CC BY
60
УДК 62-932.4
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ДЕСУБЛИМАЦИОННОГО ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ
А.В. Жучков, И.Е. Шабанов, Ю.Н. Кузовенко, А.А. Андреев
Выявлены некоторые закономерности процесса фракционирования многокомпонентных систем на основе каскада десублиматоров. Разработана модель и выполнены исследования фракционирования двухкомпонентной модельной среды
Ключевые слова: десублимационное фракционирование, сублимационное фракционирование, криогенные технологии
Основу наиболее эффективных современных технологий переработки биологического сырья и производства для фармацевтической промышленности составляют такие методы переработки исходного сырья, которые максимально сохраняют его молекулярную структуру. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют криогенные технологии, при реализации которых перерабатываемое сырье находится при отрицательных температурах.
Впервые в советское время основы таких технологий заложили ученые ФТИНТ, ИПКиК, УФТИ НАН Украины и других организаций, активно занимавшихся данными вопросами в период с 1970 по 1990 годы. Их работы и изобретения во многом сформировали
Рис. 1. Слой десублимата на поверхности охлаждаемой жидким азотом: 1 - десублиматор, 2 - десублимированная фракция
Жучков Анатолий Витальевич - ВГУИТ, д-р техн. наук,
профессор, тел. 8 (473) 2249-91-13
Шабанов Игорь Егорович - ВГУИТ, канд. техн. наук,
доцент, e-mail: mks36@mail.ru
Кузовенко Юрий Николаевич - ВГУИТ, аспирант,
тел. 89518563531
Андреев Артем Александрович - ВГУИТ, аспирант, e-mail: mks36@mail.ru
современные представления о преимуществах криопереработки биологических систем.
Однако, накопленный в этот период времени опыт носил чисто лабораторный характер, а теоретические и экспериментальные исследования не учитывают сложный многокомпонентный состав реальных объектов переработки и базируются на предположении что в процессе десублимации участвует чистый водяной пар, или учитывается, но только не конденсируемая фаза [1].Поэтому при разработке и последующем внедрении криогенных технологий в производство необходимы теоретические экспериментальные исследования, позволяющие выработать принципиальные конструктивные решения для промышленного масштабирования.
Новый импульс рассматриваемая проблема получила в связи с разработкой и реализацией оригинальной технологии извлечения БАВ из лекарственного сырья, выполняемой группой сотрудников кафедры «Машины и аппараты химических производств» Воронежского государственного университета инженерных технологий. Эта технология включает многостадийную экстракцию сырья с предварительным сублимационным обезвоживанием и отличается гораздо более высокой степенью извлечения термолабильных экстрактов. Сублимационное обезвоживание здесь необходимо для удаления воды из сырья, препятствующей экстрагированию биологически активных веществ.
Установлено, что десублимат (рис. 1), накапливающийся в десублиматоре при сушке лекарственного сырья, также содержит биологически активные вещества и является ценным продуктом, который может быть использован в фармацевтической и парфюмерной промышленности. В его состав входят реструктурированные водные фракции, содержащие активные фрагменты витаминов, сложных эфиров и
аминокислот, высокоактивные липофильные и гидрофильные экстракты из различных растительных и животных тканей.
Повышение концентрации целевого продукта в десублимате может быть достигнуто использованием фракционирования в процессе десублимации, т.е. последовательной десублимацией пара в каскаде десублиматоров с различными температурами рабочих поверхностей.
Проведенные исследования показали, что лекарственные средства, созданные на этой основе в НПП «Агрофарм» и ВНИВИ патологии, фармакологии и терапии (г. Воронеж), институте криогенных технологий (г. Харьков), обладают уникальным спектром биологической активности, высокой эффективностью. Они безвредны, безопасны, характеризуются отсутствием побочного действия
[4 ].
Установлено, что основным компонентом липофильных фракций являются липиды (93...97 %), в состав которых входят этерифи-цированные и неэтерифицированные жирные кислоты (20...22 %), триглицериды (24...26 %), моноглицериды (10...15 %), фосфолипиды
(33...35 %), а также эфиры холестерина, стери-ны.
При разделении фосфолипидов тонкослойной хроматографией определены следующие классы: лизолецитин, сфингомиелин,
фосфатидилинозитол, кардиолипин, фосфати-диловая кислота, фосфатидилхолин (лецитин). Последние обладают регенерирующими и эмульгирующими свойствами, улучшают транспорт жиров в организме и могут найти широкое применение в косметической и фармацевтической промышленности. Получаемые гидрофильные концентраты имеют следующий состав. Микроэлементы: медь -580 мкг/л, цинк -272 мкг/л, марганец - 330 мкг/л, железо -6930 мкг/л; аминокислоты: цистеиновая кислота - 13.7 мкМ/л, аспаргиновая кислота 64.0 мкМ/л, треонин - 230.7 мкМ/л, серин - 193.6 мкМ/л, глютоминовая кислота - 267.6 мкМ/л, пролин - 250.4 мкМ/л, цистин - 43.4 мкМ/л, глицин -210.5 мкМ/л, аланин -296.5 мкМ/л, валин - 197.7 мкМ/л, метионин - 45.3 мкМ/л, изолейцин - 83.7 мкМ/л, лейцин - 351.3 мкМ/л, тирозин - 46.0 мкМ/л, фенилаланин - 95.2 мкМ/л, гистидин - 149.7 мкМ/л, триптофан -65.7 мкМ/л, лизин - 259.4 мкМ/л, аргинин -121.2 мкМ/л, таурин -119.2 мкМ/л, фосфоэта-ноламин - 35.4 мкМ/л. Такой состав получаемого концентрата обеспечивает регулирование
азотистого обмена и окислительно-
восстановительных реакций [5].
