CC BY
75
УДК543.38
Л. Ю. Яруллин, В. А. Каюмова, Ф. Р. Габитов
СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ФЛЮИДНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ МАХОРКИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТАНОЛА В КАЧЕСТВЕ СО-РАСТВОРИТЕЛЯ
Ключевые слова: Сверхкритическое извлечение (СКФ), экстракция, деникотинизация, сверхкритический флюид, растворимость, диоксид углерода, этанол.
Получен тотал-экстракт махорки сверхкритическим диоксидом углерода, с добавлением этанола в смесь (5% мас.), при параметрах состояния (температуре 50°С и давлению 300-400бар). Исследован выход количества экстракта.
Keywords: Supercriticalextraction (SCF) extraction, denikotinizatsiya, supercriticalfluid, thesolubilityofcarbondioxide, ethanol.
Extracted bioactive components from the tobacco with supercritical carbon dioxide, adding a mixture of ethanol (5% wt.). With state variables (50 ° C and a pressure of300-400 bar). Investigatedthe amount of the extract.
Введение
Целью данной работы является разработка технологии деникотинизации табака. А также выделение тотал-экстракта, представляющего собой все извлеченные компоненты сырья, отвечающего сверхкритическому флюидному состоянию сверхкритическим диоксидом углерода, с установлением некоторых технологических характеристик к функции условий осуществления процесса.
Биологические активные компоненты (БАК), в тех или иных количествах содержащиеся в различном растительном сырье, играют важную роль в пищевой промышленности, в фармацевтике и в сельскохозяйственной промышленности. Если изучить рынок лекарственных средств, то можно подвести статистику, что приблизительно 40% составляют лекарства и препараты растительного происхождения. По сравнению с синтетическими препаратами, растительные препараты характеризуются почти полным отсутствием нежелательных побочных эффектов.
Известно, что биологические активные компоненты содержатся в растениях в небольших концентрациях, поэтому во многих случаях появляется потребность их выделение или концентрирования. Одним из методов извлечения тотал-экстракта является экстракция в сверхкритическом диоксиде углерода. Данный метод широко применяется в современной промышленности [1,2].
Согласно градации ЮНЕСКО получение экстрактов с внедрением суб- и сверхкритического углекислого газа (диоксида углерода) признано безальтернативной, экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей безотходной технологией XXI века. Для пищевой, парфюмерной и фармацевтической отрасли актуальным является переработка растительного сырья. А именно получение ароматических, вкусовых и красящих веществ из фруктов, овощей, специи; выделение масел из семян, зерен, бобов и т.д.; декофенизация чая и кофе, деникоти-низация табака; выделение эфирных масел из цветов, выделение БАК из лекарственных растений. Метод СКФЭ позволяет реализовать все эти задачи, но при этом заметна экономия по сравнению с традиционными методами.
Несмотря на большое количество методов экстракции, все они на данный момент являются затратными, малоэффективными и экономические не выгодными.
В настоящее время перспективным способом извлечения тотал-экстракта является современный метод СКФЭ (сверхкритическая флюидная экстракция), в котором используется флюид. Флюидом являются разные растворители и со-растворители. В данном методе растворителем является диоксид углерода, а со-растворителем - этанол [1].
В качестве растворителя использовался диоксид углерода, который в свою очередь имеет ряд пре-имуществ[3,4]:
• более широкий (по сравнению с жидкими растворителями) спектр растворяемых компонентов;
• при незначительном изменении давления, либо температуры легко управлять растворяющей способностью флюида;
• безопасность;
• не токсичность;
• возможность растворять отдельные компоненты;
• отсутствие дополнительных энергетических затрат на отделение растворителей
• использование в качестве растворителя дешевые флюиды;
Экспериментальная часть
Работа проводилась на экстракционной системе фирмы THAR (рис. 1).
Перед проведением эксперимента измельченные стебли до размеров 0,5-1 мми листья махорки предварительно перемешивались со стеклянными шариками ^=3мм.) и взвешивались на весах. Далее помещались в экстракционный сосуд высокого давления. Масса загрузки составляла приблизительно 40-45гр.
Основными узлами экстракционной системы являются насос для перекачки углекислоты (3), насос для со-растворителя (5), холодоагрегат (2), система термостатирования (6,8) и поддержания температуры, экстрактор для сырья (7) и сепаратор (9).
Рис. 1 - Схема экспериментальной экстракционной установки:
1. баллон с углекислым газом (СО2 >;
2. холодильник;
3. насос для углекислого газа (СО2);
4. емкость для спирта (со-растворителя);
5. насос для со-растворителя;
6. электронагреватель;
7. экстракционный сосуд;
8. нагревательная рубашка;
9. циклонный сепаратор;
10. манометр;
11. ручной игольчатый клапан;
12. вентили высокого давления
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 [5,6]. Одновременно, с включением насоса для диоксида углерода, включается и насос для со-растворителя (5), с заданными параметрами (давление и расход) на компьютере.
Рабочее давление в системе измеряется аналоговым и цифровым манометром (10). Расход смешанного потока задается с помощью массового расходомера Кориолиса и данные выводятся на дисплей системы управления или компьютер по интерфейсу ЯЕ 232С.
Нагрев диоксида углерода, смешанного с со-растворителем, осуществляется с помощью электронагревателя (6). Электронагрев экстракционного сосуда осуществляется с помощью электрической нагревательной рубашки. Для контроля температуры используются термопары 1-типа, управление нагревателями осуществляется с помощью реле нагревателей.
