промышленное устройство для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью свч-энергии

Формула изобретения

Устройство для экстракции ценных веществ из сырья с помощью СВЧ-энергии, включающее металлическую камеру и источники СВЧ-излучения, отличающееся тем, что в металлической камере размещена цилиндрическая камера из диэлектрического материала, предназначенная для закладки сырья, при этом вдоль металлической камеры размещено не менее шести расположенных в два ряда источников СВЧ-энергии, а устройство дополнительно содержит антенную систему для равномерного облучения сырья, при этом цилиндрическая камера из диэлектрического материала с помещенным в нее цилиндрическим контейнером из диэлектрического материала, предварительно заполненная исходным сырьем, выполнена с возможностью вращения со скоростью от 2 до 10 об/мин, причем металлическая камера герметична и снабжена патрубком для подключения средств создания разреженного или повышенного давления при проведении процесса экстракции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания промышленных устройств для экстракции ценных продуктов из свежесобранного растительного сырья с помощью СВЧ энергии.

Существует большое число устройств для извлечения (экстракции) различных веществ из растительного сырья. Преимущественно этими веществами являются эфирные масла. В промышленности наиболее широко применяются устройства для экстракции эфирного масла методом отгонки паром. Устройства достаточно простые и не требуют дорогостоящего оборудования. Их недостатком является необходимость затрат большой энергии при малом КПД, а также громоздкость и длительность процесса экстракции.

В другом промышленном устройстве используется метод получения экстракта с применением различных растворителей (бензол, этанол, дихлорметил и др.), от которых полученное эфирное масло необходимо очищать, применяя достаточно сложную технологию очистки. К тому же, очистку от растворителя не всегда удается сделать полной.

Осуществлены промышленные устройства, в которых в качестве растворителя используется сжиженная двуокись углерода. В этом случае возможна полная очистка экстракта от растворителя, но устройства такого типа высокоэнергозатратны и достаточно сложны.

Известны также установки, в которых используется прессование. Однако существует много видов сырья, которые не могут быть обработаны по этой методике.

Имеются и другие устройства получения экстракта, но их промышленное применение ограничено.

Некоторое время назад в технологии экстракции стали применять энергию СВЧ, используя ее свойство эффективного поглощения в так называемых полярных диэлектрических материалах, особенно в воде.

Как известно, свежий лист растения на более чем 50% состоит из обычной и связанной воды. При воздействии на него поля СВЧ вода в листке поглощает энергию и закипает. Образующиеся пары, находясь в ограниченном механическом каркасе строения листка, создают повышенное давление внутри структуры листка, по каналам-капиллярам через устьица устремляются к его поверхности, вынося с собой различные полезные вещества, включая и эфирные масла.

Затем пар конденсируется, превращаясь в жидкость, которая представляет собой смесь растворенных в воде различных солей растения и нерастворимое в воде эфирное масло. Эта жидкость и является экстрактом. Эфирное масло всплывает на поверхности жидкости и отделить его не составляет труда.

Таким же образом можно получать различные виды экстрактов из стеблей, корней и других частей растения, загружая их в рабочий объем и воздействуя энергией СВЧ. Существенно, что в отличие от обычного процесса нагрева сырья, например паром, когда тепло передается от наружных слоев каждого объекта, в том числе и листка растения, внутрь него, про воздействии энергии СВЧ-нагрев происходит по всему объему одновременно.

В качестве прототипа изобретения может служить устройство, описанное в Российском патенте 2115700, где предложен способ и устройство экстракции натурального продукта из биологического материала, причем экстракция проводится без растворителя.

Это устройство экстракции натурального продукта, которое позволяет обрабатывать 1 кг сырья, несовершенно и довольно сложно, так как для его эксплуатации, помимо помещения биологического материала в камеру и воздействия на него СВЧ-волнами мощностью 1 кВт требуется дополнительно выполнять много операций, таких как:

- создание прерывистого давления;

- нагрев камеры до 100^oC с целью передачи тепла материалу и повышения его температуры;

- механическое перемешивание материала;

- принудительная циркуляция выделенной из экстракта воды;

- декантация (фильтрация) жидкой смеси, получаемой при охлаждении паровой фазы.

Заметим, что, как правило, в перечисленных выше промышленных устройствах, так и в устройстве прототипе, экстрактом является только эфирное масло, а все остальные ценные компоненты растения не выделяются из растительного сырья.

Содержание предлагаемого изобретения "Промышленное устройство..." поясняется последующим описанием со ссылкой на сопроводительные фигуры.

На фиг.1а, б приведены чертежи устройства в соответствии с изобретением.

На фиг. 2 приведен график, иллюстрирующий процесс выхода экстракта во времени.

Схема промышленного устройства для экстракции ценных веществ из растительного сырья с применением только СВЧ-энергии показана на фиг.1.

