора при исключении воздействия микроволновой энергией.

Технический результат изобретения - способа экстрагирования веществ парфюмерного, пищевого и фармацевтического назначения, состоит в том, что исходный материал циклически нагревают, подвергая воздействию микроволновой энергией, до достижения заданной температуры, а полученный экстракт принудительно охлаждают до заданной температуры, причем, исходный материал, на каждом цикле, сначала нагревают микроволновой энергией до температуры 40÷50°С с одновременным впрыском в рабочий объем экстрактора мелкодисперсного экстрагента с периодом воздействия на сырье 0,5 минут при частоте 2 цикла в минуту и повышением давления в рабочем объеме экстрактора до 3000÷4000 мм рт.ст., а затем понижают его температуру до 25-30°С и давление в рабочем объеме экстрактора до 10^-1-10^-2 мм рт.ст., при этом воздействие микроволновой энергией осуществляют только на стадии нагревания, а продолжительность процесса составляет не более 10 минут, впрыск экстрагента прекращают на последних двух минутах экстрагирования.

Указанный эффект достигается тем, что экстрагируемый материал на каждом цикле подвергают сначала нагреву 40÷50°С микроволновой энергией с одновременным впрыском мелкодисперсного экстрагента и повышением давления до 3000÷4000 мм рт.ст. в объеме экстрактора, а затем - охлаждению до 25÷30°С с одновременным понижением давления до 10^-1-10^-2 мм рт.ст. в объеме экстрактора.

В частности, к температурному режиму экстрагирования, в силу деструкции извлекаемого вещества, предъявляются существенные ограничения на допуск по температуре (+40÷50°С). Для повышения проницаемости стенок клеток и мембран исходного материала механическое воздействие оказывается недостаточным и дополняется термическим воздействием и воздействием динамического давления, причем оказываются значительно более эффективными ударные, ступенчатые воздействия. Временные диаграммы воздействия энергией СВЧ (Э), термического воздействия (Т), динамического давления (Д), впрыска экстрагента (Р) и количества извлеченного вещества (М_ср) для повышения эффективности и быстродействия экстрагирования приведены на фиг.3.

С целью реализации приведенной на фиг.3 диаграммы разработан экстрактор, содержащий рабочий объем (камеру), каналы повышения и понижения давления, плунжерный насос и форсунку для впрыскивания экстрагента, источники СВЧ-излучений, конденсор (охладитель), накопитель экстракта, плунжерный насос откачки-накачки, ресиверы низкого (вакуума) и высокого давления, управляемые клапаны по входам и выходам рабочего объема (камеры) экстрактора и ресиверов и блок управления.

В частности, в эксперименте, на опытном образце экстрактора [4] с объемом камеры 10 л, в качестве исходного материала (сырья) использовались свежесрезанная мята (для пищевкусовых целей) и перегородки грецкого ореха (для фармацевтических целей), в качестве экстрагента - дистиллированная вода, в качестве источника СВЧ энергии - два магнетрона М152-II, длительность периода воздействия на сырье - 0,5 мин при частоте - 2 цикла/мин, продолжительность процесса - не более 10 мин. В эксперименте температура поднималась до +45÷50°С, а снижалась до +25÷30°С, давление в рабочем объеме экстрактора повышалось до 3000-4000 мм рт. ст., а понижалось до 10^-1-10^-2 мм рт. ст. Выходной продукт, при исключении впрыска экстрагента на последних двух минутах процесса экстрагирования, - практически сухие мята и перегородки с незначительным содержанием экстрагируемого вещества. При этом, экспериментально, установлена повышенная на 20÷25% производительность способа экстрагирования и экстрактора, по сравнению с известным по [3] способом, что объясняется импульсными воздействиями энергии СВЧ в сочетании с чередующимся высоким и низким давлением и проникновением в структуру сырья мелко дисперсного экстрагента под высоким внешним, относительно давления внутри материала сырья, давлением.

Возможность сокращения инерционности процесса сушки скоропортящейся продукции растениеводства, например грибов, ведет к повышению качества готового продукта, что расширяет функциональные возможности заявляемого способа экстрагирования и экстрактора на его основе.

Источники информации

1. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование. - Л.: Фармация, 1974. - 186 с.

2. Золотов Ю.А., Кузьмин Н.М. Концентрирование микроэлементов. -М.: Химия, 1982. - 284 с.

3. Заявка RU 2002129536, C11B 1/10, A61K 35/78, B01D 11/00, 2002.

4. Патент RU 2283161, В01D 11/02, б. 25, 2006.09.10.

5. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. / Под ред. Сергеева А.Г., т.1, кн. 2, - Л.: ВНИИЖ, 1974, стр.20-23.

Способ экстрагирования веществ парфюмерного, пищевого и фармацевтического назначения, состоящий в том, что исходный материал циклически нагревают, подвергая воздействию микроволновой энергией, до достижения заданной температуры, а полученный экстракт принудительно охлаждают до заданной температуры, отличающийся тем, что исходный материал, на каждом цикле, сначала нагревают, микроволновой энергией, до температуры 40-50°С с одновременным впрыском в рабочий объем экстрактора мелкодисперсного экстрагента с периодом воздействия на сырье 0,5 мин при частоте 2 цикла в минуту и повышением давления в рабочем объеме экстрактора до 3000-4000 мм рт.ст., а затем понижают его температуру до 25-30°С и давление в рабочем объеме экстрактора до 10^-1-10^-2 мм рт.ст., при этом воздействие микроволновой энергией осуществляют только на стадии нагревания, а продолжительность процесса составляет не более 10 мин, впрыск экстрагента прекращают на последних двух минутах экстрагирования.