Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Перспективные методы интенсификации технологических процессов экстрагирования 30 1. 2. 1. Ультразвуковая обработка 30 1. 2. 2. Экстракционный процесс при действии электрического тока 32 1. 2. 3. Интенсификация процесса экстрагирования воздействием электрических разрядов 34
Электроэрозионный износ электродов при электроразрядном
. экстрагировании 43
1. Экспериментальная экстракционная аппаратура . 47 2. 2. Выбор растительного сырья для исследований 50 2. 3. Строение клеток растений 55 2. 4. Методика проведения экспериментов и анализ полученных продуктов 58 2. 5. Разработка аппаратуры для изучения начальной стадии развития электрического разряда 61 2. 6. Разработка высоковольтных импульсных источников и устройств для регистрации тока и напряжения 63
1. Экспериментальное исследование траектории канала разряда 131 4. 2. Воздействие импульсного электрического поля на диэлектрическую частицу 136 4. 3. Исследование гидродинамических процессов в
1. Исследование процессов, предшествующих экстрагированию 262 7. 1. 1. Определение скорости продвижения фронта экстрагента в растительный материал, при его набухании 262 7. 1.2. Распределение концентрации веществ внутри частицы, в ходе 266 экстрагирования
Расчет характеристик ударной волны 320
Матрица планирования 321
Расчет электрического поля с учетом процессов поляризации 322
Акт Ессентукского консервного завода 327
Техническое задание на разработку ГЧИ 337
Акт Краснодарской фармацевтической фабрики 339
Акт Пятигорской государственной фармацевтической академии 340
Акт Фармуправления Ростовской области 341
Акт Пятигорской фармацевтической фабрики 342
Справка о внедрении результатов НИР в ПятГФА 343
Акт о внедрении результатов в АО "Бештау-Темпельгоф" 344
новая технология водного экстрагирования, базирующаяся на применении электрических разрядов, инициируемых импульсами напряжения с на- носекундными параметрами и обеспечивающая извлечение целевых компонентов на уровне 90-95%;
теоретическое обобщение и экспериментальное исследование влияния комплекса энергетических воздействий на процесс электроразрядного экстрагирования;
впервые разработан метод совмещенного регулируемого ввода ионов металла в экстракт, увеличивающий биологическую активность извлекаемых веществ;
впервые исследован и раскрыт механизм образования кавитации при разряде в наносекундном диапазоне времени;
методики и результаты экспериментального исследования кавитаци- онных процессов, генерируемых на стадии формирования электрического разряда;
метод расчета электроразрядных экстракционных аппаратов.
Электроразрядные экстракционные аппараты производительностью 90 л/час для извлечения пектинов из неутилизованных отходов консервного производства внедрены на Ессентукском консервном заводе. В результате выход пектинов увеличен в 2 раза, в 6 раз сокращена продолжительность процесса экстракции, токсичный и дорогостоящий экстрагент заменен водой. Расчетный экономический эффект составляет 2,4 млн. руб в год.
Для Ессентукского консервного завода разработано техническое задание на изготовление экстракционного аппарата ЭРА-4 производительностью 350 л/час с привязкой к заводской технологической линии.
На предприятии АО «Бештау-Темпельгоф» Ставропольского края внедрены результаты научно-исследовательской работы, разработан технический проект и изготовлен опытно-промышленный образец установки для экстракции яблочного пектина из отходов винного производства. Стендовые испытания установки в условиях предприятия показали снижение себестоимости 1 кг пектина в 2,3 раза за счет увеличения выхода.
На Краснодарской фармацевтической фабрике внедрен экспресс- метод экстрагирования полисахаридов из надземной части женьшеня. Метод экстрагирования позволяет извлекать из надземной части женьшеня до 2325% полисахаридов по отношению к весу сырья, по сравнению с 3-5% при использовании традиционных методов извлечения.
На предприятиях фармуправления Ростовской области (АПУ РО) внедрен экспресс-метод интенсивного экстрагирования полисахаридов из шрота женьшеня, что позволяет доизвлекать до 16% полисахаридов. Время получения экстракта 30 минут.
На Пятигорской фармацевтической фабрике ново-галеновых препаратов внедрены результаты НИР и экстракционные аппараты для извлечения экстрактивных веществ из шрота и листьев женьшеня, традиционно извлекаемых из корней женьшеня. Выход полисахаридов увеличен в 3,5 раза, что обеспечивает сохранность сырьевых ресурсов. Продолжительность извлечения алкалоидов и флавоноидов сокращена более чем в 50 раз. Разработан проект технологической линии по производству экстрактов их растительного сырья.
Внедрены в учебный процесс Пятигорской государственной фармацевтической академии методики и устройства для изучения интенсивной технологии экстрагирования растительного сырья. Исследования и методики использованы при разработке учебно-методических пособий.
Разработана новая технология экстрагирования различных видов лекарственного растительного сырья, где в качестве интенсифицирующего фактора используется электрический разряд, инициируемый в проводящей среде прямоугольными импульсами напряжения с наносекундным фронтом.
Установлен и раскрыт механизм энергетических импульсных воздействий, интенсифицирующих как кинетику измельчения сырья, так и экстрагирование биологически активных компонентов.