Камера 1 в форме цилиндра выполнена из тонкого листа нержавеющей стали и имеет с одного торца приваренное дно, а с другого - дверцу 10, которая имеет вакуумное уплотнение, а также специальные пазы для предотвращения выхода излучения СВЧ-энергии из камеры. Внутри металлической камеры помещена изготовленная из тефлона диэлектрическая камера 2, куда производится загрузка сырья. Объем камеры равен 100 л. Диэлектрическая камера имеет с одной стороны металлическое дно, а с другой - металлическую дверцу 11 для загрузки сырья непосредственно в камеру. В дне и дверце имеются отверстия для выхода образующегося в сырье пара. Шаговый электродвигатель 7 служит для вращения диэлектрической камеры вокруг своей оси со скоростью 2-10 оборотов в минуту.

На верхней поверхности металлической камеры имеется шесть герметически уплотненных вакуумных окон 12 диаметром 120 мм из тефлона, размещенных вдоль камеры на двух линиях, угол между которыми в поперечной плоскости сечения камеры составляет 90^o.

Каждый из шести магнетронов 3, генерирующих на частоте 2450 МГц, мощностью 1 кВт, через коаксиальный переход подключен к своему волноводному излучателю 4, выполненному на волноводе сечением 90х45 мм². Этот излучатель представляет собой уголок, срезанный под углом 25^o и в широкой стенке которого имеется окно сечением 90х100 мм², через которое подается СВЧ-энергия. Диаграмма направленности каждого излучателя в плоскости, содержащей ось цилиндра, по отношению к образующей цилиндра диэлектрической камеры имеет угол наклона примерно 70^o, как это показано пунктиром для одного из излучателей на фиг. 1. Два соседних магнетрона в этом ряду имеют излучатели с такой же диаграммой направленности.

Другие три магнетрона со своими излучателями, находящиеся в плоскости под углом 90^o, установлены так, что их диаграммы направленности отклонены на 70^o в противоположном направлении.

Приняты и дополнительные меры, чтобы в плоскости, перпендикулярной оси, в которой диаграмма направленности шире, создать условия для лучшего подвода СВЧ-энергии к сырью. На фиг.1 показаны пластины 13, которые расположены вдоль камеры и формируют диаграмму направленности в поперечном сечении, способствуя поглощению энергии СВЧ в нагрузке. К пластинам прикреплены металлические сегменты 6, которые предотвращают излучение с торцов антенной системы. В целом антенную систему излучателей можно рассматривать как вытянутый пирамидальный рупор, к которому подключено три волноводных излучателя, диаграмма излучения которого в каждом ряду магнетронов наклонена под углом 70^o в разные стороны, а рупор плотно прижат к поверхности нагрузки - диэлектрической камере.

Как уже упоминалось, равномерности поглощения СВЧ-энергии в сырье способствует медленное вращение диэлектрической камеры. Дополнительное выравнивание нагрева сырья по всему объему получается в результате следующего обстоятельства. Хотя с уменьшением радиуса цилиндрического слоя сырья уровень мощности СВЧ убывает, прогрев в пределах каждого цилиндрического слоя остается равномерным. Но вследствие того, что при вращении диэлектрической камеры разные слои облучают неодинаковые доли периода вращения, будет происходить некоторое выравнивание в энергии, поглощаемой разными слоями, так как приосевые слои находятся под непрерывным облучением, а слои с большим радиусом облучаются только часть периода, тем меньшую, чем больше радиус слоя.

Дополнительная однородность нагрева осуществляется также за счет того, что отверстия для выхода пара расположены в торцах диэлектрической камеры и образующийся в центральной части камеры в сырье пар, чтобы выбиться наружу, проходит вдоль всей камеры, способствуя тем самым равномерному распределению тепла в камере.

Таким образом, система шести излучателей, создающая достаточно однородное поле, медленное вращение диэлектрической камеры и удачно размещенные отверстия в диэлектрической камере обеспечивают одно из важных условий успешной работы промышленного устройства - равномерный нагрев сырья по всему объему.

В созданном устройстве, в котором растительное сырье размещается в практически изолированном объеме диэлектрической камеры, потери тепла очень малы и определяются только естественным охлаждением. Энергия СВЧ передается в основном сырью, нагревает его и образовавшийся пар с растворенными солями растения вместе с эфирным маслом выходит через отверстия в боковых стенках тефлоновой камеры и далее конденсируется на стенках металлической камеры и превращается в жидкий экстракт.

В нижней части металлической камеры имеются оливка с вентилем 8, которая служит для слива экстракта в сосуд 9 после цикла извлечения его из сырья.

Для контроля температуры во всем объеме сырья по радиусам дна и дверцы диэлектрической камеры установлены датчики температуры (на фиг.1 не показаны).

Оливка 5 в верхней части камеры предназначена для подключения устройства сброса избыточного давления при работе экстрактора при температуре 100^oС, а также для подключения средств создания нужного разрежения или увеличения давления в камере, если необходимо производить экстракцию при температурах ниже 100^oС или выше 100^oС, соответственно.

Приведем пример работы промышленного устройства при получении экстракта из листьев эвкалипта. Диэлектрическая камера объемом 100 л плотно загружались свежесобранными листьями эвкалипта с влажностью 52%. Содержание эфирного масла составляло 1,2% от массы сырья, равной 40 кг.

