Обработка растительного сырья диоксидом углерода Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Более обобщенными (числовыми) характеристиками погрешностей являются максимальная абсолютная погрешность и среднеквадратическая ошибка (опять же в единицах младшего двоичного разряда). Они также рассчитываются наряду с гистограммами и приведены в таблице вместе с погрешностями для других функций.

•-і1';' " Таблица

Функция Максимальная абсолютная погрешность Среднеквадратическая ошибка

БІП 1 20-2-15 '.),«• 2 г' :

V? 16-2”15 4.6-2'15

«г( 17 -2~15 7.9 • 2 г'

В порядке обсуждения гистограммы (рисунок) заметим, что она отражает наличие двух видов погрешностей: арксинусного закона ошибок равномерного приближения Паде и нормального закона (с меньшей дисперсией) ошибок счета из-за ограниченности разрядной сетки МП (16 разрядов).

В заключение отметим, что предложенный [5] разностно-итерационный алгоритм, расширенный процедурой расчета начальных значений его итерируемых величин (2), обеспечивает вычисление

функциональных зависимостей с точностью на уровне 10-12 двоичных разрядов.

Другим достоинством предложенного алгоритма является его универсальность по отношению к виду функции и простота технической реализации. Он может быть рекомендован для преобразования информации, например, от первичных датчиков систем локальной автоматики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марченко В.Т. Микропроцессорные средства для контроля технологических параметров перерабатывающих отраслей АПК УССР: Учеб. пособие. — Киев: ИПК Госагро-прома УССР, 1988. — 66 с.

2. Микропроцессорные контроллеры для регулирования управления технологическими процессами: Сб. науч. тр. ГосНИИ теплоэнерг. приборостроения. — М.: НИИ Теп-лоприбор, 1989. — 63 с.

3. ' Оранский А.М. Аппаратные методы в цифровой вычисли-

тельной технике. — Минск: Изд-во БГУ, 1977. — 208 с.

4. Байков В.Д., Смолов В.Б. Специализированные процессоры: итерационные алгоритмы и структуры. — М.: Радио и связь, 1985. — 288 с.

5. Асмаев М.П., Анишина Н.Н., Булатникова И.Н. Алгоритмизация микропроцессорной АСУ ТП в молочной промышленности / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1994. — № 5-6. — С. 60.

6. Булатникова И.Н. Алгоритм и программа нахождения равномерных аппроксимаций. — Деп. в ВИНИТИ 23.05.96, № 1671-В96.

Кафедра автоматизации производственных процессов

Поступила 19.01.98. ! !

664.8.022.1:546.264.09

ОБРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

Г.И. КАСЬЯНОВ

Кубанский государственный технологический университет

Обработка термолабильного плодоовощного, пряно-ароматического и лекарственного растительного сырья инертными газами — один из вариантов эффективной организации технологии получения высококачественной готовой продукции.

Научно-практические основы С02-технологии с использованием в качестве рабочего агента жидкого, твердого и газообразного диоксида углерода [ 1, 2] базируются на его уникальных свойствах, позволяющих проводить переработку сырья в среде химически пассивного газа при низких плюсовых температурах, сократить время этой обработки и число технологических операций, снизить энергоемкость и улучшить качество выпускаемой продукции.

Обработку растительного сырья сжиженными и сжатыми газами изучали на экспериментальных комплексах ВНИИКОП и КНИИХП [3].

Для исследования сухое растительное сырье дробили до частиц диаметром 1-2 мм, затем лепест-ковали до толщины й 0,15-0,20 мм, взвешивали и загружали в стеклянный экстрактор. Контактирование сырья с жидким С02 проводили в разных режимах — проточном, пульсирующем и периодическим настаиванием. Контролировали температу-

ру процесса, давление С02, а также время обработки.

Объекты, предназначенные для гомогенизации или детартрации, — плодоовощные пюре, осветленный виноградный сок, соки с мякотью — помещали в стеклянный сосуд, в который подавали жидкий диоксид углерода. При обработке сырья и полуфабрикатов с использованием режимов гомогенизации насыщенный диоксидом углерода сок мгновенно перемещали в сосуд с низким давлением, за счет чего происходило взрывное измельчение частиц.

В таблице дан перечень технологических процессов, которые могут быть выполнены при обработке растительного сырья диоксидом углерода.

В настоящее время разработаны теоретические и практические аспекты применения С02 для экстракции ценных компонентов из, растительного сырья.

