Кинетические закономерности процесса экстрагирования при производстве растворимого кофе Плотникова Валентина Васильевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние производства растворимого кофе 9

1.1. Экстрагирование водорастворимых веществ из зерен кофе 13

1.2. Механизм извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхождения 21

1.3. Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования 33

Глава 2. Исследование статики процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе 36

2.1. Методика эксперимента по определению изотерм экстрагирования 37

2.2. Исследования по оценке адсорбционной способности инертной массы кофейного зерна 45

Глава 3. Кинетика низютемпературного экстрагирования водорастворимых веществ из кофе 51

3.1. Определение механизма процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна 51

3.2. Математическое моделирование процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна 58

3.2.1. Разработка модели послойной отработки твер дой фазы применительно к процессу экстраги рования из кофе 61

3.3. Влияние основных параметров на процесс экстрагирования водорастворимых веществ из кофе 74

3.4. Определение коэффициентов диффузии 88

3.5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных 92

Глава 4. Разработка способа дополнительного йзвлшенйя водорастворимых вществ из кофейного шлама 97

4.1. Кинетика дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама 97

4.2. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения способа дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и линии для его осуществления 108

Основные результаты работы 112

Литература 114

Приложения 128

• Механизм извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхождения
• Исследования по оценке адсорбционной способности инертной массы кофейного зерна
• Математическое моделирование процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна
• Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения способа дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и линии для его осуществления

Введение к работе

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" указано на необходимость разработки и повсеместного внедрения прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья, сокращение его потерь при переработке и хранении, создание безотходных технологий, предусматривающих максимальное увеличение выхода и улучшение качества готовой продукции.

В решении поставленных задач большое место отводится пище-концентратной отрасли пищевой промышленности. Объем производства кофе и кофепродуктов составляет незначительную долю (около 10 %) от общего объема производства пищеконцентратной продукции, однако, по объему валовой продукции - 55 - 60 %. В 1982 году план производства растворимого кофе составлял 4560 т, но в перспективе намечено увеличение объема его производства до 9 тыс. т. Дальнейшее увеличение объема производства растворимого кофе должно быть обеспечено за счет повышения эффективности переработки сырья, внедрения безотходной технологии, модернизации имеющегося и внедрения нового оборудования.

Одним из основных процессов, в значительной степени, определяющих эффективность технологического цикла получения растворимого кофе, является экстрагирование. В настоящее время он, главным образом, осуществляется методом батарейной диффузии и не обеспечивает получения готового продукта высокого качества. Высокоинтенсивная температурная обработка (Ь - 120 - 170 С) частиц кофе является причиной потери ряда ароматических веществ, а также протекания необратимых биохимических реакций, что приводит к формированию вкуса, несвойственного кофе. Значительны потери водорастворимых веществ с кофейным шламом, приходящиеся как на жидкую, так и на твердую части шлама. Они составляют, в некоторых

случаях, 15 - 20 % от общего содержания водорастворимых веществ в сырье. Остаточные водорастворимые вещества в кофейном шламе имеют полноценный химический состав и не уступают по качеству содержащимся в кофе, поэтому шлам является ценным дополнительным источником для увеличения выхода готового продукта. В связи с ростом в последние годы производства растворимого кофе, все более острой становится проблема утилизации кофейного шлама, снижения степени загрязнения окружающей среды промышленными отходами. Только в масштабах нашей страны в течении года образуется более 27 тыс. т шлама с влажностью 72 - 75 %.

В настоящее время перспективным направлением в области совершенствования процесса экстрагирования из кофе является разработка способов низкотемпературного извлечения, обеспечивающих снижение потерь, комплексное использование сырья и отходов.Для улучшения качества готового продукта наиболее целесообразно проведение первой ступени процесса извлечения водорастворимых веществ из кофе при пониженных температурах (менее 100 С). Однако, процесс низкотемпературного экстрагирования кофе недостаточно изучен, не определены рациональные параметры его проведения, не исследован механизм извлечения, не изучена кинетика дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама.

В настоящей работе приведены результаты исследований статики и кинетики низкотемпературного извлечения водорастворимых веществ из кофе и кофейного шлама, на основе развития модели послойной отработки твердой фазы разработано математическое описание процесса экстрагирования кофе, разработан способ дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и его полной утилизации.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной Программой

Минвуза РСФСР "Продовольствие" на 1983 - 1985 гг. Тема 06.29 утверждена приказом ХНО Минвуза РСФСР * 190 от 30.06.83 и планом АН СССР по адсорбции.

9 Г. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА РАСТВОРИМОГО КОФЕ

Процесс экстрагирования в системе с твердой фазой нашел довольно широкое распространение в микробиологической, фармацевтической и нефтехимической отраслях промышленности. Но особое место он занимает в пищевой промышленности. Так, процесс экстрагирования стал основным при производстве сахара, растительных и эфирных масел, жира, ферментов, крахмала, пива, соков, желатина, растворимых цикория, чая, кофе и многих других продуктов.

Особо важное значение этот процесс имеет при получении растворимого кофе, производство которого значительно увеличилось в начале пятидесятых годов и объем его потребления с каждым годом возрастает почти во всех странах мира [21, 54, 92, 127,129].

Растворимый кофе является полноценным вкусовым и тонизирующим продуктом. Главным достоинством растворимого кофе, обусловившего его популярность, является то, что он содержит ряд веществ, которые, действуя на нервную систему и органы пищеварения, повышают жизненный тонус организма человека. Умеренное потребление кофе вообще и растворимого, в частности, благоприятно сказывается на организме человека [27, 71, 106, 117]. Кофе растворимый имеет ряд преимуществ по сравнению с обжаренным в зернах [ю, 24, 58] : экономится время и облегчается способ приготовления напитка; не требуется хранения большого количества зерен в мешках; уменьшаются потери при хранении и транспортировании; позволяет готовить напитки любой крепости в зависимости от вкуса потребителя.

Довольно интенсивный рост производства растворимого кофе как у нас в стране, так и за рубежом, вызвал многочисленные исследования, направленные на изучение биологических, физико-химических свойств кофейного зерна, методов его подготовки к пере-

работке, способов и режимов извлечения водорастворимых веществ. Остановимся на более подробном рассмотрении тех стадий техноло-ческого процесса получения кофейных экстрактов, которые непосредственно оказывают влияние на выход водорастворимых веществ из кофе, проведем анализ возможностей совершенствования основного процесса при производстве растворимого кофе - экстрагирования.

Качество растворимого кофе, как и любого продукта, зависит, прежде всего, от исходного сырья и технологического процесса его переработки.

Сырьем при производстве кофейного экстракта может служить любой вид и сорт кофе. Но в последнее время непрерывно возрастает использование первых и более низких сортов кофе, особенно дешевых, типа индийского, индонезийского, африканского Робуста, Сантоса, Арабика, содержащих значительное количество водорастворимых веществ. В зависимости от способа последующей сушки экстракта предпочтение отдается тому или иному виду кофе. Так, сырьем при производстве растворимого кофе сублимационной сушкой является Арабика, распылительной - Робуста, Сантос [20,45,88]. В СССР, главным образом, выпускается кофе, полученный с использованием метода распылительной сушки.

Исследованию химического состава сырого кофе посвящен ряд работ, основными из которых являются [57, 79, 86, 88, 89]. Исходя из данных этих работ, кофе является источником разнообразных химических веществ. В состав кофе входит более 300 химических веществ и соединений, основными из которых являются составные целлюлозы и собственно целлюлоза, белки, жиры, органические кислоты [42, 97, 98, 99]. Наиболее же ценным компонентом является кофеин ( СвНіоОаІ^НгО ) или его ангидрид ( СвНмОгЛА* ) В зернах обжаренного кофе, в зависимости от его сорта, содержание

кофеина, по данным разных авторов, находится в пределах 0,6 -- 2,4 % [78, 87, 90, 103, 104] . Растворимый кофе, при некотором снижении ароматических и вкусовых качеств, содержит кофеина почти в два раза больше: 3,2 - 5,1 % [21, 22, 123] , а в некоторых случаях - 7,1 % при производстве экстракта из обжаренного зерна вида Робуста - І [2Г, ПІ, I2l] . В соответствии с ГОСТ 5.863-71 в растворимом кофе должно быть, в пересчете на су хое вещество, не менее 3 % кофеина. В табл. I.I представлены данные химического состава сырого кофе (вид Робуста) [90, 103].

Таблица I.I

Из данных табл. I.I можно судить как о химическом составе водорастворимых веществ, так и инертной массы зерна. В сыром (необжаренном) кофе водорастворимые вещества вместе с клеточным соком сосредоточены в плотных слоях межклеточных пространств, поэтому извлечение их сопряжено со значительными трудностями [бз].

Для формирования вкуса и аромата, присущего кофе, проводят обжаривание зерен кофе. В результате сложных взаимопревращений, о чем можно судить по данным, представленным в табл. I.I и 1.2, формируются вещества, которые в дальнейшем извлекаются при экстрагировании кофе. Кроме этого, претерпевает изменение и клеточная структура кофейного зерна [29, 80, IOl].

Изменение химического состава кофе в процессе обжаривания по данным [ 9, 54, 112, 113, ІГ4, ІГ5 ] представлено в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Содержание водорастворимых веществ в обжаренном кофе по данным [24] колеблется в пределах 22,5 - 33 %. От степени обжа-

ривания кофе зависит выход водорастворимых веществ при экстрагировании [29].

І.І. Экстрагирование водорастворимых веществ из кофе

Экстрагирование водорастворимых веществ из гранулированного обжаренного кофе заключается в переходе в водный раствор раство римых его компонентов. Химический состав нелетучих веществ кофейного экстракта приведен в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Для получения растворимого кофе того или иного вкуса проводят предварительную обработку обжаренных зерен. Так, например, для производства кофейных экстрактов с меньшим содержанием кис-

лот проводят обработку горячим или перегретым паром при атмосферном или пониженном давлении, иногда применяют продувку газом [б2, 68, 122], После удаления жидких кислотных компонентов из раствора экстрагируют растворимые составляющие водой.

Повышенное содержание кофеина в растворимом кофе неблагоприятно сказывается на организме человека, в связи с этим разрабатываются способы частичного снижения его содержания. С целью сокращения кофеина проводят различными способами декофеинизацию сырья. Они, как правило, основаны на избирательности извлечения данного компонента различными растворителями (трихлорэтиленом, фторированными углеводородами, пропаном, бутаном или их смесями, растворами сложных пищевых эфиров и многими другими). Разработаны адсорбционные и мембранные методы удаления кофеина [бО, 63, 64, 65, 69, 108] . Предварительную обработку обжаренных зерен кофе иногда проводят с целью создания благоприятных условий для последующего экстрагирования. Так, увлажнение кофейных зерен непосредственно перед эстрагированием способствует, в некоторой мере, вскрытию клеточной структуры зерна [ЮГ, НО, 118].

