Интенсификация процессов экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья импульсным электрическим полем высокой напряженности Кошкарова Анна Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность работы. В аппаратах с физическими воздействиями (пульсационных, вибрационных, с наложением ультразвуковых колебаний, электрических разрядов), применяемых для экстрагирования, вследствие периодического изменения давления возникает интенсивная турбулентность и вихреобразование. Поэтому в данных процессах, наряду с диффузионным механизмом извлечения, имеется конвективная составляющая, что является основой интенсификации процессов экстрагирования.

Перспективным является метод извлечения биологически активных веществ (БАВ) из растительного сырья, основанный на воздействии импульсного электрического поля высокой напряженности (10⁶ В/м). Поля такой напряженности (за счет неоднородности среды), при значительном различии в диэлектрических проницаемостях твердого скелета и жидкости, могут разрушать упорядоченные структуры, многократно увеличивая поверхность фазового контакта и инициируя движение экстрагента, что существенно сокращает время и улучшает качество экстрагирования при относительно низких энергетических затратах.

Цель работы. Разработка и экспериментальное обоснование расчетных зависимостей, повышающих точность расчета технологических параметров, интенсификация процесса водного экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья при наложении импульсного электрического поля высокой напряженности.

Задачи исследования.

1. Выявить факторы, влияющие на кинетические закономерности процесса экстрагирования водорастворимых соединений под действием импульсного электрического поля высокой напряженности (ЭПВН), для чего: разработать источник электрических импульсов; для обоснования конструкции (коаксиальной) экстракционного аппарата (ЭА) провести моделирование распределения электрического поля; разработать методику расчета величины межэлектродного промежутка (МЭП) в экстракционном аппарате.

2. Разработать методику кинетического расчета процесса экстрагирования веществ из листьев софоры (на основе решения дифференциального уравнения массопроводности), обеспечивающую достаточную для инженерной практики точность.

3. На основании проведенных исследований разработать экологически чистую технологию и аппараты для водного извлечения БАВ из растительного сырья.

Объектом исследования является процесс водной экстракции целевых компонентов из растительного сырья при наложении импульсного ЭПВН.

Научная новизна:

– впервые выявлены два кинетических режима процесса экстрагирования, определяемых по скорости изменения коэффициента массопроводности: режим постоянной скорости и режим падающей скорости массопереноса;

– экспериментально определены кинетические коэффициенты процесса водного экстрагирования веществ из листьев софоры японской в широком

диапазоне технологических параметров: рабочее напряжение источника импульсов до 50 кВ; длительность импульса (0,15…0,50)10^–6 с; фронт импульса 1010^–8 с; частота до 10 имп./с;

– разработана методика кинетического расчета процесса экстрагирования БАВ из растительного сырья (на примере листьев софоры японской) водой при наложении импульсного ЭПВН до 10⁶ В/м;

– впервые экспериментально подтверждена гипотеза о снижении сил поверхностного натяжения экстрагента, находящегося в импульсном ЭПВН.

Практическая значимость:

– разработана новая технология водного экстрагирования, базирующаяся на применении импульсного ЭПВН, позволяющая получать экологически чистый продукт с сохранением БАВ в натуральном виде;

– разработана методика расчета коаксиального ЭА с возбудителем импульсов электрического поля и методика расчета электродных систем с получением конструктивных и технологических параметров режима обработки растительного сырья (0,024 d_эл 0,03; G/L =1/13; Е = 510⁶ В/м; _и = 0,210^–6с; f = 10 имп./с);

– экспериментально доказано, что обработка суспензии ЭПВН обеспечивает ее обеззараживание и многократно снижает содержание клеток бактерий, спор и мицелия грибов;

– результаты исследований по интенсификации процессов водного экстрагирования БАВ из растительного сырья внедрены на предприятиях «Фирма ООО "ЭСМ"» (Нальчик, КБР), ООО «Вакуумные технологии и аппараты» (Томск), ООО Томская производственная компания «САВА» (Томск); способ извлечения целевых компонентов из софоры японской внедрен на ООО «Малое инновационное предприятие "Велес"» (Ставропольский край, Скачки).

Автор защищает.

4. Результаты экспериментальных исследований по влиянию ЭПВН на процесс водного экстрагирования БАВ из растительного сырья.

5. Закономерности влияния параметров импульсного ЭПВН и соотношения фаз на кинетику процесса.

6. Методику кинетического расчета процесса водного экстрагирования веществ из листьев софоры.

7. Методику расчета электродных систем для коаксиальной конструкции ЭА.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы доложены на 8 международных научных конференциях.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 17 работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация включает введение, 4 главы, список используемых источников из 128 наименований и приложение. Текст работы изложен на 155 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 25 таблиц.