способ экстракции биологического сырья

Формула изобретения

Способ экстракции биологического сырья, предусматривающий его смешивание с жидким экстрагентом, обработку экстракционной смеси электромагнитным полем СВЧ в осциллирующем режиме и разделение фаз, отличающийся тем, что в процессе воздействия на экстракционную смесь поля СВЧ давление в ней сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, а одновременно с прекращением действия поля СВЧ на экстракционную смесь давление в ней повышают до исходного значения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии экстракции в системе твердое тело - жидкость.

Известен способ экстракции биологического сырья, предусматривающий смешивание сырья с жидким экстрагентом, нагревание смеси до температуры 40-80°С, периодическое вакуумирование экстракционной смеси с подводом теплоты для поддержания ее температуры на 5-15°С выше температуры кипения при давлении вакуумирования и повышение давления до исходного значения с последующим отделением экстракта (SU 1286232 А1, 30.01.1987).

Данный способ неприемлем для экстрагирования с использованием в качестве экстрагентов сжиженных газов, которые не допускают предварительного нагрева, а рекомендуемый температурный режим превосходит их критическую температуру, что исключает их существование в жидком фазовом состоянии и возможность кипения. Помимо того, данный способ неприемлем для извлечения термолабильных биологически активных и легкокипящих веществ. Данный способ также неприемлем для использования многокомпонентных экстрагентов, поскольку при вакуумировании экстракционной смеси из нее будет удаляться наиболее легкокипящий компонент экстрагента, что закономерно должно приводить к изменению селективности экстрагирования и состава экстракта соответственно. Также недостатком данного способа является высокая энергоемкость из-за образования пузырьков газовой фазы, разрушающих клеточную структуру сырья, на теплоподводящей поверхности, удаленной от частиц твердой фазы, что сокращает КПД действия ударных волн на обрабатываемое сырье.

Наиболее близким к предлагаемому является способ экстракции биологического сырья, предусматривающий его смешивание с жидким экстрагентом, обработку экстракционной смеси электромагнитным полем СВЧ в осциллирующем режиме и разделение фаз (Губиев Ю.К., Научно-практические основы теплотехнологических процессов пищевых производств в электромагнитном поле СВЧ. Автореферат дис. д.т.н. - М.: МТИПП, 1990, с.22-24).

Данный способ по сравнению с предыдущим обладает универсальностью, но недостатком этого способа является длительность технологического цикла и высокая энергоемкость.

Техническим результатом изобретения является сокращение продолжительности технологического цикла и удельной энергоемкости.

Этот результат достигается тем, что в способе экстракции биологического сырья, предусматривающем его смешивание с жидким экстрагентом, обработку экстракционной смеси электромагнитным полем СВЧ в осциллирующем режиме и разделение фаз, согласно изобретению, в процессе воздействия на экстракционную смесь поля СВЧ давление в ней сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, а одновременно с прекращением действия поля СВЧ на экстракционную смесь давление в ней повышают до исходного значения.

Способ реализуется следующим образом.

Биологическое сырье после соответствующей подготовки смешивают с жидким экстрагентом. Полученную экстракционную смесь обрабатывают электромагнитным полем СВЧ в осциллирующем режиме. Давление в экстракционной смеси в процессе воздействия на нее поля СВЧ сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения, соответствующего давлению насыщенных паров экстрагента при температуре экстракции, в момент прекращения действия поля СВЧ. Параметры осциллирующего режима выбирают из условия максимальной эффективности воздействия пульсаций давления на экстрагируемое сырье по известным зависимостям (Ломачинский В.А., Высокоэффективные технологии переработки растительного сырья. - М.: Русские технологии, 1996, с.54-56). Затем осуществляют разделение фаз.

Как известно, электромагнитное поле СВЧ приводит к неравномерному разогреву экстракционной смеси и интенсивному экстрагированию полярных веществ из межклеточных капилляров биологического сырья. Помимо того, происходит разогрев внутреннего содержимого клеток, что приводит к возрастанию внутриклеточного давления и некоторому ускорению диффузии через клеточные мембраны за счет разницы давлений. При сбросе давления до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, образование каждого пузырька газовой фазы в экстракционной смеси сопровождается созданием ударной волны, действие которой ослабевает пропорционально квадрату расстояния от эпицентра. Следует отметить, что при отсутствии внешнего теплоподвода, как в указанном первом аналоге, частицы твердой фазы в экстракционной смеси служат центрами парообразования, и большинство пузырьков образуется на поверхности обрабатываемого сырья, которое поэтому испытывает максимальное действие ударных волн. Это приводит к разрушению клеточной структуры сырья за счет ударных нагрузок и накопления усталостных и термических напряжений, возникающих в результате циклического изменения разницы внутриклеточного и внешнего давления и температуры под действием осциллирующего поля СВЧ. Следует отметить, что в первом аналоге зона парообразования удалена от частиц твердой фазы, а накопление в них термических напряжений исключено термостатированием экстракционной смеси. В результате удельные энергозатраты в нем на разрушение клеточной структуры сырья, то есть на обеспечение такой же интенсивности массообмена, что и в предлагаемом способе, будут всегда выше. С прекращением действия поля СВЧ в экстракционной смеси возникают конвекционные потоки, выравнивающие поле температур. Одновременное повышение давления до исходного значения в сочетании с охлаждением биологического сырья приводит к ускорению диффузии экстрагента внутрь клеток. Разрушение структуры биологического сырья начинается с незначительных изменений, но их скорость нарастает с каждым циклом изменения давления. Это приводит к постоянному увеличению с нарастающей скоростью поверхности контакта фаз, ее ускоренному обновлению и ускорению процесса экстрагирования. В итоге клеточные мембраны биологического сырья уже не оказывают сопротивления высокоэффективному экстрагированию веществ в поле СВЧ, а интенсивность массообмена возрастает многократно, что позволяет достичь равновесной концентрации экстрактивных веществ в обрабатываемом сырье и экстрагенте при проведении экстракции методом настаивания, или завершить истощающее экстрагирование при реализации процесса в непрерывном потоке экстрагента многократно быстрее, чем в наиболее близком аналоге. В то время как длительность технологического цикла в наиболее близком аналоге составляет от нескольких часов до нескольких суток, в предлагаемом способе процесс с тем же результатом может быть завершен за время от нескольких десятков минут до нескольких часов, что зависит от вида сырья и его подготовки к экстракции, в частности от прочности, пластичности и степени предварительного измельчения, при сокращенных в 6-8 раз удельных энергозатратах. При этом по сравнению с первым аналогом при одинаковой интенсивности массообмена удельные энергозатраты в предлагаемом способе будут сокращены, как минимум, в 2 раза.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет сократить продолжительность технологического цикла за счет интенсификации массообмена при минимальных удельных энергозатратах.