CC BY
51
УДК 641.532.8: 621.929.7
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОГО ЭКСТРАКТОРА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ОТМЫВКЕ СЕМЯН ЛЬНА ОТ СЛИЗЕЙ
П.П. Иванов
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 650056, Россия, г. Кемерово, б-р Строителей, 47, [email protected]
В статье приводятся результаты исследований процесса отмывки семян льна сорта Исилькуль-ский от слизей в вибрационном экстракторе непрерывного действия. Определено влияние амплитуды и частоты колебаний вибрационной насадки на качество отмывки, при этом рациональным можно считать режим с частотой колебаний вибрационной насадки n = 16,7 Гц при амплитуде А = 6 мм. Доказано, что предлагаемая обработка не оказывает влияния на качество льняного масла, полученного методом холодного прессования; в тоже время появляется возможность получения нового продукта - слизи полисахаридов семян льна. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: вибрационный экстрактор; слизь полисахаридов; семена льна; частота колебаний; амплитуда колебаний.
THE ANALYSIS OF THE OPERATION OF CONTINUOUSLY WORKING OSCILLATING EXTRACTOR WHILE WASHING FLAXSEEDS FROM THE SLIME
P. Ivanov
Kemerovo Institute of Food Science and Technology,
47, Stroitelei Ave., Kemerovo, 650056, Russia, [email protected]
The article presents the results of the researches on the process of washing Isilkul'skii flaxseeds from the slime in a continuously working oscillating extractor. The influence of the amplitude and frequency of plate oscillations on the quality of washing has been defined. At that, the rational mode of operation is that when the frequency of plate oscillations is n = 16.7 Hz at the amplitude А = 6 mm. It has been proven that the proposed way of processing has no influence on the quality of flaxseed oil produced by the method of cold pressing, at the same time it enables to obtain a new product - the slime of flaxseed polysaccharides. 1 figure. 1 table. 7 sources.
Key words: oscillating extractor; slime of polysaccharides; flaxseeds; frequency of oscillations; amplitude of oscillations.
ВВЕДЕНИЕ
Богатым источником биологически активных веществ являются семена масличных сортов льна, их лечебные свойства известны на протяжении столетий и признаны официальной медициной. Семена масличных сортов льна характеризуются наличием таких пищевых функциональных веществ, как белки с полноценным аминокислотным составом в количестве от 18 до 33%, эссенциальные полиненасыщенные жирные кислоты (35-47%) с преобладающим содержанием линоленовой (ш-3) кислоты, углеводы (12-26%), пищевые волокна, органические кислоты, витамины, микро- и макроэлементы [2,3]. В настоящее время семена масличного льна используются, в основном, в качестве сырья для выработки льняного масла.
В то же время количественный и качественный состав белков семян масличного льна свидетельствует о перспективности их применения в качестве источника белка для повышения биологической ценности продуктов питания и комбикормов [2]. Однако, присутствие водорастворимых полисахаридов слизи на поверхности оболочки семян льна существенно затрудняет их переработку. Особенно это проявляется при выделении белка из частично обезжиренного жома водно-солевыми или водно-щелочными растворами, так как в присутствии полисахаридов образуется устойчивый белково-углевод-ный комплекс, который характеризуется высокой стойкостью и не позволяет произвести осаждение белка из раствора. Кроме того, в семе-
нах льна оболочка, на поверхности которой находятся полисахариды, прочно срастается с ядром и ее удаление традиционными способами механического обрушивания не представляется возможным, поэтому семя льна перерабатывают без отделения оболочки [2]. В работах [1,6] предложено перед экстрагированием белка из семян льна производить отмывку слизей полисахаридов проточной водой. Однако предложенные способы характеризуются невысокой эффективностью отмывки и значительной продолжительностью процесса, который сопровождается глубоким проникновением воды в семя, что в свою очередь ведет к экстрагированию водорастворимых веществ в раствор слизи полисахаридов, что особенно актуально при переработке разрушенного в процессе прессования семени.