На выход водорастворимых веществ из обжаренных зерен кофе оказывает влияние ряд факторов, основными из которых являются: степень обжаривания зерен, ботанический вид кофе, тонина помола, температура процесса, соотношение фаз твердое тело - жидкость.

В соответствии с действующей технологией производства растворимого кофе процессу экстрагирования предшествует грануляция , кофейных зерен. Ее производят с целью улучшения условий последующего экстрагирования. Гранулометрический состав определяется в соответствии со способом экстрагирования и типом экстракционного оборудования. Кроме того, выбор того или иного гранулометрического состава кофе обусловлен стремлением получить напиток с высоким содержанием водорастворимых веществ в настое при мини-

мальных их потерях с кофейным шламом.

С точки зрения диффузионного извлечения наиболее эффективно экстрагирование из частиц более "тонкого" помола. Это связано с тем, что с уменьшением размера частиц сокращается путь диффундирующих молекул, увеличивается поверхность контакта твердых частиц с жидкостью. Но, с другой стороны, более "тонкий" помол приводит и к ухудшению процесса извлечения водорастворимых/веществ из зерна, так как при этом ухудшается смачиваемость пылевидных частиц, происходит их взаимная блокировка, образуются застойные зоны, уменьшается скорость осаждения частиц, ухудшается процесс последующего разделения.

В соответствии с действующим ГОСТ 6805-66, на предприятиях нашей страны, для экстрагирования кофе в батарейных экстракторах "Ниро-Атомайзер", в основном, используется гранулометрический состав, который характеризуется следующими показателями [iO, II, 30, 32, 124] : сход с сита Jfc 1,6 - от 50 до 55 %; проход через сито № 1,6 от 45з до 50 %\ проход через сито Jfe 0,63 не более 3,0 %.

Более "тонкий" помол здесь не используется. "Тонкий" помол - проход через сито В 0,95 - около 95 % используют при производстве молочных консервов с наполнителями, типа "Кофе натуральный со сгущенным молоком", "Кофе натуральный со сгущенными сливками"[51]. Основное оборудование для экстрагирования в этом случае - варочные котлы с мешалками (способ настаивания) [33, 34, 5l].

Еще более "тонкий" помол кофе (размер частиц кофе 500 мкм и менее) используется при приготовлении кофейных экстрактов в бытовых условиях.

При производстве растворимого кофе в промышленных условиях применяют, в основном, способ батарейной диффузии. Большое расп-

ространение он нашел за рубежом. Ряд фирм "Ниро Атомайзер" (Дания), "Яфистер", "Ивка" (ФРГ), "Грилл и Гросман" (Австрия), "Нестле" (Швейцария) выпускает оборудование для экстрагирова-ния - батарейные экстракторы. В частности, экстракторами "Ниро Атомайзер" оснащены почти все предприятия нашей^;страны, специализирующиеся на выпуске растворимого кофе без осадка. При ^существующей, конструкции экстракционных батарей используемый гранулометрический состав кофе (средний размер частиц 1-2 мм) -рационален. Уменьшение его приведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивления батареи. Но для получения готового продукта лучшего вкуса и аромата "выгоднее" вести экстрагирование на более "тонкой" фракции кофе. Так, проведенные исследования [24, 30] показали, что при одинаковых условиях заварки кофе, лучший вкус и аромат имеет напиток, приготовленный из порошка "тонкого" помола (не более 500 мкм). Последнее положение подтверждается работами зарубежных авторов [62, 105, 129] . Таким образом, уменьшение размера частиц кофе является одним из путей улучшения качества готового продукта. Выбранный гранулометрический состав должен удовлетворять трем основным требованиям: осуществлять вскрытие структуры твердой фазы, что дает возможность обеспечить наибольший выход водорастворимых веществ в раствор, хорошее качество готового продукта, создавать благоприятные условия для последующего разделения фаз. В соответствии с этими положениями наиболее перспективным направлением является использование "тонкой" фракции кофе (не более 500 мкм).

При экстрагировании гранулированный кофе находится в контакте с водой, в зависимости от используемого гранулометрического состава и температуры, от I до 8 часов fir]. Кроме этого, продолжительность процесса зависит от способа экстрагирования и используемого оборудования.

В батарейных экстракторах кофе находится в контакте с еодой 5-8 часов ( і = 120 - 170 С). При использовании более "тонкой" фракции кофе (средний диаметр частиц 0,5 мм) и в том же температурном режиме время контакта сократится до I - 1,5 часа [и].Более короткое время контакта способствует получению продукта лучшего качества, так как при этом лучше сохраняется летучая франция ароматических веществ.

Соотношение фаз твердое тело - жидкость ( Q, ) - один из основных параметров процесса, определяющих эффективность извлечения. В промышленных условиях, обычно, эта величина составляет 1:20 -1:25. Увеличение этого соотношения до 1:30 и более приводит к увеличению выхода водорастворимых веществ в раствор. Но использование (2 > 1:30 не представляется возможным, так как возникают сложности, связанные с дальнейшей обработкой экстракта. Так, например, понижение концентрации водорастворимых веществ влечет за собой дополнительные затраты на сгущение экстракта. Указанные соотношения применимы для процесса высокотемпературного экстрагирования, а для извлечения при пониженных температурах они требуют уточнения.

Известно, что температура является фактором значительно интенсифицирующим процесс извлечения водорастворимых веществ, так как ее увеличение приводит к возрастанию скорости экстрагирования [2, 3, 4, 25] . Это происходит в результате: Г) увеличения коэффициента диффузии ї)$ , который характеризует изменение скорости переноса вещества в порах твердого тела и через диффузионный пограничный слой; 2) уменьшения вязкости растворителя, а следовательно, и диффузионного сопротивления. Последнее обстоятельство является причиной увеличения коэффициента конвективной диффузии. Кроме того, по данным авторов [l29] , с повышением температуры физико-химические и некоторые органолептические по-

казатели напитка улучшаются. Отсюда следует целесообразность проведения процесса экстрагирования при повышенных температурах под давлением, что дает значительный выход водорастворимых веществ. Такая обработка (гидролиз) получила большое распространение. Имеются данные [її] , что для облегчения гидролиза в экстрактор добавляют гидролизующие агенты, обычно слабые растворы кислот серной или соляной. Избыток кислот после окончания гидролиза удаляют ионообменными смолами. В некоторых случаях не применяют специальных гидролитических веществ, но углубляют гидролиз, повышая температуру и давление в ходе экстрагирования [70, 105].

Обработка водой при повышенных температурах (120 - 170 С) увеличивает выход водорастворимых веществ в 1,4 раза [53]. Однако, применение такого интенсивного температурного воздействия на зерно кофе приводит к потере ряда летучих компонентов, так как большинство из них имеют низкий молекулярный вес (до 300). Высокие температуры являются причиной протекающих необратимых биохимических реакций. В результате гидролиза растворимый кофе приобретает несвойственный ему гидролизатный привкус. Для повышения качества, и прежде всего вкуса и аромата растворимого кофе, рядом авторов высказывается мнение о необходимости смягчения режима экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна, то есть понижение температуры процесса [42, 67, 88]. Существует мнение [9] , из которого следует, что понижение температуры экстрагирования ниже 25 - 30 С, нежелательно, так как при этом не извлекаются некоторые ароматические вещества. При комбинированном способе экстрагирования возможно применение и более низких температур. Разработке этого способа посвящен ряд патентов [68, 70]. В соответствии с этим способом первая ступень экстрагирования - низкотемпературная, находится в пределах

15 - 95 С [бб, 67]. Вторая - гидролизная, предусматривающая проведение извлечения при температурах 120 - 150 С и соответствующем давлении. Продукты гидролиза нейтрализуют щелочами или кислотами в зависимости от характера среды, а затем добавляют к первичному экстракту.

Комбинированный способ экстрагирования обеспечивает высокий выход водорастворимых веществ и с экономической точки зрения выгоден. Но он не дает возможности получить конечный продукт хорошего качества, так как добавки в основную массу экстракта продуктов гидролиза второй ступени процесса придают ему неприятный вкус.

Для получения кофейного экстракта высокого качества, сохранения его ароматической фракции целесообразно проводить процесс при пониженных температурах (не выше 100 С). Так, проведенные исследования на частицах кофе 0,6 - 0,8 мм в диапазоне изменения температур 70 - 120 С показали, что лучший вкус имеет растворимый кофе (меньше горечи), экстрагируемый при 90 - 100 С, он же пользуется, по данным зарубежных авторов [l28] , большим спросом у населения.

Смягченный режим экстрагирования снижает, в некоторой мере, и выход продукции, но это может быть компенсировано более полным использованием водорастворимых веществ, оставшихся в кофейном шламе. Влажность шлама составляет в среднем 72 - 75 % и он представляет собой густую жижу, которую запрещено сбрасывать в водоемы, использовать в качестве удобрений, скармливать животным без предварительной обработки [59].

В связи с ростом производства растворимого кофе как у нас в стране, так и за рубежом все более острой становится задача утилизации многотоннажного отхода производства кофейного экстракта. На 5 т растворимого кофе образуется около 30 т кофейного

шлама. 0 количестве образующегося в течение года кофейного шлама можно судить по данным, приведенным в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Имеется ряд предложений, связанных с решением вопроса утилизации твердой части шлама. Так, одной из фирм в Бремене (ФРГ) отжатый и спрессованный в брикеты кофейный шлам используется в качестве малозольного топлива вместо ископаемого каменного угля. Авторы патента [59] предлагают способы обработки кофейного шлама водой под давлением, возможно в присутствии щелочи, при температуре 180 - 220 С, с последующим высушиванием полученного продукта и дальнейшим использованием его в виде кормов. Предложен отжим кофейного шлама [40] , как один из путей дополнительного извлечения водорастворимых веществ. Но отжим не позволяет полностью извлечь остаточные водорастворимые вещества из твердой части шлама.

Указанные выше способы позволяют лишь частично решить проблему комплексного использования сырья и охраны окружающей среды. Результаты проведенных исследований показали [20, 22, 126 ] ,что

жидкая часть кофейного шлама имеет полноценный химический состав, не уступает по количеству основных компонентов кофейному экстракту и может служить дополнительным источником для получения растворимого кофе. В состав кофейного шлама входит ряд ценных компонентов, главными из которых являются жир, азотистые вещества, равноценные крахмалу злаковых, кислоты. Химический состав кофейного шлама представлен в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Концентрация водорастворимых веществ в жидкой части кофейного шлама 1,2 - 1,8 %, По имеющимся данным ни в нашей стране, ни за рубежом не предложено способов, предусматривающих дополнительное получение готового продукта из кофейного шлама и организации безотходного производства быстрорастворимого кофе.

