Введение к работе
Актуальность работы.
Россия, являясь одной из крупных чаеперерабатывающих и чаепотребляющих стран мира, ежегодно импортирует 150-170 тыс.т. черного и зеленого байхового чая. При этом, около 20% от этого количества используется как сырье для промышленной переработки. Среди поставщиков чайного сырья наряду с такими крупнейшими производителями, как Китай, Индия, Шри-Ланка (бывший Цейлон), фигурирует и Вьетнам. В настоящем ежегодное производство чая на плантациях Вьетнама достигло 75 тыс. т. Примерно три четверти из этого количества составляют качественные зеленые чаи.
Сырьем для изготовления, к примеру, классического чая служат обработанные специальным образом листья чайного куста китайского «Camellia sinensis», содержащие: дубильные вещества (до 35%), кофеин (2-5%), теофелин, теобромин, флавоноиды, эфирное масло, аскорбиновую кислоту; витамины групп В, Р, РР, К; микроэлементы.
Широкий спектр подходов и методов обработки и переработки чайного листа органично дополняется возможностями использования для этих целей суб- и сверхкритического диоксида углерода и, прежде всего в промышленно реализованной задаче деко-феинизации чая. Первые примеры промышленной реализации процессов сверхкритической флюидной СС»2 - декофеинизации кофе и чая датированы концом 70-х - началом 80-х годов прошлого столетия. Речь идет прежде всего о производствах, организованных промышленными компаниями: «HAG» (Германия), «SKW-Trostberg» (Германия) и «Kraft General Foods» (США). Неполный перечень патентов только США на этот процесс в различных его вариантах включает следующие: 3.806.619 (1974г.); 3.843.824 (1974г.); 3.879.569 (1975г.); 4.167.589 (1979г.); 4.168.324 (1979г.); 4.246.291 (1981г.); 4.247.570 (1981г.); 4.251.559 (1981г.); 4.255.458 (1981г.); 4.255.461 (1981г.); 4.260.639 (1981г.); 4.276.315 (1981г.); 4.328.255 (1982г.); 4.322 445 (1982г.).
Несмотря на казалось бы исчерпывающую изученность процесса, поиск в этом направлении продолжается и в настоящее время. Достаточно обратить внимание на содержание докладов международных конференций по сверхкритическим флюидам, проходивших в 2005 г. - Страсбург/ Кольмар (Франция) и в 2006 г. - Киото (Япония). В частности, изучается экономическая эффективность обсуждаемого процесса, но уже с использованием в процессе экстрагирования давлений, близких к Р=1000 бар; ведется поиск новых сорастворителей с целью повышения той же экономической эффективности процесса СОг-декофеинизации, и, наконец, устанавливаются технологические параметры, отвечающие отдельным сортам перерабатываемого сырья.
В то же время, возможности использования суб- и сверхкритических флюидных сред в задаче переработки чайного сырья вполне могут выходить и за пределы процесса сверхкритической флюидной СОг-декофеинизации. К примеру, немаловажную проблему представляет собой максимально эффективное использование биологического потенциала чайного листа при заваривании, особенно, когда чай расфасован в пакетики. На фоне всякого рода ухищрений с материалом и формой чайных пакетиков, изменения которых преследуют цель интенсификации массоотдачи в водную фазу, часто без должного внимания остаются особенности в структуре чайного листа, которые в значительно большей степени ответственны за успешное решение этой проблемы. Формирование условий для более полного выхода целевых компонент в водную фазу может обеспечить более выгодное и экономное потребление чайного листа.
Таким образом, исследование термодинамических основ использования сверхкритических флюидных сред в задачах переработки чайного сырья, исследование процесса
*В руководстве работой принимали участие д.т.н., профессор Ф.Р. Габитов и к.т.н, профессор Д.Г. Амирханов.