Значительная интенсификация смывания слизей с поверхности семян льна достигается за счет проведения этой операции в аппарате с вибрационной насадкой, создающей поле низкочастотных механических колебаний (НЧ МК) [1]. В этом случае в рабочем объеме аппарата создается знакопеременное движение обрабатываемой среды - суспензии из семян льна и воды, которое характеризуется высокой скоростью образования коротких кавитационных волн, создающих ударные воздействия на обрабатываемую систему в фазе сжатия и растягивающие усилия в фазе растяжения, что положительно сказывается на скорости смыва слизи с поверхности семян льна. Кроме того, при прохождении через отверстия перфорации вибрационной насадки семена попадают в высокоскоростной поток жидкости, который способствует интенсивному обновлению поверхности контакта фаз и ускорению отделения набухшей слизи с поверхности семени.
Массообменные аппараты периодического и полупериодического действия, с точки зрения теории технологического потока, относятся к несовершенному виду оборудования. Тем не менее, во многих отраслях пищевой промышленности они до сих пор имеют достаточно широкое распространение. Если для некоторых видов получаемых экстрактов и настоев в отдельных отраслях пищевой промышленности, где производятся небольшие партии продукции, применение аппаратов периодического действия можно считать оправданным, то для промышленного производства вопрос о переходе к аппаратам непрерывного действия с режимом интенсивного массообмена между фазами, является исключительно актуальным.
Виброэкстракторы непрерывного действия по сравнению с периодическими и полупериодическими, кроме общеизвестных преиму-
ществ, таких как полное исключение затрат ручного труда, возможность автоматизации процесса, создание единичного аппарата большой производительности, создание стационарных условий проведения процесса и др., имеют и такое важное достоинство, как улучшенные массообменные характеристики процесса и, в частности, увеличение коэффициента массоотдачи от поверхности частиц к экстра-генту.
Основным недостатком периодического экстрактора с вибрационной насадкой, включающей одну тарелку, является сравнительно небольшая производительность. Решить эту проблему возможно путем установки дополнительных вибрационных тарелок, с целью увеличения высоты насадки, а, следовательно, и объема обрабатываемого слоя. В результате такой модернизации появляется возможность создания вибрационного экстрактора колонного типа, имеющего непрерывный рабочий цикл.
В связи с этим исследование работы вибрационного экстрактора непрерывного действия и подбор рационального технологического режима при отмывке слизи полисахаридов с поверхности семян масличного льна является цельюданного исследования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На рисунке изображен вертикальный разрез вибрационного экстрактора непрерывного действия. Аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с плоским днищем. В корпусе соосно установлена, с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости, вибрационная насадка, состоящая из штока 3, с жестко закрепленными на нем перфорированными тарелками 2, снабжёнными по периферии бортами, направленными навстречу подаваемому потоку [5].
Жидкая фаза от насоса-дозатора поступает в аппарат через патрубок 5, а твердая фаза подается через шнековый питатель 4, закрепленный под углом к корпусу аппарата. Подаваемые потоки, поступая в нижнюю часть экстрактора, интенсивно перемешиваются под действием струй жидкости, создаваемых перфорированными тарелками 2 вибрационной насадки. Образовавшаяся в виброожиженном слое суспензия движется снизу вверх вдоль оси аппарата за счет вытеснения свежими объемами жидкой и твёрдой фаз, поступающими в нижнюю часть аппарата и выводится через патрубок 6 в верхней части экстрактора. Время нахождения фаз в аппарате определяется скоростью их подачи, которая задается в зависимости от характеристик поля НЧ МК и поставленной технологической задачи.