Математическая модель зависимости выхода экстрагируемых веществ от времени обработки сырья представляет собой дифференциальное уравнение

йх/йх = -а(х - л: ), (1)

где х и хв — текущее и равновесное значения концентрации; а. — коэффициент пропорциональности.

Получе

плоде

Мойка ] аром*

барбо

Удалеш

плоде

подме

Замора)

бараб

Г0М0Ге!:

мето*

резки

Осажде

ВИН01

центр

Перека’

Десульс

конце

Подготс

вспен

подго

удале

ЖИДК(

Получе

мясо?

Экстрап в док

Компле:

лекар

водно

основ

Реш<

вид

где

Урав

метрам

упроще

женное

справед

чиной

Однако

начале

вятся С(

ближеі

значені

тальны)

тельног

физичеі

ю на

Таблица

жтма ию к шиза-5разо-х дат-

юнтро-

отрас-

осагро-

;ия уп-п. тр. И Теп-

[ЧИСЛИ-

>08 с. [роцес-Радио

Алго->й про-- 1994.

здения

.05.96.

64.09

абот-

ации

(СВЄТ-

- пошли )ЬЯ и гомосок иени-льче-

Про-

обра-

ца.

ІСКИЄ

экс-

лого

іхода

іотки

урав-

(1)

ения

ІЬНО-

Технологическая операция Технологические параметры Контролируемые показатели

*, 'С Р, МПа т, с

Получение сухого снега (С02) для охлаждения плодоовощного сырья ‘..Ч 22-3° <конеч 10 0,1 6-Ю2 Температура в толще сырья

Мойка плодоовощного или корневого Пряно-ароматического и лекарственного сырья барботированием С02 через моющий раствор 15-17 0,1 18-Ю2 Содержание микроорганизмов в 1 г сырья

Удаление малоценных или неиспользуемых частей плодоовощного сырья; снятие кожицы методом подморозки, удаление косточек, семенного гнезда и др. 18-19 -10...-15 0,1 0,12 12-102 6-Ю2 Полнота удаления неиспользуемых частей сырья

Замораживание плодоовощного сырья в аппарате барабанного типа сухим льдом или снегом -10.. -28 0,15 6-Ю2 Температура в толще сырья

Гомогенизация плодоовощных пюреобразных масс методом насыщения жидким С.02 с последующим резким снижением давления и расширением газа +10 1,5-4 1-12 Степень дисперсности продукта (не более 100 мкм)

Осаждение солей винной кислоты (тартратов) из виноградного сока за счет охлаждения и создания центров кристаллизации с помощью С02 +5 6,0 18 • 102 Остаточное содержание тартратов в соке (не более 40% от исходного)

Перекачка и микрофильтрация соков под давлением С02 +5 0,3-0,8 3-Ю2 Окраска продукта

Десульфитация, дезодорация, уваривание, концентрирование 50-90 0,2-1 5,4-103 Остаточное содержание С02, нежелательных ароматических веществ, содержание фурфуролла, СВ

Подготовка к сушке плодового пюре методом г вспенивания продукта жидким или газообразным С02; подготовка к сушке плодов и листовой зелени с удалением кутикулярного воскового слоя с поверхности жидкого или газообразного С02 10-15 18-25 32-40 2-4 5,4-6,4 8-10 18 -102 3-Ю2 3-Ю2 Стойкость вспененного продукта при нагревании; количественный контроль за степенью удаления кутикулярного слоя

Получение коптильных препаратов с ароматом рыбо- или мясокопченостей 50-70 7-20 6-Ю2 Содержание тяжелых смол; 3,4-бензопирена

Экстрагирование растительного сырья С02 в докритическом и сверхкритическом состояниях 0-30 32-70 3,5-7,2 8-40 3,6 - ю2 3-Ю2 Степень извлечения экстрактивных веществ

Комплексная переработка пряно-ароматического и лекарственного сырья с получением С02-экстрактов, водно-спиртовых бальзамов, пищевых волокон или основ для изготовления соусов, приправ 18-25 20-28 5,4-6,4 0,1 3,6-1 о2 1,8-102 Степень извлечения экстрактивных веществ

Решение уравнения (1), как известно [2], имеет вид

X - X

ІП—-------Е

х — х„

ах,

(2)

где хи — начальное значение концентрации.

Уравнение (2) является нелинейным по параметрам х, х . Применявшаяся ранее для этой цели

упрощенная модель, женное равенство

выраженная через прибли-

1п

ах,

(3)

Однако величина начале процесса,

справедлива лишь при предположении, что величиной хр можно пренебречь ввиду ее малости.

