CC BY
2Л.О. Онхонова, д-р техн. наук И.Б. Баторова, аспирант А.В.Онхонова, аспирант кафедры «Пищевая и аграрная инженерия» Восточно-Сибирский государственный технологический университет
УДК 62.13.15
РАЗРАБОТКА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В статье рассмотрены преимущества метода экстракции, современное состояние птицеводческих фабрик, их воздействие на окружающую среду, состав птичьего помета, сущность аппарата экстрактора для извлечения веществ из птичьего помета, приводится схема конструкции нового экстрактора, позволяющего увеличить производительность и эффективность извлечения экстракта.
Ключевые слова: экстрактор, мешалка, полый вал, барботеры, фильтрующий элемент, птичий помет.
L.O. Onkhonova, D.Sc. Engineering, Prof.
I.B. Batorova, P.G.
A.V. Onkhonova, P.G.
DEVELOPMENT OF THE LABORATORY EQUIPMENT FOR EXTRACTION
The article discusses the advantages of the method of extraction, the current status ofpoultry plants, their impact on the environment, the composition of bird droppings, the essence of the extractor device for extracting substances from bird droppings, a diagram of the construction of a new extractor, which allows to increase productivity and efficiency of extraction of the extract.
Key words: extractor, mixer, hollow shaft, bubblers, filter element, bird droppings.
Питательная ценность кормовых продуктов сельскохозяйственного назначения зависит от исходного состава растительного и животного сырья и технологической обработки, которой они должны подвергнуться. Многие необходимые белковые корма получаются методами ферментации и экстракции.
Экстракция — процесс извлечения растворителями соответствующих веществ из различных объектов. Выделение целевых компонентов из биологического материала является многостадийным.
Несомненными преимуществами экстрагирования является отсутствие химического превращения разделяемых веществ, при котором не образуются побочные продукты. В связи с этим при получении кормов сельскохозяйственного назначения возникает перспективная необходимость использования метода экстракции. Производству такой важной отрасли биотехнологической промышленности мешает отсутствие технологического оборудования, в частности, основного оборудования - экстракторов.
Другой важной проблемой является высокая стоимость проэкстрагированной продукции. Снизить себестоимость такой продукции можно использованием дешевого растительного и животного сырья, например, отходов птицеводческих фабрик.
Отходы птицеводческих фабрик в виде кучи куриного помета хранятся на необорудованных площадках, подверженных влиянию ветра и атмосферных осадков. Между тем, в соответствии с федеральным классификационным каталогом отходов, куриный помет относится к третьему классу опасности наравне с нефтью и нефтепродуктами. Куриный помет слишком сильно окисляет землю, его попадание в водоемы значительно ухудшает качество воды и зачастую приводит к обмелению. При испарении помета в воздухе образуются аммиак и оксид азота, что также небезопасно для окружающей среды и здоровья людей. Это приводит к обострению важной экологической проблемы накопления огромной массы органических отходов птицеводческих производств, что требует постоянной их утилизации. С другой стороны, птичий помет относится к ценному и сильнодействующему продукту и используется как удобрение и ценная кормовая добавка после некоторой обработки.
В птичьем помете в большом количестве содержится, %: воды — 56,6 %, органических веществ — 25, азота — 4-6, фосфора — 3,5-5, окиси калия — 2,5-3,5, кальция- 6,74, извести — 2,4, золы (минеральная основа) - 29,5, сырого протеина - 29,32, сырого жира - 2,68, сырой клетчатки - 16,93. Содержатся витамины: каротин, провитамины Д, Е, К; рибофлавин, пиродоксин; никотиновая кислота, В12 и т.д. и множество химических веществ, например, кислоты [1].
Основными стадиями процесса экстрагирования птичьего помета будут являться:
- проникновение экстрагента в клетки и ткани объекта, в которых находится исследуемое вещество;
- растворение целевого компонента в экстрагенте или взаимодеиствие целевого компонента с экс -трагентом в клетках и тканях биологического материала;
- перенос растворенного целевого компонента через оболочки клеток в межклеточное пространст -
во;
- смешивание извлеченных из клеток веществ с основной массоИ экстрагента.
Степень изолирования исследуемых веществ из биологического материала зависит от растворимости извлекаемых веществ в экстрагенте, структуры (пористости) биологического материала, проникающей способности экстрагентов в клетки и ткани биологического материала, степени его измельчения, интенсивности перемешивания смеси измельченного биологического материала и экстрагента, кратности настаивания биологического материала с экстрагентом, температуры, рН среды и ряда других факторов.
Таким образом, для исследования процесса экстрагирования птичьего помета следует определить два кинетических коэффициента: коэффициент диффузии растворимого вещества в твердом теле и коэффициент массоотдачи от поверхности твердого тела к экстракционной жидкости.