1.2. Механизм извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхождения

В настоящее время решение проблемы полного и рационального использования ценных компонентов, содержащихся в растительных материалах заключается в разработке эффективных технологических процессов. Разработка их невозможна без постадийного анализа ответственных за процесс элементарных явлений, исследования влияния на них основных факторов процесса. Дальнейшая интенсифи-

кация процесса экстрагирования из пористых материалов, основанная на анализе механизма извлечения, возможна благодаря успешному развитию современной теории экстрагирования Аксельрудом Г.А., Белобородовым В.В., Гончаренко Г.К., Гребенюком СМ., Кшочкиным В.В., Лысянским В.М., Понамаревым В.Д., Юсупбековым Н.Р. и другими.

Сырье растительного происхождения представляет собой капил-лярнопористое тело со сложным строением. В порах находится извлекаемый компонент , перенос которого осуществляется из пор к наружной поверхности материала за счет молекулярной диффузии.

Инертный носитель (скелет) пористого тела оказывает тормозящее влияние на скорость диффузионного переноса водорастворимых веществ [5, 14, 16, 17, 28]. Одной из причин, вызывающих замедление, является повышенная извилистость и гофрированность поровых каналов, соразмерность диффундирующих молекул с диаметром канала. Изучение этого влияния затруднено многообразием структур пористых тел. Большинством авторов [l2, 71, 74,. 76 ] показана возможность применения закона Фика и дифференциального уравнения диффузии для установления концентрационного поля и потока вещества в телах растительного происхождения, но при этом либо вводят параметры, отражающие влияние твердой фазы на диффузионный перенос, либо модифицированные коэффициенты диффузии [Г4, 39, 7Г, 74]. Связь между скелетом твердого тела и извлекаемыми водорастворимыми веществами может носить адсорбционный характер. Такая форма связи оказывает существенное влияние на извлечение водорастворимых веществ. Это обстоятельство обуславливает криволинейный харктер зависимости между равновесными концентрациями в твердой и жидкой фазах [4, 47, 82].

Поровое пространство частицы растительного сырья можно представить как среду, состоящую из соединенных между собой пор

с различными геометрическими характеристиками и формой [2, 3, 4, 74]. Растительные материалы имеют структуру, приближающуюся к упорядоченной [72, Н)7] . В соответствии с классификацией [4] поры, содержащие водорастворимые вещества, можно подразделить на поры: I) закрытые в инертном носителе; 2) занимаемые инертным носителем; 3) заполненные водорастворимыми веществами в твердом состоянии; 4) заполненные жидкостью*

Водорастворимые вещества в порах твердого тела могут находиться в твердом, либо растворенном состоянии. Последнее присуще многим видам сочного растительного сырья (например: фрукты, сахарная свекла, овощи). Присутствие жидкой фазы в порах приводит к появлению сил, вызванных капиллярным и расклинивающим давлением [4, 44, 74]. Силы действуют на стенки пор, в результате чего элементы, не связанные между собой или даже связанные, но не имеющие упругих эластичных свойств, смещаются и пористая структура твердого тела изменяется. Изменение инертной массы растительного сырья, - усадка наблюдается при экстрагировании водорастворимых веществ из долек яблок и других фруктов, а также ряда овощей [46, 49, 102].

В наиболее общем виде процесс экстрагирования состоит из четырех стадий [4, 38, 4б]:

1. проникновение растворителя в поры частиц растительного сырья;

2. Растворение вещества;

3. перенос массы водорастворимых веществ диффузионным путем из внутренних областей частиц экстрагируемого материала в пограничный сдой, прилегающий непосредственно к частице;

4. диффузионно-конвективный перенос водорастворимых веществ через пограничный слой и распределение его по всей массе раствора.

При экстрагировании из сырья растительного происхождения могут иметь меото все четыре стадии процесса. Это характерно для сушеных трав, например, зубровки, непеты, семян кориандра, лепестков роз, чая, обжаренных зерен кофе, злаковых, но не все эти стадии могут оказывать существенное влияние на процесс.

Растворитель, проникая в поры твердого тела, растворяет водорастворимые вещества. В этом случае также возможно изменение линейных размеров и деформация инертной массы сырья, например, набухание. Это характерно, в частности, для многих видов сырья, нашедших применение в микробиологической промышленности [38]. Исследования показывают, что происходящие в процессе набухания изменения структуры сырья могут оказывать влияние на диффузию . молекул растворителя. При этом коэффициент диффузии оказывается зависящим в ходе процесса не только от концентрации извлекаемых водорастворимых веществ С± , но и от характеристик структуры

Z&, ТО ЄСТЬ t>9-J С^СІ, % Sl)_t=cOtiSt [74].

Б работах [2, з] рассмотрены случаи, когда водорастворимые вещества находятся в твердом состоянии, но заполняют не весь объем поры. Тогда ее можно представить как состоящую из двух объемов: заполненного извлекаемым водорастворимым веществом и свободного от него. Принято считать, что раствор входит в свободную часть порового пространства под действием капиллярного давления. Воздух оказывает тормозящее влияние на извлечение, прежде всего, препятствуя достижению контакта растворителя и извлекаемого водорастворимого вещества. Оценка общей продолжительности процесса извлечения, с учетом капиллярной пропитки, может быть осуществлена в соответствии с выражением [7, 8]:

4T>_r(d_KZ*T)¹ AJ)VnJ>/Cm + Z>s

_Ґ-Ґ

at 1 {

т +

(I.I)

ГДЄ к

Рк +Ро Ро.Рк - атмосферное и капиллярное давление, Па;

Dr - коэффициент диффузии газа через растворитель, м²/с;

К - постоянная Генри;

R - универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль »К);

Т - температура, К;

^ - длина пропитанного участка капилляра, м;

J> - плотность извлекаемых водорастворимых веществ, кг/м³. Отмечено [50, 76] , что для масличного сырья стадия пропитки играет существенную роль в процессе извлечения. При любой схеме организации процесса растворимые вещества привносятся во внутрипоровое пространство экстрагируемого материала в резуль тате пропитки. Результаты экспериментальных исследований [Зб] показывают, что время пропитки для масличного сырья при экстрагировании составляет от 8 до 30 минут. Здесь же отмечается, что стадии пропитки и извлечения нельзя разделить, ибо в одних порах еще вдет пропитка, а из других уже возможно экстрагирование. Количество вещества, конвективно вносимого во внутрипоровое пространство экстрагируемого материала_гвыражается уравнением [72] :

М=4&ЪмС_жх'^2- (1.2)

где % = М/]/ж - предельно возможная концентрация водорастворимых веществ в растворе.

В зависимости от характера расположения твердого вещества в поре предложены и различные схемы его извлечения [3, 4].

Рассмотрим наиболее общий случай, когда поры твердого тела

полностью заполнены водорастворимым веществом, причем^последнее

г находится в нерастворенном состоянии. При извлечении веществ из

26*

таких тел поверхность межфазного контакта продвигается внутрь, к центру твердого тела. Тогда область, заключающая в себе твердый растворимый компонент,непрерывно сокращается, а область, где этого компонента в твердом состоянии нет, непрерывно возрастает. При этом считают, что диффузионные свойства отработанной зоны материала неизменны, так как в ней не происходит значительного изменения концентрации водорастворимых веществ, коэффициент стесненной диффузии при этом D₃=co/isi . Для твердого тела в форме пластины уравнение концентрационного поля в отработанной

зоне является решением уравнения стационарной диффузии: С=Ах+3 ;

С*-С 1~ и /У Т*№ тела в форме сферы это уравнение примет вид: —- = . J

[72]. Л -о

Возможно, что поры заполнены большим количеством отдельных включений. Извлечение происходит следующим образом. Попавший в пору растворитель быстро насыщается извлекаемым водорастворимым веществом [б] . Затем растворенное вещество диффундирует в окружающую жидкость сквозь пористую перегородку клеточной диафрагмы. В некоторых случаях клеточная диафрагма разделяет клетку на два неравновеликих объема - внутренний и внешний. Извлечение из внешнего объема протекает гораздо быстрее, чем из внутреннего. При извлечении из пор с таким расположением водорастворимого вещества область растворимых частиц и насыщенного раствора между ними также стягивается к центру твердого тела.

Для каждого вида растительного сырья характерна та или иная схема извлечения водорастворимых веществ или их совокупность. Для некоторых видов сырья вообще не существует второй стадии. Так, при извлечении сахара из свеклы растворение вещества не имеет места, так как сахар в клетке находится уже в растворенном состоянии, а проникновение раствора внутрь частицы оказывает тормозящее влияние на скорость процесса экстрагирования.

В этих случаях извлечение вещества происходит за счет его переноса в жидкой фазе растворителя. Механизм такого внутреннего переноса обычно принимается чисто диффузионным, с почти пос-тоянным коэффициентом диффузии.

Процесс извлечения из сочного сырья растительного происхождения подробно изложен в работах Лысянского В.М. и его учеников [46, 48, 49]. Причем, процесс рассматривается авторами как состоящий из двух периодов: первый - начальный, второй - диффузионный. В первом периоде происходит существенное уменьшение процентного содержания водорастворимых веществ в клетках, поврежденных в результате резки сырья. Количество вещества, извлеченного на данной стадии составляет около 50 %. Длительность первого периода 4 - 5 минут. Второй период также характеризуется уменьшением водорастворимых веществ в сырье, уменьшение происходит по экспоненциальному закону. Перенос вещества в этом периоде осуществляется посредством молекулярной диффузии.

Каждому из периодов процесса соответствует коэффициент, характеризующий скорость переноса. В первом периоде - коэффициент массоотдачи, во втором - массопроводности или стесненной диффузии. Широко представлены исследования массопроводности при экстрагировании сахара из свеклы в работах [46, 49]. Для второго периода приведем значения коэффициентов массопроводности от температуры и концентрации водорастворимых веществ. Так, по данным [4, 74] , при экстрагировании сахара из свеклы при температуре 20 С величина >_э = 0,19-10^-9 ыР/о, а при 60 С-Zip =0,55-10^-9 м²/с. В работе [46, 49] отмечена существенная зависимость коэффициента D$ от концентрации извлекаемых водорастворимых веществ C_i , так при 20 С и Q = ОД и 0,5 кг/кг - произведение DgjD₀ соответственно составит 5,14-ГО" ¹⁰ _с._м^К.^Гкг/кг и ІД7-ПГ¹⁰ с.иУкг/дг Коэффициент массопроводности в зависи-

—9 мости от концентрации изменяется в пределах от 0,8»І0 ⁹ до

0,4-10^-9 ttP/G [46» 73, 93].

