CC BY
1А.Г. Хантургаев, канд. техн. наук, доц., e-mail: aavn@mail.ru Т.И. Котова, канд. техн. наук, e-mail: tatianakotova74@mail.ru Г.И. Хараев, д-р техн. наук, доц.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 664.3.033
ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
В статье представлены результаты изучения параметров, влияющих на процесс экстракции кедрового масла в электромагнитном поле сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ): диэлектрической проницаемости обрабатываемого сырья (ядра кедрового ореха) и экстрагента (этилового спирта), скорости возрастания температуры сырья и экстрагента в ЭМП СВЧ, коэффициента диффузии кедрового масла.
Установлены изменения диэлектрической проницаемости экстрагента (этилового спирта) от 25,4 при нормальных условиях до 2,58 под воздействием волн дециметрового диапазона. Найденные опытным путем значения диэлектрической проницаемости экстрагента приблизительно равны диэлектрической проницаемости кедрового масла (3,2-3,5), что позволяет последнему хорошо растворяется в этиловом спирте.
Установлено, что скорость роста температуры при СВЧ- энергоподводе состоит из 2 этапов: на 1-м этапе температура изменяется от 20 до 78,4°С, а отношение dt/dr изменяется в пределах от 1,3 до 0,2 °С/с, на 2-м этапе - при температуре более 78,4 °С, т.е. при температуре кипения растворителя, отношение dt/dr резко снижается и изменяется от 0,1 до 0,01 °С/с. Экспериментально доказано, что с увеличением температуры и частоты колебаний электромагнитного поля масло диффундирует к поверхности ядра кедрового ореха, смешиваясь и растворяясь практически полностью в спирте этиловом.
Опытным путем установлено, что возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (30-90 с), а затем наступает резкое уменьшение его (в 3-4 раза), а после 140 с экстракции коэффициент диффузии уменьшается не так резко, что свидетельствует о том, что, чем меньше мощность излучения электромагнитного поля СВЧ, тем медленнее по времени протекают диффузионные процессы.
Выявлены закономерности, влияющие на технологические параметры процесса экстракции кедрового масла из ядер кедрового ореха этиловым спиртом в ЭМП СВЧ.
Ключевые слова: экстракция, растительные масла, технологические параметры, электромагнитное поле сверхвысоких частот, кедровое масло, шрот, экстракционный аппарат, диэлектрические характеристики, скорость возрастания температуры, коэффициент диффузии масла.
A.G. ^anturgaev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
T.I. Kotova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
G.I. Haraev, Dr. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
STUDYING OF THE PARAMETTERS INFLUENCING THE EXTRACTION PROCESS OF VEGETABLE OILS IN THE ELECTROMAGNETIC FIELD OF ULTRAHIGH FREQUENCIES
The article presents the study results of parameters affecting the extraction process of cedar oil in the electromagnetic field of ultrahigh frequency (EMF UHF): the dielectric constant of the processed raw material (pine nut kernels) and extractant (ethyl alcohol), the rate of raw material temperature increase and the extractant in the EMF microwave, coefficient of diffusion of cedar oil.
The changes of the dielectric constant of the extractant (ethyl alcohol) of 25.4 under normal conditions to 2.58 under the influence of UHF waves are established. The values of dielectric permeability of an ekstragent ^ found by practical consideration are approximately equal to dielectric permeability of cedar oil (3,2-3,5) and it is dissolved in ethyl alcohol.
It is found that the growth rate of the temperature of the microwave energy supply consists of two stages: at the 1st stage temperature changes from 20°C to 78,40С and the ratio dt/dr ranges from 1.3 to
0.2 0C/ sec, at the 2ndstage - at temperature more than 78,40C, e.g. at the reflux temperature , ratio dt/dx sharply reduces and varies from 0.1 to 0.01 0C/sec. It is experimentally proved that with increase in temperature and^ frequency of fluctuations of the electromagnetic ^ field, oil diffuses to the surface of the core of pine nuts, mixing and dissolving almost completely in ethyl alcohol.
It is empirically established that an increase in the diffusion coefficient occurs in the _ first seconds of extraction (30-90 seconds), and then there is its sharp decrease (by 3-4 times), and after 140 seconds of extraction diffusion coefficient decreases less abruptly, indicating that the smaller the power of the electromagnetic ^ field of the microwave radiation, the slower diffusion processes occur in time.
