Кинетика процессов экстрагирования полисахаридов из корнеплодов скорцонера испанского под воздействием электрического разряда Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ ИЗ КОРНЕПЛОДОВ СКОРЦОНЕРА ИСПАНСКОГО ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

А.Г. Борисов1, В.Н. Оробинская2, В.Т. Казуб3

ЗАО «Энергоагромонтаж», г. Москва (1); кафедра «Охрана окружающей среды и химия», ГОУ ВПО «Пятигорский государственный технологический университет», г. Пятигорск (2); кафедра физики и математики, ГОУ ВПО «Пятигорская государственная фармацевтическая академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», г. Пятигорск (3);

[email protected]

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: корнеплоды скорцонера; коэффициент массо-передачи; удельный выход полисахаридов; электроразрядная обработка; энергия импульса напряжения.

Аннотация: Выполненные теоретические и экспериментальные исследования процесса экстрагирования биологически активных соединений - полисахаридов из корнеплодов скорцонера под воздействием электрического разряда позволили установить параметры технологического процесса, обеспечивающие оптимальный выход целевого компонента. Сравнительный анализ способов экстрагирования показал, что удельный выход полисахаридов увеличивается в 1,32 раза по сравнению с традиционным настаиванием. Определена зависимость коэффициента массопередачи Kxv от концентрации извлекаемого вещества в жидкой фазе. Данные результаты могут быть использованы в инженерных расчетах процесса обработки органического сырья под воздействием электрических разрядов.

Обозначения

Ву - удельный выход полисахаридов, кг;

Kxv - коэффициент массопередачи по жидкой фазе, кг/((кг/кгж)-м3-с);

^ - пробивное напряжение, кВ;

W - энергия импульса напряжения, Дж;

и аббревиатуры

БАС - биологически активные соединения; ВРПС - водорастворимые полисахариды; МЭП - межэлектродный промежуток;

ЭРЭ - электроразрядное экстрагирование; ЭК - экстракционная камера.

Кавитация и ударные волны, инициируемые разрядом в жидкости, способствуют разрыву клеток, увеличению поверхности частиц, контактирующих с экстрагентом, что позволяет интенсифицировать процесс извлечения биологически активных веществ из органического сырья.

Этот способ наиболее эффективен не только для экстракции «каркасных» («структурных») веществ - пектинов, но и для повышения выхода водорастворимых поли- и олигосахаридов [1, 3].

Нами исследован процесс экстрагирования БАС - полисахаридов из корнеплодов скорцонера под воздействием электрического разряда.

ЭК

Ьп

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки:

ПУ - пульт управления; ЗУ - зарядное устройство; ЬФ - формирующая линия; Ку - коммутирующее устройство; Ьп - передающая линия;

Дн - делитель напряжения; ЭК - экстракционная камера

Экстракцию водорастворимых полисахаридов из корнеплодов скорцонера испанского сорта «Maxima» осуществляли в электроимпульсной ЭК (рис. 1) дистиллированной водой при соотношении сырья и экстрагента от 1:15 до 1:30. На электроды ЭК подавали серии импульсов прямоугольной формы напряжением до 25 кВ с энергией в импульсе до 31,25 Дж соответственно.

Длительность импульсов - 1,2 мкс с фронтом 5 нс, МЭП - 1,75 мм. Обработку сырья проводили трижды. Время обработки варьировали от 4 до 10 мин. Количество импульсов в серии - от 1400 до 3000 при частоте 5 имп./с.

При экстрагировании сырья с применением импульсных электрических разрядов происходит его измельчение. Гранулометрический анализ сырья и шрота проводился до и после ЭРЭ. Сырье и высушенный шрот просеивали с помощью стандартного набора сит. Каждую фракцию взвешивали на аналитических весах. Результаты гранулометрического анализа представлены в табл. 1.

Увеличение времени экстрагирования приводило к переизмельчению сырья, что ухудшало качество экстракта. Наибольший выход ВРПС наблюдался при Un = 25 кВ и обработке сырья в течение 12 мин (3 серии по 1400 импульсов). Результаты представлены в табл. 2.

Выход полисахаридов из корнеплодов скорцонера испанского при использовании ЭРЭ составил в среднем 69,66 % в пересчете на воздушно-сухое сырье.