Затем включались все шесть магнетронов (6 кВт) и камера с сырьем вращалась со скоростью 6 об/мин.

На фиг. 2 приведен график, показывающий рост температуры на одном из датчиков в металлической камере (график 1). Фактически при этом измерялась температура пара, выходящего из диэлектрической камеры. Примерно на 21 минуте в экстракте появляется эфирное масло. Скорость выделения экстракта была примерно постоянной (график 2).

Экстракт - жидкость, состоящая из воды с растворенными в ней солями растения и нерастворимая часть экстракта - эфирное масло. Экстракт конденсировался на стенках металлической камеры, температура которой была ~25^oС, и жидкость стекала в ее нижнюю часть. Через несколько минут после окончания процесса вентиль 8 в нижней части камеры открывался и жидкость-экстракт вытекал в сосуд.

Если целью экстрагирования является получение только эфирного масла, то процесс можно заканчивать на 31 мин, т.к. к этому времени его выделение из сырья прекращается. В этом случае к этому моменту получается 6,8 литра жидкости и 480 мл эфирного масла. Отделение эфирного масла производилось путем выпуска прозрачной жидкости через вентиль в дне сосуда. Оставшееся в сосуде эфирное масло имело желтоватый цвет и не содержало никаких механических примесей. Извлечение эфирного масла оказалось полным, т.к. в оставшемся сырье следов эфирного масла не обнаружено.

Если целью экстракции является не только выделение эфирного масла, но и получение жидкости с растворенными в ней солями, то процесс экстракции можно продлить до остаточной влажности сырья около 10%. Количество полученного водного раствора солей растения при этом будет приведено ниже.

Дополнительно о промышленном устройстве нужно сказать следующее. Загрузка диэлектрической камеры сырьем производится путем помещения в нее цилиндрического мешка из сетчатого диэлектрического материала, заранее заполненного растительным сырьем. По окончании процесса мешок извлекают из камеры. Этим самым экономится время загрузки и выгрузки сырья, а следовательно, и повышается производительность промышленного устройства.

Охлаждение металлической камеры до комнатной температуры производится воздухом, часть которого отводится от вентиляторов (6 шт.), охлаждающих магнетроны.

Работа промышленного устройства автоматизирована и при проведении процесса экстракции технологическим циклом управляет ЭВМ. Управляющая программа включает и выключает подачу СВЧ-энергии в камеру, а также по данным от датчиков температуры производит управление уровнем подачи СВЧ-энергии в сырье путем регулировки мощности каждого магнетрона, устанавливает необходимую скорость вращения диэлектрической камеры.

Приведем основные характеристики промышленного устройства для экстракции:

длительность цикла работы - 40 мин;

масса переработанного сырья за смену (8 ч) - 320 кг;

выход эвкалиптового масла за один цикл, при 1,2 % содержания в сырье - 480 мл;

извлечение эфирного масла за смену - 3540 мл;

масса жидкой части экстракта при остаточной влажности сырья 10% - 135 кг;

расход энергии за цикл - 4 кВт/час;

средняя потребляемая мощность 8 кВт;

напряжение однофазной сети 50 Гц - 220 В.

КПД по тепловой мощности 70-80%;

габаритные размеры 2х1х1 м;

масса 150 кг.

В заключение перечислим некоторые достоинства предложенного промышленное устройство для экстракции ценных веществ из растительного сырья с помощью СВЧ-энергии.

- Объемный, практически безинерционный нагрев, с минимальными температурными градиентами, который позволяет значительно сократить время процесса и, как следствие, увеличить производительность работы СВЧ-экстрактора.

- Устройство обеспечивает получение продукции высокого качества, поскольку компоненты экстракции не содержат растворителя (исключая воду, содержащуюся в самом сырье) и других примесей, а значит не загрязнены ими.

- В экстракторе использованы обычные стандартные магнетронные генераторы и источники питания, применяемые в бытовых СВЧ-печах. Эксплуатация их ведется в более легких режимах, что обеспечивает высокую надежность и продолжительную длительность работы, достигающую нескольких тысяч часов.

- Устройство является экологически чистым, т.к. во время его работы не выделяется никаких вредных веществ, а также нет вредных отходов производства.

- Управление устройством может быть полностью автоматизировано и все этапы его работы могут управляться от ЭВМ.

- Устройство обладает высокой надежностью и физически полной пожаробезопасностью в эксплуатации.

- Предложенное устройство для СВЧ-экстракции низкоэнергетично, потребляет энергию только одного вида (сеть 220 В), очень компактно, что позволяет на его базе создавать СВЧ-устройства на транспортных средствах и производить экстракцию на месте сбора сырья, устраняя потери и порчу сырья, связанные с его транспортировкой.

Эти достоинства позволяют рекомендовать предлагаемое устройство также для экстракции с применением СВЧ-энергии в пищевой промышленности, медицине, парфюмерии и других областях для получения экстрактов из материалов, содержащих воду.