Аналитически и экспериментально исследованы закономерности и кинетика процесса экстрагирования растительного сырья.
Определены приоритеты, осуществлено ранжирование действующих при разряде в жидкости энергетических факторов и указаны пути их регулирования.
Впервые доказана и реализована возможность совмещения процессов регулируемого ввода ионов металла в экстракт с процессом экстрагирования целевых компонентов с целью придания извлекаемым препаратам свойств, усиливающих их фармакологическое действие.
Экспериментально установлена (на основе стандартных методик проверки) сохранность извлекаемых биологически активных соединений в нативном виде и высокая антимикробная стойкость получаемых экстрактов.
Исследованы и предложены марки металлов и конструкции эрози- онно-стойких электродов, обеспечивающих ресурс до 109 циклов.
Решены практические задачи создания специальной высоковольтной аппаратуры, обеспечивающей реализацию технологического процесса экстрагирования.
Разработана методика расчета электроразрядных экстракционных аппаратов порционного и секционированного типа.
Созданы и внедрены на Ростовской и Пятигорской фармацевтических фабриках электроразрядные экстракционные камеры порционного действия, обеспечивающие выход целевых экстрактивных веществ (алкалоидов, флавоноидов) на уровне 85%-90%.
В подразделениях Краснодарского фармуправления внедрена технология и экстракционные аппараты порционного действия для водного экстрагирования полисахаридов из культивируемого в Адыгейском лесопитомнике женьшеня.
Созданы и внедрены на АО «Бештау-Темпельгоф» Ставропольского края и Ессентукском консервном заводе установки "ЭРА-1" по производству пектина, обеспечивающие снижение себестоимости 1 кг пектина в 2,3 раза.
Разработано техническое задание на изготовление высокопроизводительной установки "ЭРА-4" для производства пектинов в условиях Ессен- тукского консервного завода.
Внедрены в учебный процесс методики и устройства для изучения процессов интенсивной экстракции лекарственного растительного сырья и совмещения технологических процессов.
Разработан и внедрен в учебный процесс кафедры биологической химии экспрессивный метод повреждения эритроцитов импульсными электрическими разрядами для изучения мембраностабилизирующих свойств лекарственных препаратов, исключающим возможность их модификации.
На разных этапах разработки и исследования электроразрядной технологии экстрагирования новизна решения проблемы и ее практическая значимость подтверждены 8-ю авторскими свидетельствами и патентами.
ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ В 75 ЖИДКОСТЯХ И СУСПЕНЗИЯХ
3.1. Роль ударных волн и кавитационных процессов в воздействии на твердую фазу в водных суспензиях 79
3. 2. Физические основы избирательности траектории канала разряда 87 3.3. Исследование электрических параметров жидкой фазы суспензии при многоразрядном воздействии 94
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТОРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ СЫРЬЯ 131
электроразрядном экстракционном аппарате 140
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ, АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ЭКСТРАКТОРА
5. 1. Особенности эрозионного износа, обусловленного тепловыми явлениями в межэлектродном промежутке
5. 1. 1. Температура искрового разряда в жидкости 156
5. 1.2. Роль тепловых процессов в эрозионном износе электродов 164 5. 1.3. Эрозионный износ электродов при пробое многослойных сред 169 5. 2. Составление уравнения энергетического баланса 183
5. 4. 1. Измерение давления развиваемого каналом разряда в воде 195 5. 4. 2. Влияние формы разрядной камеры на распространение волн 199 давления
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ 206
6. 1. Отработка режимов в технологических процессах экстракции
пектинов 206
6. 3. Листья женьшеня как лекарственное сырье 225
6. 3. 2. Экстрагирование полисахаридов из шрота корней женьшеня 233 6. 3. 3. Экстрагирование биологически активных полифенольных
соединений 236
ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ЭКСТРАГИРОВАНИЮ
ГЛАВА 8. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ И ВОПРОСЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ 282
8. 1. Разработка генератора прямоугольных импульсов, на основе
спиральной линии 282
8. 1. 1. Импульсное зарядное устройство 285
8. 1.2. Расчет импульсного трансформатора 285
8. 1.3. Выбор схемы источника импульсов 287 8. 2. Разработка электродов и их конструкций для экстракционных
аппаратов 289
8. 3. Разработка конструкций порционных и
высокопроизводительных экстракционных аппаратов 282 8. 4. Рекомендации по внедрению электроразрядной экстракционной
аппаратуры 302
Основные обозначения
