Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время среди процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость широкое распространение получили процессы экстрагирования целевых компонентов (ЦК) из растительного сырья (РС) – волокнистых пористых материалов (ВПМ). Это обусловило выбор объектов исследования. Теория диффузионного экстрагирования была разработана к середине семидесятых годов ХХ века Г.А. Аксельрудом, В.М. Лысянским и др. Ее суть заключается в том, что массоперенос ЦК в пористых частицах осуществляется исключительно в результате молекулярной диффузии. Эта теория определила направление традиционных способов интенсификации процесса: ускорение пропитки сырья экстрагентом, оптимальное измельчение сырья, повышение температуры, рациональный подбор растворителей и т. д. Вместе с ними получили распространение гидродинамические методы интенсификации процесса: вихревое экстрагирование, экстрагирование в режиме вакуумного кипения экстрагента, применение механических колебаний суспензии, наложение на перерабатываемую суспензию ультразвука, пульсаций давления, отжим ВПМ и т. д. Если оставаться в рамках диффузионной теории экстрагирования, то эти методы не должны оказывать заметного влияния на скорость процесса. Между тем оно есть, причем значительное.
Напрашивается предположение, что в аппаратах с интенсивным гидродинамическим режимом механизм экстрагирования ЦК из частиц ВПМ иной. В крупных порах инициируется конвективный (фильтрационный) массоперенос. В то же время извлечение ЦК из мелких пор, объем которых многократно превышает объем крупных пор, массоперенос осуществляется все же молекулярной диффузией. В целом механизм экстрагирования в условиях интенсивного гидродинамического воздействия на частицы ВПМ можно рассматривать как диффузионно-конвективный (ДК).
Ряд исследователей, признавая наличие конвективной составляющей массопереноса, для описания кинетики экстрагирования используют диффузионные модели, заменяя в них коэффициенты молекулярной диффузии на коэффициенты эффективной диффузии (В.М. Лысянский, С.М. Гребенюк, Р.М. Малышев, А.Н. Золотников и др.). Подобный подход не учитывает реальных закономерностей процесса, поскольку механизмы массопереноса ЦК в крупных и мелких порах различные. Р.Ш. Абиевым и Г.М. Островским исследован процесс диффузионно-конвективного экстрагирования на модели тела с бидисперсной пористой структурой применительно к процессу пульсационного экстрагирования. Однако, поскольку задача решалась численным методом, полученные результаты носят частный характер.
Таким образом, теория диффузионно-конвективного экстрагирования до настоящего времени не разработана. Поэтому исследования в данной области являются актуальными.
Цель работы состояла в разработке теории ДК экстрагирования ЦК из ВПМ и на ее основе практических приложений. В задачи исследования входило: разработка физических моделей и математических описаний ДК массопереноса ЦК в частицах ВПМ; сопоставление теории с экспериментальными данными; определение условий, при которых математические модели адекватно описывают процессы экстрагирования; на основе анализа теоретических моделей и экспериментальных данных определение перспективных направлений интенсификации процессов в ДК режиме; разработка новых высокоинтенсивных процессов экстрагирования и аппаратов для их осуществления; экспериментальное изучение влияния различных факторов (гидродинамических режимов, соотношения фаз, измельченности сырья и длительности процесса) на кинетику экстрагирования ЦК из ВПМ различной структуры в аппаратах с интенсивным гидродинамическим режимом; проведение сравнительного анализа традиционных и новых разработанных способов экстрагирования по эффективности использования подведенной энергии и выходу ЦК в извлечение.
