УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к техническим средствам периодического действия и предназначена для извлечения водорастворимых веществ из твердых материалов, и может быть использована для получения экстрактов из тканей растительного сырья, например, ценных водорастворимых компонентов (полисахаридов, маннита, альгинатов и др.), используемых на предприятиях пищевой и фармацевтической промышленности, из бурых водорослей (ламинариевых).
Известна установка периодического действия для выделения экстрактов из твердых материалов растительного происхождения, в частности, из семян злаковых культур, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, технологические патрубки для подачи сырья и экстрагента в полость корпуса, патрубки для выгрузки отходов и готового продукта, фильтрующую перегородку и отжимное устройство, функцию которого выполняют плоские смесительные лопасти, закрепленные на вертикальном приводном валу под углом к горизонтали (В.П.Стабников и др., «Процессы и аппараты пищевых производств», учебное пособие, изд. «Пищевая промышленность», Москва, 1966 г. с.617-618).
Вращающиеся лопасти установки при одновременном перемешивании экстрагируемого материала образуют вертикальный поток экстрагента, направленный вниз к фильтрующей перегородке, и, воздействуя на материал с определенным избыточным давлением, создают эффект отжима этого материала, размещенного на поверхности перегородки, что способствует ускорению процесса экстракции.
Характеризуя указанный тип установки, следует отметить сложность ее конструкции, высокую металлоемкость, большие затраты ручного труда при эксплуатации, значительные потери экстрагируемого вещества, частицы которого нередко выгружаются вместе с последними порциями
растворителя, значительное разрушение структуры обрабатываемого материала, трудности регулирования технологического процесса, в частности, степени отжатия сырьевой массы, относительно низкая производительность при большом удельном расходе экстрагента и энергоносителей.
Наиболее близкой по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является установка типа «ЭТ-04», включающая корпус, технологические патрубки, фильтрующую перегородку и отжимное устройство с винтовым приводом, предназначенная для экстрагирования ферментов из лекарственных растений, используемых при производстве ферментных медицинских препаратов, а также настоек и сиропов для предприятий пищевой промышленности («Экстрактор ЭТ-04», чертеж общего вида №ЭТ-04.01.000ВО, КБ ТОО «Технология» г.Ульяновск, 1990 г.).
Однако данная установка имеет ряд существенных недостатков как конструктивного, так и эксплуатационного характера.
К ним относятся: малая производительность при относительно большом расходе экстрагента, значительная доля ручного труда в процессе обслуживания установки, отсутствие возможности регулирования режима работы при экстрагировании различных видов сырья, невозможность объективно контролировать процесс отжима экстрагируемого материала, в том числе величину избыточного давления, при котором он осуществляется. Неконтролируемый процесс отжима приводит к тому, что при превышении определенного порога степени отжима материала чрезмерно уплотняются его нижние слои, примыкающие к фильтрующей перегородке, что, в свою очередь, приводит к запрессовке отверстий и блокировке участков ее поверхности, а это уменьшает ее пропускную способность, увеличивает расход экстрагента, и, как следствие, уменьшается производительность. Последнему способствует и конструктивное несовершенство фильтрующей перегородки, выполненной в виде металлической мелкоячеистой сетки,
свободно уложенной на перфорированную металлическую пластину. То обстоятельство, что корпус крепится к опорам неподвижно, не позволяет интенсифицировать технологический процесс за счет турбулизации потока экстрагента, воздействуя на него периодическим вращением корпуса установки относительно его горизонтальной или вертикальной оси. Наличие привода отжимного устройства, выполненного в виде винтовой тяги, вращение которой осуществляется вручную посредством штурвала, а также отсутствие приборов, контролирующих степень отжатия экстрагируемого материала, не позволяет контролировать величину избыточного давления на этот материал, и, как следствие, вести технологический процесс в оптимальном режиме, при котором удаление экстракта происходит наиболее полно, a cтpyктуpa обрабатываемого материала не разрушается.
Задача полезной модели - многоцелевое использование, повышение производительности при минимальном расходе экстрагента, улучшение качественных характеристик целевого продукта, обеспечение оптимального режима технологического процесса, уменьшение трудоемкости, понижение металлоемкости и затрат на изготовление.
Поставленная задача реализуется тем, что в известной установке для выделения экстрактов из твердых материалов, содержащей корпус, технологические патрубки, фильтрующую перегородку и отжимное устройство, согласно заявленного технического решения, корпус шарнирно закреплен на вертикальных стойках опорной рамы с возможностью вращения относительно осей крепления, которое осуществляется реверсивным электроприводом с регулируемой частотой вращения, а отжимное устройство выполнено в виде эластичной мембраны, закрепленной между корпусом и его крышкой по периметру примыкания, с возможностью отжима в полость корпуса сжатым воздухом на заданную величину прогиба. При этом фильтрующая перегородка, закрепленная фиксаторами к днищу корпуса, выполнена в виде многослойной композиции, состоящей из мелкоячеистой
сетки, перфорированного металлического листа и дренажной пластины, имеющей каналы для сбора и слива экстракта из полости корпуса.
