Кинетика извлечения кедрового масла спиртом этиловым в электромагнитном поле СВЧ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

0,02

0

-0,021 0

-0,04

-0,06

'if -°'08 ¿3 -0,1 М -0,12

-0,14 W -0,16 -0,18 -0,2 -0,22

д 2 G дх2

< 0

А/ ч< Мб

Ж I

15 I I

Г

g

о, яя

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Концентрация изобутилового спирта, мол. дол.

д ln Ym

дх,

ln

(jjm

j=1

j=1

0. n

■—( 0frtt. — 0 t .

mk k J J m J

xi k =1

k k, j

(0k^k j

д ln xt

dxt

д ln xm дх,

(12)

(13)

Рассмотрим на примере бинарной смеси изобути-ловый спирт-вода (рисунок) различные состояния системы. Отрезок айк промежуточной кривой показывает нестабильное состояние. Равновесное состояние демонстрирует линия а/к. Составы, для которых вторая производная, вычисленная по вышеприведенным выражениям, равна нулю, отвечают точкам перегиба с и g. Участки ас и кg, крайние точки которых есть точки перегиба, соответствуют метастабильному состоянию. Участок cdg соответствует нестабильному состоянию. Локальные экстремумы, обнаруженные при приведении первой производной к нулю, - это точки Ь, й и g.

Состояния, имеющие состав в интервале между а и к, расслаиваются на две фазы, концентрации которых отвечают точкам а и к.

Участок кривой айк представляет область нестабильности, стабильные значения показаны прямой а/к; а и к - точки касательной, общей для двух точек кривой, определяющие составы получающихся при расслаивании фаз в равновесных условиях, Ь и] - локальные минимумы энергии Гиббса, с иg - точки перегиба. Области ас и gк метастабильные.

д ln Ym дх,

(t j,

j=1

д0.

дх,

(

j=1

j =1

J 0 0 д0k

t .—- ( 0-т- ■ — 01 ■ ( t ,■—-

mj дх k k, ■ mk, дх

ox, k=1 k=1 ox,

(0,

klk, j

ЛИТЕРАТУРА

1. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 кн. / Под ред. В.С. Бескова; Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

2. Abrams D.S., Prausnitz J.M. Statistical Thermodinamics of Liquid Mixtures: A New Expression for the Exsess Gibbs Energy of Partly or Completely Miscible System // A.I.Ch.E Journal. - 1975. -21. -

.(11) P. 116-128.

3. Anderson T.F., Prausnitz J.M. Application of the UNIQUAC Equation to Calculation of Multicomponent Phase Equilibria // Ind. Eng. Chem. Proc. Dec. Dev. - 1978. -17. - № 4. - P. 552-567.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 11.12.06 г.

1

х

1

х

m

n

k =1

k=1

n

k=1

655.537.578.08

КИНЕТИКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ КЕДРОВОГО МАСЛА СПИР ТОМ ЭТИЛОВЫМ В ЭЛЕКТР ОМАГНИТНОМПОЛЕ СВ Ч

A.Г. ХАНТУРГАЕВ Б.В. БАДМАЦЫРЕНОВ,

B.Г. ШИРЕТОРОВА, А.В. ЗАЛУЦКИЙ, Л.Е. ПОЛЯКОВА

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Байкальский институт природопользования СО РАН

Процессы, протекающие в условиях, далеких от равновесия, отличаются большой селективностью и экономностью. В основу механизма неравновесных процессов положено кооперативное взаимодействие всех элементов системы, получающих за счет свободы

(в сверхкритических условиях, в точках бифуркации) вращательное движение.

Электромагнитное поле (ЭМП) СВЧ - электромагнитное излучение низкой энергии (1 эВ), примерно соответствующей вращательной энергии молекул, недостаточной для разрыва химических связей [1]. Излучение взаимодействует с компонентами системы и растворителем по механизмам дипольного вращения и ионной проводимости. В результате в системе протекают кооперативные процессы, являющиеся следстви-

ем возникающего градиента температуры и избыточного давления, что недостижимо в условиях термического нагрева.

Установлено, что при СВЧ-экстракции полезных веществ из растительного сырья значительно повышается выщелачивание веществ из твердой фазы - до 40% - и сокращается длительность экстракции - более чем в 10 раз - по отношению к традиционным методам [2]. При микроволновой тепловой обработке растительные масла и животные жиры подвергаются меньшему окислению и расщеплению. В [3] показано, что СВЧ-нагрев оказывает наибольший эффект на инактивацию липазы и фосфолипазы по сравнению с обычной влаготепловой обработкой. Получаемое таким образом масло содержит меньше негидратируемых форм фосфолипидов, имеет более низкие кислотное и пере-кисное числа, что в существенной мере сказывается на его дальнейшей переработке.

