Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Современное состояние экстракции растительных масел 6
1.1.1. Способы экстрагирования растительных масел из масличного сырья,. 6
1.1.2. Растворимость растительных масел в экстрагентах 21
1.1.3. Способы интенсификации процесса экстракции растительных масел... 30
1.2. Перспективы использование электромагнитного поля СВЧ для
экстракции 37
1.3. Способы получения кедрового масла 45
Заключение
Глава 2. Экспериментальная часть 53
2.1. Объекты исследования 53
2.2. Методы исследований 53
2.3. Статистическая обработка результатов эксперимента 59
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 61
3.1. Исследование диэлектрических характеристик кедрового масла и спирта этилового в ЭМП СВЧ 62
3.2. Исследование скорости возрастания температуры в ЭМП СВЧ 68
3.3. Определение коэффициента диффузии 70
3.4. Исследование влияния изучаемых факторов на степень извлечения липидов при экстракции спиртом этиловым в ЭМП СВЧ 87
Глава 4. Разработка экспериментальной экстракционной установки с СВЧ- энергоподводом и результаты ее испытании 99
4.1. Разработка экспериментальной установки для экстракции 99
4.2. Пилотные испытания экстракции кедрового масла на опытной экстракционной установке с СВЧ-энергоподводом 105
4.3. Физико-химические показатели и витаминный состав кедрового масла, полученного СВЧ-экстракцией 108
Глава 5. Разработка технологической схемы получения кедрового масла экстракцией спиртом этиловым в ЭМП СВЧ 112
5.1. Обоснование выбора технологической схемы 112
5.2. Характеристики опытной партии кедрового масла по данным Центра санэпиднадзора РФ по РБ и Центра стандартизации РБ 116
5.3. Расчет экономической эффективности получения кедрового масла в ЭМП СВЧ 118
Выводы 124
Библиография 125
Приложения 142
- Современное состояние экстракции растительных масел
- Объекты исследования
- Исследование диэлектрических характеристик кедрового масла и спирта этилового в ЭМП СВЧ
Введение к работе
Растительные масла с высоким содержанием полиненасыщенных жирных кислот обладают широким спектром биологического действия, а получаемые попутно пищевые белки используются в качестве обогатителей многих пищевых продуктов незаменимыми аминокислотами.
Богатым источником растительного масла и пищевых белков является кедровый орех (семена сосны сибирской). В кедровом орехе содержится до 68% липидов. Благодаря большому содержанию в кедровом масле линолевой (до 72%), линоленовой (до 27,5%), жирных кислот, витаминов Е, F, макро- и микроэлементов оно широко используется в медицине и косметической промышленности.
Существующие способы получения кедрового масла холодным прессованием не позволяют полностью выделить его из ядра, а горячее прессование приводит к денатурации белково-липидного комплекса. Наиболее совершенные способы извлечения липидов - экстракционные, в которых для экстракции растительных масел широко используются алифатические углеводороды. Однако использование токсичных растворителей неблагоприятно сказывается на качестве масла и шрота.
Известен способ получения кедрового масла экстракцией спиртом этиловым в электромагнитном поле СВЧ [89], позволяющий значительно сократить длительность экстракции и при этом получать масло высокого качества. Однако отсутствие как в лабораторной практике, так и в промышленности экстракторов с СВЧ-энергоподводом экспериментальные исследования и опытные испытания проводились в бытовой СВЧ-печи, которая не приспособлена для экстракционных процессов с органическими растворителями.
Изложенное выше обусловило актуальность данной работы.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР ФЦП «Социально-экономическое развитие Республики Бурятия на 1996-2005 гг.» по теме 2.21.8/Ф «Разработка технологических основ комплексной переработки кедрового ореха с внедрением технологической линии по производству высококачественного кедрового масла», а также в соответствии с ФНТГТ
«Бурятия. Наука. Технологии и инновации» по теме: «Получение биологически активных веществ из растительного сырья Байкальской природной территории. Теория и практика».
Цель и задачи исследований. Цель - разработка технологии и оборудования для получения масла из семян сосны сибирской (кедра сибирского) методом экстрагирования в электромагнитном поле СВЧ с максимальным сохранением его биологической ценности.
Достижение цели предполагало решение следующих задач:
- разработка экспериментальной полупромышленной установки с СВЧ-
энергоподводом для экстрагирования липидов из ядер кедра сибирского;
исследование кинетических закономерностей процесса извлечения масла из ядра семян кедра сибирского экстракцией в электромагнитном поле СВЧ;
изучение состава кедрового масла, полученного на разработанной установке при оптимальных технологических режимах;
разработка технологии, позволяющей получить кедровое масло с максимальным сохранением полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) и витаминов.