Механизм извлечения из масличного сырья весьма сложен, помимо того, что значительное влияние на процесс оказывает пропитка, он может проходить как с растворением твердой фазы, так и без него. Без растворения протекает процесс извлечения растительных масел при помощи органических растворителей и при прямой экстракции. Экстрагирование с растворением твердой фазы протекает при извлечении изолированных белков из масличных семян и шротов.

Вопросам выявления механизма извлечения растительного масла посвящены работы Белобородова В.В., Голдовского A.M., Ключкина В.В. и других [із, 15, 36, 95, 9S]. Процесс экстракции рассматривается ими как состоящий из трех этапов: молекулярной диффузии масла изнутри частиц экстрагируемого материала к наружной поверхности, молекулярной диффузии масла через ламинарный подслой и конвективной диффузии масла от наружной поверхности подслоя в движущуюся мисцеллу. По времени процесс разделен на два периода. Первый период - отрезок времени, в течение которого происходит извлечение, главным образом, масла, находящегося во внешних и внутренних поверхностях частиц, диффузионное сопротивление которых невелико.

Второй период - извлечение масла, находящегося внутри неразрушенных и вторичных структурой из тех участков, диффузионное сопротивление которых велико. "Наличие двух периодов является следствием различной связанности масла с гелевой частью частиц экстрагируемого материала. Нарушение связанности происходит в результате предварительной влаготепловой обработки семян (увлажнение, жарение). При полном отсутствии разрушения клеточной структуры семян (целое ядро) имеется лишь второй период процес-

ca" [14].

Анализ механизма процесса извлечения из разных видов чая проведен [ЗІ, 91, 125]. Выделяются два периода процесса. Первый характеризуется переносом в раствор водорастворимых веществ с поверхности частиц и из пор близких к поверхности. Одновременно идет интенсивное набухание, что тормозит извлечение водорастворимых веществ в первом и втором периодах процесса.

В настоящее время разработок, касающихся вскрытия механизма извлечения водорастворимых веществ из кофе, установления влияния на него структуры инертной массы зерна, очень мало [41, 119]. Этим и была вызвана необходимость более подробного рассмотрения разработанных механизмов извлечения из сырья растительного проис-хождения..

Высказывается предположение [4l] , что нофейное зерно, как объект экстрагирования, подобно сушеному плоду шиповника. Автор выделяет стадию набухания зерна кофе в результате контакта с раствором, хотя экспериментального подтверждения в работе не приводится. Механизм извлечения водорастворимых веществ из кофе сводится к следующему. В первые 4-5 минут происходит извлечение вещества с поверхности частицы. Вторая стадия (свыше 4-5 минут) - лимитирующая, характеризуется переносом вещества из внутрипорового пространства частиц к их поверхности. Отмечено, что как при гидромеханической экстракции, так и при настаивании эти две стадии сохраняются. В интервале температур 25 - 75 С коэффициенты стесненной диффузии изменяются от 0,73«ТО до 6-Ю"¹² м2/с (при настаивании ) и от 0,04*10~¹⁰ до 0,9ЖГ^1С'м²/о при гидромеханической экстракции. Длительность извлечения водорастворимых веществ из кофе по данным автора составляет около 13 минут. Более подробный анализ механизма проведен для первого периода процесса, вторая (внутридиффузионная) автором не иссле-

довалась.

Б общем случае движение водорастворимых веществ из пор твердого тела растительного происхождения включает как стадию межфазного перехода с поверхности частицы в жидкость, так и его диффузию в порах. В каждом конкретном случае, в зависимости от условий и исходного материала, та или иная стадия определяет кинетику экстрагирования. В работе рассматривается метод определения механизма экстрагирования твердой фазы из пористых тел для случая, когда извлечение протекает вследствие физического растворения извлекаемого водорастворимого вещества. Интегрирование основных соотношений кинетики для частицы сферической формы можно представить в виде [б]:

*о_ ₌ і-ьуо^гУо* + б/є (і- і/о) і- z/Bl (/-{/о³) ^(І#3)

t /+6/6 +2/ВІ

С*-Сж
где 8=— , t - продолжительность полного извлечения;

«д . -

y=r^,/R₎L/o^r₀k~ безразмерные переменные. Для процесса с физическим растворением в уравнение (1.3) 6 -оо , тогда полное время извлечения определяется выражением:

tJ/.JL) *^ ^(I-⁴⁾

Исходя из анализа уравнения (1.4), внутридиффузионный режим экстрагирования реализуется при следующих условиях:

8= , Вс =«>

% *{-*{+1У? (1.5)

В результате исследований по установлению механизма извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхож-

дения установлено значительное влияние на скорость извлечения структуры твердых частиц. Отсюда лимитирующей стадией процесса извлечения является перенос вещества из внутрипорового пространства частицы if ее поверхности.

Известно, что экстрагирование - нестационарный процесс. В результате извлечения изменяется концентрация в каждой частице как по координатам, так и во времени. Время, необходимое для изменения концентрации водорастворимых веществ в растворе от Cm до Ср , может быть найдено из решения дифференциального уравнения массопроводности. Коэффициент массопроводности изменяется в течение процесса и является функцией распределяемого вещества.Аналитическое решение задачи нелинейной массопроводности не получено, поэтому прибегают к приближенным методам кинетического расчета. Для упрощения задачи считаютD$= const и используют линейную модификацию уравнения массопроводности [72]. Решение уравнения массопроводности при граничных условиях третьего рода, постоянстве коэффициентов массопроводности, линейности изотермы равновесия, для тел правильной геометрической формы получены [74]. Для твердого тела в форме сферы решение может быть представлено:

со - ~&

г_ С ж "Ср _ у в Віт / _{г ч} (тс)

Cm Ср m=i у*т (Ост */*т ~ош; ^у

При Віт-*⁰⁰ задача является внутренней. В этом случае концентрация вещества в теле вблизи поверхности сразу после начала процесса принимает равновесное значение и граничные условия третьего рода (ГУ-3) переходят в ІУ-І: С(,г) =Ср~ const, 0

Или в более общем виде уравнение (1.6) может быть записано в

виде

^ - f А_т ехр(-У_тFo_m) (1.7)

Cm -Ср m=i

где A_m - конечные функции, удовлетворяющие начальным и граничным условиям; /1т - ряд возрастающих дискретных чисел

Сходимость ряда Jim быстро увеличивается с возрастанием Fom и, начиная с некоторого момента, процесс описывается первым членом ряда. Этот режим массопроводности носит название регулярного. В соответствии с теорией регулярного режима [74] считается, что, начиная с определенного момента (начало регулярного режима), изменение концентрации внутри тела практически не зависит от ее начального распределения. Темп изменения концентрации для всех точек внутри тела устанавливается одинаковым и зависящим от коэффициента массопроводности, размера и формы тела, влияющих на значение характеристического числа JUL . В области регулярного режима коэффициент массопроводности считается постоянным.

Основываясь на теории регулярного режима, получено [41] расчетное уравнение гидромеханической экстрации кофе:

Е_ш =Aexp(-)j/?Fo_m (1.8)

При подстановке в (Г.7) установленной зависимости Т>₉ =/ ( ТК ) уравнение принимает вид:

Ёщ М ехр(-)уР*Ь>т (1.9)

где Еш - количество водорастворимых веществ, оставшихся недо-извлеченными в кофе. Приведенное уравнение (1.9) справедливо в регулярном режиме при 358>7> 303 К. Предложенная автором методика графоаналитического описания процесса гидромеханической экстракции из кофе дает возможность определить время начала регулярного режима, а, следовательно, окончание первого этапа извлечения. Модель извлечения, основанная на понятии регулярного режима, не дает возмож-

ности учитывать первый период экстрагирования, в то время как в этот промежуток времени извлекается около 4Q % водорастворимых веществ.

Для расчета кинетики процесса экстрагирования из пористых тел разработаны интервально-итерационный и-зональный методы расчета [46), 72]. Аналитические решения для каждого интервала представляются бесконечными рядами. Расчеты по этим методам осуществляются на ЭВМ.

Расчет кинетики экстрагирования, помимо имеющихся теоретических формул, может быть осуществлен на основе модельных представлений о процессе. Примером может служить модель послойной отработки твердой фазы, впервые разработанная в теории адсорбции [81, 83]. Эта модель предполагает равноценность пористой структуры в диффузионном отношении, коэффициент стесненной диффузии постоянным. Бремя отработки твердой фазы, рассчитанное по данной модели, конечно.

Применимость модели или имеющегося метода расчета должна быть доказана экспериментально.

1.3. Выводы по обзору и постановка задач исследования

1. В состав кофейного зерна входит более 300 компонентов,
основными из которых являются: кофеин, жир, белки, углеводы,
эфирные масла, кислоты. Таким образом, сложность процесса извле
чения из кофе состоит в многокомпонентности состава извлекаемых
водорастворимых веществ. Ввиду сложности учета каждого из них,

в качестве параметра, характеризующего эффективность процесса извлечения, принято суммарное количество водорастворимых веществ.

2. В настоящее время процесс извлечения водорастворимых ве
ществ из кофе производится двумя основными способами: батарейной
диффузии и настаивания. Жесткий режим экстрагирования по темпе
ратуре (120 - 170 С) не обеспечивает получения готового продук-

та высокого качества. Показана необходимость проведения процесса извлечения из кофе при пониженных температурах. Недостаточно изучено влияние на процесс низкотемпературного извлечения основных параметров процесса, таких как, ботанический вид кофе, грануло^ метрический состав, соотношение фаз твердое тело - жидкость, время контакта.

3. Анализ литературных данных по механизму извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхождения выявил большой круг нерешенных вопросов. К ним следует отнести механизм извлечения из кофе, отсутствуют кинетические данные, характеризующие процесс отработки зерна.

4. Приведены данные по математическому описанию процесса извлечения из твердых тел, содержащих извлекаемые водорастворимые вещества как в твердом, так и в растворенном состоянии. В каждом конкретном случае, применимость модели или имеющегося метода расчета должна быть подтверждена экспериментально»

5. Как показал анализ, кофейный шлам является крупнотоннажным отходом производства растворимого кофе. Экстракт, выделенный из кофейного шлама, имеет полноценный химический состав и не уступает по качеству кофейному, а, значит, может быть использован в качестве дополнительного источника для получения растворимого кофе. Кинетика извлечения остаточных водорастворимых веществ из шлама не изучена, не определены параметры процесса. Остается нерешенным вопрос полной утилизации кофейного шлама и охраны окружающей среды от промышленных отходов.