The article reveals the regularities influencing the process parameters of the extraction process of cedar oil ^ from kernels of cedar nuts by ethyl alcohol in the microwave EMFs.
Key words: extraction, vegetable oils, process parameters, electromagnetic _ field of ultrahigh _ frequency, cedar oil, meal, extractor, dielectric characteristics, speed of temperature rise, an oil diffusion coefficient.
Введение
Экстракционный способ извлечения растительных масел является наиболее экономичным и обеспечивает максимальное обезжиривание масличного сырья. В основе процесса экстракции лежит способность растительных масел растворяться в органических растворителях, при этом экстракция происходит посредством молекулярной и конвективной диффузии. В качестве растворителей для извлечения масла из растительного сырья применяют, как правило, экстракционный бензин марки «А» или нефрас, которые наряду с применением высоких температур при отгонке растворителя снижают качество получаемых масла и шрота. Экстракцию масла можно осуществлять также с помощью диоксида углерода при сверхкритических давлениях (более 600 мПа), однако его недостатками являются высокая металлоемкость оборудоваия и необходимость изготовления толстостенных экстракционных аппаратов, трубопроводов и запорной аппаратуры, выдерживающих высокие давления.
В последнее время для интенсификации процессов экстракции из растительного сырья все чаще применяют электромагнитное поле сверхвысоких частот (далее - ЭМП СВЧ), позволяющее значительно сократить время экстракции, а следовательно, сократить время нахождения термолабильного растительного сырья в зоне высоких температур, применять нетоксичные растворители, значительно сократить продолжительность процесса.
В связи с тем, что в последнее время возрос интерес к кедровому ореху как ценному масличному сырью (а на предприятиях Республики Бурятия, занимающихся его переработкой, основным выпускаемым продуктом является кедровое масло), изучение интенсификации процесса экстракции кедрового масла с помощью ЭМП СВЧ является актуальным.
Условия экстракции кедрового масла этиловым спиртом под влиянием электромагнитного поля СВЧ с использованием СВЧ-установки были детально исследованы в работах [1, 2 и др]. Однако в указанных работах не были исследованы такие важные технологические параметры, как диэлектрические характеристики обрабатываемого сырья и экстрагента, скорость возрастания температуры в ЭМП СВЧ, коэффициент диффузии масла, влияющие на диффузионные процессы и растворимость масла в этиловом спирте, а следовательно, и на максимальное извлечение (выход) масла.
Цель исследования
В связи с вышесказанным целью нашего исследования явилось изучение технологических параметров, влияющих на процесс экстракции кедрового масла из ядра кедрового ореха этиловым спиртом в ЭМП СВЧ.
Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи:
- определить диэлектрические характеристики обрабатываемого сырья (ядра кедрового ореха), экстрагента (этилового спирта) и кедрового масла;
- установить скорость возрастания температуры сырья и экстрагента в ЭМП СВЧ;
- определить коэффициент диффузии кедрового масла.
Материалы и методы исследований
Материалами исследований в эксперименте служили очищенные ядра кедровых оре-
хов, растворитель - этиловый спирт, кедровое масло, полученное методом экстракции в ЭМП СВЧ.
Исследование диэлектрических характеристик спирта этилового и ядра кедрового ореха проводилось волноводным методом.
Скорость возрастания температуры в ЭМП СВЧ определяли в процессе экстракции растительного сырья путем изменения веса экстрагируемого материала, т.е. при различных весовых количествах материала.
Для определения коэффициента диффузии был использован интервально-итерационный метод [3].
Результаты исследования и их обсуждение
Для сырья (ядра кедрового ореха), экстрагента (этилового спирта) и кедрового масла были исследованы их диэлектрические характеристики, так как от этого зависят величина удельной мощности ЭМП СВЧ, трансформируемой в теплоту, и глубина проникновения СВЧ-волн. Опытные испытания проводились на экспериментальном комплексе, включающем генератор для создания волн с встроенным усилителем и аттенюатором, осциллограф, потенциометр.
При проведении эксперимента по определению диэлектрических характеристик ядра кедрового ореха и этилового спирта были получены зависимости диэлектрических характеристик от температуры образцов и установлено, что в ЭМП СВЧ диэлектрическая проницаемость этилового спирта (экстрагента) изменяется от 25,4 при нормальных условиях до 2,58 под воздействием волн дециметрового диапазона, что близко к определенной нами диэлектрической проницаемости кедрового масла (3,2-3,5). При таких условиях масло хорошо растворяется в органическом растворителе. В опытах при измерении диэлектрической проницаемости под воздействием ЭМП СВЧ повышение температуры незначительно отразилось на изменении диэлектрических свойств этилового спирта и кедрового масла.