Рисунок. Вибрационный экстрактор непрерывного действия
При проведении экспериментов в вибрационном экстракторе непрерывного действия были неизменными следующие параметры: вибрационная насадка, состоящая из шести тарелок, установленных с шагом 100 мм. Расстояние от нижней тарелки до дна - 65 мм. Все тарелки имели диаметр 146 мм; отверстия в тарелках - цилиндрические, с диаметром 3 мм; живое сечение тарелки - 16%; высота борта на периферии тарелки составляла 12 мм; продолжительность обработки - 16 мин. [1]
В качестве материалов исследования использовали семена масличного льна сорта Исилькульский, урожая 2013 г., выращенные в Алтайском крае, и водопроводную воду, соответствующую СанПиН 2.1.4.559-96.
Выбор исследуемых режимных параметров процесса - амплитуды и частоты колебаний-проводился с целью создания такого гидродинамического режима, который, наряду с интенсивным взаимодействием находящихся в аппарате фаз и смывании набухшей слизи полиса-харидовс поверхности обрабатываемых семян, обеспечивал бы, также, пропускную способность аппарата по твердой фазе. Последнее является важным условием работы колонного аппарата непрерывного действия, так как его равномерная пропускная способность по твердой фазе будет способствовать формированию в нем стационарных условий проведения процесса, выражающихся в постоянстве движущей силы и надежности работы.
Следствием недостаточного вибрационного воздействия на обрабатываемые семена льна, которые в результате пропитки экстраген-том имеют схожую с ним плотность и осаждаются в нижней части корпуса, может стать на-
рушение пропускной способности аппарата по твердой фазе. Поэтому равномерное распределение в рабочем объеме аппарата частиц подаваемой в него твердой фазы является одной из задач создаваемого вибрационной насадкой гидродинамического режима.
Для наиболее подробного исследования работы аппарата, значения режимных параметров процесса - амплитуды и частоты колебаний- варьировались в широких пределах и подбирались таким образом, чтобы можно было исследовать влияние каждого параметра: амплитуда колебаний изменялась в диапазоне 612 мм, а частота - 10-20 Гц.
Эксперименты проводили следующим образом: в аппарат подавалась предварительно подогретая до температуры 30 °С вода [1], расход которой контролировали ротаметром, после наполнения колоны водой включали привод вибрационной насадки с предварительно установленным значением амплитуды колебаний. При помощи преобразователя частоты переменного тока, подаваемого на асинхронный двигатель, устанавливали нужное значение частоты колебаний насадки. После выхода аппарата на заданный режим в воронку шнеково-го питателя начинали подачу семян льна. Изменяя скорость подачи экстрагента, варьировали продолжительность нахождения семян в аппарате, а изменяя частоту вращения шнека питателя, обеспечивали необходимое соотношение подаваемых в аппарат фаз ] = 1/20. После выхода аппарата на стационарный режим работы отбирали пробы полученной суспензии из выходного патрубка. Суспензия разделялась на ситах, и определялся гидромодуль. Жидкую фазу фильтровали на вакуум-фильтре.
Таблица
Результаты отмывки семян льна в вибрационном экстракторе непрерывного действия
Частота Амплитуда колебаний вибрационной насадки, мм
колебаний 6 9 12
насадки, Гц V, 10-6 м /с т, г. К, % V, 10-6 м /с т, г. К, % V, 10-6 м /с т, г. К, %
10,0 20,8 0,496 88,9 21,3 0,510 91,39 21,3 0,518 92,7
13,3 21,3 0,512 91,8 21,7 0,522 93,50 22,0 0,534 95,6
16,7 22,0 0,534 95,6 22,0 0,534 95,60 22,0 0,534 95,6
20,0 21,8 0,526 94,3 22,0 0,534 95,60 22,0 0,534 95,6
В полученных пробах раствора слизи определяли коэффициент кинематической вязкости V, м /с,с использованием капиллярного вискозиметра ВПЖ-3, по ГОСТ 10028-81. Кроме того, полученную навеску раствора слизи массой 100 г. высушивали в сушильном шкафу до влажности не более 5%, после чего определяли массу выделенной сухой слизи т, г и степень извлечения К, %. По полученным значениям производили оценку эффективности отмывки семян льна от слизи.
