Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Извлечение ценных компонентов из стительного сырья является одной из основных технологий в пищевой, рмацевтической, химической промышленности и др. Для России, где основные площади сельскохозяйственного прозводства годятся в зоне рискованного земледелия, а также, где имеются в ішчии большие запасы ценного природного растительного сырья, ^ективность его переработки является важнейшей задачей.
Однако, объемы переработки растительного сырья до сих пор гостаточны по сравнению с количеством экономически доступных ;урсов. Примером может служить такой уникальный вид доступного рья как торф, запасы которого только в Западно-Сибирском регионе гвышают 100 млрд.тонн, переработка которого позволяет получать алогически активные вещества, углеводородное сырье (деготь, спирты, юлы, парафин, воск, уксусную кислоту и др.), кокс, топливо и т.д., яако его использование крайне незначительно.
Основной проблемой в переработке растительного сырья является низкая [іективносгь традиционных методов извлечения целевых компонентов, пь из которых уже достигла своего естественного предела, а другие годы многоступенчаты, энергоемки, длительны по времени и, зтветственно, экономически не эффективны.
Поэтому разработка принципиально новых технологий и интенси-кация традиционных методов переработки растительного сырья с п.ю более эффективного извлечения ценных веществ является перс-сгивной и актуальной задачей.
Извлечение полезных компонентов из растительного сырья про-юдится в основном методом экстракции, в основу которого положены {>фузионные (массобменные) процессы, движущей силой которых [яется разность концентраций между растворителем (экстрагентом) и ггвором веществ, содержащихся в клеточных и межклеточных іуктурах растений.
Экстракция веществ наиболее эффективно происходит с поверхности рья или из разрушенных клеток (вымывание, растворение). Процесс стечения веществ из клеток является наиболее сложной задачей и :бует доставки экстрагента внутрь клетки, растворения веществ и вывода
наружу. Эта часть процесса определяет основные показатели нологии (длительность, степень извлечения, энергоемкость и др.), пому поиск методов интенсификации процесса экстракции ведется в іравлениях воздействия на клеточные структуры с цепью увеличения их 1>фузионных возможностей.
Одной из основных подготовительных операций в технологических мах переработки растительного сырья является измельчение материала,
что обеспечивает доступ экстрагента к большей поверхности сыр Проблемой в измельчении растительного сырья являются его физи механические свойства, т.е. это сырье относится к упруго-пластичн материалам и его разрушение осуществляется в режущих, истирающих і прессующих устройствах, как правило, в сухом или влажном состоян что является достаточно энергоемким процессом.
Непосредственно экстракция осуществляется жидким экстрагент специально подобранным для соответствующего вида сырья, при это» экстракторах создаются такие гидродинамические режимы, котор постоянно поддерживают разность концентраций между экстрагенто\ протоплазмой клетки. Существенную роль оказывает температури режим процесса, который увеличивает диффузионные свойства клеточн оболочек, однако, увеличение температуры выше определенного пред может привести к разрушению извлекаемых веществ, что требует поиі других средств воздействия на клеточные структуры.
В настоящее время для интенсификации процесса экстракции пользуют воздействие на сырье различных силовых полей (ультра-инфразвуковых, электрических, магнитных и др.), а также опробуюта качестве экстрагента сжиженные газы и тд. Однако, большинство э: перспективных методов, разрабатываемых достаточно длительное вре до сих пор находятся на стадии исследований или лабораторн (полупромышленных) испытаний, что указывает на ряд нерешенн теоретических и практических вопросов. Особое место в разрабатываем методах обработки растительного сырья занимает электрогидравличеа способ. Его перспективность заключается в комплексном воздействии сырье ряда интенсифицирующих экстракцию факторов.
Так, одновременно в рабочей камере (экстракторе) осуществляе разрушение сырья, обработка его импульсными токами, обеспечивае высокая турбулентность жидкой фазы, обеззараживание среды и тд. Э способ объединяет большинство процессов, используемых в традиционя и разрабатываемых технологиях извлечения веществ из раститель» сырья.