/-разрядный ток, А; р-плотность суспензии, кг/м3; I-ток проводимости, А; ^^-эффективная проводимость, Ом"1; ^-проводимость жидкой фазы суспензии, Ом"1; ^проводимость, обусловленная наличием мелкодисперсных частиц, Ом"1; Гтах-максимальная скорость расширения парогазовой полости, м/с; ^-показатель газосодержания; /^-удельное сопротивление жидкости, Омм; 7?тг„-минимальный размер кавитационного зародыша, м; Л10- продолжительность кавитации, с; ^^.максимальный размер кавитационного зародыша, м; /тох-период пульсации парогазовой полости, м/с; /-частота разрядов, Гц; ^-количество разрядов, шт; Р-амплитуда импульса давления, Па; тзд„-время запаздывания разряда, с; ^-коэффициент искажения фронта импульса; ^„-коэффициент снижения амплитуды импульса; -индуктивность разрядного контура, 10"6Гн; С-емкость разрядного контура, 10"бФ; и3- зарядное напряжение генератора, 103В; (/„-напряжение на нагрузке, 103 В; г- волновое сопротивление линии, Ом; /-межэлектродный промежуток, м; 4- длительность импульса, с; -диэлектрическая проницаемость вещества; у- показатель адиабаты; ^-разность потенциалов, В; Жвн-внутренняя энергия плазмы, Дж; умсот-скорость истечения плазмы, м/с; Жмст-энергия истечения, Дж; ^Г^-энергия, выделившаяся в канале разряда, Дж; Р-давление в канале разряда, Па; /-длина канала, м; /мшотность плазмы, кг/м ; Г-объем разрядной камеры, м ; Уж-объем суспензии, м ; ^-электрический кпд; у-скорость истечения плазмы, м/с; 8-площадь, м ; ^„-сопротивление нагрузки, Ом; Н- высота экстракционной камеры, м; Я/, 110-радиус верхнего и нижнего оснований экстрактора, м; ^-напряженность электрического поля внутри частицы, В/м; у-коэффициент кинематической вязкости, м /с; Ыи- диффузионный критерий Нуссельта; /^-коэффициент массоотдачи в условиях разрядного воздействия; ^-коэффициент массоотдачи при перколяции, диаметр частицы, м; г-выход экстрактивных веществ, по отношению к их содержанию в сырье, %.
Введение к работе
Технология интенсивного экстрагирования является одним из приоритетных направлений научно-технического развития химической, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности как в нашей стране, так и за рубежом. Об этом свидетельствует большое количество новых научных и прикладных разработок, возрастающее количество публикаций по данному вопросу.
Широкое внедрение экономичных технологий водной экстракции, как правило, сдерживается из-за неполного извлечения целевых компонентов и небольшой скорости процессов. Известные методы интенсификации весьма энергоемки и не всегда приемлемы из-за высокотемпературных режимов, приводящих к деструкции извлекаемых веществ.
Особо остро эта проблема ощущается в фармацевтической промышленности. Несмотря на то, что на протяжении последних десятилетий наблюдается устойчивая тенденция роста интереса к фитотерапии, она не получает должного развития. Причины этого не только в сокращении сырьевой базы лекарственных растений из-за хищнической заготовки и отхода основных районов культивирования лекарственных растений за рубеж, но и в несовершенстве технологии получения лекарственных форм природного происхождения. В шроте зачастую остается почти половина недоступных ценных компонентов, а низкая извлекающая способность традиционных технологий обусловливает высокую себестоимость лекарственных препаратов.
Одним из путей выхода из этой сложной ситуации, не требующей больших капиталовложений и кардинальной перестройки перерабатывающих предприятий, является совершенствование технологий связанных с извлечением биологически активных веществ из растительного (и животного) сырья. Важным моментом новых технологий является исключение агрессивных экс- трагентов из технологического процесса, что повышает его экологическую ценность.
Извлечение веществ наиболее эффективно происходит с поверхности сырья или из разрушенных клеток (вымывание, растворение), причем процесс извлечения веществ из клеток является наиболее сложной задачей и требует доставки экстрагента внутрь клетки, растворения веществ и вывода их наружу.
Эта стадия определяет основные показатели технологии извлечения (длительность, полноту, энергоемкость и пр.), поэтому поиск методов интенсификации экстрагирования ведется в направлениях воздействия на клеточные структуры с целью увеличения активности диффузионных (массообмен- ных) процессов, движущей силой которых является разность концентраций в растворителе (экстрагенте) и растворе веществ, содержащихся в клеточных и межклеточных структурах растений.
Большой вклад в теорию и практику массопереноса внесли школы и ученые A.B. Лыков, А.Г. Касаткин, В.В. Кафаров, П.Г. Романков, С.П. Рудо- башта, Я. Циборовский и др.
Одной из основных подготовительных операций в технологиях переработки является измельчение материала с целью обеспечения доступа экстрагента к большей поверхности частиц сырья. При этом в экстракторах стремятся создать гидродинамические условия, постоянно поддерживающие разность концентраций веществ между экстрагентом и протоплазмой клетки.
Существенную роль оказывает температурный режим процесса, который увеличивает диффузионные свойства клеточных оболочек, однако, увеличение температуры выше определенного предела может привести к деструкции извлекаемых веществ, что требует поиска других средств воздействия на клеточные структуры.
Для интенсификации экстракционных процессов используют воздействие на сырье различных силовых полей: ультразвуковых; электрических; импульсных; дискретно-импульсных.
В этой области широко известны труды Аграната Б.А., Белоглазова И.Н., Буткова В.В., Вишнякова В.В., Гулого Г.А., Долинского A.A., Карда- шева Г.А., Наугольных К.А., Роя H.A. и других ученых.
Однако большая часть этих перспективных методов за редким исключением до сих пор находятся на стадии исследований или лабораторных (полупромышленных) испытаний, что указывает на ряд нерешенных теоретических и практических вопросов.