Для исследования процесса десублимации на цилиндрической поверхности, и процесса фракционирования систем состоящих из двух и более компонентов спроектирована экспериментальная установка рис. 2.
5
1,
2'
Рис. 2. Установка для исследования процесса десублимационного фракционирования: 1 - каскад десублиматоров, 2 - испаритель, 3 - вакуумный насос, 4 - блок управления,
5 - рама
Десублимационное фракционирование многокомпонентной системы, осуществляли в каскаде десублиматоров, который состоит из трех секций, соединенных последовательно. Парогазовую смесь подавали в первую секцию, а отводили из третьей. По мере продвижения парогазовой смеси из одной секции в другую, концентрация пара в смеси изменяется при десублимации пара. За счет этого происходит разделение пара на фракции и обеспечивается равномерное распределение слоя десублимата по секциям [2,3,4].
На начальном этапе в испаритель заливается двух компонентная система (40% водный раствор спирта). Вакуум-насос создает разряжение на вакуумной линии, под действием разряжения и теплоты поступающей от электронагревателя спиртовой раствор испаряется и поступает в первый десублиматор где происходит десублимация большей части паров воды далее не сконденсировавшиеся пары воды и пары спирта поступают на второй десублиматор где водяной пар полностью десуб-лимирует и происходит частичная десублимация спиртовых паров, оставшиеся спиртовые
пары десублимируют на стенке третьего десублиматора.
После испарения всего спиртового раствора из испарителя десублиматоры отсекаются от вакуумной линии. В рубашку аппаратов из подогревателя воды насосом подается вода с температурой 40 °С, происходит регенерация десублимата. Получившиеся фракции самотеком сливаются в емкости.
Зависимость концентрации выделенных фракций представлена на рис. 3
Концентрация выделенной фракции, %
Температура поверхности десублима ци С
Рис. 3. График зависимости концентрации выделенной фракции от средней температуры поверхности десублимации
Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что общее время процесса десублимационного фракционирования модельной среды составило 56 минут при этом значения температуры охлаждаемых поверхностей колебались в пределах от - 120 до -113 °С в третьем десублиматоре, от - 23 до -14 °С во втором десублиматоре, от +11 до +20 °С в первом десублиматоре. Средние значения температур в первом цикле исследований составили: -118,75 °С в третьем десублиматоре, -19,5 °С во втором десублиматоре и +16 °С в первом десублиматоре.
Для выявления теплофизических закономерностей десублимационного фракционирования многокомпонентной системы выполнено математическое моделирование процесса разделения пара в десублиматорах на цилиндрической поверхности, при этом внутренняя часть охлаждается кипящим хладоном.
На начальной стадии математического моделирования процесса десублимации пара на цилиндрической поверхности использовались относительно простые граничные усло-
вия. Обычно задавались постоянные температуры стенки или коэффициент теплоотдачи к хладагенту, что сравнительно редко встречается в реальных условиях работы десублиматоров.
В том случае, когда десублимируется преимущественно водяной пар, а содержание других компонентов смеси (витамины, сложные эфиры, аминокислоты и др.) весьма мало, то можно воспользоваться упрощенной моделью процесса десублимации, не учитывающей влияние других компонентов.
Рассмотрим процесс десублимации пара на наружной поверхности охлаждаемой трубы (рис. 4).
[
Рис. 4. Десублимация пара на поверхности трубы
Примем допущения [1]:
- содержание неконденсирующегося газа мало, диффузионное сопротивление потоку пара несущественно;
- распределение температуры по толщине десублимируемой фракции соответствует стационарному;
- изменение энтальпии пара при его охлаждении до температуры насыщения мала по сравнению с теплотой сублимации;
- теплофизические параметры постоянны;
- давление пара и толщина слоя десублимата одинаковы во всех точках поверхности трубы.
Тогда уравнение теплового баланса рассматриваемого процесса имеет вид:
или в исходных размерных переменных
2рЯрд г — = dт
2р(Тн - Тх)
1 1 , Ян 1 , Я
+-----------------------------1п —- + — 1п —
(1)
а я.
где Яв, Ян - внутренний и наружный радиусы трубы, м;
1ст, 1д - коэффициент теплопроводности материала трубы и десублимата, Вт/(м К);
Я - наружный радиус слоя десублимата, м; рд - плотность десублимата, кг/м3; г - теплота десублимации пара, Дж/кг; ах - коэффициент теплоотдачи к хладоно-сителю, Вт/(м2К);
Тх, Тн - температуры хладоносителя и насыщения пара.