Таблица 1 Таблица 2

Фракционный состав Сумма ВРПС,

измельченных корнеплодов полученная из корнеплодов

скорцонера до и после ЭРЭ скорцонера

Диаметр отверстия ячейки сита d, м Масса фракции, г Масса сырья, г Масса ВРПС после ЭРЭ, г

до ЭРЭ после ЭРЭ

0,5 0,15 0,27 10,0090 7,3818

1,0 0,20 0,55 10,0215 7,4004

1,25 0,63 0,76 10,0090 7,3919

2,0 0,95 1,25 10,0215 7,4004

2,5 3,25 2,55 9,9954 7,3495

3,0 0,45 0,25 9,9652 7,3506

Зависимость выхода ВРПС от количества импульсов п

и/100, Выход полисахаридов, г

имп. Серия А Серия В Серия С

0,1 2,566 1,534 1,022

0,2 4,130 2,478 1,652

0,6 6,015 2,007 1,433

1,0 7,106 2,005 1,263

1,4 7,009 2,175 1,269

1,6 7,470 2,006 1,350

2,2 7,204 1,087 1,220

2,6 7,008 1,065 1,178

3,0 7,211 1,277 1,189

Зависимость количества извлеченных ВРПС от величины межэлектродного промежутка й

Межэлектродный промежуток С, мм Количество ВРПС, г

1,00 7,2009

1,25 7,3506

1,50 7,2357

1,75 7,4704

2,00 7,3018

2,25 7,3919

2,50 7,2045

В табл. 3 приведены данные по выходу ВРПС при обработке без смены экстрагента (серия А) и при трехкратной обработке со сменой экстрагента (В - II серия; С - III серия после смены экстрагента).

Количество выделяемых ВРПС зависит от величины МЭП и в исследованном диапазоне растет пропорционально его величине. Это можно объяснить увеличением объема смеси, подвергающейся воздействию ударных волн. Ограничение МЭП связано с параметрами генератора высоковольтных импульсов.

Оптимальное значение МЭП в условиях опытов, характерное для данного вида сырья, составляет d = 1,75 мм (табл. 4).

Количество извлеченных полисахаридов определяли в каждом опыте через 60, 180, 300, 420, 600 с после его начала. Результаты опытов представлены в табл. 5.

Таблица 5

Количество полученных полисахаридов по условиям проведенного эксперимента

№ опыта Сырье S, г Вода L, мл L/S Количество извлеченных полисахаридов М, г Удельный выход By = M/S

1 30,2 500,0 16,5 24,311 0,805

2 23,6 500,0 21 18,738 0,794

3 19,8 500,0 25 15,266 0,771

4 16,4 500,0 30 12,267 0,745

Примечание. Технологические параметры: прямоугольный импульс с фронтом -5 нс; амплитуда импульса напряжения - 25 кВ; частота посылки импульсов - 5 имп./с; межэлектродный промежуток - 1,75 мм; время проведения электроразрядного экстрагирования - 600 с.

Полученные результаты были сопоставлены с данными по извлечению полисахаридов из корнеплодов скорцонера методом настаивания. Результаты сравнения (рис. 2) показывают, что выход полисахаридов увеличивается в 1,32 раза при использовании электро-разрядного способа экстрагирования по сравнению с настаиванием (мацерацией).

Кинетические кривые, построенные по результатам опытов, асимптотически приближаются к равновесным значениям (рис. 3). Это указывает на то, что система в конце опыта достаточно близка к состоянию фазового равновесия. Однако процесс нецелесообразно доводить до полного равновесия, так как в ходе опытов выявлено, что оптимальное время проведения электроразрядного экстрагирования не превышает 600 с, далее начинается выход балластных веществ, смещающих фазовое равновесие целевого компонента в сторону уменьшения.

Для анализа кинетики рассматриваемого процесса полученные данные обработаны в соответствии с теорией массопередачи.

Рассмотрим уравнение массопередачи экстрагируемого вещества по жидкой фазе. Пусть количество вещества в жидкой фазе в момент времени т равно хЬ. За время Ст содержание полисахаридов в жидкости увеличится на сМ = ЬСх.