хр относительна мала только в а затем величины х и хр становятся соизмеримыми. Поэтому использование приближенной формулы (3) на всем множестве значений х приводило при обработке экспериментальных данных к появлению некоторого дополнительного параметра смещения, не отражающего физической сути процесса. В начальный момент

времени содержание экстрактивных веществ в сырье по расчетам оказывалось выше, чем начальное содержание хп = х(0) этих веществ вообще.

Для более корректного описания процесса нами предложена и использована при обработке экспериментальных данных модель нелинейной регрессии [2]. Если обозначить через

У = - х (4)

количество экстрагируемых веществ, то решение уравнения (1) можно записать в виде

у = (хй-х?)(\ -е-ах) = Щ\ -е~ах). (5)

Зависимость (5) нелинейная по вектору параметров Н(В{, а) использована при описании процесса экстракции. В этой зависимости В, = ян -- хр — максимально возможное количество экстрагируемого вещества, а произведение В{а — скорость экстракции в начальный момент времени г = 0.

Для оценки параметров В, и а предложен специальный итеративный метод, основанный на линеаризации функции (5). Процесс продолжается до достижения заданной точности д, пока шаговые итерации не будут удовлетворять условию

Я,+

Я,

ЇЇ,

«3, / = 1, 2, ... р,

(6)

т.е. пока относительная погрешность не стала менее некоторой заданной величины. В расчетах принимали д = 0,001 [2].

По этому методу выполнены расчеты экспериментальных данных по экстракции целевых компонентов из плодов облепихи, семян арбуза и яблок, плодов перца черного горького, листьев шалфея лекарственного, лаврового листа, базилика, зубровки, шпината, солодки голой, дягиля, лапчатки прямостоячей, окопника лекарственного и ряда других. Результаты вычислений приведены в [2]. Для каждого вида сырья указаны Х(0 — время (мин), У(0 — концентрация экстрагируемого вещества (%), а также дано значение аппроксимирующей функции Р(0 в (6), приведены значения искомых параметров Я(1) = В и #(2) = а.

Характеристику качественного и количественного состава С02-экстрактов получали как без разделения экстрактов на фракции, так и после предварительного выделения отдельных классов органических соединений [3].

С целью выбора оптимальных параметров С02-экстрагирования и метода управления интенсивностью выделения целевых компонентов была проведена серия опытов на лабораторных, опытно-промышленных и промышленных установках, позволяющих работать с различными сжиженными газами и их смесями.

Наибольший выход экстрактивных веществ достигнут при следующем способе подготовки сырья: дробление в крупку с диаметром частиц 1-2 мм, обработка на вальцах в лепестки толщиной 0,1 -0,2 мм. При более мелком измельчении сырья лепестки легче разрушаются и ухудшаются его дренажные свойства.

Время экстрагирования удалось существенно сократить за счет разработанного нами способа периодического сброса давления: через 5 мин после начала процесса мисцелла сливалась в мисцелло-сборник и давление понижалось с 5,7 до 2,7 МПа в течение 30 с, что сопровождалось изменением внутренней структуры сырья.

Анализ кривых С02-экстракции [1] показывает, что вначале (в течение 40 мин) процесс идет с наибольшей скоростью и характеризуется извлечением веществ в основном из вскрытых клеток. Затем отмечается снижение скорости извлечения веществ из-за экстрагирования из замкнутых клеточных структур, обладающих наибольшим диффузным сопротивлением. Для получения данных, необходимых для построения кривых экстракции, проводили исчерпывающее извлечение ценных компонентов тем же растворителем, позволившее установить содержание экстрактивных веществ в исходном сырье (В). Интенсивно происходит экстракция веществ из открытых клеток измельченного масличного сырья — семени тыквы, подсолнечной лузги. Для корневого сырья (имбирь, дягиль) с высоким диффузионным сопротивлением клеточных тканей характерен более пологий ход кривых экстракции.

При анализе кривых экстракции отдельных компонентов и состава экстрактивных веществ из выжимок облепихи установлено различие в скорости извлечения каротиноидов: /?-каротинэпоксида

иу-каротина, лютеина, зеаксантина и/3-каротина, что позволяет получать экстракты с различным содержанием /3-каротина.

