Способ комплексной переработки растительного сырья

Изобретение относится к масложировой промышленности. Способ предусматривает подготовку, экстракцию с отделением соответствующего экстракта, с использованием в процессе каждой стадии экстракции периодического сбрасывания и повышения до исходного значения с отделением соответствующего экстракта. Перед экстракцией проводят пропарку исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и терпенов, затем ведут экстракцию водным 70% этиловым спиртом, с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента. Твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта. Твердый шлам экстрагируют смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием. Твердый шлам промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта. Полученные продукты направляют на выделение целевых продуктов. Изобретение позволяет увеличить ассортимент извлекаемых продуктов при упрощении технологического процесса. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области комплексной переработки растительного сырья с выделением нативных компонентов: эфирных масел, биофлавоноидов, активных натуральных пищевых кислот, витаминов, микро- и макроэлементов и т.д., которые могут быть использованы в качестве биологически активных добавок в пищевых и фармацевтических композициях, обладающих широким биологическим действием.

Растительное сырье является нативным природным биополимером, состоящим из нерастворимых в воде углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза) и лигнина, содержит растворимые в воде сахара, крахмал, пектины, соли и другие компоненты, а также экстрактивные вещества - эфирные масла, терпены, растительные полифенолы, стерины, лигнаны, танниды, липиды, жирные кислоты, азотсодержащие соединения.

При комплексной переработке растительного сырья из него получают:

- эфирные масла, терпены, используемые в парфюмерии, медицине, пищевой и консервной промышленности (Сокольников Н.П., Кондратицкий А.П., Технология эфиромасличного производства, М., 1958);

- витамины, применяемые в производстве пищевых добавок, фармацевтической промышленности;

- полифенолы - находящие применение в качестве антиоксидантов в органическом синтезе, в технике, сельском хозяйстве, производстве пищевых добавок, сырья в ветеринарии, фармацевтической промышленности;

- органические соединения - олигосахариды, используемые в качестве связующего при производстве таблеток, красок, эмульгаторов, биологически активных веществ, в качестве клея;

- технические продукты - нативный нерастворимый биополимер древесины, содержащий лигнин и целлюлозу, используемый в качестве сырья для производства микроцеллюлозы, технической целлюлозы, компонентов кормов крупного рогатого скота, сорбентов, угольных материалов, технического углерода, находящего применение в качестве сорбента для очистки почвы, воды, технологических стоков, для сбора нефти, нефтепродуктов, для производства корундов, при выплавке металлов, в качестве пигментных наполнителей и т.д. (Холькин Ю.И., Технология гидролизных производств. М.: Лесная промышленность, 1989).

Существующие способы переработки растительного сырья с хорошим выходом и высокой степенью чистоты предполагают уже на стадии экстракции, получение компонентов концентрированного лекарственного вещества или их комбинации с отделением соответствующего экстракта, который предусматривает возможность получения двух и более экстрактов или их купажа в качестве целевых продуктов (RU 2045917 С1, 20.10.1995) и применение их в индивидуальном виде либо композиции, выполненной в жидкой форме, в форме пилюль, таблеток, капсул, гранул. Для полноты извлечения и избежания потери экстрагируемых веществ из растительных объектов используют многократную экстракцию.

Технически задача может осуществляться экстрагированием в вакуумно-импульсном режиме при сбросе давления для вскипания экстрагента, выдержке под вакуумом, восстановлении исходного атмосферного давления и нагревании смеси до исходной температуры и отделением экстракта после 5 циклов изменения давления. Это позволяет нагреть сырье до температуры, не вызывающей денатурацию материала, осуществить смачивание и пропитку нагретого и дегазированного сырья нагретым растворителем в вакуумно-импульсном режиме (RU 2163827 С2, 03.10.2001).

Недостатком этого способа является работа под вакуумом и низкий коэффициент использования сырья, так как в сверхкритических условиях извлекается только жирорастворимая часть, в то время как все водорастворимые вещества остаются в твердом шламе, который далее не перерабатывается, а значительное измельчение сырья не обеспечивает полного извлечения каротиноидов и токоферолов, так как сырье размером менее 0,3 мм подвержено слипанию, что затрудняет процесс экстракции (Э.А. Шафтан и др. Использование экстракта из Rosa L. для косметических целей. Растительные ресурсы, 1976. Т.XIV, в.2, с.208-211).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и комплексности использования сырья является способ переработки экстракцией измельченных ягод шиповника водой и неполярным сжиженным газом. Давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения. Это сокращает продолжительность технологического цикла с выделением комплекса целевых продуктов, включающего экстракцию из деструктурированного сырья природных веществ (RU 2251918, A23L 1/212, 2005). Изобретение позволяет создать оптимально-эффективные условия для получения экстрактов с максимальным выходом действующих веществ, в частности витамина С.