Электрический разряд в жидкости, особенно в воде, достаточно хоро изучен, включая предпробивные процессы, развитие канала разряд завершающую стадию, вплоть до полного восстановления свойсп рабочем промежутке. Ведущей в этом направлении является шк< украинских физиков (ИИПТ гЛиколаев). Исследования показывают, электрическая искра является достаточно универсальным инструмет воздействия на конденсированные среды, легко поддающа регулированию за счет варьирования параметров разрядного конту Основной объем работ ориентирован на чистые среды (дистиллирован; вода) и однократное воздействие разряда, т.к. наиболее широ применение электрогидравлический способ нашел при обработке гор*
род, искусственных материалов, металла и т.д., где основным здействующим фактором является ударная волна, а другие процессы, провождающие электрический разряд в жидкости, практически не азывают влияния.
Такое же понимание процесса перенесено и на разрушение рас-гельных материалов. Анализ литературы по использованию электро-цравлического способа для извлечения веществ из растительного сырья 'казывает, что его использование улучшает показатели экстракции зеличивает степень извлечения, сокращает время обработки и т.д.), т.е. ектрогидравлическая обработка может рассматриваться как один из иболее эффективных методов переработки такого сырья. Ведущими ганнзацнями, где проводились эти исследования, являются ИПФ АРМ Кишинев), МГЛУ (г.Москва), ИМО АРБ (г.Минск) и тд. Однако, новная часть исследований носит демонстрационный характер, иентирована на конкретные виды сырья, практически отсутствуют боты по обоснованию и выбору оптимальных параметров источников шульсов и режимов их работы, конструкций рабочих камер и тд. отученные результаты и выводы зачастую противоречивы. Отсутствие стемного подхода к анализу процесса не позволяет целенаправленно зрабатывать технологические схемы и аппаратуру, что подтверждается сутствием информации по реально действующим установкам. Такое положение безусловно связано с большим разнообразием видов стительного сырья, а также с отсутствием убедительной научной нцепции о влиянии различных факторов, сопровождающих ектрический импульсный разряд в жидкости, и их воздействия на стояние суспензии, в том числе и как электрофизического объекта, при гогоимпульсной обработке и тд.
Более детальное изучение этих процессов в суспензиях растительного ірья позволяет выявить общие закономерности при их обработке ектрическими импульсными разрядами и продвинуть эту перспективную їнологию в практику, что является актуальной задачей.
Мы выбрали для исследований область извлечения водорастворимых мпонентов из растительного сырья при обработке его электрическими шульсными разрядами в воде, как в наиболее изученной среде. Эта іласть не охватывает всего многообразия экстракционных технологий, но ляется значительной их частью.
Работа выполнялась в рамках единого госбюджетного заказ-наряда
ИИ ВН при ТПУ, тема 4.5.97 "Изучение процессов экстракции при
ектрогидравлическом разрушении растительного сырья";
сударственной научно-технической программы "Соя", тема
їсследования методов интенсификации извлечения растительного белка";
жвузовской программы "Архитектура и строительство", тема 2.33
'азработка технологии комплексной переработки торфа с
ИСПОЛЬЗОВанИеМ ЭЛеКТрИЧеСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ разрЯДОВ С ЦеЛЬЮ ПОДГОТО]
его для использования в качестве утеплителя или наполнителя бетонов".
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение закономерностей диспергирования рас тельного сырья и экстракции из него водорастворимых веще электрогидравлическим способом и на базе этих исследований разрабо рекомендаций по созданию аппаратуры и регламентов ее работы, создаї опытного образца установки.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижеі поставленной цели, с учетом имеющейся в литературе информац требуется решить следующие задачи:
-
Изучить состояние среды и изменение ее свойств в условиях МІ гоимпульсной обработки водных суспензий растительного сырья.
-
Исследовать процессы, сопровождающие электрический импульсн разряд в воде и суспензиях, определить их влияние на диспергироваї сырья и экстракцию водорастворимых соединений, а также разработ методы их регулирования.
-
Исследовать закономерности диспергирования растительного сыры экстракцию водорастворимых веществ, выбрать оптимальные парамет источника импульсов и режимы его работы, определить основь конструктивные особенности рабочих камер.
-
Изучить сохранность витаминных комплексов и белковых структу] экстрактах, полученных электрогидравлическим способом.
-
Провести испытания и осуществить экспериментальную оценку качес суспензий и экстрактов в реальных условиях.
-
Разработать и создать опытную установку периодического действия j получения соевой основы электрогидравлическим способом.
"НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Исследовано состояние жидко
при многонмпульсной обработке электрическими импульсны
разрядами, показано, что среда насыщается пузырьками газа, уделы электропроводность суспензий растет за счет выхода водорастворим веществ из сырья, что оказывает влияние на ее электропробив* свойства. Выявлены основные факторы, воздействующие на разрушеї сырья и экстракцию водорастворимых компонентов, к которым след отнести предпробивные токи, кавитационные процессы, образующиеся зоне разряжения на хвосте ударной волны, и турбулентное движеі жидкости, обеспечиваемое разностью скоростей на поверхно парогазовой полости и у стенок рабочей камеры. Роль зоны ежа ударной волны в этих процессах незначительна. Изучен харак диспергирования и экстракции водорастворимых веществ растительного сырья при его электрогидравлической обработке изменении энергии единичного импульса, их числа, длины рабоч промежутка в камере, соотношения ТЖ в суспензии.
Исследовано влияние электрогидравлической обработки на сох-анность витаминных комплексов и структуры белков в полученных кстрактах. Показана высокая степень сохранности извлекаемых из астительного сырья компонентов.
ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. . Результаты исследований изменения состояния воды и водных суспензий астительного сырья при их многоимпульсной обработке электрическими мпульсными разрядами.
. Основные факторы, воздействующие на диспергирование растительного ырья и экстракцию водорастворимых веществ при электро-вдрашшческой обработке.
. Оптимальные параметры разрядного контура, режимы работы источ-иков импульсов, конструктивные элементы рабочих камер, обес-ечивающие эффективное извлечение водорастворимых веществ из торфа, урильского чая, пихтовой лапки, сой-бобов и соевого шрота. . Степень сохранности извлекаемых веществ из растительного сырья гсектрогидравлическим способом.
. Конструкция и результаты испытаний порционной электрогидравли-еской установки для извлечения белков из сой-бобов и соевого шрота.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ ірантируется необходимым обьемом теоретических и экспериментальных сследований, обеспечивающих статистический анализ результатов, спользованием современных методик измерений и соответствующей ппаратуры, адекватностью расчетных и экспериментальных данных по звлеченюо водорастворимых веществ при обработке различного астительного сырья электрическими импульсными разрядами, а также спешными испытаниями созданного опытного оборудования. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.
Расширена область применения разрядноимпульсной технологии, ыявлены факторы, влияющие на диспергирование растительного сырья и кстракцию водорастворимых веществ, определены оптимальные араметры и режимы работы для конкретных видов сырья: торфа, ихтовой лапка, курильского чая, сой-бобов и соевого шрота.
Проведены испытания суспензий, полученных электрогидравлическим пособом, в реальных условиях: суспензии торфа для подкормки растений, риготовления экологически чистых буровых растворов; суспензии ихтовой лапки в качестве пищевой лечебной добавки в корм птице, оторые показали целесообразность использования в практике полученных родукгов.
На базе проведенных исследований по заказу "Дальинфонда" -.Хабаровск) разработана и создана опытная установка для получения оевой основы, из которой могут производиться лечебные молочные и исломолочные продукты, а также она может использоваться как кормовая
добавка и как источник для получения белка (изолята). Испытан установки показали надежность всех узлов и эффективность технолог экстракции белков из бобовых культур электрогидравлическим способом, Использование этой технологии позволяет в 4+5 раз ускорі экстракцию водорастворимых веществ и в 2+3 раза уменыш энергоемкость процесса, что указьшает на эффективность предлагаем технологии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результа исследований докладывались и обсуждались на областной научі практической конференции молодежи и студентов по техническим наука!* высоким технологиям (г.Томск 1995 г.), на научно-практическ конференциях молодежи и студентов "Современные техника технология"(г.Томск 1996,1997,1998 тт.), международном симпозиу "Молодежь и проблемы геологии" (г.Томск, 1996 г.), на VIII научной шкс "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (г.Николг 1997 г.), на научных семинарах НИИ высоких напряжений.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание и результаты исследован опубликованы в 6 работах.
Настоящая работа выполнена в отделе N 5 НИИ высоких напряжен при Томском политехническом университете.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложе на 144 страницах, содержит 42 рисунка, 24 таблицы; состоит из введені пятиглав, заключения, библиографии, включающей 110 источников, і приложений на 8 страницах.