Полученные значения диэлектрических характеристик этилового спирта и кедрового масла свидетельствуют о том, что диэлектрическая проницаемость спирта этилового в ЭМП СВЧ становится близкой к диэлектрической проницаемости масла кедрового, в результате чего масло практически полностью растворяется в спирте этиловом.
Основным фактором, определяющим скорость возрастания температуры ^Шт) под действием ЭМП СВЧ, является удельная мощность Руд. При этом форма материала должна быть такой, чтобы обеспечить нагрев изделия по всему объему, т.е. линейные размеры материала хотя бы в одном измерении не должны превышать удвоенной глубины проникновения поля СВЧ. Полученные результаты диэлектрических характеристик позволили теоретически определить оптимальную толщину экстрагируемого материала (ядра кедрового ореха), при которой происходят равномерный нагрев и максимальное выделение масла из ядра в экстра-гент (спирт этиловый).
При проведении исследований установлено, что скорость роста температуры при СВЧ-энергоподводе состоит из 2-х этапов: на 1-м этапе температура изменяется от 20 до 78,4оС, а отношение dt/dт изменяется от 1,3 до 0,2 °С/с, на 2-м этапе - при температуре более 78,4 оС, т.е. температуре кипения растворителя, отношение dt/dт резко снижается и изменяется от 0,1 до 0,01 °С/с.
Результаты экспериментальных данных свидетельствуют об усилении диффузионных процессов в ядре кедрового ореха. С увеличением температуры и частоты колебаний электромагнитного поля возникает градиент внутреннего давления в ядре кедрового ореха, в результате чего масло диффундирует к поверхности лепестка, смешиваясь и растворяясь практически полностью в спирте этиловом, так как диэлектрическая проницаемость кедрового масла и спирта этилового при этих условиях близки.
Таким образом, при экстракции целесообразно комбинировать процесс молекулярной диффузии с термодифузией путем использования наложения подобранных температурных режимов как для растворителя, так и для сырья.
Для определения коэффициента диффузии была использована методика, основанная на режиме кипящего слоя в ЭМП СВЧ. Это позволяет обеспечить столкновение каждой частицы с растворителем и создать условия для проведения экстракции при более низких температурах.
В результате экспериментальных исследований по определению коэффициента диффузии были получены экстракционные кривые, характеризующие изменения коэффициента
диффузии масла в ядре кедрового ореха при экстракции спиртом этиловым в ЭМП СВЧ (рис).
Из рисунка видно, что возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (30-90 с), а затем наступает его резкое уменьшение (в 3-4 раза), а после 140 с экстракции коэффициент диффузии уменьшается не так резко. Также характер экстракционных кривых свидетельствует о том, что, чем ниже мощность ЭМП СВЧ, тем меньше пик максимального значения коэффициента диффузии и тем позже он фиксируется по времени. Это свидетельствует о том, что, чем меньше мощность излучения электромагнитного поля СВЧ, тем медленнее протекают диффузионные процессы.
Во всех проведенных экспериментах коэффициент диффузии уменьшается на целый порядок в первые 1,5-2 мин экстрагирования. Характер изменения коэффициента диффузии во времени хорошо согласуется с современными представлениями о механизме экстрагирования масла из маслосодержащего сырья. Повышение коэффициента диффузии в начале экстрагирования связано со стадией пропитки, при которой направление движения жидкости противоположно направлению диффузионного потока в твердой частице.
D*10-7 , м2/с
80
60
40
20
0 -I-----'
0 100 200 300 400 500 т с — М = 1000 Вт/чкг '
Рисунок - Изменение коэффициента диффузии в ядре кедрового ореха
Следует отметить, что для всех размеров ядра кедрового ореха и при всех температурах опыта максимальные величины коэффициентов диффузии приблизительно соответствуют одному и тому же времени экстрагирования - 40-90 с. Следовательно, можно считать, что за 150-180 с экстракции извлечение масла в растворитель практически заканчивается.
Таким образом, экспериментально установленные значения коэффициентов диффузии в зависимости от мощности СВЧ-излучения и продолжительности показывают, что, чем выше мощность излучения, тем выше коэффициент диффузии и тем быстрее протекает процесс извлечения масла в растворитель. Однако весь процесс экстракции масла под воздействием ЭМП СВЧ заканчивается практически в одно и то же время - за 240-360 с.