Особое место в разрабатываемых методах обработки материалов занимает электрогидравлический способ, в основе которого лежит явление открытое JL Юткиным и впоследствии развитое школой созданной при Томском политехническом институте A.A. Воробьевым. Этот способ объединяет большинство процессов, используемых в традиционных и разрабатываемых технологиях извлечения веществ из растительного сырья, т.к. в разрядной камере одновременно осуществляется измельчение, обработка сырья импульсными токами, обеспечивается высокая турбулентность суспензии, обеззараживание, но одновременно с этим происходит загрязнение экстрактов продуктами электрической эрозии электродов.
Наиболее широкое применение электрогидравлическая технология, основанная на применении электрического импульсного разряда в жидкости, инициируемого импульсом напряжения стандартной формы с параметрами: фронт 1ф=1,2-10~6 с, длительность t„=40-10"6 с, получила в основном в области дезинтеграции горных пород, искусственных материалов, штамповке металлов. В области, где воздействующим фактором является ударная волна, формируемая в результате мгновенного расширения канала разряда, а другие вторичные явления, сопровождающие электрический разряд в жидкости, практически не оказывают влияния и, соответственно, исследователями не учитываются. Такое же понимание процесса перенесено и на обработку растительных материалов.
Ведущими организациями, где проводились эти исследования, являются ИПФ (Кишинев), МГПУ, МИСиС (Москва), ИМО АНБ (Минск), ПКБ электрогидравлики (Николаев), НИИ ВН при ТомПУ (Томск) и т.д.
Анализ литературы показывает, что применение электрогидравлического способа улучшает показатели экстракции и может рассматриваться как один из наиболее эффективных методов переработки. Однако основная часть исследований носит демонстрационный характер и ориентирована на конкретные виды сырья. Практически отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных параметров источников импульсов и режимов их работы, по конструкциям рабочих камер и т.д. Полученные результаты и выводы зачастую противоречивы. Отсутствие системного подхода к анализу процесса не позволяет целенаправленно разрабатывать технологические схемы и аппаратуру, что подтверждается отсутствием информации по реально действующим установкам.
Таким образом, разработка научно обоснованной технологии экстрагирования, базирующейся на электрическом разряде в жидкости, методов расчета и проектирования нового технологического процесса, решающего проблемы ресурсосбережения и экологии, имеют актуальное научное и практическое значение.
Целью работы является исследование кинетики, разработка теоретических и научных основ технологии и аппаратов, обеспечивающих интенсивный ресурсосберегающий процесс извлечения биологически активных соединений из растительного сырья под воздействием электрических разрядов в жидкости, инициируемых прямоугольными импульсами напряжения с наносекундным фронтом и внедрение их в промышленность.
Научная новизна:
Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили предложить научно-обоснованный эффективный метод решения важной проблемы - организации интенсивной ресурсосберегающей технологии экстрагирования биологически активных соединений.
Теоретические, экспериментальные и опытно-промышленные исследования по интенсификации экстракционных процессов явились основой для разработки методики расчета и создания принципиально новых высокоэффективных аппаратов, которые внедрены в пищевую и фармацевтическую промышленность.
Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по жидкостной экстракции органических веществ (Воронеж, 1992), III, IV, V Российском научном Конгрессе "Человек и лекарство" (Москва, 1997, 1998, 1999), Международных конференциях «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2001-2002); Научно-практической конференции, посвященной 45-летию Украинской фармацевтической академии (Харьков, 1996), Всесоюзной научной конференции «Физика диэлектриков и новые области их применения» (Караганда, 1978), Всесоюзной научной конференции «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1981), Всесоюзном совещании «Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах» (Томск, 1982), Всесоюзном совещании «Электрический разряд в жидкости и его применение» (Николаев, 1984), Региональной конференции, посвящённой 30-летию фармацевтического факультета Тюменского медицинского института (Тюмень, 1994), Пленуме Всероссийского общества фармацевтов (Владимир, 1991), 45-й отчётной научной конференции по проблемам фармации «Биофармация и технология лекарств» (Пятигорск 1990), Северо-Кавказской региональной конференции по фундаментальным наукам «Эдельвейс - 96» (Нальчик, 1996), Научно-практической конференции, посвящённой 30-летию фармацевтического факультета «Достижения современной фармацевтической науки и практики на рубеже XXI века» (Курск, 1996), Региональных конференциях по фармации и фармакологии: «Технология лекарственных форм и фитопрепаратов» (Пятигорск, 19952002).
Публикации. По материалам исследований опубликовано более 50 работ в академических и отраслевых журналах и изданиях, получено 8 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка литературы из 215 наименований и приложений. Работа изложена на 345 страницах машинописного текста, содержит 58 таблиц, 144 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая ценность, изложены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований.
В первой главе рассмотрено современное состояние технологии извлечения биологически активных соединений из растительного сырья. Проведен аналитический обзор литературных данных о состоянии теории и практики, проблемах и задачах в области экстрагирования лекарственного растительного сырья. Показано, что наиболее перспективным представляется электрогидравлический метод, представляющий собой одну из разновидностей дискретно-импульсного метода ввода энергии непосредственно в обрабатываемый объем материала, посредством электрических разрядов, инициируемых косоугольными импульсами напряжения микросекундного диапазона времени.