На основании вышеизложенного вытекают следующие задачи исследования:

I. Исследование статики процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе.

2. Исследование кинетики низкотемпературного экстрагирования водорастворимых веществ из кофе.

3. Математическое описание процесса экстрагирования из кофе.

4. Изучение кинетики дополнительного извлечения экстрагируемых веществ из кофейного шлама.

5. Разработка способа дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и полной его утилизации.

2. ИССЛЗДОВАНИЕ СТАТИКИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ КОФЕ

Анализ любого массообменного процесса начинается с выявления условий равновесия. Степень отклонения от равновесия определяет величину движущей силы процесса.

Выражение движущей силы процесса в виде С'-Ср (где С⁽ - рабочая концентрация) - учитывает количество распределяемого вещества, удерживаемого твердой фазой и влияние структуры материала на извлечение. Иначе определена движущая сила для твердых тел,сорб-ционные взаимодействия между извлекаемыми водорастворимыми веществами и скелетом тела которых пренебрежимо малы и влиянием структуры материала на экстрагирование можно пренебречь. Так,для извлечения сахара из свекловичной стружки движущая сила определена разностью концентраций водорастворимых веществ в порах С и в основной массе раствора С . Но при извлечении из ряда материалов это соотношение несправедливо [47]. В этом случае движущая сила процесса экстрагирования водорастворимых веществ определяется разностью концентраций, веществ в порах материала и равновесной ей (по твердой фазе), которой соответствует определенная концентрация веществ в растворе, то есть Сі~Є(Ср).

Особое значение аналиэ условий равновесия приобретает для процессов извлечения, когда требуется обеспечить высокую степень отработки твердого тела,а, следовательно,свести к минимуму потери водорастворимых веществ с инертной массой. К таким процессам относится экстрагирование водорастворимых веществ из кофе. В современных условиях производства растворимого кофе потери водорастворимых веществ достигают, в некоторых случаях, 15 - 20 % от их общего содержания в обжаренном зерне.

В лабораторных условиях нами были проведены исследования по

изучению статики процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе. Для этого была разработана методика и выполнены предварительные исследования по изучению условий равновесия при проведении процесса экстрагирования кофе.

2.1. Методика эксперимента по установаению изотерм экстрагирования

Навеску кофе начальной массы тн помещали в термостатированный сосуд и заливали раствором объемом W , с начальной концентрацией водорастворимых веществ в нем С_т . Навеска выдерживалась при перемешивании в течение времени t , концентрация водорастворимых веществ в растворе при этом достигала значения Ск-Ср и во времени не изменялась. За нарастанием концентрации раствора следили с помощью ультрарефрактометра марки УРЛ-^76--1858 и контролировали показания весовым методом (высушивание отобранного объема раствора). Зная начальную массу навески Юн и экстрактивность кофе 9 , можно определить исходное содержание водорастворимых веществ в навеске:

Мо-ГПн-9 (2.1)

Экстрактивность обжаренного кофе определяли в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 6805-66. Определив конечное значение концентрации водорастворимых веществ в растворе Ск и зная его начальное значение Cm , можно определить количество водорастворимых веществ, перешедших в раствор:

НигЬ^УжССк-Ст) (2.2)

Отсюда остаточная масса водорастворимых веществ в кофейном зерне определяется,как разность:

Мое* Мо-МизЬ (2.3)

Значения величин Мое дополнительно контролировали весовым методом. Для этого после завершения процесса экстрагирования от-

делили навеску твердых частиц от раствора. Остатки раствора с поверхности частиц смывали холодной дистиллированной водой, а затем навеску сушили до постоянного веса тк при температуре 105) С (ГОСТ 6805-6Є). Зная начальную массу навески, исходное содержание водорастворимых веществ в ней, определяли массу инертного носителя:

Шин =ГПи-Мо (2.4)

Тогда остаточное содержание водорастворимых веществ выражается

через разность:

Мое =Мк-тин (2.5)

Состояние равновесия определяли,как зависимость доли водорастворимых веществ, оставшихся недоизвлеченными в твердом теле Е от относительной концентрации веществ в растворе при заданной температуре С (кривая равновесия)

Е- ~/ (^c')t=const (2.60

Е = Мос/Мо ₍₂.₇₎

где C=C_KjC - относительная концентрация водорастворимых веществ
в растворе.
Предварительно проведенные эксперименты по отработке частиц
кофе дистиллированной водой при большом соотношении фаз твердое
тело - жидкость (1:30 и более) позволили установить зависимость
доли оставшихся недоизвлеченными водорастворимых веществ от сред
него диаметра частиц, то есть E-j-(dp) (рис. 2.1).Предс
тавленные данные подтверждают тот факт, что доля остаточных ве
ществ в частицах падает с уменьшением размера частиц и наимень
шее их количество отмечается в диапазоне изменения диаметра от
0,2 до 0,5 мм. По-видимому, при измельчении частиц происходит
разрушение блокированных пор и вещества, заключенные в них, ста
новятся доступными раствору. Уменьшение содержания остаточных

tocffytoti

водорастворимых веществ в частицах диаметром 0,4 мм,по сравнению с 0,2 мм,незначительно (не более I %). Однако, учитывая трудности, которые возникают с выделением мелких частиц из суспензии, нами в качестве объекта исследований была выбрана фракция кофе со средним диаметром 0,4 мм.

Полученная по результатам экспериментов, в соответствии с вышеописанной методикой, линия равновесия для Ф =0,4 мм имеет S-образный характер (рис. 2.2), что указывает на существование сорбционного взаимодействия между скелетом зерна и извлекаемыми водорастворимыми веществами. Кроме того, вид изотермы, очевидно, связан со сложным многокомпонентным составом извлекаемых водорастворимых веществ,

S-образный характер кривой равновесия (изотермы экстрагирования) сохраняется в исследуемом диапазоне размеров частиц 0,3 - 1,5 мм и температур 20 - 95 С. Различия касаются только количественной стороны (рис. 2.3) и особо ощутимы при переходе от одного размера частиц к другому (от 0,3 до 1,5 мм)>в интервале изменения относительных концентраций водорастворимых веществ в растворе С от 0 до 40. Можно полагать, что эти различия связаны со сложностью структуры зерна кофе, наличием в нем значительного количества закрытых в инертном носителе пор.

Полученные линии равновесия позволяют установить пределы изменения концентраций водорастворимых веществ в растворе, в которых процесс извлечения из кофе характеризуется наибольшим выходом веществ, что особенно важно знать в промышленных условиях для правильной организации процесса. С целью более подробного анализа полученных зависимостей разобьем изотерму экстрагирования на ряд участков (рис. 2.2). Первый участок - (подъем до точки В ), относительная концентрация водорастворимых веществ в растворе С изменяется в диапазоне 0 - 0,2, в то же время доля

_,*%г

о,а

0,6

О

Q, 0,4 0,6 Ofi_c>

Рис. 2.2 Изотеріа экстрагирования для частяц кофе Рооуста - І go средним диаметром dp= 0,4 мм при t « 85 С, 9 = 1:30.

гзсуд/.?втеЕаш j ізілмтені

СССР

жж В й. Деша.1

_,*%r

_о

:^0.2

экстрагированжя для

_t остаточных водорастворимых веществ в навеске кофе возрастает. В дальнейшем, при увеличении С от 0,2 до 0,45, величина Е изменяется незначительно, что соответствует участку BD на изотерме почти параллельному оси абсцисс. Далее, рост значений от 0,45 вплоть до 0,7 приводит к резкому возрастанию * (участок DK ), а при увеличении С от 0,7 до 1,0 происходит также увеличение Е , но уже не такое резкое.

Наличие участка OBD на изотерме экстрагирования раскрывает одну из причин значительных потерь водорастворимых веществ с кофейным шламом при экстрагировании фракции кофе dp - I - 2 мм в промышленных условиях, в батарейных экстракторах "Ниро-Атомай-зер".

Из полученных данных следует, что наиболее полная отработка зерна кофе обеспечивается в диапазоне изменения С от 0 до 0,2, что соответствует участку ОВ на изотерме экстрагирования.

Нанесем на изотерму экстрагированияE=J-(C) для Ф - 0,4 мм, і — 90 С (в интервале изменения относительных концентраций от 0 до I) экспериментальные точки, получим таким образом некоторую область изменения Е от С _# в этой области, для участка изотермы ОВ возможна линейная аппроксимация. Уравнение полученной прямой аналогично уравнению Генри Е = 1,84'С** (рис.2.4).

Как уже отмечалось выше, S -образный характер изотермы экстрагирования, связан с влиянием на процесс сорбционного взаимодействия с кофейным зерном водорастворимых веществ. По внешнему виду изотерма экстрагирования близка к изотермам адсорбции из растворов типа L (по классификации изотерм адсорбции из растворов Джайлса) [2б]. Как известно, адсорбционное равновесие является не только источником информации о структуре материала, но также индикатором на все изменения, происходящие в растворах [37, 84].

_Ш%

_№

_о

Рибі 2>4

*.-/*

С целью установления существования адсорбционного взаимодействия между инертной массой зерна кофе и водорастворимыми веществами была разработана следующая методика исследований.

2.2. Исследования по установлению адсорбционной способности инертной массы кофейного зерна

Раствор объемом и начальной концентрацией водорастворимых веществ в нем Cm приводили в контакт с навеской предварительно отработанного кофе (кофейного шлама). Отработка производилась следующим образом.

Навеску обжаренного кофе измельчали, отрабатывали в течение длительного времени дистиллированной водой при температуре 100 С при соотношении фаз твердое тело - жидкость 1:50 и более,причем, раствор периодически сливали, заменяя его новой порцией воды.Отработку считали законченной, когда концентрация водорастворимых веществ в растворе становилась близкой к нулю. После этого навеску сушили до постоянного веса при температуре 105 С. Путем рассева на ситах Jfe 1,5; I; 0,5 и 0,25 получали необходимую фракцию шлама.

Навеску шлама выдерживали в растворе в течение 24 - 26 часов, то есть до момента установления равновесия в системе. Концентрацию раствора Cm и текущую С* , а также равновесную С определяли с помощью ультрарефрактометра и контролировали весовым методом.

Количество вещества,поглощенного инертной массой зерна кофе,

или адсорбционную способность оценивали по известной формуле

[26, 35]

/г- Уж(Ст-Сж)

где т_н - начальная масса кофейного шлама, кг.