Выводы
Были получены следующие результаты:
- установлено, что в электромагнитном поле СВЧ изменяется диэлектрическая проницаемость этилового спирта (экстрагента) от 25,4 при нормальных условиях до 2,58 под воздействием волн дециметрового диапазона, что приблизительно равно диэлектрической проницаемости кедрового масла (3,2-3,5). При таких условиях масло хорошо растворяется в этиловом спирте;
- скорость роста температуры при СВЧ-энергоподводе состоит из 2 этапов: на 1-м этапе температура изменяется от 20 до 78,4 оС, а отношение dt/dx изменяется от 1,3 до 0,2 °С/с, на 2-м этапе - при температуре более 78,4оС, т.е. температуре кипения растворителя, отношение dt/dx резко снижается и изменяется от 0,1 до 0,01 °С/с;
- экспериментально доказано, что с увеличением температуры и частоты колебаний электромагнитного поля масло диффундирует к поверхности ядра кедрового ореха, смешиваясь и растворяясь практически полностью в спирте этиловом;
- установлено, что возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (30-90 с), а затем наступает его резкое уменьшение (в 3-4 раза), а после 140 с экстракции коэффициент диффузии уменьшается не так резко, что свидетельствует о том, что, чем меньше мощность излучения электромагнитного поля СВЧ, тем медленнее по времени протекают диффузионные процессы.
Заключение
В результате проведенных исследований были определены основные технологические параметры экстракции кедрового масла этиловым спиртом из ядра кедрового ореха в ЭМП СВЧ: диэлектрическая проницаемость обрабатываемого сырья (ядра кедрового ореха), экс-трагента (этилового спирта) и кедрового масла, скорость возрастания температуры сырья и экстрагента в ЭМП СВЧ, коэффициент диффузии кедрового масла.
Применение закономерностей, установленных при проведении экспериментов, обеспечивает производство кедрового масла с максимальным энерго- и ресурсосбережением. На основе полученных данных была разработана технология получения кедрового масла с применением ЭМП СВЧ, которая успешно апробирована [4], запатентована [5] и внедрена в производство в ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт» при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления.
Библиография
1. Бадмацыренов Б.В. Разработка оборудования и процесса экстракции кедрового масла в ЭМП СВЧ: дис. ... канд. техн. наук: 03.00.23 / Б.В. Бадмацыренов; ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2004. - 147 с.
2. Терлова Е.А., Кожевников В.Ю. Активация процесса экстракции растительных масел в СВЧ-электромагнитном поле // Вестник Саратовского гос. техн. ун-та. - 2012. - Вып. 2с (66), т. 2. -С.171-177.
3. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. - М.: Химия, 1993. - 238 с.
4. Хантургаев А.Г., Котова Т.И. Инновационные технологии в пищевой промышленности Бурятии: Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. «Наука и образование в XXI веке: теория, практика, инновации». - М.: «АР-Консалт», 2014. - Ч. III. - С. 50-52.
5. Патент RU № 2194070. Способ получения кедрового масла / Хантургаев Г.А., Хантургаев А.Г., Дорохов И.Н., Цыреторова В.Г. - Заявл. 30.06.2000; опубл. 10.12.2002.
Bibliography
1. Badmatsyrenov B.V. Equipment development and extraction process of cedar oil in the microwave EMF: dis. ... cand. Engin. Sc.: 03.00.23 // B.V. Badmatsyrenov; ESSTU. - Ulan-Ude, 2004. - 147 p.
2. Terlova E.A., Kozhevnikov V.Yu. Аctivation process of the vegetable oils extraction in the microwave electromagnetic field: Bulletin of Saratov State Technical University. - 2012. - Issue 2s (66), Vol. 2. -P.171-177.
3. Rudobashta S.P., Kartashov E.M. Diffusion in chemical-technological processes. - M.: Chemistry, 1993. - 238 p.
4. Hanturgaev A.G., Kotova T.I. Innovative technologies in the food industry of Buryatia // Collection of scientific works on the materials of the International scientific-practical conference "Science and Education in the XXI сentury: Theory, Practice and Innovation". - M.: "AR - Consult", 2014. - P. III. - P. 50-52.
5. Patent RU N 2194070. Method to obtain Cedar oil / Khanturgaev G.A., Khanturgaev A.G., Doro-hov I.N., Shiretorova V.G.