После сброса давления на выходе из автоматического регулятора давления, флюид вводится с большой скоростью в камеру циклонного сепаратора (9), конструкция которого позволяет эффективно собирать как твердые вещества, так и жидкости. Днище сепаратора имеет конусообразную форму для обеспечения эффективного сбора разделяемого материала.
Рис. 2 - Экстракт махорки
Опыты проводились в диапазоне температур 35-60°С и давлений 25-45 МПа. После достижений необходимых параметров начинается отсчет времени. Продолжительность эксперимента 180 минут, по достижению этого времени компьютер выключает установку. Полученный экстракт махорки помещается в стеклянную емкость (рис. 2) для дальнейшего анализа.
Результаты исследования
Были экспериментально получены данные по выходу экстракта из травы Махорка при экстрагировании СК СО2, Процесс экстракции проводился при температуре 50 С по изобарам 25, 30, 35, 40 и 45 МПа, расход СО2 - 19 г/мин, расход этанола - 1 г/мин. В каждом опыте в экстрактор загружалось примерно 40-45 гр. исходного сырья. Один эксперимент длился 3 часа. При этих параметрах выход экстракта менялся по изобарам.
Рис. 3 - Зависимость выхода экстракта махорки от давления на изотерме 50 оС.
Если проанализировать первую зависимость (рис. 3), то можно сделать вывод, что при увеличение давления выход экстракта возрастает, что объясняется увеличением плотности СК СО2, следовательно увеличением его растворяющей способности [7], но достигнув 35 МПа он достигает максимального значения. И с дальнейшим увеличением давления, выход экстракта не меняется. Это говорит о том, что лучшая растворяющая способность при давлении 35 МПа. Дальнейшее увеличение экономически не целесообразно.
0,03
0,025
и а.
0,02
>0,015
Q. I-
0,005
Р=35 МПа
30 35 40
45
t,c
50 55 60
Рис. 4 - Зависимость выхода экстракта махорки от температуры при давлении 35 МПа
Если проанализировать вторую зависимость (рис. 4), можно сделать вывод, что с увеличением температуры, выход экстракта увеличивается, но достигнув 50 оС, он имеет максимальное значение выхода. Это связано с увеличением растворяющей способности флюида с увеличением температуры и дальше растворяющая способность падает [8]. Отсюда делаем вывод, что при 50оС имеет место максимальному выходу экстракта из сырья.
Таким образом, из приведенных экспериментальных данных можно сделать вывод и зафиксировать оптимальные параметры выхода экстракта махорки. В нашем случае этими параметрами являются давление 35 МПа и температура 50оС.
Согласно [9], экстракт махорки состоит из: органических кислот 15-20% (в т. ч. 10% лимонной), никотина 5-15%, никотеин, норникотин, анабазин, гармин, тетрагидрогармин и гармалин.
Следующим этапом данной работы является изучение состава полученного тотал-экстракта на хроматографе фирмы THAR.
Исследование проводилось в рамках гранта РНФ (соглашение №14-19-00749).
Литература
3
Ф.И. Самедова, С.Ю.РашидоваКасумова, Н.А. Кулиев, Сверхкритические флюиды: Теория и практика,3, 2, 5257, 2008;
Чернышев А.К., Гумеров Ф.М., Цветинский Г.Н., Диоксид углерода: Свойства, упаривание (получение), применение / А. К.Чернышев, Ф.М. Гумеров, Г.Н. Цветинский; под редакцией Ф.М. Гумеров. - М., 2013. - 903с. Гумеров Ф.М. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров / Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов, Г.И. Гумерова. - Казань: ФЭН, 2000. -328с.
4. Цихмейстр Е.В., Гумеров Ф.М,Вестник Казанского технологического университета, 15, 10, 98-99, 2012.
5. Ф.М. Гумеров, Ф.Д. Юзмухаметов, Р.Ф. Габитов, Н.З. Шакиров, Вестник Казанского технологического университета, 15, 5, 64-71, 2012.
6. Ф.М. Гумеров, А.Н.Сабирзянов, Г.И. Гумерова,Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров, ФЭН, Казань, 2007,336 с.;
7. Амирханов Д.Г. Растворимость веществ в сверхкритических флюидных средах/ Д.Г. Амирханов, Ф.М. Гумеров, А.А.Сагдеев, А.Т.Галимова. - Казань: Изд-во «Отечество», 2014. - 264с.
8. Амирханов Д.Г. Термодинамические основы сверхкритических флюидных технологий: учебное пособие / Д.Г. Амирханов, Ф.М. Гумеров. - Казань: Изд-во Казан.гос. технол. ун-та, 2009.- 360с.9 Ram B. Gupta, Jae-Jin Shim Solubility in supercritical carbon dioxide / Ram B. Gupta, Jae-Jin Shim // Taylor & Francis Group, 2007. - 909 с.
© Л. Ю. Яруллин - электроник каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, yarul.lenar@gmail.com; В. А. Каюмова -студ. кафедры теоретических основ теплотехники КНИТУ, vka07@bk.ru; Ф. Р. Габитов - д.т.н., проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, farizan@kstu.ru.
© L. Y. Yarullin - electronic of the pulpit of theoretical foundations of thermalengeneering, KNRTU, yarul.lenar@gmail.com; V. А. Kayumova - student of the pulpit of theoretical foundations of thermalengeneering, KNRTU, vka07@bk.ru; F. R. Gabitov -dr.sci(tech.), prof., o of the pulpit of theoretical foundations of thermalengeneering, KNRTU, farizan@kstu.ru.