Исследованиями [4, 5] установлено, что при СВЧ-экстракции липидов из семян сосны сибирской спиртом этиловым значительно интенсифицируется процесс, снижается температура, увеличивается выход липидов, а в результате получается кедровое масло высокого качества. Кроме того, в кедровом шроте отмечено низкое содержание жиров и более высокое белков и углеводов [6].

Цель данной работы - изучение механизма экстракции кедрового масла спиртом этиловым из ядра семян сосны сибирской на лабораторной установке с СВЧ-энергоподводом.

Исследовали изменение диэлектрической проницаемости экстрагируемого масла и растворителя, также определяли коэффициенты диффузии масла в процессе экстрагирования в ЭМП СВЧ.

Экспериментальная задача связана, с одной стороны, с зависимостью электрофизических характеристик от целой группы параметров - влажности, маслично-сти, соотношения масс продукта и растворителя, а с другой - со скоротечностью процесса.

Согласно [1, 2, 7, 8], совокупность сверхвысокочастотного воздействия ЭМП СВЧ следует рассматривать в трех направлениях: диэлектрический нагрев (температурное воздействие); воздействие электрической составляющей (напряженности) поля на мембраны биоклетки и состояние цитоплазмы; информационные (резонансные) взаимодействия электромагнитных полей СВЧ с собственными электромагнитными полями биообъектов, влияющие на метаболизм биоклеток.

Механизм диэлектрического нагрева материалов сверхвысокочастотной энергией основан на явлении диэлектрической поляризации: перемещении в некоторых ограниченных пределах связанных электрических зарядов - диполей. Под действием внешнего переменного электромагнитного поля в материале происходит их колебательное движение и переориентация, в результате которых возникают токи проводимости и смещения. Совокупность обоих явлений и обеспечивает нагрев материала.

Удельную активную мощность, определяющую количество выделенного при СВЧ-нагреве в единице

объема материала тепла, рассчитывают согласно классическому закону Джоуля - Ленца

Руд = 0,556-IO-10 e'tgd fE2,

где Руд - удельная мощность, Вт/м3; е' - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости материала; 8 - угол диэлектрических потерь; f - частота электромагнитного поля, Гц; Е -напряженность электрического поля, В/м.

Таким образом, нагрев диэлектрических материалов в ЭМП СВЧ количественно определяется как диэлектрическими свойствами материала е' и tgd, так и параметрами электромагнитного поля Е и f Эти факторы обусловливают некоторые исключительные преимущества СВЧ-нагрева:

близкий к 100% КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую;

безынерционный нагрев объекта «изнутри» с исключительно высокой интенсивностью (температура и скорость СВЧ-нагрева регулируются Е и f ЭМП);

бесконтактный экологически чистый подвод энергии;

равномерный нагрев по всей массе продукта и его избирательность в случае неравенства диэлектрических свойств - параметров е' и tg8.

При большой скорости СВЧ-нагрева внутри влажного обрабатываемого материала создается мощный источник теплоты и высокий градиент избыточного давления влаго-воздушной смеси. Все виды диффузионного переноса тепла и влаги подавляются, и преобладает молекулярный массоперенос. Благодаря этому при СВЧ-обработке существенно снижаются удельные затраты энергии, интенсифицируются массообменные процессы, сохраняется или улучшается качество обрабатываемых материалов.

Для количественного определения массопереноса исследовали диэлектрическую проницаемость е' и фактор потерь е'' кедрового масла и спирта этилового при частоте 2450 МГц при различных температурах с помощью волноводного метода короткого замыкания [8].

При воздействии переменного ЭМП СВЧ на образец спирта этилового уже при 20° С его диэлектрическая проницаемость снижается с 25,4 (в обычных условиях) до 2,7°С и становится близкой к диэлектрической проницаемости масла 2,48. При 50°С и выше диэлектрическая проницаемость спирта этилового и масла кедрового становятся одинаковыми и составляют 2,44. Следовательно, при этой температуре экстрагируемое масло и спирт этиловый неограниченно смешиваются друг с другом.

Фактор потерь диэлектрической проницаемости у масла кедрового под воздействием ЭМП СВЧ после 30°С практически не изменяется, а у спирта этилового снижается незначительно.

Фактором, определяющим скоротечность процесса экстракции в ЭМП СВЧ, принят параметр возрастания температуры от времени dt/dt при диэлектрическом нагреве, зависящий от отношения мощности СВЧ-ге-нератора к массе обрабатываемого продукта. Исследование динамики dt/dt проводили путем измерения тем-

Таблица

t, с 20 40 60 80 100 120 160 200 250 300 350 400 450 500

3,7 3,8 3,3 3,1 2,8 2,7 2,6 2,55

ß • 10-3 7,8 5,4 4,8 4,2 4,0 3,8

Р, Вт ■ ч/кг

-■— 1000 —*— 750 -а-500

пературы раствора через определенные интервалы времени.