Недостатком известного способа является использование диоксида углерода, находящегося в сверхкритическом состоянии, что требует высушивание исходного сырья и приводит к потере части биологически активных веществ. Другим недостатком данного способа переработки сырья является то, что используемая упрощенная технология выделения не обеспечивает полное извлечение экстракта после завершения стадии, а утилизация отходов создает определенные трудности технического и экономического характера при промышленной переработке растений. Кроме того, предлагаемая технология не предусматривает процесса утилизации и возврата реагентов в цикл и соответственно повышает стоимость целевых продуктов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа комплексной технологии переработки растительного сырья с использованием различных частей растений, различной степени влажности, увеличивающим ассортимент извлекаемых продуктов, при упрощении технологического процесса, за счет снижения диффузионного сопротивления экстракции, а также снижения энергозатрат за счет проведения экстракции с изменяемым составом экстрагента, исчерпывающего отделения жидкой экстракционной массы от проэкстрагированного сырья при сбросе давления и, как следствие, увеличение коэффициента использования сырья.

Поставленная задача решается за счет того что:

- при подготовке сырья экстрагируемые плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений используют без предварительной сушки и измельчения плодов, а измельчение стволовой и корневой частей растений проводится до размера 10-30-50 мм с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м³;

- в способе комплексной переработки растительного сырья вводят стадию пропарки исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и последующей исчерпывающей абсорбцией их неполярными углеводородами и последующим выделением целевого продукта;

- экстракцию проводят, периодически сбрасывая давление в экстракционной смеси до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, сопровождающегося кавитационными процессами, при которых каждая частица слоя неперемешиваемого материала интенсивно и много раз омывается экстрагентом и повышения давления до исходного значения (обычно 5-6 циклов). Все это ведет к резкому повышению тепломассообмена и соответственно интенсификации процесса экстракции. Давление повышают до исходного значения, извлекают природные вещества из частично деструктурированного сырья, что обеспечивает повышение глубины экстрагирования биологического сырья за счет разрушения его клеточной структуры в процессе экстрагирования и сопровождается снижением его диффузионного сопротивления и соответственно развитием поверхности контакта фаз с экстрагентом, содержащим воду, спирт и эмульсию неполярного углеводорода алифатического ряда, имеющего температуру кипения не более 90°С в условиях разделения экстракционной массы на экстракт и твердую фазу, при их массовом соотношении соответственно (5,0-10,0):(0,5-1), причем массовое соотношение сырья и неполярного углеводорода, входящего в состав эмульсии, составляет от 1,0:5 до 1,0:10 и определяется насыпной плотностью сырья;

- после проведения циклов периодического сбрасывания давления до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, охлаждения и последующей конденсации паров растворителя, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления;

- полученную после разделения экстракционной массы, твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием и последующим отжимом экстракта;

- аналогично ведут процесс экстракции смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда (гексан, петролейный эфир и др.);

- фракцию эфирных масел и терпенов направляют на выделение целевых продуктов;

- экстракты направляют на разделение. Из водно-спиртовой фазы выделяют водорастворимые витамины, олигосахариды и биофлавоноиды, а водно-углеводородно-спиртовой экстракт разделяют на расслаиваемые: водную фазу и углеводородную фазу масел, стеринов, липидов, жирных кислот, смол и биофлавоноидов, которые выводят из процесса в качестве целевого продукта, с последующим выделением из углеводородной фазы масел, стеринов, липидов, жирных кислот и смол, из водной фазы, содержащей водорастворимые витамины, олигосахариды и биофлавоноиды с последующей доочисткой биофлавоноидов дробной кристаллизацией.

Твердый шлам, оставшийся после экстракции смесью этилового спирта и неполярного углеводорода алифатического ряда, освобождают от следов экстрагента и получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, который используют как кормовую добавку в корм животных.