Отмытые от слизи семена льна высушивали до влажности 7%, после чего их подвергали холодному прессованию на гидравлическом прессе при давлении 15 МПа. В масле определяли перекисное число (ПЧ) по ГОСТ Р 5148799 и кислотное число (КЧ) по ГОСТ Р 50457-92.
Исследования проводились не мене чем в 5-кратной повторности, отклонения в результатах составляли ±0,05-0,3%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ экспериментальных данных показал, что аппарат обеспечивает непрерывное прохождение жидкой и твердой фаз в заданных соотношениях, т.е. внутри аппарата не происходит накапливание твердой фазы, сопровождающееся образованием застойных зон, тем самым не наблюдается нарушение его пропускной способности.
Анализ влияния амплитуды колебаний вибрационной насадки на степень извлечения слизи полисахаридов с поверхности семян льна (таблица) показывает, что увеличение этого параметра ведет к повышению качества отмывки и снижению потерь слизи. Однако это сопровождается ростом энергозатрат и значительным увеличением динамической нагрузки на рабочие элементы аппарата, что, в свою очередь, способствует появлению люфтов и механическому разрушению элементов конструкции. Аналогичные выводы можно сделать и относительно частоты колебаний насадки. Кроме того, при малых значениях амплитуды повышение частоты колебаний выше п = 20 Гц (см. таблицу) не способствует повышению скорости про-
цесса. Это объясняется тем, что в силу быстрого изменения направления движения вибрационной насадки при данной амплитуде уменьшается величина и продолжительность существования создаваемых разнонаправленных потоков жидкости. В результате, в межтарельчатом пространстве наблюдается малая подвижность частиц твердой фазы, уменьшается количество проходов этих частиц через отверстия перфорации тарелок и, как следствие, снижается интенсивность массообмена. Исходя из полученных данных, в качестве рационального можно рекомендовать режим: А = 6мм, п = 16,7 Гц.
На следующем этапе исследований определили влияние проведенной обработки на качество масла, полученного методом холодного прессования из отмытого семени льна.
Для масел основными показателями качества являются кислотное (КЧ) и перекисное (ПЧ) числа. При переработке и хранении масла эти показатели подвержены наиболее существенным изменениям [7]. При взаимодействии триглицеридов с водой происходит образование свободных жирных кислот, а при контакте с кислородом воздуха жиры образуют перекис-ные соединения.
Льняное масло, применяемое для пищевых целей, по физико-химическим показателям должно соответствовать следующим требованиям: КЧ не более 5,0 мгКОН/г; ПЧ не более 10 ммоль % О2/кг [7].
В масле, полученном из семян льна, предварительно отмытых в вибрационном экстракторе непрерывного действия, значения кислотного числа составляли 0,5-0,8 мгКОН/г, пере-кисного числа 0,9-2,5 ммоль % О2/кг. Эти данные свидетельствуют о том, что проведенная предварительныя отмывка семян не ведет к ухудшению качественных показателей масла, при этом появляется возможность получения нового продукта - слизи полисахаридов семян льна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенных эксперименталь-
ных исследований подтверждают целесообразность применения вибрационного экстрактора непрерывного действия при проведении процесса отмывки семян льна от слизей полисахаридов, при этом рациональным можно считать режим с частотой колебаний вибрационной
насадки п = 16.7 Гц при амплитуде А = 6 мм. Предлагаемая обработка не оказывает влияния на качество льняного масла, полученного методом холодного прессования.
1. Ворыханов А.Е., Сорокопуд А.Ф., Павлов С.С., Иванов П.П. Совершенствование технологии переработки семян льна с использованием вибрационного экстрактора // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - № 1.- С.103-107.