В соответствии с полученными данными,были построены изотермы адсорбции для кофейного шлама в координатах: ось ординат - Е , абсцисс Ср для частиц со средним диаметром Ф = 0,4 мм и 0,75 мм при температуре 85 - 90 С(рис. 2.5). По внешнему виду они не отличаются от изотермы экстрагирования для кофе. Различия касаются лишь количественной стороны. При одних и тех же условиях кофейный шлам может удерживать большее количество вещества по сравнению с имеющимся в исходном кофе. В опытах были использованы образцы кофейного шлама, образованного в результате низкотемпературного экстрагирования кофе (кривая I) и полученного в промышленных условиях извлечения водорастворимых веществ из кофе в батарейных экстракторах "Ниро-Атомайзер" (кривая 2). Незначительные количественные различия изотерм связаны с изменением структуры инертной массы зерна в результате длительной высокотемпературной обработки кофе.

Установленная адсорбционная способность кофейного шлама дала возможность предложить его в качестве сырья для производства углеродных адсорбентов. В содружестве с ОКТБ "Кристалл" ЛТИ им.Лен-совета, под руководством к.х.н. Севрюгова Л.Б. был разработан способ переработки твердой части шлама в углеродные адсорбенты мелкого зернения, пригодные для поглощения вредных веществ и очистки в паровой и жидкой фазах. Параметры пористой структуры полученных образцов углей близки к промышленному углю марки АГ-2, адсорбционными свойствами и механической прочностью, значительно превышающими его свойства. Сравнительные данные по параметрам пористой структуры, адсорбционным свойствам и механической прочности представлены в табл. 2.1.

Анализ полученных изотерм адсорбции и экстрагирования проведем по аналогии с процессом адсорбции из водных растворов и, в частности, поверхностно-активных веществ и сточных вод [37J.

Іій. 2^Й30їв|іга адорЙда да"

зюію > 8&с^)а|^ровааія^г_: кофе ^^про«шш^^ 'уШфвйЩ ] Z,-: яог экс? рагжроіаиій

Таблица 2.1

Раствор извлекаемых водорастворимых веществ кофе - сложная система, так как в нем содержится более 300 компонентов. Эта система включает ассоциированные и неассоциированные молекулы, которые находятся в определенном соотношении между собой в зависимости от концентрации раствора. С повышением концентрации раствора увеличивается и степень ассоциации молекул сначала незначительно (начало ветви OB ), а затем, при достижении некоторой "критической" концентрации водорастворимых веществ в растворе, ассоциация молекул быстро возрастает и возникают ассоциаты, содержащие десятки и сотни молекул (в точке В ). Можно полагать, что при дальнейшем повышении концентрации раствора за пределами точки В наступает перестройка мицелл (вплоть до точки Т> ).В

дальнейшем (после точки D на изотерме) происходит опять ассоциация молекул и продолжается до образования новых агрегатов, при этом быстро возрастает вязкость раствора.

Возникновение ассоциатов молекул в растворе приводит к изменению коэффициента преломления света. Представим полученные нами данные по равновесию (кривая равновесия для частиц со средним диаметром dp = 0,4 :мм и температуре 85 - 90 С) в координатах: ось ординат - 4/77 разность показателя преломления света в растворе и воде, установленных по ультрарефрактометру, ось абсцисс - Ср -концентрация раствора (рис. 2.6). Как видно из представленных данных в точке В и D наблюдается четкий излом, что указывает на образование мицелл в этих точках [37].

Итак, в растворе, содержащем водорастворимые вещества кофе, в процессе адсорбции и экстрагирования происходит существенные изменения чем, отчасти, объясняется такое поведение полученных изотерм экстрагирования и адсорбции. При низких концентрациях водорастворимых веществ в растворе (до Г00 кгЛг) начинает увеличиваться количество остаточных веществ в твердой фазе, что связано с ростом ассоциации молекул водорастворимых веществ в растворе. От точки В - первой "критической" точки и до точки J) , в связи с перестройкой мицелл не происходит существенного изменения остаточных веществ в твердой фазе. В дальнейшем, при: . усилении ассоциации молекул - увеличивается и остаточное содержание водорастворимых веществ в зерне.

O.QSL

О

8 /6 SL4 32 C_P,%

Pic. 2,6

51 3. КИНЕТИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ КОФЕ

3.1. Определение механизма процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна

Для определения механизма процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна был проведен процесс отработки на одиночных образцах - пластинках правильной геометрической формы. Образцы были изготовлены следующим образом. Часть кофейного зерна без эндосперма, зародыша и цветочной пленки помещали в квадратную ячейку и фиксировали ее положение, затем заливали эпоксидной смолой. После высыхания из полученного брикета получали пластинки - поперечный срез зерна, толщина последних составляла 0,5 - 0,6 мм (рис. 3.1). Эпоксидная смола образовывала на поверхности зерна влагонепроницаемый слой и, таким образом, концентрация водорастворимых веществ на поверхности поддерживалась постоянной, влияние внешнего сопротивления на перенос веществ сводилось к минимуму. Тогда, в соответствии с теорией кинетической неравноценности пор [73] , извлечение водорастворимых веществ происходило из порового пространства частицы к ее поверх- \ ности.

Опыты по отработке пластинок проводились при бесконечном разбавлении раствора, то есть концентрация водорастворимых веществ в нем на протяжении эксперимента стремилась к нулю. Для реализации эксперимента была собрана установка, представленная на рис. 3.2.

Установка состоит из канала 3, изготовленного из органического стекла. Размер рабочего участка канала 200x35x35 мм, внутри него размещается образец 6. На входе и выходе из канала установлена дифференциальная медь - константановая термопара 4 для контроля за перепадом температур, подключенная к вольтметру 2

Ржо.3.1 Общий вид опытного образца.

Pmcv 3,2 Схема эксдёршюятальйой: ^ий^га^Здо определешш механизма процесса экстрагврованмя в<ш>растворш^х веірсїв яз':щ^г^[^^яз^фІ9вщ мостат; 2 - вольтметр; 3^:'^іш^^41^РФо^:} ре; 5 - термшвір; 6 - ош*йнЙ б^разец^С

54"

(марка ВК 2-20). Разность температур по длине канала изменялась в пределах от 3 до 5 %. Точность измерения температур составляла - - 0,25 С. Опыты проводили при температуре воды 95 С.Для осуществления циркуляции воды по каналу и поддержания постоянной ее температуры был использован ультратермостат VTtf-2.

Методика эксперимента состояла в следующем. Пластинку начальной массы т" помещали в канал и вели отработку некоторое время Ч (время отработки в опытах составляло 2, 4, 9, 12 мин). После этого пластинку извлекали из раствора, сушили до постоянного веса т"к при температуре 105 С. Массу пластинки т^м без образца кофе определяли после опыта. Тогда можно определить начальную и конечную массу кофе в пластинке, соответственно ти и т« :

пл пл

тн = т_н -т (з.і)

тк=т^п_к^л-т^пл (3.2)

Зная массу кофейного зерна до опыта тн , экстрактивность кофе Э . расчетным путем определяли массу водорастворимых веществ, содержащихся в пластинкет₀=м_н Э . Инертная масса зерна составляет разность тин=тн-піо . Определив массу кофейного зерна после опыта /як весовым методом, можно рассчитывать степень отработки зерна , равную отношению остаточного содержания водорастворимых веществ в зерне к общей их массе:

с Пк -тин hioc

^с~ Z ⁼ (3.3)

tno то

Полученные экспериментальные данные (табл. 3.1) представлены в координатахЕ -ft? (рис. 3.3). Экспериментальные точки на нем располагаются вдоль прямой, что указывает на наличие режима послойной отработки твердой фазы зерна кофе при экстрагировании.

Pig. 3,3

3.2. Математическое моделирование процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна

Для твердых пористых тел с изотропной структурой и равномерным распределением водорастворимых веществ возможно применение модели послойной отработки твердой фазы [2, 4, 72, 83, 85]. В соответствии с этой моделью, в частице сферической формы, радиусом , отрабатываемой в течение времени Ъ , водорастворимые вещества в твердом состоянии остаются в области радиусом Го (ядро частицы). Отработанная зона, где водорастворимых веществ в твердом состоянии уже нет, называемая сферическим слоем, имеет размер R-r₀ . На границе этих областей концентрация водорастворимых веществ равна концентрации насыщения С . при приближении к периферии пористой частицы она достигает значений 9^=я и падает до наименьшего С ж вне частицы (рис. 3.4).

Распределение концентраций веществ в сферическом слое, где водорастворимых веществ в твердом состоянии уже нет, приближенно может быть описано дифференциальным уравнением: d²C Z дС _п

d^ ⁺TJF^{=0 (3}-⁴⁾

Интегрирование этого уравнения приводит к выражению:

с^с _s і-у/уо ₍₃;₅₎

А С У- Уо

Изменение количества водорастворимых веществ в ядре частицы радиусом {Го)-Мі и в отработанной зоне радиусом {2-гъ )-Мг можно представить соответственно следующими выражениями:

/г
М₂ ^м4^Сгаг ₍₃.₇₎

Йіо^З^ Схема ^сйре^лвмій
нр; ішвіечвшш \твбщого вещества «з порис
того maa. .- ..V^:/: Ж/^:г - -^>::1

В результате проникновения внутрь пористой структуры раствора с начальной концентрацией водорастворимых веществ в нем Сж, в поровое пространство частицы привносится некоторое количество вещества, изменение которого определяется выражением:

М4=4Го*емС_ж%'%- (3.8)

Количество вещества, отводимого от поверхности частицы, определяется как:

М^4Я/гЪэм^_г=/;, (3.9)

Тогда уравнение материального баланса, учитывающее количество водорастворимых веществ в растворе и в пределах отработанной зоны,имеет вид [72]:

+

-U Ґ±Г₀р_гм + f ЄмЄ4#г*сГг>) = -4&R. D^mЁИ ,

* 4Г-₀емС*Х ~

^аТ (3.10)

Уравнение (3.10) совместно с уравнениями (3.5) и (3.II), определяющим граничные условия третьего рода, (3.12) - материального баланса для периодического процесса дает известную модель послойной отработки твердой фазы

-^ -Mty-*-^c«) (ЗЛІ)

(3.12) При использовании этой модели изменением количества водорастворимых веществ в отработанной зоне и конвективно вносимого обычно пренебрегают, то есть уравнение (3.10) принимает более простой вид [72] :

(З.ІЗ) /Є

_{iff*fc*)"<**^A}

Решение уравнения (3.13) при известных граничных условиях приводит к выражению [72] :

(3.14)

^{gfi --4ш-^)Ц^)[р,(о)-р}_г^(ь)}

^б_Мщ^р_т^/г

где _аА^и^^т -А*¹* (3-15)

/ С.-ft,-*)** _(ЗЛ6)

\ С*- Cm -X/

nw 6 ^л y_+zy yz У _W

F_z(Z) = &lj+Z³l (3.18)

Модель послойной отработки твердой фазы, реализуемая через уравнения (З.Г4 - 3.18), не учитывает долю водорастворимых веществ в отработанной зоне, а также влияние сорбционных эффектов на перенос веществ из твердых пористых частиц.