Используемые на стадии абсорбции и экстракции растворители рециркулируют, дегазируют от воздуха, хранят и содержат под азотным "дыханием", возвращают в цикл после регенерации с использованием холодильников-конденсаторов.

В качестве неполярного углеводорода с температурой кипения не более 90°С, входящего в состав экстрагента, используют смеси неполярных углеводородов, получаемые из прямогонного бензина с температурой кипения не более 90°С, предварительно очищенные от полимерных примесных смол фильтрацией, а также н-гексан, нефрас и др.

Способ осуществляют следующим образом: для проведения технологического процесса используют отдельно либо в виде смеси плоды, листья, побеги, стволовую и корневую части растений без сушки и измельчения плодов, что позволяет получить отдельные компоненты и/или их композиции, а измельчение стволовой и корневой частей растений проводят в мельнице узла подачи в бункер-питатель до размера технологической щепы с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м³ и подают в эмалированный реактор-экстрактор, имеющий паровую рубашку обогрева.

Используют реактор-экстрактор с сетчатым ложным днищем, а на сетчатое ложное днище экстрактора радиально уложены трубы с отверстиями 1,5×2,0 мм для подачи пара в реактор и отбора жидкой фазы.

Реактор предварительно нагревают до температуры 110-120°С. Через нижний патрубок реактора подают пар для смачивания сырья и нормализации влажности сырья, нагревают сырье до 105°С, отгоняют с паром эфирные масла, терпены. Отгон направляют на выделение целевых продуктов, которые разделяют известными методами.

В реактор из узла подачи вводят водный раствор 70% этилового спирта. Массовое соотношение твердой и жидких фаз целесообразно поддерживать в пропорциях: М_{измельч.сырье}:М_{водн.этанол}=1:4, объемный модуль 1:1, т.к. более высокое соотношение растворитель - экстрагируемый материал влечет за собой получение низкокоцентрированных экстрактов.

Подводящие и отводящие вентили закрывают и реакционную массу в экстракторе нагревают, пропуская в него пар для достижения давления в реакторе 0,5 МПа и температуры 125°С. Постоянное давление в реакторе в течение всего процесса экстракции поддерживают дополнительной подачей пара через радиально уложенные трубы ложного днища экстрактора.

Через 10 мин пропускания пара и достижения давления 0,5 МПа открывают шаровой кран для соединения с теплообменником типа "труба в трубе". После выдерживания в течение 10 мин для возврата экстрагента из теплообменника в экстрактор, кран перекрывают и подают пар для достижения давления 0,5 МПа. Эту операцию проводят 5-6 раз. Мягкие ткани растительного сырья (плоды, побеги, листья) деструктируются под механохимическим воздействием ударной волны, образующейся в условиях фазового перехода «жидкость-пар» и происходящего вскипания экстрагента. В стеблях и корневой части происходит выдавливание экстракта через стенки ситовидных клеток растений и экстракция ускоряется за счет кавитационных процессов, обусловленных кипением растворителя, сопровождающимся интенсивным перемешиванием и соответственно уменьшением времени диффузии.

Для быстрого удаления экстракта после достижения давления 0,5 МПа водно-спиртовой экстракт водорастворимых витаминов олигосахаров, флавоноидов отжимают через сетчатое ложное днище экстрактора с уложенными трубами с отверстиями 1,5×2,0 мм. После разделения полученной экстракционной массы твердую фазу промывают экстрагентом в пропорциях: М_{измельч.сырье}:М_{водн.этанол}=1:0,25-0,5, объемный модуль 10:1-2. Экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента и отжимом за счет образующегося избыточного давления. Для полного отжима экстракта из шлама эту операцию проводят 2-3 раза. Объединенный водно-спиртовой экстракт направляют в реактор для отгонки экстрагента. После отгонки 70% этилового спирта в аппарате вакуумной отгонки получают целевой продукт - водный раствор активных натуральных пищевых кислот, витаминов, олигосахаров, флавоноидов, который используют в виде концентрированного лекарственного вещества либо разделяют на отдельные компоненты известными методами. Отогнанный 70% раствор этилового спирта рециркулируют в процесс через узел подачи экстрагента.

В реактор, нагретый до температуры 105-110°С, содержащий шлам, после экстракции полярной фракции из узла подачи вводят спиртовой н-гексановый экстрагент (раствор 20% этилового спирта - 80% н-гексана). Массовое соотношение твердой и жидких фаз целесообразно поддерживать в пропорциях: М_{измельч.сырье}:М_{гексан-этанол}=1-4, объемный модуль 1:1.