2. Григорьева А.Л. Изучение биохимического состава, биологической ценности и структуры белковых продуктов, полученных из жмыхов семян льна: автореферат Дисс. ... канд. биол. наук. 03.00.04: защищена 03.10.2007 / Григорьева Анна Леонидовна. - Тверь, 2007. -21 с.
3. Зубцов В.А., Осипова Л.Л., Лебедева Т.И. Льняное семя, его состав и свойства // Российский химический журнал. 2002. Т. 46. №2. С. 14-16.
4. Патент РФ 2333656, МПК А23С11/00, А 23Л/14, А23С11/10. Способ приготовления растительного молока из семян льна / Миневич И.Э., Григорьева А.Л.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИПТИМЛ Россельхозакаде-
ЖИЙ СПИСОК
мии. - №2007107240/13; заявл. 26.02.2007; опубл. 20.09.2008.
5. Патент РФ 2257937, МПК В 01 D 11/02. Экстрактор вибрационный / Сорокопуд А.Ф., Иванов П.П., Кустов И.Н.; заявитель и патентообладатель Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - № 2004102772/15; заявл. 30.01.2004; опубл. 10.08.2005. бюл. №22.
6. Патент РФ 2333662, МПК А23Л/14, А23и3/30, А23и3/14, А23и3/34. Способ получения модифицированного пищевого белкового продукта из семян льна / Щербаков В.Г., Ксан-допуло С.Ю., Барбашов А.В., Шульвинская И.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «КубГТУ». - №2007104419/13; заявл. 05.02.2007; опубл. 20.09.2008.
7. Экспертиза масел, жиров и продуктов их переработки. Учеб.-справ. пособие / Е. П. Кор-нена, С. Л. Калманович, Е. В. Мартовщук, Л. В. И др.; под общ. ред. В.М. Позняковского. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. - 272 с.
REFERENCES
1. Vorykhanov A.E., Sorokopud A.F., Pavlov C.C., Ivanov P.P. Sovershenstvovanie tekhnologii pererabotki semyan I'na s ispol'zovaniem vibratsionnogo ekstraktora [Improvement of the flax seed processing technology with the use vibratory extractor]. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv - Food Processing: Techniques and Technology, 2012, no. 1, pp.103107.
2. Grigor'eva A.L. Izuchenie biokhi-micheskogo sostava, biologicheskoi tsennosti i struktury belkovykh produktov, poluchennykh iz zhmykhov semyan l'na [The study of biochemistry, biological value and structure of the protein products derived from flax seed oil cake]. Author's abstract of PhD thesis, Tver', 2007, 21 p.
3. Zubtsov V.A., Osipova L.L., Lebedeva T.I. L'nyanoe semya, ego sostav i svoistva [The composition and properties of flaxseed]. Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal - Russian Journal of General
Chemistry, 2002, vol. 46, no. 2, pp. 14-16.
4. Minevich I.E., Grigor'eva A.L. Sposob prigotovleniya rastitel'nogo moloka iz semyan l'na [A method for preparing vegetable milk from flax seeds]. RF Patent no. 2333656, 2007.
5. Sorokopud A.F., Ivanov P.P., Kustov I.N. Ekstraktor vibratsionnyi [Vibrating extractor]. RF Patent no. 2257937, 2004.
6. Shcherbakov V.G., Ksandopulo S.Yu., Barbashov A.V., Shul'vinskaya I.V. Sposob polucheniya modifitsirovannogo pishchevogo belkovogo produkta iz semyan l'na [A method for producing a modified edible protein product from flaxseed]. RF Patent no. 2333662, 2007.
7. Kornena E.P., Kalmanovich S.L., Martovshchuk E.V. [et al.] Ekspertiza masel, zhirov i produktov ikh pererabotki [Examination of oils, fats and their products]. Edited by Poznyakovskii V.M. Novosibirsk, Sib. Univ. Publ., 2007, 272 p.
Статья поступила в редакцию 17 декабря 2014 г.
После переработки 24 декабря 2014 г.