С учетом этого запишем уравнение массопередачи по жидкой фазе [2]

ёМ = Ьёх = Кх(хр - х)рёт. (1)

где Кх - истинный коэффициент массопередачи по жидкой фазе, кг раство-ра/(с-м3); х - концентрация целевого компонента в жидкой фазе, кг/(кг раствора); хр - предельная концентрация целевого компонента в жидкой фазе, кг/(кг раствора); ^ - площадь поверхности контакта фаз, м2.

х-102, кг/(кг раствора)

Рис. 3. Изменение концентрации полисахаридов х во времени в процессе электроразрядного экстрагирования при различном соотношении фаз ,£/£:

1 - 16,5; 2 - 21; 3 - 25; 4 - 30

Ву

Рис. 2. Зависимость удельного выхода полисахаридов из корнеплодов скорцонера от различного соотношения

1 - настаивание (мацерация);

2 - электроразрядное экстрагирование

Поскольку поверхность контакта фаз в рассматриваемом случае трудноопределима, представим Кх¥ в виде

(2)

KXF = Кха¥ж = К„¥ж,

где ст - удельная поверхность контакта фаз; Уж - объем жидкости.

Подставив выражение (2) в уравнение (1), получим

ёМ = Ьёх = К„Уж (хр - х)Ст. (3)

Разделяя переменные в уравнении (3) и интегрируя от 0 до т и от хн до хк, получим

Г-

Сх

т =

(4)

где т - время изменения концентрации распределяемого вещества в жидкой фазе от Хн до Хк.

В процессе электроразрядного экстрагирования целевых компонентов из твердой фазы происходит изменение равновесных концентраций в ходе процесса. Для заключительной стадии процесса значения Хр можно найти как предельные значения по рис. 3.

Поэтому, приняв для интервала времени 420...600 с коэффициенты Kxv и Хр = const, запишем для него модифицированное уравнение массопередачи по жидкой фазе в следующей интегральной форме

Mi -^(хкг хнг) Kxvi^хсрг Ti.

(5)

Принимая на этом концентрационном интервале рабочую и равновесную зависимости линейными, представим среднюю движущую силу процесса А хсрг- в виде

ЛХ -Лхкг

Лх ln н?

(6)

Лхк

где I - номер рассматриваемого концентрационного интервала; Ахнг- = хр - хнг-;

Ахкг = хр - Гкг.

С учетом зависимости (6) выразим коэффициент Кху из уравнения

М1 = Ь(хк; — хн; ) = Кху1 ^хср/т; в виде

Кхч -102, кг раствора/(с-м3)

0,45п

0,4

0,35

0,3'

К xv =

L(хт - хщ) Ti ^cpi '

(7)

0,25

0,1

По уравнению (7) рассчитаны значения Кхщ для рассматриваемого концентрационного интервала из кривых кинетики процесса, приведенных на рис. 3. В этих расчетах в качестве равновесных концентраций принимались предельные (асимптотические) значения концентрации распределяемого

, 0,15 0,2 0,25 0,3

х-102, кг/(кг раствора) вещества в жидкой фазе. Рис. 4. Зависимость коэффициента массопередачи Кху от концентрации извлекаемого вещества в жидкой фазе

Результаты вычислений представлены на рис. 4. Коэффициент Кхл, можно считать постоянным в диапазоне

ХрХ

н

исследуемых концентраций (разброс значений Kxv объясняется погрешностью эксперимента).

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили обосновать параметры технологического процесса электроразрядной обработки корнеплодов скорцонера испанского. Сравнительный анализ способов экстрагирования показал, что удельный выход полисахаридов увеличивается в 1,32 раза при использовании электроразрядного способа обработки по сравнению с настаиванием (мацерацией). Определена зависимость коэффициента массопередачи Kxv от концентрации извлекаемого вещества в жидкой фазе. Полученные значения коэффициента массопередачи могут быть использованы в инженерных расчетах процесса электроразрядного экстрагирования.

Список литературы

1. Казуб, В.Т. Кинетика и основы аппаратурного оформления процессов электроразрядного экстрагирования биологически активных соединений : авто-реф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.17.08 / В.Т. Казуб. - Тамбов, 2002. - 32 с.

2. Кинетика электроразрядного процесса экстрагирования растительного сырья / Ю.Н. Кудимов [и др.] // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. - Т. 45, вып. 1. - 2002. - С. 23-28.