Коэффициент диффузии зависит от строения и физических свойств тела, физических свойств экстрагируемого вещества, температуры и концентрации и не зависит от условий на границе твердых частиц.
Коэффициент диффузии растворимого вещества в твердом теле определяется по формуле [2]:
_ АшЬ
" 1р(СА - Св) , (1)
где Аш - количество перешедшего через мембрану вещества;
Ь - толщина мембраны, м;
т - время эксперимента, с;
Б - площадь мембраны, м2;
СА - объемная концентрация извлекаемого вещества, моль/см3;
Св - содержание воды в растворе, моль/см3.
От точности и простоты методов измерения коэффициента диффузии зависит правильность оценки экстракционной установки, т.е. определение того, насколько совершенен проходящий в ней процесс.
Перенос массы от поверхности экстрагируемых частиц происходит не только за счет диффузии, но и за счет переноса самой среды, о чем свидетельствует коэффициент массоотдачи, искусственно отражающий влияние формы и размеров тела, режима движения, скорости, концентрации и температуры жидкости, физических параметров жидкости и других факторов на перенос массы в жидкой фазе.
Коэффициент массоотдачи от поверхности твердого тела к экстракционной жидкости [2]
р =_ЁМ_
(сп- С1^т , (2)
где М - количество перенесенного вещества, кг;
СП - концентрация на поверхности раздела фаз, кг/м3;
С'- концентрация в жидкости, кг/м ;
2
б - площадь поверхности твердого тела, м ;
т - время эксперимента, с.
Изучение закономерностей переноса массы в жидкой среде с помощью коэффициента массоотда -чи целесообразно не только из-за исключительной простоты уравнения (2) и наличия огромного положительного опыта практического использования аналогичной величины в теории и практике тепло- и массообмена, но главным образом потому, что для многих задач массообмена, и, в частности, для экстрагирования в системе твердое тело - жидкость, этот путь является пока единственно возможным.
Определение коэффициента массоотдачи дает возможность глубокого анализа режима работы аппарата и установления, насколько каждый отдельный элемент аппарата обеспечивает создание условий для оптимального протекания процесса.
Зависимость массообмена от физических параметров жидкости и ряда других факторов целесообразно определить на основе лабораторных опытов.
Эти исследования имеют большое научное значение, так как позволяют изучить механизм процесса, влияние различных факторов на скорость переноса вещества в твердом теле и рассчитать параметры установки [2].
Интенсивность извлечения зависит от скорости перемещения экстракционной смеси в аппарате (м/мин), поэтому целесообразно воспользоваться следующим уравнением [3]:
У= К- п^/р2(Я + г)2 + Ь2 , (3)
где К - коэффициент, характеризующий степень сползания материала (определяется опытным путем);
п - частота вращения вала, об/мин; Я - радиус корпуса экстрактора, м; г - радиус вала, м;
Ь - шаг витка шнека или шаг расположения лопастей, м.
Частоту вращения транспортирующего устройства экстрактора определим по формуле [4]:
Ь
п =-
Кп 8т
(4)
где Ь - длина экстрактора, м;
КП - коэффициент перемещения матерала; 8 - шаг витка транспортирующего устройства, м; т - время диффундирования, мин.
На базе кафедры «Пищевая и аграрная инженерия» изготавливается лабораторная установка на основании патента № 91003. Отличительными особенностями патента являются облегченная конструкция, возможность рециркуляции экстракта через полый вал, благодаря чему происходит более полное насыщение и диспергация в среду через отверстия двухъярусного барботера [4].
На рисунке 1 показана схема лабораторного экстрактора.
16
13
15
18
14
12
1
7
Рис. 1. Схема лабораторного экстрактора: 1 - корпус; 2 - рабочая емкость; 3 - теплообменная рубашка; 4 - крышка;
5-7 - патрубки для подачи сырья и экстрагента, рециркуляции экстракта, слива экстракта; 8 - вал;
9 - двухъярусный барботер; 10 - гребенки; 11 - уплотнитель, передающий вращение от мотора-редуктора к валу;
12 - фторопластовая втулка; 13 - центробежный насос; 14 - фильтр грубой очистки;
15 - емкость для сбора и рециркуляции экстракта; 16 - мотор-редуктор; 17 - нихромовая греющая лента;
18 - тепловой автомат; 19, 20 - регулировочные вентили
Наружный корпус 1 и рабочая емкость 2 изготовлены из нержавеющей стали. Основной процесс экстрагирования будет осуществляться в рабочей емкости. Между рабочей емкостью и корпусом предусмотрена тепловая рубашка 3. Для поддержания требуемого температурного режима тепловая рубашка обматывается нихромовой лентой 17, которая будет являться греющим элементом. Лента, в свою очередь, подключена к тепловому автомату 18, который работает от электросети. Тепловой автомат имеет блок управления, регулирующий подаваемое электрическое напряжение.