СОг-декофеинизации применительно к зеленому Вьетнамскому чаю, а также разработка методов интенсификации массоотдачи в водную фазу при «заваривании» чайного сырья являются задачами однозначно актуальными.
Диссертационная работа выполнена в рамках гранта программы ФСР МП НТС (Старт 05) №5846 и научно-технологических программ Ханойского технического университета (Вьетнам) и чайнопроизводственной компании «САО BANG» (Вьетнам) на 2005-2010 г.г.
Цель работы.
1. Создание экспериментальных установок для исследования растворимости ве
ществ в чистых и модифицированных сверхкритических флюидных растворителях, а
также для осуществления сверхкритического флюидного экстракционного процесса.
-
Исследование растворимости кофеина и сквалена в чистом и модифицированном сверхкритическом диоксиде углерода. Описание результатов измерений.
-
Реализация сверхкритического флюидного процесса СО2- декофеинизации, применительно к зеленому Вьетнамскому чаю. Исследование влияния технологических параметров процесса на эффективность СОг-декофеинизации чайного сырья.
-
Разработка новых методов предварительной обработки чайного сырья, позволяющих увеличивать массоотдачу в водную фазу в процессе «заваривания».
-
Исследование характеристик процедур (СОг-циркуляция и декомпрессия в системе «чайное сырье - сверхкритический диоксид углерода»), предлагаемых для предварительной обработки чайного сырья.
Научная новизна.
-
Получены новые экспериментальные данные по растворимости кофеина в чистом и модифицированном водной фазой сверхкритическом диоксиде углерода в диапазоне температур 308.15-333.15 К и интервале давлений 7.0-30.0 МПа. В области пониженных давлений (7.0-10.0 МПа) для чистого СОг и для диоксида углерода, насыщенного водой, во всем диапазоне изменения Р и Т экспериментальны данные получены впервые.
-
Получены новые экспериментальные данные по растворимости сквалена в сверхкритическом диоксиде углерода на изотермах 313.15К и 328.15К в диапазоне давлений 10.0-32.0 МПа.
-
Впервые исследованы термодинамические основы сверхкритического флюидного процесса СОг-декофеинизации применительно к зеленому Вьетнамскому чаю.
-
Предложены новые оригинальные методы предварительной обработки чайного сырья, позволяющие увеличить массоотдачу (до 35%) в водную фазу в процессе «заваривания». Исследованы и установлены предпочтительные характеристики предлагаемых процедур предварительной обработки.
Практическая значимость.
-
Термодинамические основы сверхкритического флюидного процесса СОг-декофе-инизации, применительно к зеленому Вьетнамскому чаю, исследованные в диссертации-онной работе, могут служить технологическими рекомендациями для промышленной реализации.
-
Предложенные и исследованные оригинальные методы предварительной обработки чайного сырья готовы к экономически обоснованному внедрению в промышленное производство.
3. Вышеотмеченное в настоящем является предметом обсуждения в плане промышленной реализации чайнопроизводственной компанией «САО BANG» (Вьетнам). Автор защищает:
экспериментальные данные по растворимости кофеина и сквалена в чистом и модифицированном водой сверхкритическом диоксиде углерода;
термодинамические основы сверхкритического флюидного процесса СО2-декофеи-низации, применительно к зеленому Вьетнамскому чаю;
оригинальные процедуры предварительной обработки чайного сырья, позволяющие увеличить массоотдачу в водную фазу в процессе «заваривания» напитка;
предпочтительные характеристики предлагаемых процедур предварительной обработки чайного сырья.
Апробация работы и научные публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (2005, Санкт-Петербург); IV Международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (2007, Казань); ежегодных отчетных научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета (2004-2008, Казань).
Личный вклад.
Основные научные положения и результаты экспериментов, представленные в диссертации, получены автором.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается согласием экспериментальных данных с литературными, использованием современной аттестованной аппаратуры, расчетом погрешностей эксперимента.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, в том числе 45 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы включает 91 наименование.
