Научная статья на тему 'Применение суб- и сверхкритических флюидов в экстракционных процессах'

Применение суб- и сверхкритических флюидов в экстракционных процессах Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
1148
363
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ФЛЮИДЫ / СВЕРХКРИТИЧЕСКИЙ ДИОКСИД УГЛЕРОДА / ЭКСТРАКЦИЯ / SUPERCRITICAL FLUIDS / SUPERCRITICAL DIOXIDE OF CARBON / EXTRACTION

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Цихмейстр Е. В., Гумеров Ф. М.

Рассмотрено использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции, применение диоксида углерода в качестве экстрагента в суби сверхкритических флюидных экстракционных процессах, схема экспериментальной установки для осуществления процессов экстракции

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Цихмейстр Е. В., Гумеров Ф. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Use of supercritical fluids in extraction processes, application of dioxide of carbon in quality extragent in sub and supercritical fluid extractsionny processes, the scheme of experimental installation for implementation of processes of an extraction is considered

Текст научной работы на тему «Применение суб- и сверхкритических флюидов в экстракционных процессах»

Е. В. Цихмейстр, Ф. М. Гумеров ПРИМЕНЕНИЕ СУБ- И СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДОВ В ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

Ключевые слова: сверхкритические флюиды, сверхкритический диоксид углерода, экстракция.

Рассмотрено использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции, применение диоксида углерода в качестве экстрагента в суб- и сверхкритических флюидных экстракционных процессах, схема экспериментальной установки для осуществления процессов экстракции.

Keywords: supercritical fluids, supercritical dioxide of carbon, extraction.

Use of supercritical fluids in extraction processes, application of dioxide of carbon in quality extragent in sub - and supercritical fluid extractsionny processes, the scheme of experimental installation for implementation of processes of an extraction is considered.

Введение

В 1822 году Каньяр де ля Тур впервые ввел понятие критической точки, как конечной точки двухфазового равновесия в системе «жидкость-газ». В 1860 году Д.И. Менделеев впервые дал определение критической температуры, как

температуры абсолютного кипения и наконец в 1861 году Эндрюс опубликовал результаты исследования РУ - диаграммы диоксида углерода, охватывавшего области до-, критической и сверхкритических

изотерм. Таким образом, было положено начало к пристальному вниманию и систематическим

исследованиям критических явлений. Как следствие, в 20 веке работы ученых в этом направлении четырежды были удостоены Нобелевских премий (Л. Онзагер, Л.Д. Ландау, К.Г. Вильсон, П. Де Жен) и было очевидно, что эти теоретические достижения не заставят себя долго ждать в плане воплощения их в виде конкретных технологических приложений. Действительно, если ограничиваться даже лишь переработкой растительного сырья, то можно

констатировать, что согласно градации ЮНЕСКО получение экстрактов с использованием суб- и сверхкритического диоксида углерода признано безальтернативной, экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей безотходной технологией XXI века. Ежегодно в мире с использованием вышеотмеченных экстрагентов перерабатывается до 2-3-х миллионов тонн растительного сырья. В частности, в 1996 году объем продаж растительных экстрактов в Европе оценивался в 7 миллиардов долларов, в Азии - 2,3 миллиарда долларов, в Японии - 2,1 миллиарда долларов, в Северной Америке - 4,5 миллиарда долларов. Средние темпы роста продаж растительных композиций в мире составляют около 12-15% в год. А прибыль, которую в будущем может принести освоение пока неизученных лекарственных растений, оценивается в сотни миллиардов долларов [1].

Говоря об общих возможностях, так называемых, сверхкритических технологий в перечисленных отраслях промышленности (пищевая, парфюмерная, фармацевтическая) следует отметить, что прежде всего они связаны с первичной переработкой растительного сырья:

выделение ароматических, вкусовых и красящих веществ из овощей, фруктов и специй; получение растительных масел из семян, зерен, бобов, косточек; декофеинизация кофе и чая; деникотинизация табака; извлечение эфирных масел из цветов; выделение биологически активных компонентов лекарственных растений и кореньев. Вторичная переработка включает в себя фракционирование масел и витаминов; дезодорирование и удаление холестерина из масел. И наконец следует перечислить технологические процессы не связанные с переработкой растительного сырья: интенсификация реакций

синтеза фармпрепаратов; удаление остаточного растворителя из фармокопейных субстанций; микронизация и стерилизация фармпрепаратов; пропитка полимерных материалов ароматами и фармпрепаратами; концентрирование этанола в

водноэтанольном растворе и многое другое [2,3].

Именно диоксид углерода нашел

наибольшее применение в качестве экстрагента в суб- и сверхкритических экстракционных процессах, далеко распространившихся за пределы технологий обсуждаемых отраслей

промышленности. Причиной тому послужили,

нетоксичность, инертность, пожаро-,

взрывобезопасность, дешевизна, доступность, удобные критические параметры и высокая летучесть диоксида углерода.

При этом суб- и сверхкритические экстракционные процессы, реализующие замкнутый экстракционный цикл (с минимальными выбросами экстрагента в окружающую среду), не являются новыми генераторами СО2.