Отличительный признак - шарнирно закрепленный на вертикальных стойках опорной рамы корпус с возможностью реверсивного вращения относительно осей крепления, позволяет, вращая корпус и периодически меняя направление вращения, турбулизировать перемещение жидкости в его полости, улучшая гидродинамический режим работы установки, в peзультате которого процесс экстракции интенсифицируется и протекает болееe равномерно, так как вся поверхность частиц материала участвует в процессе экстрагирования, что значительно сокращает период экстракции, повышает качественные показатели выделяемого целевого продукта и увеличивает производительность установки.
Помимо этого, установка является универсальной, так как может быть использована для выделения целевых продуктов из различных по своим характеристикам видов исходного сырья. Это достигается тем, что при переходе к обработке от одного вида сырья к другому соответствующим образом может изменяться режим работы установки, в частности, путем изменения частоты вращения корпуса в большую или меньшую сторону, периодического изменения направления вращения, а также величины давления воздуха в полости диафрагмы.
В качестве отжимного устройства используется эластичная мембрана, закрепленная между корпусом и его крышкой по периметру примыкания, которая во время технологического процесса отжимается от крышки сжатым воздухом на заданную величину прогиба в полость корпуса, и с определенным избыточным давлением воздействует на обрабатываемый материал, отжимая его. А так как толщина слоя дисперсной массы, загружаемой в полость корпуса для отжима, ограничивается высотой его боковых стенок, линейный размер которых значительно меньше их длины, можно утверждать, что процесс прессования осуществляется в «тонком слое» (60-80 мм), что, как известно, значительно повышает
отделение жидкой фазы. Кроме того, поскольку прессование материала осуществляется сжатым воздухом посредством эластичной мембраны, все технологические процессы могут осуществляться в одном и том же рабочем объеме, то есть в полости корпуса, в котором проводится экстракция, при этом отпадает необходимость в перегрузке дисперсной смеси из одного аппарата в другой, что немаловажно при проведении нескольких, следующих друг за другом операций экстрагирования (предварительное, кислотное, нейтрализации) и отделения жидкой фазы, что делает установку компактной и удобной в эксплуатации. Контроль за процессом отжатия экстрагируемого материала и его регулировка осуществляется всего двумя приборами - манометром и предохранительным клапаном, установленными на трубопроводе сжатого воздуха, при этом предохранительный клапан предотвращает разрыв резиновой мебраны при превышении пределов рабочего давления.
Конструктивное исполнение фильтрующей перегородки, выполненной в виде многослойной композиции, состоящей из мелкоячеистой капроновой сетки, уложенной с определенным количеством слоев (в зависимости от разновидности обрабатываемого сырья) на перфорированном металлическом листе, который опирается по площади примыкания на выступы дренажной пластины, имеющей прорезанные в ее теле дренажные и отводной каналы для сбора и удаления экстракта из полости корпуса. Такая конструкция фильтрующей перегородки и ее элементов позволяет значительно оптимизировать и ускорить процесс фильтрации отделяемого экстракта за счет его равномерного движения по всей площади фильтрующей перегородки, что дает возможность получить продукт с улучшенными качественными характеристиками и облегчить процесс очистки элементов пeрегородки после завершения технологического процесса.
Заявленная установка была реализована в конкретном варианте, изображенном на чертежах.
На фиг.1 показана установка для выделения экстрактов из твердых материалов (вид спереди, продольный разрез).
На фиг.2 показана дренажная пластина той же установки (разрез АА).
На фиг.3 показана дренажная пластина той же установки (вид сверху).
На фиг.4 показана принципиальная схема той же установки с подключением ее к системе сжатого воздуха.
Установка для выделения экстрактов из твердых материалов содержит прямоугольный корпус 1, изготовленный из швеллера, в полости которого установлено отжимное устройство 2, выполненное в виде эластичной резиновой мембраны, расположенной между корпусом 1 и крышкой 3, а также фильтрующая перегородка, состоящая из мелкоячеистой сетки 4, металлического перфорированного листа 5, изготовленного из нержавеющей стали, и дренажной пластины 6, изготовленной из листового капрона толщиной 10 мм, которые размещены на съемном днище 7 и закреплены между крышкой 3 и днищем 7 прижимами 8. В пластине 6 имеются дренажные 9 и отводной 10 каналы, а в центре - сливное отверстие 11. К корпусу 1 с боковых сторон закреплены ось 12 и вал 13, установленные в подшипниках 14, которые опираются на вертикальные стойки 15 опорной рамы 16, при этом вал 12 соединен с электроприводом, состоящим из электродвигателя 17 и вариатора 18, который предназначен для регулирования частоты вращения корпуса 1. Крышка 2 крепится к корпусу 1 посредством шарниров 19 и стяжных откидных болтов 20 с гайками 21. Установка снабжена технологическими патрубками, в частности, к корпусу 1 закреплен патрубок 22 с запорным вентилем 23 и штуцером 24, предназначенный для заливки экстрагента с полость корпуса 1. На крышке 2 по ценру закреплен патрубок 25 с запорным вентилем 26 и штуцером 27, предназначенным для подачи сжатого воздуха на привод отжимной мембраны 2, а на днище 7 закреплен патрубок 28 с запорным вентилем 29, предназначенный для удаления получаемого экстракта из полости корпуса 1.