Однако его применение в области извлечения веществ из растительного сырья не получило широкого применения, поскольку исследованы недостаточно полно, а зачастую отсутствуют сведения о влиянии и роли в интенсификации процесса экстрагирования: фронта и длительности импульса напряжения; электропроводности суспензий, изменяющейся по мере насыщения экстрагента извлекаемыми веществами; газообразования в объеме за счет температурных скачков и кавитации; времени выделения и количества закачиваемой в канал разряда энергии; временных характеристик волн сжатия- разрежения, формируемых парогазовой полостью; скорости гидродинамических потоков жидкой фазы; измельчения сырья; конструктивных особенностей экстракционных аппаратов и т.д.
Пути решения этих задач видятся в применении комплекса технологических приемов, основанных на электрическом разряде в наносекундном диапазоне времени с использованием водных растворов в качестве экстрагирующей жидкости.
Вторая глава посвящена разработке экспериментальной техники и методик исследований процессов электроразрядного экстрагирования.
В работе исследовано свыше 180 видов натурального растительного сырья различного морфолого-анатомического строения, а также неутилизо- ванные отходы консервных заводов: яблочный, свекловичный и морковный жом, надземная часть и шрот корня женьшеня, различные виды маков, цветки, трава, семена, листья, кора, корни, плоды и т.д.
Для анализа электроразрядного многофакторного процесса использован аппарат математической статистики, включая планирование эксперимента, что позволило формализовать описание процесса в виде регрессионных уравнений. Расчет коэффициентов для всех типов регрессионных уравнений, а также дисперсионный анализ, проводился на IBM PS по специальным программам.
В третьей главе описаны результаты исследования кавитационных процессов и ударных волн, генерируемых схлопывающимися пузырьками, влияния электропроводности суспензии и предпробивных токов на закономерности электрического пробоя жидкостей и суспензий.
Скоростной фотосъемкой выявлен и раскрыт механизм образования кавитационных пузырьков на стадии формирования канала разряда. Установлено, что кавитационные пузырьки являются следствием волн сжатия- разрежения, генерируемых высокоскоростными (v>10 м/с) первичными лидерными каналами. Показано, что схлопывание и образование новых кавитационные пузырьков продолжается до момента замыкания каналом разряда межэлектродного промежутка.
Установлено, что при инициировании разряда прямоугольными импульсами напряжения кавитационные пузырьки зарождаются в результате скачкообразного продвижения канала разряда, а при инициировании косоугольными, формирование основного канала осуществляется по тепловым газовым пузырькам, возникающим в результате локального нагрева жидкости. Показано, что сокращение времени выделения энергии и длительности импульса приводит к активизации кавитационных процессов.
При разряде в суспензиях присутствие на поверхности твердых частиц кавитационных пузырьков и их последующее схлопывание способствуют интенсивному измельчению твердой фазы суспензии, что подтверждают результаты гранулометрического анализа. Возможный масштаб этих высокочастотных пульсаций равнозначен турбулентным пульсациям жидкости в потоке.
Правомерность рассмотренных теоретических моделей образования кавитации при разрядах в воде, подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Изучена электрическая прочность суспензий при разрядном воздействии в условиях процесса экстрагирования. Установлено, что при воздействии косоугольных импульсов наблюдается значительный разброс времени запаздывания разряда (Тзап) и амплитуды пробивного напряжения. За счет электрического механизма пробоя и более высокой скорости развития лидерных процессов при воздействии прямоугольных импульсов время запаздывания развития стабилизируется через 150-200 разрядов. Процесс разряда саморегулируемый - увеличение проводимости суспензии ведет только к увеличению времени запаздывания. Длительность прямоугольного импульса напряжения, необходимая для эффективного ведения процесса экстрагирования 1^=0,8-10"бс.
Четвертая глава посвящена исследованию электрофизических факторов, влияющих на измельчение сырья. Анализ, проведенный для прямоугольных и косоугольных импульсов напряжения, показал, что максимальная напряженность электрического поля вблизи включения на косоугольных импульсах превышает среднюю величину напряженности Ео в 1,Зраза и в 1,7раз больше для прямоугольных импульсов.
Зона влияния неоднородности на траекторию канала разряда зависит от степени неравномерности поля и соотношения диэлектрических проницае- мостей. Частицы растительного сырья, попадающие в эту зону, подвергаются расщеплению и измельчению непосредственно за счет растягивающих механических воздействий, оказываемых пронизывающим их каналом разряда.
Движущей силой турбулентного течения жидкости в электроразрядном экстракционном аппарате являются процессы вокруг канала разряда, который после замыкания МЭП вырождается в пульсирующую парогазовую полость (ПГП), которая в свою очередь, является источником вторичных кави- тационных процессов. Анализ волновых процессов осуществлен с использованием подхода, разработанного для взрыва химических веществ в воде, но с учетом энерговыделения \0, характерного для электрического пробоя воды и параметров импульса. Экспериментальное исследование процесса расширения парогазовой полости проведено с использованием скоростных методов киносъемки.
Установлено, что скорость движения жидкости достигает максимума (Утах~40 м/с), при увеличении радиуса канала разряда на ~ 33%, что хорошо согласуется с расчетами.