Через 10 мин для смачивания сырья экстрагентом и достижения давления 0.5 МПа, которое поддерживают дополнительной подачей пара в рубашку реактора, открывают шаровой кран для соединения с теплообменником типа "труба в трубе". После выдерживания в течение 10 мин для возврата экстрагента из теплообменника кран перекрывают и подают пар в рубашку для достижения давления 0.5 МПа. Эту операцию проводят 5-6 раз. Для удаления экстракта после достижения давления 0.5 МПа отжимают водный н-гексан-спиртовой экстракт жирорастворимого липидно-каротиноидного комплекса в виде эмульсии, образующейся за счет остатка воды в сырье, от твердого шлама, содержащего лигнин и целлюлозу. После разделения полученной экстракционной массы твердую фазу промывают экстрагентом в пропорциях: М_{измельч.сырье}:М_{гексан-этанол}=1:0,5-1, объемный модуль 10:1-2. Экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента и отжимом за счет образующегося избыточного давления и направляют на выделение. Для полного отжима экстракта от твердого шлама эту операцию проводят 2-3 раза. Объединенный вода-н-гексан-спиртовой экстракт направляют на выделение целевых продуктов. Целевой продукт - экстракт жирорастворимого липидно-каротиноидного комплекса, который используют в виде концентрированного лекарственного вещества, либо разделяют на отдельные компоненты известными способами. Отогнанную водно-н-гексановую эмульсию отстаивают и н-гексан рециркулируют в процесс через узел подачи экстрагента.

Твердый шлам, оставшийся после спиртово-н-гексановой экстракции, освобождают от следов экстрагента, при этом отгонку следов растворителя из отработанного шрота производят путем воздействия на него перегретых паров воды и нагрева шрота в зоне выгрузки. Выделенный продукт сушат, получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, который используют как кормовую добавку в корм животных.

Таким образом, предлагаемый способ комплексной переработки в едином технологическом процессе позволяет осуществлять более эффективное использование растительного сырья при его комплексной переработке с получением наиболее ценных биологически активных пищевых компонентов. За счет внедрения стадии пропарки с отгонкой эфирных масел, терпенов, ступенчатой экстракции с использованием растворителей различной полярности достигается комплексная переработка растительного сырья и возможность расширения ассортимента биологически активных добавок, а отжим экстракта из твердого шлама за счет избыточного давления позволяет достигать исчерпывающего отделения экстракта.

Предлагаемый способ позволяет использовать сырье различной степени влажности и повысить коэффициент его использования за счет более полного отделения экстракта, а переработка отдельно либо в виде смеси плодов, листьев, побегов, стволовой и корневой частей различных видов растений позволяет получить либо отдельные компоненты и/или их композиции и, следовательно, увеличить ассортимент извлекаемых продуктов, при снижении энергозатрат в производстве продукции, упростить технологию процесса, что в результате дает возможность рационально использовать сырьевые ресурсы растительного сырья.

1. Способ комплексной переработки растительного сырья, предусматривающий подготовку, экстракцию с отделением соответствующего экстракта, с использованием в процессе каждой стадии экстракции периодического сбрасывания давления до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента и повышения до исходного значения с отделением соответствующего экстракта, отличающийся тем, что перед стадией экстракции проводят пропарку исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и терпенов, затем ведут экстракцию водным 70% этиловым спиртом, с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления, твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта, далее твердый шлам экстрагируют смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления, твердый шлам промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта, а затем фракцию эфирных масел и экстракты направляют на выделение целевых продуктов, а твердый шлам, оставшийся после экстракции смесью этилового спирта - неполярного углеводорода алифатического ряда, освобождают от следов экстрагента нагреванием и получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, которые используют как кормовую добавку в корм животных.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений.

3. Способ по п 2, отличающийся тем, что экстрагируемые плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений используют без предварительной сушки и измельчения плодов.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что стволовую и корневую части растений измельчают до размера 10-30-50 мм и с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м³.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение твердой и жидких фаз при экстрагировании водным раствором этилового спирта и этилового спирта - неполярного углеводорода алифатического ряда относительно сырья составляет соответственно 1:4, объемный модуль 1:1.