Исследования технологических параметров до-критической С02-экстракции позволили спроектировать и создать опытно-промышленную установку производительностью по сырью 30 кг/ ч [3]. В дальнейшем в состав установки был включен участок производства водно-спиртовых лечебно-профилактических бальзамов из шротов. Для этого предназначенное для экстракции растительное сырье в кассетах из нержавеющей сетки загружали в экстракторы, затем заливали в них жидкий С02 и подключали пульсатор с целью интенсификации процесса [2]. Процесс экстракции проводили в течение 35"-120 мин при Р 3,5-7,2 МПа и ? 0~30°С. Мисцеллу после экстракции направляли в испаритель, газовую фазу охлаждали в конденсаторе. По такой схеме можно регенерировать до 70% растворителя. Оставшуюся часть паров растворителя направляли в газгольдер и переводили в жидкую фазу компрессора. Шрот после С02-экс-тракции перегружали из С02-экстрактора в водно-спиртовый экстрактор и обрабатывали раствором этилового спирта крепостью 47-50% в течение 30 мин при температуре 50°С. С учетом содержания в шроте влаги конечная крепость бальзама составляла 42-43%.

Преимущество описанной технологической линии в том, что входящее в ее состав оборудование можно гибко трансформировать для выполнения других функций и процессов. Например, из шротов можно получать безалкогольные бальзамы, красители, ароматизированные чаи, используя в качестве экстрагента сатурированную воду. В герметичных аппаратах линии можно производить /3-каротин из мицелия гриба В1аке51еа {шрота, осуществлять гидратацию растительных масел с выделением фосфолипидов, очистку белка, питательных смесей и пищевых волокон, ароматизацию масел, обрабатывать дрожжевые осадки виноградных вин.

Значительный интерес представляет изучение процесса сверхкритической С02-экстракции (при Р>7,5 МПа), так как возможности растворителя в докритическом режиме для извлечения ряда компонентов существенно ограничены.

С учетом термодинамических свойств диоксида углерода сконструированы и изготовлены две установки, отличающиеся методами выделения экстрагируемых веществ [2]. По сравнению с докри-тической экстракцией выход экстрактивных веществ за 35 мин экстракции при давлении до 20 МПа увеличивается в 1,5 раза.

Разработаны способы и устройства для сокращения цикла обработки, интенсификации процесса и повышения производительности экстракционного оборудования [3]. Так, интенсифицирована экстракция из капиллярно-пористых тел за счет создания оптимальных условий проведения процесса, при котором возникает поток молярной фильтрации извлекаемых веществ. Для этого после пропитки измельченного растительного сырья жидким С02 осуществляли резкий сброс давления до величины ниже давления насыщения кратковременным соединением объема экстрактора с ресивером, в котором давление было ниже давления насыщенных паров растворителя. За счет разности давления в объеме частиц тела и в растворителе возникал парожидкостный поток растворителя, увлекающий

нахо, к П0І Ус ном : при сырь СМЄС1 ВЫМ1 щест Ра тора ки с: сбраї трак’ тени ракц пуль моди сжиг лиме реси газа балл' вить вниз 01 ции от н мета мер I но щ При трак1 филь филь конд рост Из инте вани тов,

ТЄЛЄ1

пери

СП0С(

чени

ПЄНЗ]

коле(

ОТГОЇ

мало.

темпі

траст

счет

Ю.П. И.А.

Кубані

Те>

перви

техни

ТОД С2

тина,

чным

їв до-'ЄКТИ-говку 3]. В і уча-)-про-этого пьное жали [ С02 аций ли в и t яли в писать до і растили ,-экс-одно-тром ие 30 :ания >став-

й лишние

[ЄНИЯ

ЗОТОВ

раси-ічест-етич-каро-щест-пени-ьных асел, : вин. іение (при ел я в ком-

ссида 5 УС-экс-жри-ве-(о 20

находящиеся в свободном состоянии компоненты к поверхности частиц.

Устройство апробировано на экспериментальном комплексе для интенсификации массообмена при принудительном прокачивании суспензии сырье—растворитель в закольцованных системах смесью растворителей этанол—С02, водно-спиртовыми смесями, при выщелачивании красящих веществ сатурированной водой и др.

Разработан и описан принцип работы экстрактора с пульсационной подкачкой [3]. После пропитки сырья растворителем в экстракторе мисцеллу сбрасывали в ресивер и вновь возвращали в экстрактор. Это позволило значительно повысить интенсивность массообмена и сократить время экстракции в 2-3 раза (в зависимости от частоты пульсации). Подаваемая в ресивер мисцелла, в модификации этого способа заполняя емкость, сжимала гибкий мешок из многослойного полимерного материала. Вытеснение мисцеллы из ресивера в экстрактор производится с помощью газа от компрессора или газообразного азота из баллона. Подобный способ можно также осуществить перемещением ресивера с мисцеллой ’’вверх-вниз”.