Научная новизна. Разработана впервые экспериментальная полупромышленная установка с СВЧ-энергоподводом для экстракции растительного масла из масличного сырья, разработаны и апробированы технологические режимы получения кедрового масла экстракцией спиртом этиловым. Экспериментально-расчетным путем получены критериальные уравнения описывающие процесс экстракции кедрового масла этиловым спиртом в электромагнитном поле СВЧ, определены эффективные коэффициенты диффузии и массоотдачи масла из семян в растворитель и установлены их зависимости от продолжительности экстракции и мощности СВЧ-излучения. Исследовано влияние технологических факторов процесса экстракции на извлечение масла из ядра семян кедра сибирского на полупромышленной установке с СВЧ-энергоподводом. Определены составы кедрового масла и послеэкстракционного остатка (шрота), полученных методом экстрагирования в среде спирта этилового при оптимальных технологических режимах.
6 Практическая ценность. Разработанные экспериментальная
полупромышленная экстракционная установка с СВЧ-энергоподводом для экстракции растительных масел и способ получения кедрового масла позволяют интенсифицировать процесс экстракции в 10-15 раз, снизить в 2 раза потребление электроэнергии и максимально сохранить витамины и ПНЖК, что по сравнению с применяемыми в настоящее время экстракторами и способами является перспективным и экономически выгодным. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана технологическая схема получения кедрового масла и послеэкстракционного остатка (шрота), которые могут быть использованы в пищевой, медицинской и косметической промышленностях. Разработаны технические условия на масло кедровое экстракционное, полученное СВЧ-экстракцией спиртом этиловым (ТУ 9141-034-02069473-2002). Получен акт об испытании биологической активности масла кедрового экстракционного на базе Республиканской клинической больницы им. Н.А. Семашко в отделениях эндоскопии и гастроэнтерологии.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков» (Томск, 2000 г.), научной конференции «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (Чита, 2001), Н-й школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2001), научно-практической конференции «Будущее Бурятии глазами молодежи» (Улан-Удэ, 2001), годичной конференции ВСГТУ (Улан-Удэ, 2001), VI международном съезде «Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения» (Санкт-Петербург, 2002), всероссийском семинаре «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2002), II международной конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии». (Улан-Удэ, 2003г.), международной конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новые технологии добычи и переработки природного сырья в условиях экологических ограничений» (Улан-Удэ, 2004).
Современное состояние экстракции растительных масел
Для извлечения масла из маслосодержащего материала принципиально возможно использование двух методов экстракции: метода настаивания и метода последовательного обезжиривания. [53, 137]
По методу настаивания свежий материал заливается чистым растворителем. Через некоторое время часть масла переходит в растворитель, в результате чего образуется раствор - мисцелла, который затем сливается. Обезжиренный материал снова заливается чистым растворителем и так повторяется до тех пор, пока не будет извлечено почти все масло. Первые порции мисцеллы имеют более высокую концентрацию, в последующих концентрация убывает. Многократная обработка материала чистым растворителем протекает длительное время и приводит к получению слабо концентрированных мисцелл.
При методе последовательного обезжиривания чистый растворитель непрерывно поступает на максимально обезжиренный материал, а концентрированная мисцелл а - на свежезагруженное сырье. Использование этого метода дает возможность получить более концентрированные мисцеллы и сократить продолжительность экстракции. В промышленных условиях производства растительных масел в настоящее время применяется почти исключительно метод последовательного обезжиривания. Экстракционные аппараты, работающие по этому методу, делятся на аппараты периодического и непрерывного действия.
При переработке семян подсолнечника и хлопчатника в нашей стране и за рубежом длительное время использовались экстракторы периодического действия фирмы «Кебер». [51, 53, 74] Для создания непрерывности в работе экстракционного цеха использовалась батарея экстракторов из семи, восьми, девяти аппаратов. Установка работала по методу последовательного обезжиривания. Батарейные установки имели ряд существенных недостатков, свойственных установкам периодического действия.
Экстракция методом последовательного обезжиривания в аппаратах непрерывного действия позволяет: 1) соблюдать принцип противотока и применять метод последовательного обезжиривания в одном аппарате; 2) повысить безопасность работы путем автоблокирования электродвигателей, машин и аппаратов экстракционного цеха; 3) осуществить полную механизацию всех операций цеха и автоматизировать большинство из них; 4) значительно сократить количество оборотного растворителя в производстве.
Все экстракторы непрерывного действия работают по методу последовательного обезжиривания. Для перемещения материала и обеспечения непрерывной работы экстрактора используются различные рабочие органы в виде вертикальных и горизонтальных шнеков; тарелок или системы прямых и обратных сетчатых воронок, набранных на вращающемся валу; вертикальных и наклонных ковшовых транспортеров; камер (корзинок), перемещающихся в горизонтальной плоскости по замкнутой кривой; горизонтальных ленточных и ленточно-рамных транспортеров; ротационных камер с зеерными неподвижными или откидными днищами.
Такое разнообразие механизмов для перемещения материала в экстракторах не позволяет классифицировать их по этому второстепенному чисто конструктивному признаку. Ввиду этого в настоящее время общепринятой является классификация экстракторов по такому важному технологическому, обобщающему признаку, как характер взаимодействия экстрагируемого материала и растворителя — способу экстракции.