3. Пат. 23938б9 Российская Федерация, МПК A б1 K 3б/28, A б1 K 31/715, A б1 P 31/00. Способ получения водорастворимых полисахаридов из Scorzonera hispanica L. / Казуб В.Т., Оробинская В.Н., Коновалов Д. А., Голов Е.В. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Пятигор. гос. фармацевт. акад.». - № 00714б947/15 ; заявл. 17.12.2007 ; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19. - 7 с.

Kinetics of Polysaccharides Extraction from Root-Crops of Scorzonera Hispanica under the Influence of the Electric Discharge

A.G. Borisov1, V.N. Orobinskaya2, V.T. Kazub3

ZAO “Energoagromontazh”, Moscow (1);

Department “Preservation of Environment and Chemistry”, Pyatigorsk State Technological University (2); Department of Physics and Mathematics, Pyatigorsk State Pharmaceutical Academy, (3); [email protected]

Key words and phrases: electrical discharge processing; energy voltage pulse; mass transfer coefficient; root-crops of skorzonera hispanica; specific yield of polysaccharides.

Abstract: The theoretical and experimental investigation of the process of extracting biologically active compounds - polysaccharides from root-crops of skorzonera - under the influence of electrical discharge allowed to establish the parameters of the process, ensuring the optimum yield of the desired component. The comparative analysis of methods of extraction showed that the relative yield of polysaccharides increases by 1,32 times compared with the traditional infusion. The dependence of the coefficient of mass transfer Kxv on the concentration of extractable substance in the liquid phase is determined. These results can be used in engineering calculations, the processing of organic raw materials under the influence of electric discharges.

Kinetik der Prozesse des Extrahierens der Polysacchariden aus den Hackfruchten der spanischen Scorzoneren unter der Einwirckung der elektrischen Entladung

Zusammenfassung: Die erfullten theoretischen und experimentellen

Untersuchungen des Prozesses des Extrahierens der biologisch-aktiven Verbindungen -der Polysacchriden aus den Hackfruchten des Scorzoneres unter der Einwirkung der elektrischen Entladung erlaubten die Parameter des technologischen Prozesses festzustellen. Die Vergleichanalyse der Extrahierensweisen hat gezeigt, daB der spezifische Ausgang der Polysacchriden in 1,32 Mal im Vergleich zu der traditionellen Infusion vergroBert. Es ist die Abhangigkeit des Koeffizientes der Massenubertragung Kxv von der Konzentration des gewinnenden Stoffes in der Flussigphase vergroBert. Diese Resultate konnen in den Ingenieurberechnungen des Prozesses der Bearbeitung des organischen Rohstoffes unter der Einwirkung der elektrischen Entladungen benutzt werden.

Cinetique des processus de l’extraction des polysaccharides a partir des rhizocarpees du scorsonere espagnol sous l’influence de la charge electrique

Resume: La realisation des etudes theoriques et experimentales du processus de l’extraction des combinaisons biologiquement actives, des polysaccharides a partir des rhizocarpees du scorsonere espagnol sous l’influence de la charge electrique, a permis d’etablir les parametres du processus technologique assurant la sortie du composant cible. L’analyse comparative des moyens de l’extraction a montre que la sortie specifique des polysaccharides augmente de 1,32 par comparaison a l’infusion traditionnelle. Est definie la dependance du coefficient du transfert de masse Kxv de la concentration de la substance extraite dans une phase liquide. Ces resultats peuvent etre utilises dans les calculs d’ingenieur du traitement de la matiere premiere organique sous l’influence des charges electriques.

Авторы: Борисов Алексей Геннадьевич - кандидат технических наук, инженер-проектировщик, ЗАО «Энергоагромонтаж», г. Москва; Оробинская Валерия Николаевна - старший преподаватель кафедры «Охрана окружающей среды и химия», ГОУ ВПО «Пятигорский государственный технологический университет», г. Пятигорск; Казуб Валерий Тимофеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики и математики, ГОУ ВПО «Пятигорская государственная фармацевтическая академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», г. Пятигорск.

Рецензент: Першин Иван Митрофанович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление и информатика в технических системах», ГОУ ВПО «Пятигорский государственный технологический университет», г. Пятигорск.