CC BY
1
УДК 664 DOI 10.24412/2311-6447-2024-3-217-221
Конструкция установки и режимные параметры для ультразвуковой экстракции растительного сырья
Installation design and operating parameters for ultrasonic extraction of plant raw materials
Профессор Ю.А. Максименко, ассистент С.А. Свирина, ассистент О.В. Золотов-
ская,
Астраханский государственный технический университет, кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-44-69 amxs 1@yandex. ru
ассистент О.И. Коннова Астраханский государственный технический университет, кафедра технологии товаров и товароведения, тел. 8(905)480-14-95 [email protected]
Professor Yu.A. Maksimenko, Assistant S.A. Svirina, Assistant O.V. Zolotovskaya, Astrakhan state technical university, chair of Technological Machines and Machinery, tel. (8512) 61-44-69 amxs1@yandex. ru
Assistant O.I. Konnova Astrakhan state technical university, chair of Technology of goods and commodity Science, tel. 8(905)480-14-95 okonnova88@gmail. com
Аннотация. Разработана конструкция ультразвукового экстрактора для экстрагирования растительного сырья. Решена задача интенсификации процесса экстракции с помощью применения ультразвуковой обработки системы «сырье-экстрагент». Установлены диапазоны изменения режимных параметров работы предложенного ультразвукового экстрактора: степень измельчения сырья -1-4 мм, соотношение гидромодуля (сырье:экстрагент) - 1:3-1:8, температура экстрагента -293-363 К, интенсивность ультразвукового воздействия - 15-50 Вт/см2.
Abstract. The design of an ultrasonic extractor for extracting vegetable raw materials has been developed. The problem of intensification of the extraction process through the use of ultrasonic processing of the raw material - extractant system has been solved. The ranges of changes in the operating parameters of the proposed ultrasonic extractor have been established: degree of grinding of raw materials - 1-4 mm, ratio of hydromodule (raw materials:extractant) - 1:3-1:8, extractant temperature -293-363 K, intensity of ultrasonic influence - 15-50 W/cm2.
Ключевые слова: экстракция, ультразвуковая экстракция, растительное сырье, ультразвук, мас-сообмен
Keywords: extraction, ultrasonic extraction, vegetable raw materials, ultrasound, mass transfer
Процесс экстракции широко применяется в пищевых и биотехнологиях для получения ценных компонентов из растительного сырья. Анализ современных технологий экстрагирования и конструкторских решений [1, 2, 3, 4, 11] позволяет сделать однозначный вывод, что для интенсификации процесса экстракции перспективно использовать ультразвуковую обработку системы «сырье-экстраген»т. Разработана конструкция ультразвукового экстрактора и установлены диапазоны изменения режимных параметров его работы. Предлагаемое устройство (рис. 1) позволяет осуществлять ультразвуковое воздействие на систему «сырье-экстрагент»
© Ю.А. Максименко, С.А. Свирина, О.В. Золотовская, О.И. Коннова, 2024
при ее механическом и циркуляционном перемешивании в процессе экстракции и может быть использовано в пищевой промышленности для экстрагирования растительного сырья, например, корня солодки, корня имбиря, клубней топинамбура, томатных выжимок и других материалов.
Рис. 1. Общий вид ультразвукового экстрактора: 1 - цилиндрический корпус; 2, 3, 4 - технологические патрубки; 6, 7 - патрубки; 5 - рубашка термостатирования; 8 - отбойники; 9 -рамная мешалка; 10 - вал; 11, 12 - лопасти; 13 - якорная часть; 14 - крышка; 15 - ультразвуковые генераторы; 16 - рабочие элементы
Ультразвуковой экстрактор имеет вертикально расположенный цилиндрический корпус с технологическими патрубками и рубашкой термостатирования, соосно установленную в корпусе приводную мешалку; размещенные по периферии корпуса отбойники, жестко закрепленные на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Приводная мешалка имеет рамную конструкцию, состоящую из вала, закрепленных на валу горизонтальных и вертикальных лопастей и якорной части, жестко соединенной с вертикальными лопастями и валом, экстрактор имеет крышку, жестко фиксированную на цилиндрическом корпусе. На крышке экстрактора установлены и жестко фиксированы ультразвуковые генераторы, снабженные стержневыми рабочими элементами, расположенными между вертикальными лопастями и валом мешалки, передающими ультразвуковые колебания экстрагированной смеси, а в крышке экстрактора имеются отверстия для стержневых рабочих элементов, жестко скрепленных с ультразвуковыми генераторами (рис. 1- 3).