По этому признаку различают три вида экстракторов:
1) экстракторы, работающие по способу погружения экстрагируемого материала в противоточно движущийся растворитель;
2) экстракторы, работающие по способу многоступенчатого противоточного орошения растворителем материала, перемещаемого каким- либо транспортным механизмом;
3) экстракторы, работающие по смешанному способу, при котором на первой стадии свежий материал замачивается и экстрагируется концентрированной мисцеллой, а на второй окончательно обезжиривается путем многоступенчатого орошения мисцеллой и чистым растворителем.
Объекты исследования
Определение содержания липидов (масличности) в семенах сосны сибирской
Масличность ядер кедровых орехов определялась методом исчерпывающей экстракции липидов (экстракционным методом) из измельченного материала с использованием аппарата Сокслета [106]. Метод основан на максимально возможном извлечении липидов из анализируемого материала, при многократной обработке растворителем. Процесс обезжиривания ведут до тех пор, пока содержание липидов в материале не будет представлять ничтожно малую величину. Затем из полученной вытяжки отгоняют растворитель, а остаток, содержащий липиды, высушивают в условиях, исключающих его окисление, и взвешивают.
Для пересчета содержания липидов на абсолютно сухое вещество была определена влажность исследуемых продуктов.
Влажность кедровых орехов определялась путем их высушивания до постоянной массы.
Техника выполнения. Пустые бюксы, предварительно прокаленные и охлажденные в эксикаторе, взвесить с точностью до 0,0001г.
Бюксы с навесками при открытых крышках поместить в сушильный шкаф при температуре 105С. После двух часов высушивания бюксы закрыть крышками, охладить в эксикаторе в течение 10 мин и произвести первое взвешивание (при закрытом бюксе).
Бюксы с открытыми крышками вновь поместить в сушильный шкаф. Эту операцию повторять до тех пор, пока не установится постоянная масса бюксы с навеской.
Расчет. Влажность семян (%) W=100(m2-m3)/P, где Р= (Ш]-т2)- навеска измельченных семян, взятых на анализ, г.
Определение плотности ядра кедрового ореха.
Для разработки технологии экстракции кедрового масла этиловым спиртом и из ядра семян сосны сибирской, проведения расчетов коэффициента диффузии и выбора конструкции экстракционного аппарата были определены рист плотности ядра кедрового ореха и рнлс насыпная плотность.
Насыпную плотность определяли с помощью мерного цилиндра по методике [26]. Истинную плотность ядра определили с помощью пикнометра по методике, аналогичной [102]. В качестве жидкости смачивающей, но не растворяющей материал, использовался дистиллированную воду.
Полученные результаты исследований истинной и насыпной плотности ядра семян сосны сибирской в зависимости от толщины лепестка приведены в таблице 6.
Исследование диэлектрических характеристик кедрового масла и спирта этилового в ЭМП СВЧ
Для разработки технологического процесса экстракции сырья под воздействием энергии электромагнитного поля СВЧ, а также аппаратуры для реализации этого процесса важно исследование диэлектрических характеристик обрабатываемого сырья. От значения диэлектрических характеристик сырья и экстрагента зависит величина удельной мощности электромагнитного поля СВЧ (ЭМП СВЧ), трансформируемой в теплоту, и глубину проникновения СВЧ-поля в ядро кедрового ореха. В свою очередь диэлектрические характеристики обрабатываемого продукта зависят от частоты электромагнитного поля, температуры и химического состава продукта и экстрагента.
Диэлектрические свойства материалов могут быть описаны с помощью комплексной диэлектрической проницаемости є є - je". Действительная часть , называемая диэлектрической проницаемостью, прямо влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале в форме электромагнитного поля. Мнимая часть є", называемая фактором потерь (коэффициентом поглощения), является мерой того, сколько энергии может рассеяться в форме теплоты. Тангенс угла диэлектрических потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к энергии, запасенной за период электромагнитных колебаний.
Разнообразие методов измерения диэлектрических характеристик вызвано как невозможностью создания универсального метода, так и различиями в характере решаемых ими задач. В зависимости от назначения, методы измерения диэлектрических характеристик материала могут различаться по следующим основным показателям: диапазону частот и интервалу температур, в котором проводятся исследования, стоимости прибора и сложности изготовления образца и т.д.
Более распространенными методами измерения диэлектрической проницаемости являются резонансный и волноводныи. Волноводныи метод имеет, в отличие от резонансного, сравнительно простую конфигурацию и поддается достаточно определенному теоретическому расчету.
Исследования диэлектрических характеристик спирта этилового, мятки ядра кедрового ореха и масла проводилось волноводным методом с размещением образца в линии вплотную к ее короткозамкнутому концу [11].
Приборы и устройства для экспериментального определения диэлектрических свойств этилового спирта и растительного масла в ЭМП СВЧ были собраны по схеме, представленной на рис.3,1. В качестве генератора для создания волн использовался прибор ГН-72Н с встроенным усилителем и аттенюатором. Измерительным устройством служил осциллограф. Потенциометр использовался для измерения напряжения (U) на короткозамкнутом контуре.