Внутренняя диффузия традиционно является лимитирующей стадией процесса экстрагирования. Высокая турбулентность суспензии, высокочастотные пульсации парогазовой полости и кавитационные процессы в камере экстракционного аппарата, интенсифицируют продвижение экстрагента в порах-капиллярах растений, что активизирует внутреннюю диффузию.
Для изучения гидродинамики потоков жидкости осуществлено моделирование распределения поля скоростей потока в камере экстракционного аппарата, исходя из аналогии электрических и гидродинамических полей. Установлено, что линии тока жидкости проникают в капилляры модельной частицы при определенных значениях скорости течения, независимо от положения капилляров относительно направления канала течения. При возрастании скорости потока, линии тока огибают частицу, создавая вихри. Результаты моделирования гидродинамических потоков течения жидкости, позволили существенно дополнить физические представления о гидродинамических условиях, реализуемых в электроразрядных аппаратах.
Проверка гипотезы приоритетного влияния кавитационных пузырьков и их ансамблей, возникающих при формировании канала электрического разряда в суспензии, на избирательный характер измельчения частичек сырья мелких фракций, осуществлена в экспериментальных исследованиях с применением метода "отсечки напряжения".
Для исключения воздействия на сырье кавитации, сопровождающей начальную стадию формирования канала разряда сырье подвергалась обработке в разрядной камере, содержащей мембрану. По сравнению с результатами, полученными при обработке сырья в камере с отсечкой напряжения, измельчению более подвержены частички крупных фракций, размеры которых соизмеримы с протяженностью фронта ударной волны, формируемой парогазовой полостью.
Таким образом, установлен и раскрыт механизм влияния кавитации и пульсации парогазовой полости, на избирательный характер измельчения. С целью оценки энергетических затрат проведены исследования интенсивности процесса экстрагирования частиц сырья, разделенного по фракциям.
Установлено, что наибольший выход экстрактивных веществ обеспечивается для частиц сырья крупностью 0,5-т-1,0мм.
В пятой главе приведены экспериментальные исследования эрозионных процессов, аналитический расчет составляющих энергетического баланса и исследования по обоснованию формы экстракционного аппарата. Показано, что при экстрагировании с применением косоугольных импульсов напряжения рост температуры суспензии возрастает на 50-60С. При разрядах на прямоугольных импульсах напряжения температура не выше 15-20 С от исходной, в равных условиях.
Присутствие в экстрактах, полученных при электроразрядном экстрагировании, примесей металлов, может поставить под сомнение возможность их использования как лекарственных препаратов. Оценка влияния на эрозию количества тепла, выделенного в межэлектродном промежутке и последующий анализ, проведены по уравнению баланса тепловой энергии.
Показано, что тепловой поток от натекания плазменной струи на один- три порядка больше, чем от всех других источников тепла и является основным фактором, активизирующим электрическую эрозию электродов. В условиях экстракционного процесса получен ряд эрозионной стойкости металлов, установлена зависимость удельной эрозии электродов от длительности разрядного процесса.
Для стабилизации процесса эрозии электродов целесообразно подвергать их предварительной «тренировке» воздействием разрядов, в количестве не менее 103 имп.
По мере выделения электрической энергии в канале разряда и его расширении происходит истечение плазмы на участки канала в жидкости, поэтому при анализе энергоемкости процесса необходимо учитывать долю энергии истечения. Уравнение энергетического баланса для участка канала, связывающее давление Р, объем V, с выделившейся в нем энергией IV, представлено в виде: А+ен+И/Гист= Ж, (1) где А - работа, совершаемая каналом разряда; Жвн - внутренняя энергия плазмы; 1ист - энергия продуктов истекающих из канала разряда. Отличие экспериментальных и расчетных результатов для всех величин, входящих в уравнение энергетического баланса, не превышает (10-15)%.
Исследованиями установлено, что максимальное давление, развиваемое каналом разряда, реализуется в камерах, имеющих форму перевернутого усеченного конуса при нижнем расположении разрядного промежутка. На расстоянии от канала 80мм в радиальном направлении, давление у стенки камеры достигает 106Па.
В шестой главе описаны результаты исследования кинетики электроразрядных экстракционных процессов. В результате исследований обоснованы оптимальное соотношение «твердое-жидкость», количество разрядов, фронт и длительность импульсов напряжения, обеспечивающих максимальный выход биологически активных веществ на уровне (94-96%), от их содержимого в сырье.
С целью получения веществ с более выраженной биологической и антимикробной активностью, процесс регулируемого ввода ионов металла за счет эрозии электродов, совмещен с процессом электроразрядного экстрагирования. При этом показано, что количество меди, перешедшей в раствор в результате эрозии электродов (1,15-10 "10 кг/имп), в 625 раз ниже токсичной концентрации (пат. РФ № 2066326).
При электроразрядном экстрагировании труднорастворимых в воде алкалоидов, с целью перевода их лекарственные формы, в качестве экстрагента выбран водный раствор уксусной кислоты. Оптимальной величиной соотношения «твердое-жидкость» для извлечения алкалоидов является соотношение по массе 1:10 с концентрации уксусной кислоты в растворе от 1% до 2%. Экстракция идет с максимальным выходом при длительности импульса I
/ л
и=(0,6-0,8)-10" с и количестве разрядов 2,7-10 .