Научная новизна. Разработано новое научное направление – ДК экстрагирование ЦК из ВПМ в аппаратах с интенсивным гидродинамическим режимом: 1) разработаны основы теории ДК экстрагирования; 2) исследованы взаимосвязи между параметрами математических моделей, особенностями ВПМ и интенсивностью гидродинамического воздействия на сырье; 3) разработан новый энергетический подход к описанию кинетики экстрагирования ЦК из ВПМ; 4) показано, что интенсификация процесса происходит только на начальной стадии, далее энергия, подведенная к перерабатываемой суспензии, расходуется непродуктивно; 5) впервые исследовано влияние интенсивности вакуумного кипения на процесс экстрагирования ЦК из ВПМ различной структуры; 6) впервые изучен механизм вскипания жидкости в условиях периодического адиабатического изменения объема экстрактора и влияние основных параметров процесса на кинетику экстрагирования; 7) показана возможность интенсификации экстрагирования после выхода процесса на «регулярный» режим путем дискретного перераспределения извлекаемых веществ в объеме частиц ВПМ в результате их отжима или кратковременной обработки в поле СВЧ; 8) исследовано влияние условий проведения процесса в планетарном аппарате и шестеренном гомогенизаторе на кинетику экстрагирования ЦК из ВПМ различной структуры; 9) показано, что эффективность использования подведенной энергии уменьшается в следующем ряду: планетарный аппарат; роторно-пульсационный аппарат; аппарат вакуумного осциллирующего кипения экстрагента; аппараты с турбинной и тихоходной лопастной мешалкой.
Практическая значимость. Разработаны новые высокоинтенсивные энергосберегающие способы экстрагирования и аппараты для их осуществления: способ экстрагирования в режиме вакуумного кипения при высоких температурных напорах с термокомпрессией вторичного пара; способ экстрагирования в режиме вакуумного осциллирующего кипения и аппараты для его осуществления; способы экстрагирования в планетарном аппарате и аппарате с шестеренным гомогенизатором; способ интенсификации процесса экстрагирования путем дискретного перераспределения ЦК в частицах сырья в результате его отжима или обработки в поле СВЧ; определены оптимальные режимы экстрагирования ЦК из РС различной структуры в пульсационном аппарате, аппарате вакуумного кипения, аппарате вакуумного осциллирующего кипения и планетарном аппарате.
На ОАО «Фармстандарт-Октябрь» внедрены методы обработки экспериментальных данных и расчетов процессов экстрагирования РС в аппаратах с интенсивным гидродинамическим режимом. Там же для экстрагирования РС двухфазной системой экстрагентов (ДСЭ) внедрены в производство двухкорпусной резонансный пульсационный экстрактор, экстрактор вакуумного кипения экстрагента при высоких температурных напорах и экстрактор вакуумного осциллирующего кипения экстрагента. На ООО «ХАРМС» внедрена установка для экстрагирования РС в режиме вакуумного кипения экстрагента при высоких температурных напорах и способ экстрагирования РС путем многократного перераспределения ЦК в частицах сырья в результате их кратковременного отжима. На ООО «Биопин ФАРМА» внедрен способ экстрагирования РС с использованием шестеренчатого гомогенизатора.
Материалы исследований в виде отдельных разделов вошли в «Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химической технологии». Т. 1 и т. 2. –СПб.: Профессионал. 2004 – 2006; используются в учебном процессе при подготовке студентов ФПТЛ СПХФА.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III международной конференции «Пульсационные резонансные технологии в процессах и аппаратах» (2003 г.); IV (2000 г.), V (2001 г.), VI (2002 г.) и VII (2003 г.) международных съездах «Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения»; 19 международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19» (2006 г.); международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Санкт-Петербургской химико-фармацевтической академии «Выпускник фармацевтического ВУЗа (факультета) в прошлом, настоящем и будущем» (2004 г.); 59-й региональной конференции по фармации и фармакологии «Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции» (2004 г.); юбилейной международной конференции, посвященной 60-летию факультета Промышленной технологии лекарств Санкт-Петербургской химико-фармацевтической академии (2005 г.); региональной научно-методической конференции «Состояние и перспективы подготовки специалистов для фармацевтической отрасли» (2004 г.); региональной научно-практической конференции «Фармация из века в век» (2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 статья, в том числе 14 статей в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы, содержащего 312 источников, в том числе 34 иностранных, и приложений. Работа изложена на 336 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 101 рисунок.