Устройство работает следующим образом. Сырье и экстрагент подают в объем цилиндрического корпуса 1 по технологическому патрубку 2. Механическое перемешивание осуществляется приводной рамной мешалкой 9, состоящей из вала 10, горизонтальных лопастей 11, вертикальных лопастей 12 и якорной части 13. Конструкция рамной мешалки 9 позволяет эффективно перемешивать смесь в рабочем объеме корпуса 1, и интенсифицирует теплообменные процессы при термостатировании. Наличие отбойников 8, жестко закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 позволяет исключить негативный эффект воронкообразования при механическом перемешивании смеси. Циркуляционное перемешивание смеси производится в результате отбора части смеси через патрубок 4 и направлении этой смеси
в верхнюю часть аппарата через патрубок 3. Циркуляционное перемешивание позволяет равномерно распределять экстракционную смесь в объеме аппарата. Для создания и поддержания требуемой температуры взаимодействия смеси при экстрагировании в аппарате используется рубашка термостатирования 5 с патрубками 6 и 7 для ввода и вывода теплоносителя. Ультразвуковые колебания передаются смеси от ультразвуковых генераторов 15 через стержневые рабочие элементы 16, которые погружены в смесь в пространстве между вертикальными лопастями 11 и валом 10 мешалки 9. После завершения процесса экстракции вывод смеси из аппарата для дальнейшего разделения на экстракт и отработанное сырье осуществляется через патрубок 4.
А
Рис. 2. Вид ультразвукового экстрактора сверху: 2, 3, 4 - технологические патрубки; 6, 7 -патрубки; 15 - ультразвуковые генераторы
А-А
Рис. 3. Ультразвуковой экстрактор в поперечном разрезе: 5 - рубашка термостатирования; 8 - отбойники; 10 - вал; 11, 12 - лопасти; 16 - рабочие элементы
По сравнению с известными конструкциями [5-10] ультразвуковой экстрактор имеет ряд преимуществ:
- конструкция аппарата позволяет реализовать процесс экстракции в непрерывном режиме путем непрерывной подачи экстракционной смеси в верхнюю часть аппарата через патрубок и отвод отработанной смеси через патрубок в нижней части аппарата;
- в зависимости от вида экстрагента, режимов экстракции, механическое и циркуляционное перемешивание смеси и воздействие на нее ультразвуковых колебаний могут осуществляться как непрерывно в течение процесса экстракции, так и периодически в различных сочетаниях, реализуя осциллирующие режимы процессов воздействия на смесь при экстракции;
- механическое и циркуляционное перемешивание интенсифицирует тепло-массообменные процессы при экстракции, содействуя созданию и обновлению развитой поверхности контакта фаз, реализуя перенос экстрагируемых веществ от поверхности контакта фаз вглубь экстрагента за счет конвективной диффузии.
- воздействие ультразвуковых колебаний на экстракционную смесь интенсифицирует процессы проникновения экстрагента в пористую структуру сырья, экстрагирования - растворения экстрагируемых веществ в экстрагенте и последующий перенос экстрагируемых веществ за счет молекулярной диффузии в объеме частиц сырья к поверхности контакта фаз.
В ходе комплекса экспериментальных исследований установлено, что водную экстракцию растительного сырья при использовании предложенной установки следует осуществлять при механическом перемешивании 10-30 мин-1, циркуляционном перемешивании и следующих рациональных параметрах: степень измельчения сырья
- 1-4 мм, соотношение гидромодуля (сырье:экстрагент) - 1:3-1:8, температура экстрагента - 293-363 К, интенсивность ультразвукового воздействия -15-50 Вт/см2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дьякова, Н.А. Выделение водорастворимых полисахаридов ультразвуковой экстракцией / Н.А. Дьякова. - Текст: непосредственный // Актуальные вопросы современной медицины и фармации: матер. 74-й науч.-практич. конф. студентов и молодых учёных. - Витебск, 2022. - С. 557-561.
2. Дьякова, Н.А. Применение ультразвуковой экстракции для выделения водорастворимых полисахаридов / Н.А. Дьякова. - Текст: непосредственный // Смоленский медицинский альманах. - 2023. - № 2. - С. 100-104.
3. Егоров, И.А. Проблемы и перспективы ультразвуковой экстракции растительного сырья / И.А. Егоров, С.Н. Кравченко. - Текст: непосредственный // Актуальные научно-технические средства и сельскохозяйственные проблемы: матер. X Нац. науч.-практич. конф. - Кемерово, 2023. - С. 274-277.
4. Минакова, М.В. Влияние ультразвукового воздействия на экстракцию биологически активных веществ высших грибов / М.В. Минакова, И.В. Лаут, Д.В. Мина-ков. - Текст: непосредственный // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: матер. XVII Всеросс. науч.-технич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск, 2022. - С. 24-25.
