CC BY
16
Технология выделения липидов из чайного сырья
В.Г. Хведелидзе, Б.А. Буцхрикидзе, Т.Н. Гвинианидзе, Г.В. Хведелидзе
Кутаисский государственный технический университет
Проблема выделения липидов из различных материалов имеет несколько аспектов. При выборе органического растворителя для экстракции необходимо в первую очередь соблюдать клас-
сические рекомендации. Для экстракции липидов используют неполярные растворители, которые должны соответствовать следующим требованиям: иметь низкую теплоемкость и малую
Рис. 1. Схема экспериментальной производственной установки для экстракции чая: 1 — корпус; 2 — рубашка; 3 — манометр; 4 — верхняя крышка; 5,14 — затворы; 6, 8, 11,13 — клапаны экстрагента; 7 — клапан давления; 9, 16 — паровые клапаны; 10 — ложная стенка; — клапаны экстрагента; 15 — ложное днище; 17 — терморегулятор (ТР); 18, 19 — вибраторы; 20 — теплообменник; 21 — бак для экстрагента
Фактор Температура, °С Время, ч Соотношение растворитель:чай, л/кг Доля нежной фракции К, %
Кодированное обозначение Хг Х3 Х4
Основной уровень 60 8,0 8,0 30
Интервал варьирования 10 1,5 1,5 10
скрытую теплоту испарения; быть сравнительно дешевыми и доступными; не должны быть взрывоопасными и токсичными. Если растворитель имеет низкую температуру кипения, то это потребует дополнительных мероприятий при его хранении и использовании.
Мы изучили выделение липидов с помощью хлорпроизводных углеводородов — этиленов. Максимальный эффект по выходу липидов был получен при использовании трихлорэтилена (87,4 %). Его температура кипения составляет 87 °С, что с одной стороны вполне приемлемо для климатических условий Грузии, а с другой — гарантированно защищает витамины и другие биологически активные вещества от температурного воздействия при экстракции.
Спроектирована и внедрена в производство промышленная экспериментально-экстракционная установка для выделения липидов из чайного сырья, в которой реализованы специфические требования, вытекающие из физико-механических и химических особенностей чая (рис. 1). Установка может быть включена в систему непрерывного потока.
Предварительные лабораторные исследования позволили выбрать оптимальные параметры экстракции и определить влияющие на них технологические факторы. Оптимальность процесса оценивали интегральным критерием удельных энергозатрат
DL = Е/Ви,
(1)
где Е — энергозатраты на переработку 1 т сырья; В — количество липидов из 1 т сырья.
Условия промышленного эксперимента экстракции чая органическим растворителем приведены в таблице. Реализована центральная композиционная ротатабельная матрица планирования эксперимента второго порядка, которая дала возможность представить процесс экстракции чая органическим растворителем следующими адекватными уравнениями регрессии:
Вь = 50 + 2Х1 + 2,5Х2 + 3Х3 + + 1,5Х4 - 0,6Х; - 0,6Х2 -- 0,2Х - 0,5^2 - 1,5Х21Х4;
(2)
Бь = 125 + 6Х1 + 7Х2 + 15Х3 + , . + 4X1 + 3Х1Х3; (3)
DL = 2,50 + 0,15Х3-- 0,08Х4 + 0,06Х1Х33 -- 0,08ХГ1Х4 + 0,11 Х^
(4)
Условия производственного эксперимента по экстрагированию чая органическим растворителем показаны в таблице.
6•2006
34
Для решения задачи оптимизации вводим вспомогательную функцию и задачу поиска условного экстремума сводим к безусловной задаче. Имеем
Ф(Х., X) = DL(X) + Х[В(Х.) - 50т], (5)
где X — неопределенный множитель Лагранжа; г = 1, 2, 3, 4; т = 1,00; 1,05; 1,10; 1,15; 1,20; 1,25; -2 < X. <2.
Находим частные производные целевой функции (5), приравниваем их к нулю и получаем систему уравнений. Из многочисленных решений этой системы с учетом условий эксперимента и приведенных ограничений находим следующее оптимальное решение: Х1 = 0,8...1,2; Х2 = = 0,5...0,6; Х3 = 0,6...0,8. Указанным значениям факторов соответствуют следующие значения критериев оптимизации:
BL, кг/т
Р долл/т
54 -
53 ■
51 ■
501
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
Doпт = 2,81 - 0,16Х4; Вь = 54,3 - 0,5X4.
Растворитель
(6) (7)
0 20 40 60
Доля нежной фракции К, %
Рис. 2. Графики изменения критериев оптимизации в зависимости от количества нежной фракции в чайном сырье, предназначенном для экстракции
Для концентратов с витамином Р
Рис. 3. Технологическая линия для получения липидной фракции чая:
1 — дробилка; 2 — экстрактор; 3 — фильтр; 4 — вакуум-выпариватель; 5 — бак растворителя; 6, 10 — теплообменники; 7, 9,11 — баки; 8 — длорентиновый сосуд; 12 — насос; УУ — указатель уровня
Переход в натуральный масштаб факторов с учетом условий эксперимента (см. таблицу) производим с помощью формул:
(8)
X = и - 60)/10;
Х2 = (т - 8)/1,5; Х3 = (п - 8)/1,5; Х4 = (К - 30)/10.
Таким образом, оптимальные условия экстракции экстракционного чайного сырья можно сформулировать следующим образом: температура экстракции 68.72 °С; продолжительность экстракции 8,75-8,90 ч; соотношение растворителя и чая 8,70-9,20 л/кг.
Им соответствуют следующие параметры оптимизации: интегральный критерий энергозатрат (долл./кг)
DoПТ = 2,33 + 0,016К, (9)
выход целевого продукта (кг/т) Вь = 49,8 + 0,3К - 0,005л-2. (10)
Как видно, на параметры оптимизации DoПТ и BL значительное влияние оказывает содержание в экстракционном сырье нежной фракции чая К. Графически это влияние иллюстрировано на рис. 2.
Мы разработали и внедрили технологическую схему производства липидной фракции чая, которая приведена на рис. 3.
Как видно, экстракция органическим растворителем производится в замкнутом цикле. При этом максимально исключено попадание в атмосферу паров органического растворителя.
Производительность технологической линии зависит от спроса на продукт. Максимальный суточный выход составляет не менее 25 кг липидной фракции, для чего необходимо переработать не менее 500 кг экстракционного грубого чайного сырья. В дальнейшем с помощью соответствующей фармакотехнологии чайным липидам придаются форма и товарный вид лечебно-профилактического средства или витаминной добавки в пищу.
Фармакологическим комитетом Грузии препараты, изготовленные на базе чайных липидов, рекомендованы для профилактики и лечения таких заболеваний, как экземы, трофические язвы, ожоги, эрозия шейки матки,язвенные заболевания желудка и др. &
6 • 2006
35