Оригинален мембранный способ интенсификации процесса экстракции. Установленный на 1/3 от нижней части экстрактора жесткокаркасный металлокерамический фильтр-мембрана имеет размер отверстий порядка 200-400 мкм, что достаточно для слива мисцеллы в нижнюю часть аппарата. При заполнении 50% объема нижней части экстрактора включали нагреватель, давление под фильтром возрастало, С02, проходя через поры фильтра, поступал в верхнюю часть экстрактора и конденсировался, разрыхлял сырье, обеспечивал рост поверхности контакта с растворителем.

Известна также многофункциональная схема интенсификации процесса экстракции с использованием комплексонов, органических соэкстраген-тов, ультразвуковых УЗ и инфракрасных излучателей. На основании наших исследований на экспериментальном комплексе удалось отработать способы ускорения процесса экстракции и увеличения выхода экстрактивных веществ из С02-сус-пензии за счет УЗ-обработки суспензии с частотой колебаний 16-120 кГц в течение 10-30 мин. При отгонке растворителя из мисцеллы с применением малоинерционного нагревателя контролировали температуру. Отмечено повышение выхода экстрактивных веществ и улучшение их качества за счет использования как стабилизатора комплексо-

образующих добавок типа ЭДТА — двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Также осуществлена интенсификация процесса С02-экстракции за счет применения органических соединений, входящих в состав растительного сырья [4]. Установлено, что если в состав растительного сырья для С02-обработки входит эвгенол или эвгенолсодержащее сырье (базилик эвгеноль-ный, гвоздика, перец душистый), то общий выход экстрактивных веществ увеличивается в 1,2-1,5 раза. Эффект соэкстракции наблюдали также при смешивании двуокиси углерода с некоторыми фе-нолподобными органическими соединениями, ряд которых позднее был значительно расширен. Оказалось, что кроме изученных соединений, имеющих в своей основе бензольное кольцо, явление соэкстракции обеспечивают также некоторые определенные высшие спирты и терпеновые углеводороды [3]. По-видимому, возможна обработка сырья в потоке полярными и неполярными растворителями с целью более полного извлечения водо-и жирорастворимых компонентов.

выводы

Разработана технологическая концепция применения диоксида углерода в различных фазовых состояниях с целью существенного повышения эффективности консервного производства.

Найдены и реализованы новые принципы создания комплекса процессов, оборудования и промышленных линий, позволяющих осуществлять высокоинтенсивную щадящую переработку плодоовощного, а также лекарственного растительного сырья, получать сбалансированную по составу высококачественную продукцию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Касьянов Г.И., Пехов А.В., Таран А.А. Натуральные пищевые ароматизаторы — СОг-экстракты. — М.: Пищевая пром-сть, 1978. — 176 с.

2. Касьянов Г.И. Технологические основы СОг-обработки оастительного сырья. — М.: Россельхозакадемия, 1994. — 132 с.

3. Научные основы и практическая реализация важнейших технологий СОг-обработки сырья растительного и животного происхождения / Г.И. Касьянов, Е.П. Кошевой, Б.И. Леончик и др. — Краснодар: КубГТУ, 1996. — 66 с.

4. Касьянов Г.И., Сидоров С.В. Математическая модель эффекта соэкстракции: Сб. науч. тр. КНИИХП. — Краснодар: КНИИХП, 1997. — С. 35-41.

Кафедра технологии консервирования пищевых продуктов

Поступила 30.01.98

>аще-сса и

[НОГО

стра-

ания

при

ации

итки

СО,

шны сое-<ото-шых ИЯ в икал щий

ОБОСНОВАНИЕ ЭТАЛОННЫХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ СИСТЕМ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА

Ю.П. ДОБРОБАБА, А.Г. МУРЛИН, А.Ю. ЧУМАК,

И.А. ВОЕВОДОВ, А.А. СТЕПКИН

Кубанский государственный технологический университет

Технологические установки, перерабатывающие первичное и вторичное сырье, являются электротехническими системами различного порядка. Метод синтеза электротехнических систем из условия

тождественности коэффициентов при равных степенях р (параметр преобразования Лапласа) в передаточных функциях проектируемой и эталонной систем предполагает, что эталонные передаточные функции известны. В данной работе рассматриваются электротехнические системы третьего порядка. Так как электротехнические системы третьего порядка имеют в числителе их передаточ-