3.2.1. Разработка модели послойной отработки твердой фазы применительно к процессу экстрагирования из кофе

Были проведены численные оценки слагаемых, входящих в уравнение (3.10)* Они показали, что в процессе экстрагирования кофе количество водорастворимых веществ, вносимых в поры конвективным путем - незначительно (0,01 % от общего содержания их в зерне) и им можно пренебречь. Результаты оценок второго слагаемого уравнения, то есть доли водорастворимых веществ, оставшихся в отра-

ботанной зоне, приведены на рис. 3.5. Из данных следует, что количество водорастворимых веществ в отработанной зоне составляет в среднем 5 - 7 % от общего содержания их в зерне. Учитывая высокую стоимость сырья, таким количеством водорастворимых веществ пренебречь нельзя.

Тогда уравнение материального баланса (3.10) примет вид:

— (-ЗЬРгЄн + \бн CWrbr) = Ь_э AXffM. (3.19)

д?\3 J J дґгчі

Дополним уравнение (3.19) уравнением материального баланса для периодического процесса. Частица кофе находится в растворе объемом Уж . Часть раствора объемом Уж и начальной концентрацией водорастворимых веществ Cm проникает в поры частицы, а

с остальная часть - ]/ж находится вне ее. Тогда массу водорастворимых веществ в растворе Ms (без учета количества водорастворимых веществ, первоначально содержащихся в растворе) можно представить как:

Мэ=]/ж^СС* (3.20)

Масса водорастворимых веществ в порах частицы:

ЩІ^УжСі (3.21)

Отсюда масса водорастворимых веществ Мае в неотработанной зоне радиусом Со выразится равенством:

Моо = Мо~Мэ+Мт-Мэ (3.22)

где Mm-^ масса водорастворимых веществ, первоначально содержащихся в растворе. Известно, что

Mac-J^iP^" (3.23)

В свою очередь Мо⁼ J %&&/*

(3.24)

_,%

_{o, Q4 #&}^:_'^:_{'&М4?-^Ш{Щ-&.}

Рис. 3.5

64 Подставим (3.23) и (3.24) в уравнение (3.22), получим:

\ТіГо_%р_тЄи = 4 И%п -М_э +Mm -МІ ^(3,25)

і *лм(Є*-п) - Мэ +МІ -Mm (3-26)

с Разделим обе части уравнения на V* . введем обозначения

получим:

*(l-Vo³) = Cm-C_m+B (3.27)

Массу водорастворимых веществ в отработанной зоне можно определить следующим образом:

^м;-/

_MC4gtr*dr (3.28)

Тогда конечное уравнение баланса для периодического процесса

примет следующий вид:

і, „3\ п I м С4^с/г
де (J-«+₀ ——с

_Уж ^{т (3}_-²⁹⁾

При отсутствии сорбционного взаимодействия между извлекаемыми водорастворимыми веществами и инертной массой зерна количество веществ, перешедших в раствор стремится к своему предельному значению 2'^М_а/1/ж . При наличии оорбционных эффектов предельно возможная концентрация водорастворимых веществ в растворе будет меньше значения аг' и стремится к величине а? . Количество водорастворимых веществ в навеске составляет величину :

Мо=Моа + Мт (3.30)

Механизм извлечения водорастворимых веществ из сырья растительного происхождения

В настоящее время решение проблемы полного и рационального использования ценных компонентов, содержащихся в растительных материалах заключается в разработке эффективных технологических процессов. Разработка их невозможна без постадийного анализа ответственных за процесс элементарных явлений, исследования влияния на них основных факторов процесса. Дальнейшая интенсификация процесса экстрагирования из пористых материалов, основанная на анализе механизма извлечения, возможна благодаря успешному развитию современной теории экстрагирования Аксельрудом Г.А., Белобородовым В.В., Гончаренко Г.К., Гребенюком СМ., Кшочкиным В.В., Лысянским В.М., Понамаревым В.Д., Юсупбековым Н.Р. и другими.

Сырье растительного происхождения представляет собой капил-лярнопористое тело со сложным строением. В порах находится извлекаемый компонент , перенос которого осуществляется из пор к наружной поверхности материала за счет молекулярной диффузии.

Инертный носитель (скелет) пористого тела оказывает тормозящее влияние на скорость диффузионного переноса водорастворимых веществ [5, 14, 16, 17, 28]. Одной из причин, вызывающих замедление, является повышенная извилистость и гофрированность поровых каналов, соразмерность диффундирующих молекул с диаметром канала. Изучение этого влияния затруднено многообразием структур пористых тел. Большинством авторов [l2, 71, 74,. 76 ] показана возможность применения закона Фика и дифференциального уравнения диффузии для установления концентрационного поля и потока вещества в телах растительного происхождения, но при этом либо вводят параметры, отражающие влияние твердой фазы на диффузионный перенос, либо модифицированные коэффициенты диффузии [Г4, 39, 7Г, 74]. Связь между скелетом твердого тела и извлекаемыми водорастворимыми веществами может носить адсорбционный характер. Такая форма связи оказывает существенное влияние на извлечение водорастворимых веществ. Это обстоятельство обуславливает криволинейный харктер зависимости между равновесными концентрациями в твердой и жидкой фазах [4, 47, 82].

Поровое пространство частицы растительного сырья можно представить как среду, состоящую из соединенных между собой пор с различными геометрическими характеристиками и формой [2, 3, 4, 74]. Растительные материалы имеют структуру, приближающуюся к упорядоченной [72, Н)7] . В соответствии с классификацией [4] поры, содержащие водорастворимые вещества, можно подразделить на поры: I) закрытые в инертном носителе; 2) занимаемые инертным носителем; 3) заполненные водорастворимыми веществами в твердом состоянии; 4) заполненные жидкостью Водорастворимые вещества в порах твердого тела могут находиться в твердом, либо растворенном состоянии. Последнее присуще многим видам сочного растительного сырья (например: фрукты, сахарная свекла, овощи). Присутствие жидкой фазы в порах приводит к появлению сил, вызванных капиллярным и расклинивающим давлением [4, 44, 74]. Силы действуют на стенки пор, в результате чего элементы, не связанные между собой или даже связанные, но не имеющие упругих эластичных свойств, смещаются и пористая структура твердого тела изменяется. Изменение инертной массы растительного сырья, - усадка наблюдается при экстрагировании водорастворимых веществ из долек яблок и других фруктов, а также ряда овощей [46, 49, 102].

В наиболее общем виде процесс экстрагирования состоит из четырех стадий [4, 38, 4б]: 1) проникновение растворителя в поры частиц растительного сырья; 2) Растворение вещества; 3) перенос массы водорастворимых веществ диффузионным путем из внутренних областей частиц экстрагируемого материала в пограничный сдой, прилегающий непосредственно к частице; 4) диффузионно-конвективный перенос водорастворимых веществ через пограничный слой и распределение его по всей массе раствора.

При экстрагировании из сырья растительного происхождения могут иметь меото все четыре стадии процесса. Это характерно для сушеных трав, например, зубровки, непеты, семян кориандра, лепестков роз, чая, обжаренных зерен кофе, злаковых, но не все эти стадии могут оказывать существенное влияние на процесс.

Растворитель, проникая в поры твердого тела, растворяет водорастворимые вещества. В этом случае также возможно изменение линейных размеров и деформация инертной массы сырья, например, набухание. Это характерно, в частности, для многих видов сырья, нашедших применение в микробиологической промышленности [38]. Исследования показывают, что происходящие в процессе набухания изменения структуры сырья могут оказывать влияние на диффузию . молекул растворителя. При этом коэффициент диффузии оказывается зависящим в ходе процесса не только от концентрации извлекаемых водорастворимых веществ С± , но и от характеристик структуры

Б работах [2, з] рассмотрены случаи, когда водорастворимые вещества находятся в твердом состоянии, но заполняют не весь объем поры. Тогда ее можно представить как состоящую из двух объемов: заполненного извлекаемым водорастворимым веществом и свободного от него.

Исследования по оценке адсорбционной способности инертной массы кофейного зерна

Раствор объемом и начальной концентрацией водорастворимых веществ в нем Cm приводили в контакт с навеской предварительно отработанного кофе (кофейного шлама). Отработка производилась следующим образом.

Навеску обжаренного кофе измельчали, отрабатывали в течение длительного времени дистиллированной водой при температуре 100 С при соотношении фаз твердое тело - жидкость 1:50 и более,причем, раствор периодически сливали, заменяя его новой порцией воды.Отработку считали законченной, когда концентрация водорастворимых веществ в растворе становилась близкой к нулю. После этого навеску сушили до постоянного веса при температуре 105 С. Путем рассева на ситах Jfe 1,5; I; 0,5 и 0,25 получали необходимую фракцию шлама.

Навеску шлама выдерживали в растворе в течение 24 - 26 часов, то есть до момента установления равновесия в системе. Концентрацию раствора Cm и текущую С , а также равновесную С определяли с помощью ультрарефрактометра и контролировали весовым методом.

Количество вещества,поглощенного инертной массой зерна кофе, или адсорбционную способность оценивали по известной формуле [26, 35] где тн - начальная масса кофейного шлама, кг.

В соответствии с полученными данными,были построены изотермы адсорбции для кофейного шлама в координатах: ось ординат - Е , абсцисс Ср для частиц со средним диаметром Ф = 0,4 мм и 0,75 мм при температуре 85 - 90 С(рис. 2.5). По внешнему виду они не отличаются от изотермы экстрагирования для кофе. Различия касаются лишь количественной стороны. При одних и тех же условиях кофейный шлам может удерживать большее количество вещества по сравнению с имеющимся в исходном кофе. В опытах были использованы образцы кофейного шлама, образованного в результате низкотемпературного экстрагирования кофе (кривая I) и полученного в промышленных условиях извлечения водорастворимых веществ из кофе в батарейных экстракторах "Ниро-Атомайзер" (кривая 2). Незначительные количественные различия изотерм связаны с изменением структуры инертной массы зерна в результате длительной высокотемпературной обработки кофе.

Установленная адсорбционная способность кофейного шлама дала возможность предложить его в качестве сырья для производства углеродных адсорбентов. В содружестве с ОКТБ "Кристалл" ЛТИ им.Лен-совета, под руководством к.х.н. Севрюгова Л.Б. был разработан способ переработки твердой части шлама в углеродные адсорбенты мелкого зернения, пригодные для поглощения вредных веществ и очистки в паровой и жидкой фазах. Параметры пористой структуры полученных образцов углей близки к промышленному углю марки АГ-2, адсорбционными свойствами и механической прочностью, значительно превышающими его свойства. Сравнительные данные по параметрам пористой структуры, адсорбционным свойствам и механической прочности представлены в табл. 2.1.