Рабочая емкость, заключенная в наружный корпус, плотно закрывается крышкой 4, закрепляется с четырех сторон болтами, создавая при этом внутреннее давление в емкости и, соответственно, уменьшая применение больших затрат на подогрев тепловой рубашки.
Уплотнитель 11 выполняет роль элемента, передающего вращение от мотор-редуктора к валу. Он также изготовлен из нержавеющей стали и имеет химически стойкую резину в области присоединения
вала. Внутри имеется графитовый уплотнитель, который служит смазкой для передачи вращения от мотор-редуктора к валу и не пропускает пары, конденсат, а также инородные вещества извне.
В основании вал вставлен во фторопластовую втулку 12, установленную в отверстие внизу рабочей емкости. Втулка, так же как и уплотнитель, не пропускает пары, конденсат и инородные вещества.
Получение более чистого экстракта обеспечивает фильтр грубой очистки 14. Остальная мелкая фракция будет осаждаться в емкости для сбора и рециркуляции экстракта 15. Рециркуляция экстракта производится за счет центробежного насоса 13.
Установка работает следующим образом. При включенном моторе-редукторе 16 в патрубок 5 загружается сырье и экстрагент. После смешивания мешалками 9 и 10 экстракт самотеком выгружается через патрубок 6 при открытом вентиле 19 и закрытом - 20, и направляется на фильтр грубой очистки 14, где извлеченный продукт избавляется от крупных примесей. Далее экстракт направляется в емкость для сбора и рециркуляции экстракта 18. Затем при необходимости полученный продукт сливается или, для более полного насыщения экстракта требуемым целевым компонентом, направляется на рециркуляцию, в зависимости от того, какое сырье и экстрагент используется. Рециркуляция производится центробежным насосом 16 при открытом вентиле 20 и закрытом - 19 через патрубок 6. Рециркуляция производится снизу, т.к. это помогает более полному распределению экстракта по всему объему рабочей емкости благодаря давлению, создаваемому насосом. Достаточно насыщенный веществами экстракт удаляется из корпуса, мотор-редуктор выключается, открывается крышка и выгружается оставшийся шрот. После чего процесс повторяется заново.
При применении указанной конструкции создается необходимая при этом большая межфазная поверхность между экстрагентом и сырьем, что помогает в получении качественного выхода экстракта. Существенным отличием предлагаемого экстрактора является возможность эффективного перемешивания и разрыхления среды с помощью гребенок, установленных на нижнем ярусе барботеров, и фильтрующего элемента, способствующего получению чистого экстракта без примесей.
На данном этапе исследований ведется работа по поиску и монтажу рабочих деталей лабораторного экстрактора. О качестве полученного экстракта мы можем судить после проведения экспериментальных исследований.
Библиография
1. www.ecolog.ucoz.ru.
2. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование. Система твердое тело - жидкость. - Л.: «Химия», 1974. - 255 с.
3. Прилуцкий И.И. Исследование факторов, влияющих на процессы плазмолиза и выщелачивания стружки в колонных диффузионных аппаратах: Диссертация / КТИПП. - Кемерово, 1963.
4. Гребенюк С.М. Экстракционные аппараты в пищевой промышленности/ Министерство машиностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов [Текст]: обзор. - М.: ЦНИИТЭИлегпищмаш, 1971. -61 с.
5. Пат. № 91003 Российская Федерация, МПК ВО 1D 11/02(2006.01). Экстрактор для растительного сырья [Текст]/Онхонова Л.О., Баторова И.Б.; заявитель и патентообладатель Государственное и образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»; заявл. 16.10.2009; опубл. 27.01.2010, Бюл. № 3. - 2 с.: ил.
Bibliography
1. www.ecolog.ucoz.ru
2. Akselrud G.A., Lysyansky V.M. Extraction. System solid - liquid. L.: "Chemistry", 1974. - 255 p.
3. Prilutsky I.I. Investigation of factors affecting the process of plasmolysis and chips leaching in columns of the diffusion apparatus. Dis / KTIPP. - Kemerovo, 1963.
4. Grebenyuk S.M. Extraction devices in the food industry / Ministry of machine-building for light and food industry and household appliances [Text]: an overview. M. TsNIITEIlegpischmash, 1971. - 61p.
5. Patent № 91003 Russian Federation, the IPC V01D11/02 (2006.01). Extractor for plant material [Text] Onhonova L.O., Batorova I.B. applicant and patentee. State and educational institution of higher education "East Siberia State University of Technology, appl. 16.10.2009; it is published on 01.27.2010, the bulletin # 3. - 2 pages: it is illustrated.