Они лишь используют диоксид углерода, являющийся побочным продуктом других технологических процессов, тем самым в целом снижая мощность выбросов СО2 в атмосферу. Таким образом, суб- и сверхкритические экстракционные процессы не способствуют развитию парникового эффекта и потеплению климата на Земле.

Предположение об энергосберегающем характере процесса сверхкритической экстракции в первую очередь связано с тем, что вследствие сильной зависимости растворяющей способности сверхкритических флюидов от параметров

состояния, полную регенерацию экстрагента можно осуществлять путем изменения лишь температуры (или давления), не прибегая к реагентным методам или дистилляции.

Сверхкритическая флюидная экстракция обеспечивает близкий к 100% выход целевого продукта, значительно превышая результаты традиционных способов экстрагирования (водноспиртовым, пропилегликолевыми и другими растворами). Это снижает необходимое количество исходного сырья, тем самым удешевляя производство и снижая себестоимость экстрактов.

Как отмечается в работе [4] СО2-экстракты содержат массу природных консервантов и антиоксидантов, по причине которой в них в отличие от сырья нет ни живых, ни мертвых микробиальных клеток. Нет в них и опасных продуктов жизнедеятельности микрофлоры. Поэтому, согласно технической документации [4] СО2 - экстракты могут храниться до трех лет. Но на практике многие их них не теряют своих качеств и через 6-9 лет, причем в обычных условиях хранения.

Экспериментальная часть

В настоящее время в КНИТУ на кафедре теплотехники, для осуществления процессов экстракции, используется американская установка модель 8РЕ-1000, принципиальная схема установки представлена на рис. 1.

' 4 5

^2 2 3

12

10

6 12

10

Рис. 1 - Схема экспериментальной

экстракционной установки: 1 - баллон СО2; 2 -холодильник; 3 - насос для СО2; 4 - емкость для со-растворителя; 5 - насос для сорастворителя; 6 - электронагреватель; 7 - экстракционный сосуд; 8 - нагревательная рубашка; 9 -

циклонный сепаратор; 10 - манометр; 11 - ручной игольчатый клапан; 12 - вентили высокого давления

Лабораторный прибор состоит из насоса высокого давления, снабженного системой контроля давления и расходомером (опционально), насоса со-растворителя (опционально), нагревательных теплообменников, экстракционного сосуда, регулятора обратного давления, приемного сосуда (сборника), регулятора обратного давления и

системы управления на основе ПК. Также в комплект входит система предварительного охлаждения входящего диоксида углерода,

включающая в себя циркуляционный термостат и охлаждающий теплообменник для диоксида

углерода. Прибор поставляется на стальном мобильном блоке с четырьмя прорезиненными колёсами, задние колеса снабжены стопорами. Рабочие части прибора размещаются на трёх полках мобильного блока.

Система создания давления состоит из баллона с СО2 (1)объёмом 50 л, холодильного аппарата (2),охлаждающего рабочие камеры насоса, плунжерного градиентного насоса фирмыTharTech (3), и качающего газ с постоянным объёмным расходом в диапазоне от 5 до 200 гр/мин. В начале эксперимента диоксид углерода, находящийся в рабочей камере насоса, охлаждается и конденсируется с помощью холодильного аппарата, и в жидкой фазе выталкивается плунжером насоса в систему. После этого плунжер возвращается в исходное положение, и рабочий объём вновь заполняется газом. Благодаря тому, что в насосе установлены две камеры, плунжеры которых работают в противофазе, а также благодаря наличию ресивера, установленного перед входом в систему, достигается равномерность расхода газа.

Рабочее давление в системе измеряется аналоговым и цифровым манометром (10). Расход газа задается с помощью массового расходомера Кориолиса и данные выводятся на дисплей системы управления или компьютер по интерфейсу RS 232C.

Нагрев диоксида углерода, поступающего в экстракционный сосуд осуществляется с помощью электронагревателя (5).

Электронагрев экстракционного сосуда осуществляется с помощью электрической нагревательной рубашки. Для контроля температуры используются термопары J-типа, управление нагревателями осуществляется с помощью реле нагревателей.

Литература

1. Улесов А.В. Вещества растительного происхождения в косметологии и современные способы их извлечения из натуральных объектов // Материалы ЛИРП ГНЦЛС, Харьков, 2000, 8с.(http: // saybervizhn. narod. ru / sscd / -02. htm)/

2. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н. Процессы суб- и сверхкритического экстрагирования в пищевой промышленности // Тезисы II межрегиональной научнопрактической конференции «Пищевая промышленность 2000», Казань, 1998, стр.5 - 6.

3. Mukhopahyay M. Natural Extracts Using Supercritical Carbon Dioxide. CRC Press LLC, New York, 200, 339 p.

4. Латин Н.Н., Банашек В.М. Стасьева О.А. Со2 -экстракт-продукт ХХ! века// Пищевые ингредиенты: сырье и добавки. 2003. №1. С. 26-27.

© Е. В. Цихмейстр - магистр КНИТУ, [email protected]; Ф. М. Гумеров -основ теплотехники КНИТУ.

■ д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.