Установлено, что скорость роста температуры при СВЧ-энергоподводе можно разделить на два этапа: на первом, в диапазоне температур 20-78,4°С, dt/dt снижается с 1,3 до 0,2 °С/с, на втором, при 78,4-80°С -с 0,1 до 0,01°С/с.

Полученные результаты свидетельствуют об усилении диффузионных процессов при увеличении температуры под воздействием ЭМП и высокой частоты колебаний.

Для подтверждения расчетных данных проведены экспериментальные исследования на лабораторной экстракционной установке с СВЧ-энергоподводом периодического действия [9] и рассчитаны коэффициенты диффузии. Количество извлеченного вещества определяли через установленные интервалы времени. В процессе экстракции соотношение твердое - жидкость составляло 1,25-1,5, мощность СВЧ-излучения 500-1500 Вт • ч/кг.

При известных размерах и форме частиц, времени экстрагирования, начальной и конечной концентрациях растворенного вещества в экстрагенте коэффициент диффузии рассчитывали с использованием интервально-итерационного метода [10, 11]. Расчет производился с помощью системы уравнений, где были определены избыточная концентрация в любой точке тела, концентрация в объеме тела и коэффициент наклона экстракционной линии в интервале.

На основании полученных экспериментальных данных построены графические зависимости изменения коэффициентов диффузии масла от продолжительности экстракции t и мощности ЭМП СВЧ Р (рисунок).

Возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования, а затем наступает его резкое уменьшение в 3-4 раза. После 90 с экстрагирования коэффициент диффузии снижается менее рез-

ко. Чем ниже мощность СВЧ-поля, тем меньше пик максимального значения коэффициента диффузии и тем позже он фиксируется по времени. Это свидетельствует о прямой зависимости времени протекания диффузионных процессов от мощности излучения ЭМП СВЧ.

Определили значения коэффициента массоотдачи Р в зависимости от т при Р 1000 Вт • ч/кг и толщине лепестка R 2 мм (таблица).

Полученные данные свидетельствуют, что Р в первую минуту имеет максимальные значения, а затем резко уменьшается. Следовательно, в первую минуту СВЧ-экстракции липиды интенсивно диффундируют в растворитель и практически полностью смешиваются с ним.

Таким образом, целесообразно применение СВЧ-экстракции вследствие интенсификации массообменных процессов, снижения продолжительности, температуры экстракции и удельных затрат энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гребенюк С.М., Губиев Ю.К., Назаров С.М., Щерби -

нина О.Г. СВЧ -экстракция полезных веществ из растительного сырья // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1987. - № 4. - С. 77-80.

2. Потапов А.Н., Потапова М.Н, Гребенюк С.М. Интенсификация технологических процессов воздействием СВЧ-поля // К совершенствованию технологии процессов и оборудования пище -вой пром-сти. - Кемерово, 1992. - С. 57-65.

3. Лисицын А.Н. Изучение рекомбинации ультраструктуры клеток интактного ядра при подводе СВЧ-энергии // Масложиро -вая пром-сть. - 1996. - № 3-4. - С. 1-8.

4. Исследование состава липидов семян сосны сибирской /

A.Г. Хантургаев, В.Г. Ширеторова, Л. Д. Раднаева и др. // Химия в ин -тересах устойчивого развития. - 2003. - № 11. - С. 668-672.

5. Хантургаев А.Г., Бадмацыренов Б. В., Ширеторова

B.Г., Хантургаева Г. И. Получение кедрового масла из семян сосны сибирской экстракцией этиловым спиртом // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2003. - № 1. - С. 34-37.

6. Бифидопрепараты на основе шрота кедрового ореха / А.Г. Хантургаев, И.С. Хамагаева, А.С. Столярова и др. // Материалы VI Междунар. съезда «Актуальные проблемы создания лекарствен -ных препаратов природного происхождения». - СПб., 2002. -

C. 600-604.

7. Бородин И.Ф. Экстрагирование из твердых материалов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты // Инж.-физич. журн - 1999. - 72. - № 1. - С. 141-147.

8. Бербасов В.А., Васильев Э.Г. СВЧ-разогрев продуктов перевозки. - Нижний Новгород: НПП Элвис, 2001. - 39 с.

9. Бадмацыренов Б.В. Разработка процесса экстракции растительных масел в электромагнитном поле СВЧ: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2004. - 24 с.

10. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с.

11. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость). - Л.: Химия, 1974. - 256 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 20.01.06 г.