Наиболее полное извлечение алкалоидов из всех исследованных видов растительного сырья достигается при напряженности электрического поля в МЭП близкой к 2,2-10 В/м. Меньшее значение напряженности электрического поля при извлечении пектинов из яблочных выжимок и свекловичного жома (2-10 В/м), обусловлено механической обработкой сырья при первичной обработке (измельчение, прессование).
Исследования кинетики экстракционных процессов проведены с сырьем женьшеня Адыгейского и Белорусского лесопитомников, со стеблями растения культивируемого в совхозе «Женьшень» Анучинского р-на Приморского края, и шротом корня женьшеня, полученного на Пятигорской фармацевтической фабрике.
Применение разрядов инициируемых прямоугольными импульсами напряжения с наносекундным фронтом для экстрагирования ранее истощенного классическим методом корня женьшеня, позволяет более чем в 2,5 раза повысить выход полисахаридов (пат. РФ № 2169003).
Обобщение полученных показателей процесса электроразрядного экстрагирования в связи с большим количеством переменных факторов проведено с использованием метода активного планирования эксперимента. В качестве функций отклика оценивали концентрацию биологически активных веществ в жидкой фазе суспензии с применением стандартных методик.
Установлено, что кинетические зависимости выхода полисахаридов из шрота, аналогичны кинетике извлечения целевых препаратов из других видов сырья с различным морфолого-анатомическим строением.
Разработан комбинированный способ экстрагирования шрота женьшеня, заключающийся в предварительной обработке сырья разрядами, в количестве 250, с последующим доэкстрагированием традиционными методами, обеспечивающий извлечение полисахаридов до 90% от количества оставшегося в шроте (пат. РФ № 2157231).
Применение технологии электроразрядного экстрагирования для растительного сырья содержащего полифенольные соединения в различных органах (цветках, плодах, листьях, коре, корнях, древесине) увеличивает выход веществ в 2,3 раза, при этом в шроте остается не более 1-2% неизвлеченных флавоноидов (пат. РФ № 20029555).
Показано, что при использовании электроразрядной технологии извлечения экстрактивных веществ из различных видов сырья себестоимость продуктов снижена в 2,3 раза за счет более полного извлечения.
Проведены исследования качественного состава полученных извлечений и сохранности биологически активных компонентов, полученных при обработке суспензий электрическими импульсными разрядами. Доказано, что при электроразрядном извлечении, осуществляемом импульсами напряжения с наносекундными параметрами, структура веществ не нарушается.
Изучено антимикробное действие полученных при электроразрядном экстрагировании соединений. Показано, что вещества обсеменены бактериями в 42 раза и грибками в 45 раз меньше, чем вещества полученные мацерацией.
Фармакологическими исследованиями установлено, что водорастворимый полисахаридный комплекс обладает выраженной гепатопротекторной активностью в условиях моделирования острого токсического гепатита, сравнимой с активностью официнального препарата «Силибор» и сочетается со столь же высоким гипоферментенимическим действием. Эти свойства дают основание считать, что водорастворимые полисахариды, полученные из листьев женьшеня, могут быть использованы для создания эффективного ге- патопротекторного препарата.
Исследованиями показано, что применение электроразрядной технологии позволяет эффективно извлекать широкий спектр биологически активных веществ на уровне ~ 90% от их исходного содержания в сырье, при существенно меньшем времени обработки. Особенностью электроразрядной технологии является отказ от использования химических реагентов, что обеспечивает экологическую чистоту извлекаемых веществ.
В седьмой главе изучены процессы, предшествующие экстрагированию. При использовании модельных образцов, приготовленных из продольных и поперечных срезов корня солодки и сырья заводского измельчения, установлено, что скорость продвижения фронта экстрагирующей жидкости при традиционном замачивании в продольном направлении образцов выше, чем в поперечном, при этом концентрация веществ в экстрагенте в области фронта больше на 15-25%, чем их исходная концентрация в сырье. Увеличение размеров растительных частиц при замачивании происходит в радиальном направлении и составляет 30-40%.
При воздействии на сырье электрических разрядов с частотой 5 Гц, время замачивания сокращается в 480 раз, при этом характер измельчения исходного сырья практически не оказывает существенного влияния. Определяющая роль в возрастании скорости замачивания растительного сырья, принадлежит турбулентному перемещению суспензии, в результате кавитацион- ных процессов при разряде в жидкости и резким перепадам давления за счет пульсаций парогазовой полости. Растительное сырье подобно губке, которая под действием чередующихся фаз сжатия-растяжения прокачивает через себя жидкость.
Микроскопический анализ частичек сырья, подверженных замачиванию под воздействием электрических разрядов, показал, что независимо от вида исходного сырья, частички подвергаются поперечному разрыву, но значительно больше расщепляются вдоль волокон из-за более слабых механических связей между растительными тканями в продольном направлении.
Электроразрядное воздействие способствует равномерному измельчению всех фракций сырья и обусловливает увеличение коэффициента массо- проводности, а, соответственно, и ускоряет экстрагирование в целом.