5. Патент РФ № 2091120-1995. Экстрактор для системы твердое тело-жидкость / Ломачинский В.А., Квасенков О.И. - Текст: непосредственный.
6. Патент РФ № 2796825-2023. Ультразвуковой экстрактор /Овсянников В.Ю., Дранникова Н.Е., Макеева Е.О. - Текст: непосредственный.
7. Патент РФ № 204882-2021. Ультразвуковой экстрактор / Алексеев Г.В., Шанин В.А., Егорова О.А. и др. - Текст: непосредственный.
8. Патент РФ № 63240-2007. Ультразвуковой экстрактор / Зуев Н.М., Михай-лин Н.Ю., Дубницкий С.Г. - Текст: непосредственный.
9. Патент РФ № 93294 U1-2010. Установка для газожидкостной экстракции сырья / Франко Е.П., Касьянов Г.И., Коробицын В.С. - Текст: непосредственный.
10. Патент РФ № 93688-2010. Ультразвуковая установка для газожидкостной экстракции растительного и животного сырья / Франко Е.П., Касьянов Г.И., Короби-цын В.С. - Текст: непосредственный.
11. Шанин, В.А. Перспективы применения ультразвукового воздействия в процессах экстракции / В.А. Шанин, О.А. Егорова, А.Г. Леу. - Текст: непосредственный // Альманах научных работ молодых учёных Университета ИТМО. 50-я науч. и учеб.-метод. конф. Т. 1. Ч. 2. - Санкт-Петербург, 2021.
- С. 237-241.
REFERENCES
1. D'yakova, N.A. Vydelenie vodorastvorimykh polisakharidov ul'trazvukovoy ekstraktsiey [Isolation of water-soluble polysaccharides by ultrasonic extraction], Ak-tual'nye voprosy sovremennoy meditsiny i farmatsii: Materialy 74-y nauchno-praktich-eskoy konferentsii studentov i molodykh uchenykh. - Vitebsk, 2022.
- pp. 557-561.
2. D'yakova, N. A. Primenenie ul'trazvukovoy ekstraktsii dlya vydeleniya vodo-rastvorimykh polisakharidov [The use of ultrasonic extraction for the isolation of water-soluble polysaccharides], Smolenskiy meditsinskiy al'manakh. - 2023. - № 2.
- pp. 100-104.
3. Egorov, I. A., Kravchenko S. N. Problemy i perspektivy ul'trazvukovoy ekstraktsii rastitel'nogo syr'ya [Problems and prospects of ultrasonic extraction of plant raw materials], Aktual'nye nauchno-tekhnicheskie sredstva i sel'skokhozyaystvennye problemy : Ma-terialy X Natsional'noy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchas-tiem. - Kemerovo, 2023. - pp. 274-277.
4. Minakova, M.V., Laut I.V., Minakov D.V. Vliyanie ul'trazvukovogo vozdeystviya na ekstraktsiyu biologicheski aktivnykh veshchestv vysshikh gribov [The effect of ultrasonic exposure on the extraction of biologically active substances of higher fungi], Izme-reniya, avtomatizatsiya i modelirovanie v promyshlennosti i nauchnykh issledovaniyakh: Materialy XVII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh s mezhdunarodnym uchastiem. - Biysk, 2022.- pp. 24-25.
5. Patent RF № 2091120-1995. Extractor for solid-liquid system / Lomachinskiy V.A., Kvasenkov O.I.
6. Patent RF № 2796825-2023. Ultrasonic Extractor / Ovsyannikov V.Yu., Dran-nikova N.E., Makeeva E.O.
7. Patent RF № 204882-2021. Ultrasonic Extractor / Alekseev G.V., Shanin V.A., Egorova O.A.
8. Patent RF № 63240-2007. Ultrasonic Extractor / Zuev N.M., Mikhaylin N.Yu., Dubnitskiy S.G.
9. Patent RF № 93294 U1-2010. Installation for gas-liquid extraction of raw materials / Franko E.P., Kas'yanov G.I., Korobitsyn V.S.
10. Patent RF № 93688-2010. Ultrasonic installation for gas-liquid extraction of vegetable and animal raw materials / Franko E.P., Kas'yanov G.I., Korobitsyn V.S.
11. Shanin, V.A., Egorova O.A., Leu AG. Prospects for the use of ultrasonic exposure in extraction processes, Al'manakh nauchnykh rabot molodykh uchenykh Universi-teta ITMO: T. 1 Ch. 2. - Sankt-Peterburg, 2021. - pp. 237-241.