Анализ полученных изотерм адсорбции и экстрагирования проведем по аналогии с процессом адсорбции из водных растворов и, в частности, поверхностно-активных веществ и сточных вод [37J.

Раствор извлекаемых водорастворимых веществ кофе - сложная система, так как в нем содержится более 300 компонентов. Эта система включает ассоциированные и неассоциированные молекулы, которые находятся в определенном соотношении между собой в зависимости от концентрации раствора. С повышением концентрации раствора увеличивается и степень ассоциации молекул сначала незначительно (начало ветви OB ), а затем, при достижении некоторой "критической" концентрации водорастворимых веществ в растворе, ассоциация молекул быстро возрастает и возникают ассоциаты, содержащие десятки и сотни молекул (в точке В ). Можно полагать, что при дальнейшем повышении концентрации раствора за пределами точки В наступает перестройка мицелл (вплоть до точки Т ).В дальнейшем (после точки D на изотерме) происходит опять ассоциация молекул и продолжается до образования новых агрегатов, при этом быстро возрастает вязкость раствора.

Возникновение ассоциатов молекул в растворе приводит к изменению коэффициента преломления света. Представим полученные нами данные по равновесию (кривая равновесия для частиц со средним диаметром dp = 0,4 :мм и температуре 85 - 90 С) в координатах: ось ординат - 4/77 разность показателя преломления света в растворе и воде, установленных по ультрарефрактометру, ось абсцисс - Ср -концентрация раствора (рис. 2.6). Как видно из представленных данных в точке В и D наблюдается четкий излом, что указывает на образование мицелл в этих точках [37].

Итак, в растворе, содержащем водорастворимые вещества кофе, в процессе адсорбции и экстрагирования происходит существенные изменения чем, отчасти, объясняется такое поведение полученных изотерм экстрагирования и адсорбции. При низких концентрациях водорастворимых веществ в растворе (до Г00 кгЛг) начинает увеличиваться количество остаточных веществ в твердой фазе, что связано с ростом ассоциации молекул водорастворимых веществ в растворе. От точки В - первой "критической" точки и до точки J) , в связи с перестройкой мицелл не происходит существенного изменения остаточных веществ в твердой фазе. В дальнейшем, при: . усилении ассоциации молекул - увеличивается и остаточное содержание водорастворимых веществ в зерне.

Математическое моделирование процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофейного зерна

Были проведены численные оценки слагаемых, входящих в уравнение (3.10) Они показали, что в процессе экстрагирования кофе количество водорастворимых веществ, вносимых в поры конвективным путем - незначительно (0,01 % от общего содержания их в зерне) и им можно пренебречь. Результаты оценок второго слагаемого уравнения, то есть доли водорастворимых веществ, оставшихся в отра ботанной зоне, приведены на рис. 3.5. Из данных следует, что количество водорастворимых веществ в отработанной зоне составляет в среднем 5 - 7 % от общего содержания их в зерне. Учитывая высокую стоимость сырья, таким количеством водорастворимых веществ пренебречь нельзя. Тогда уравнение материального баланса (3.10) примет вид: Дополним уравнение (3.19) уравнением материального баланса для периодического процесса. Частица кофе находится в растворе объемом Уж . Часть раствора объемом Уж и начальной концентрацией водорастворимых веществ Cm проникает в поры частицы, а с остальная часть - ]/ж находится вне ее.

Тогда массу водорастворимых веществ в растворе Ms (без учета количества водорастворимых веществ, первоначально содержащихся в растворе) можно представить как: Масса водорастворимых веществ в порах частицы: Отсюда масса водорастворимых веществ Мае в неотработанной зоне радиусом Со выразится равенством: где Mm- масса водорастворимых веществ, первоначально содержащихся в растворе. Известно, что Результаты предварительно проведенных исследований и имеющиеся данные [41] показывают, что процесс извлечения водорастворимых веществ из частиц кофе можно рассматривать как состоящий из двух периодов.

Модель послойной отработки твердой фазы применительно к процессу экстрагирования должна устанавливать взаимосвязь между кинетическими параметрами процесса Сж =$(%) как в первом, так и во втором периодах процесса. Кинетическим параметром, характеризующим конец первого и начало второго периодаг является значение $отрг , размер зоны, отработанной посредством массоотдачи. Тогда связь между Рв и @ выражается следующим соотношением Значению &огр1 соответствует вполне определенная концентрация водорастворимых веществ в растворе С mi , она является конечной для первого и начальной для второго периода извлечения водорастворимых веществ из частиц кофе. Уравнение массоотдачи в критериальной форме имеет вид: При интенсивном массообмене твердого тела в форме сферы с окружающей средой [4, 74]A/wm может быть представлен выражением: или Входящая в критерий Рейнольдса величина (& - скорость движения среды относительно частицы, берется в виде предельной скорости движения частицы, падающей под влиянием силы тяжести. Указанная скорость может быть определена из выражения [18, 55, 94, 116]: где бо - значение диссипируемой энергии. Осредненное по всему объему жидкости значение диссипируемой энергии можно определить исходя из мощности М (Вт), потребляемой на перемешивание [55] :

Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения способа дополнительного извлечения водорастворимых веществ из кофейного шлама и линии для его осуществления

Экономической оценкой организационных и технических мероприятий служит показатель годового экономического эффекта [52] где С/, Сг - себестоимость единицы продукции до и после проведения мероприятия, руб; Kzyd - удельные капитальные затраты после проведения мероприятия, руб/т. Годовой объем производства растворимого кофе до и после проведения мероприятия остается постоянным А±=А = 1300 т. Капитальные затраты на вновь приобретаемое оборудование с учетом его доставки на Ленинградский пищевой комбинат определяется, в среднем, (укрупненно) в сумме 800 000 руб. Затраты на приобретение оборудования определялись произведением удельной себестоимости аналогичных существующих конструкций и основной эксплуатационной характеристики (производительности) проектируемого аппарата.

Затраты на монтаж и испытание линии: Амортизационные отчисления составят: Расходы по обслуживанию и текущему ремонту - 6,5 % Тогда удельные капитальные затраты по проектируемому варианту составят: Расчет себестоимости единицы продукции после проведения мероприятия (Сг) по утилизации кофейного шлама. Расчет производился на основе отчетных данных ЛПК за 1980 год. Себестоимость I т растворимого кофе до проведения мероприятия (Q) составляет 30107,66 руб. Себестоимость І т растворимого кофе после проведения мероприятия () рассчитывается по формуле: где йС - изменение себестоимости единицы продукции по статьям расходов, руб. Затраты на производство І т растворимого кофе и планируемые затраты на производство готового продукта из кофейного шлама приведены в табл. 4.3. Расчет изменения себестоимости единицы продукции ( С ) по статьям расходов производится в следующем порядке: а) изменение расходов по сырью и основным материалам где HCl Не норма расхода сырья и основных материалов на единицу продукции до и после проведения мероприятия; Ус,Цс - оптовая цена единицы сырья с учетом транспортно-заготовительных расходов до и после проведения ме По данным за 1980 г - Не = 2990,3 кг, Цс =9,62 руб, при годовом выпуске растворимого кофе 1300 т расходуется сырья 3887,4 т. Дополнительное извлечение экстрагируемых веществ из шлама 65 т/год приведет к сокращению расхода сырья до условии, что годовой выпуск продукции остался неизменным, составит: пересчете на единицу продукции: -АСС = Г438 руб. б) изменение расходов на вспомогательные материалы, топливо, электроэнергию (двигательную): где Нм,Нм - норма расхода материалов (топлива, энергии) на единицу продукции до и после проведения мероприятия; ЦмДм- цена единицы материала с учетом транспортно-загото-вительных расходов. По вспомогательным материалам:

Проведенные мероприятия по утилизации кофейного шлама приведут к использованию пара. Расходы на пар составят: где / - стоимость оборудования до и после проведения мероприятия, руб; Ai,Aj) - годовой объем производства продукции до и после проведения мероприятия; Яда - коэффициент, учитывающий расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, %0= 0,65 по данным техпромфинплана. г) цеховые расходы в результате проведения мероприятий изменяются по статье "Охрана труда". Это изменение можно рассчитать по формуле: где й" - изменение численности рабочих, чел.; Сот _ расходы на охрану труда и технику безопасности в расчете на одного рабочего в год: д) изменение расходов по основной и дополнительной заработ ной плате производственных рабочих: где PjPa - расценка за единицу продукции до и после проведения мероприятия, руб; Щ - коэффициент, учитывающий е) изменение отчислений на социальное страхование: по статьям расходов, получим: Cz = 30Ю7,66 ( - 1438 +- 86,45 3,85; 20 896,6 + 3,5 + + 0,3 + 0,0204) =29369,2 В соответствии с полученными данными внесены изменения в статьи калькуляции. Учитывая изменения себестоимости единицы продукции, получим годовой экономический эффект: Эг = [(30107,66 - 29369,2) - 0,15 81,7] -1300 = 944320 руб/год І. В результате изучения статики процесса экстрагирования водорастворимых веществ из кофе установлено ; сорбционное влияние структуры зерна кофе на извлечение. Получены изотермы экстрагирования, имеющие нелинейный характер.

Похожие диссертации на Кинетические закономерности процесса экстрагирования при производстве растворимого кофе

Разработка циклического процесса экстрагирования растительных материаловМихневич Андрей Николаевич

Совершенствование и моделирование процесса экстрагирования сахарозы при предварительной обработке свекловичной стружки структурообразующим веществом Рыжков Денис Владимирович

Совершенствование процесса экстрагирования растительных материалов жидкой двуокисью углеродаСиюхов Хазрет Русланович

Совершенствование процесса экстрагирования целевых компонентов при электроконтактной обработке смеси растительного сырьяГусева Мария Васильевна

Повышение эффективности процессов сушки и экстрагирования плодов рябины обыкновенной и черноплодной в псевдоожиженном слоеЯковлев, Николай Николаевич

Совершенствование процесса диоксид-углеродного экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья Новокшонов Виталий Юрьевич

Процессы и противоточные конвективно-массообменные аппараты для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе "тонкодисперсное твердое тело - жидкость"Алиев Мурад Ризванович

Совершенствование технологии производства натурального ароматизированного кофеСтепанов Дмитрий Евгеньевич

Исследование закономерностей процесса декапсуляции цист Artemia Salina и их использование при производстве молочных продуктов Мотовилов Олег Константинович

Закономерности процессов получения нитридов и оксинитридов элементов III - IV групп сжиганием порошков металлов в воздухеГромов Александр Александрович