Процесс экстрагирования растительного сырья, при любом методе интенсификации, ограничен скоростью массоотдачи экстрагируемого вещества внутри частиц растительного материала. Установлено, что при электроразрядном экстрагировании величина коэффициента массоотдачи для исследованных видов сырья повышается в 5-7 раз.
Аппаратурное оформление и вопросы внедрения технологических процессов электроразрядного экстрагирования приведены в восьмой главе. Основываясь на результатах исследований, разработано техническое задание на изготовление генератора частотных импульсов (ГЧИ), позволяющего получать импульсы напряжения длительностью до 0,8-10"6 с и регулируемой амплитудой до 100 кВ. Генератор изготбвлен филиалом ВЭИ им. Ленина г. Истра. В качестве коммутатора, обеспечивающего фронт импульса 5-10"9 с и его высокую стабильность, применен газонаполненный разрядник. Управление генератором осуществляется с пульта, в котором установлены регулятор зарядного напряжения, контрольно-измерительные приборы с органами управления и блокировки от несанкционированного включения. Все электромонтажные работы выполнены с соблюдением правил устройства установок свыше 1000В (ПУЭ) и правил техники безопасности (ПТБ).
Выбор конструкции высоковольтного электрода осуществлен с определением степени и величины изолируемой части электрода, формой изоляции на его границе и нижней кромки изоляции, с разработкой методов гашения ударных нагрузок на торце электрода. С учетом коэффициента запаса внешний диаметр изоляции составляет 30мм и выполнен монолитным из полиэтилена высокого давления марки 15802-020. Главная изоляция высоковольтного электрода выдерживает импульсные напряжения до 100 кВ.
Основываясь на анализе, обобщении экспериментальных результатов и аналитических расчетов, установлен режим энерговыделения в разрядном промежутке, обеспечивающий интенсивное течение экстракционного процесса и разработан метод для определения количества вводимой в канал разряда энергии, основанный на фиксировании времени запаздывания пробоя ^зап) по осциллограммам напряжения, а по осциллограммам тока средний декремент затухания.
Комплекс исследований многогранных энергетических взаимодействий, сопровождающих разряд в жидких проводящих средах, установленные закономерности пульсации парогазовой полости, генерирующей в окружающую канал жидкость возмущений, результаты количественной оценки влияния геометрии камер и расположения межэлектродного промежутка на гидродинамическое поле давлений явились основой для разработки методики расчета электроразрядных аппаратов.
Основным критерием, по которому определяются все необходимые данные, является максимальный выход экстрактивных веществ.
Методика расчета связывает электрический кпд г\ с параметрами разрядного контура: амплитудой импульса С/о, индуктивностью Ь, разрядной емкостью С, величиной межэлектродного промежутка й и давлением Р на фронте ударной волны, формируемой парогазовой полостью. Расчет объема суспензии в экстракционной камере основан на зависимости давления от количества запасенной в разрядном контуре энергии. Оптимальные параметры экстракционного аппарата корректируются по соотношению:
В главе описаны конструкции экстракционных камер и приведены их технические характеристики. В зависимости от сорта обрабатываемого сырья аппараты обеспечивают производительность по пектинам 30-35 кг за смену.
Для аппаратов большой производительности разработаны конструкции, состоящие из нескольких объединенных электроразрядных одноэлек- тродных камер. Отрицательный эффект масштабного перехода уменьшен применением секционирования. При этом объем суспензии, подлежащей электроразрядному экстрагированию, в расчете на один электрод, выбран согласно установленным закономерностям.
Для Ессентукского консервного завода разработано техническое задание на изготовление 4-х электродной установки по производству пищевого пектина из неутилизованных отходов производства. Осуществлена привязка к технологической схеме завода. При опытно-конструкторской проработке выбрана вертикальная компоновка аппарата с горизонтальным расположением электродных систем коаксиального исполнения. Целесообразность такого решения обоснована высоким ресурсом электродов коаксиальной конструкции.
Осуществлена организация процесса с обратной связью на основе известных схем регулирования межэлектродных зазоров, используемых для электрохимических методов обработки металлов, что позволило обеспечить электроразрядный аппарат средствами автоматизации для регулирования МЭП в процессе электроразрядного экстрагирования. Для определения времени окончания процесса экстрагирования использован осциллографический метод, фиксирующий изменение времени разряда, обусловленное ростом электропроводности суспензии.
Основываясь на результатах полученных при экстрагировании сырья разделенного по фракциям, с целью предотвращения явления переизмельчения и удаления из активной зоны аппарата частиц размером менее 1мм, разрабатываются электроразрядные аппараты с "ложным дном".
Основные научные результаты и практические выводы, полученные при разработке электроразрядной технологии экстрагирования, заключаются в следующем:
Высокие технические и экономические показатели ресурсосберегающей электроразрядной технологии экстрагирования открывают широкие перспективы для применения в различных отраслях промышленности: химической, биохимической, фармацевтической, пищевой и медицинской с целью более быстрого и полного извлечения целевых компонентов из растительного сырья, а также в подразделениях судебной медэкспертизы для оперативного извлечения токсичных веществ из пораженных тканей.