г- л 1д 1д і Ян Где А = —— + —^~ 1п —
«А Кст К
Величина А является мерой отношения термических сопротивлений участка «хладоноситель - поверхность трубы» и десублимата.
После преобразований получим:
Я
ґ ЯЛ А + 1п—
Я
і У
(2)
Переходя к безразмерному радиусу Я = Я / Я:
из (2) получим:
Я (А + 1п Я) ^ =
dR =ла (д - 4)
(3)
Разделим переменные и проинтегрируем уравнение (3):
я г
| Я(А + 1пЯ)• dR = |
1 (О - 4 )
ЯРаГ
• dт,
(4)
Вводя безразмерное время
Т = 2(т - Т 1,-г/{РлгЯ2 ' н х> д Г д н
из (4) после преобразований будем иметь: т = (я2 - іҐа -1] + Я21п Я,
т =
Рд гЯн
2(Тн - Тх )1д
2 Л -1
У
Л - -1+
Я Л
1п-
,(6)
Для проверки адекватности модели процесса десублимации пара на поверхности трубы использовались экспериментальные данные. Процесс изучался при поперечном обтекании трубы с наружным диаметром 140 мм. Система охлаждения двухконтурная. В качестве промежуточного теплоносителя использовался раствор этиленгликоля в воде. В ходе экспериментов измерялись температура наружной поверхности цилиндра, концентрация и давление пара.
Для оценки величины А были выполнены расчеты зависимости безразмерного радиуса Я от безразмерного времени Т для различных значений А. Результаты расчетов представлены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость безразмерного радиуса десублимата от безразмерного времени
Из рис. 5 следует, что при А<1 во внимание можно принимать только термическое сопротивление слоя десублимата.
Однако, эффективность работы десублиматора следует оценивать не по толщине слоя десублимата, а по величине удельной массы десублимата на охлаждаемой (рабочей) поверхности.
Удельная масса десублимата (на 1 м2 рабочей поверхности) определяется соотношением:
2
Я
Я
Я
н
н
н У
0
R 2 - Rf 2R;
-Pa
(7)
На рис. 6 представлены результаты расчетов удельной массы десублимируемой фракции на цилиндрической поверхности.
Рис. 6. Зависимость удельной массы де-сублимируемой фракции на цилиндрической поверхности от времени фракционирования. Тн=263 К; Тк=253 К; ^д=2.33 Вт/ (мК); г=2,86 106 Дж/кг; р=900 кг/м3
Полученные решения (6) и (7) являются основой рационального проектирования установок десублимационного фракционирования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования процесса десублимации пара на цилиндрических поверхностях позволяют разработать методику расчета процесса
десублимационного фракционирования многокомпонентных систем.
Литература
1. Жучков А.В. Разработка технологических комплексов для криосублимационного фракционирования биологических тканей [Текст] / А.В. Жучков, И.Е. Шабанов, С.В. Шабунин, А.И. Осецкий - Научнотеоретический журнал «Проблемы криобиологии» / ИПККМ НАН Украины: Макс Пресс, 2005, с. 312-315,
4 с.
2. Осецкий А.И. Криосублимационное фракционирование биологических материалов [Текст] / Осецкий А.И., Шабанов И.Е., Грищенко В.И., Снурников А.С., Бабийчук Г.А. - Научно-теоретический журнал «Проблемы криобиологии» / Нац. Академия наук Украины Институт проблем криобиологии и криомедицины, 2006 - с. 230-239,10 с. / 2с.
3. Каледин А.С. Технология глубокой переработки растительного сырья на основе многостадийного фракционирования [Текст] / Каледин А.С., Жучков А.В., Шабанов И.Е. - Материалы IV всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ». Тезисы докладов Сыктывкар 2006.с. 374.1 с. / 0,3с.
4. Шабунин С. В. Интреграция высокоэффективных криогенных технологий с биологическим скринингом - современный путь создания биологически активных веществ природного происхождения[Текст] / Вос-троилова Г.А., Осецкий А.И., Жаркой Б.Л. - Материалы III съезда биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова, / М: Макс Пресс, 2005. С. 129
5. Востроилова, Г.А. Антиоксидантные свойства тканевых препаратов из плаценты, полученных методом криогенной сублимации [Текст] / И.Е. Шабанов // Материалы международной научно-практической конференции «Свободные радикалы, антиоксиданты и здоровье животных».-: Воронеж: ВГУ, 2004 г. - С. 334 - 336.- 300 экз.
Воронежский государственный университет инженерных технологий
REGULARITIES OF THE MULTICOMPONENT SYSTEMS FRACTIONATION PROCESS
A.V. Zhuchkov, I.E. Shabanov, Yu.N. Kuzovenko, A.A. Andreev
Some regularities of the multicomponent systems fractionation process were revealed by the desublimators cascade installation. The model and researches of the two-component model system fractioning were carried out
Key words: desubiimate fractionation, subiimate fractionation, cryogenic technoiogies