Вспомогательное оборудование, предназначенное для привода отжимного устройства 2 в действие, включает в себя: малогабаритный компрессор 30 с ресивером 31, посредством запорного вентиля 32, соединенный с трубопроводом сжатого воздуха 33, на конце которого располагается накидная резьбовая муфта 34, сопрягаемая со штуцером 27 для подачи сжатого воздуха в технологический патрубок 25. На трубопроводе 33 смонтирован предохранительный клапан 35, манометр 36 и вентиль 37, предназначенный для сброса избыточного давления в системе сжатого воздуха и ее продувки.
Установка для выделения экстракта из твердых материалов работает следующим образом.
Корпус 1 разворачивается в горизонтальное положение, и крышка 3 на шарнирах 19 вместе с закрепленной на ней отжимной мембраной 2 отводится в сторону, и в полость корпуса загружается измельченный материал, равномерным слоем укладываемый на поверхность фильтрующей перегородки, после чего крышка крепится на корпусе откидными болтами 20, стяжные гайки 21 которых равномерно обжимают крышку 3 и мембрану 2 по периметру примыкания к корпусу 1. При этом прижимами 8 все элементы фильтрующей перегородки фиксируются по периметру примыкания к днищу 7. Зачем корпус 1 устанавливается в вертикальное положение (фиг.1, изображено пунктиром) и в его полость посредством патрубка 22 через вентиль 23 и штуцер 24 заливается экстрагент, после чего вентиль 23 перекрывается, а к штуцеру 27 присоединяется муфта 34, и открываются вентили 26 и 32. От включенного компрессора 30 сжатый воздух нагнетается в ресивер 31, а из него с установившимся давлением по трубопроводу 33 поступает в пространство между корпусом 3 и мембраной 2, отжимая последнюю на определенную величину прогиба в полость корпуса 1, при этом, чем больше прогиб, тем с большим избыточным давлением мембрана 2 воздействует на набухший при контакте с экстрагентом материал, отжимая его. Величина избыточного давления (150÷350 кПа) контролируется по
манометру 36 и устанавливается в зависимости от разновидности сырья, характеристик и этапов экстрагирования (предварительный, кислотный, нейтрализации и др.). От вышеуказанных характеристик зависит и период экстракции по времени и может составлять от 1 до 12 ч.
Оптимально установленная величина механического воздействия на обрабатываемый материал при отжатии жидкой фазы из его набухших частиц значительно улучшает процесс молекулярной диффузии, ускоряет извлечение целевых компонентов из сырья, увеличивая тем самым производительность установки и повышая качественные показатели экстракта.
Технология выделения экстрактов из твердых материалов на заявленной установке предусматривает поэтапную его обработку в несколько приемов, а, поскольку прессование и экстракция осуществляются в той же полости корпуса 1, отпадает необходимость в перегрузке дисперсной смеси из одного аппарата в другой, сокращается продолжительность обработки, что немаловажно, поскольку достаточно большое количество операций экстрагирования (предварительное экстрагирование, 1, 2 и 3-е экстрагирования, 1, 2, 3 и 4-я нейтрализация) проводится последовательно, и после каждой из них требуется максимальное отделение жидкой фазы.
Интенсификация технологического процесса путем турбулизации компонентов в полости корпуса 1 осуществляется путем вращения с заданным числом оборотов при периодическом изменении направления вращения, причем режимы турбулизации устанавливаются в зависимости от вида обрабатываемого материала, степени его измельчения и этапов экстракции. Сам процесс вращения корпуса 1 производится при закрытых вентилях, установленных на технологических патрубках и отключенной системе сжатого воздуха, и осуществляется электродвигателем 17 посредством вариатора 18.
Процесс прессования в установке производится при горизонтальном расположении корпуса 1, при этом экстракт перемещается сверху вниз,
просачиваясь через сетку 4, и, проходя через перфорированные отверстия листа 5, поступает в дренажные каналы 9 и отводной 10. Для удаления полученного экстракта из рабочей полости корпуса открывается вентиль 29 и через сливное отверстие 11 дренажной пластины 6 посредством технологического патрубка 28 экстракт отводится в приемную емкость, после чего приступают к выгрузке твердой фазы, предварительно отключив oт установки систему сжатого воздуха. Для этого перекрываются вентиль 32 и открывается вентиль 37, через который сбрасывается давление в трубопроводе 33, и производится продувка системы, а резьбовая накидная муфта 34 отсоединяется от штуцера 27. Далее отворачиваются гайки 21 и стяжные болты 20 откидываются от крышки 3, после чего она отводится на шарнирах 19 в сторону, открывая доступ в полость корпуса 1, из которого выгружается твердая фаза. После завершения вышеперечисленных операций из полости корпуса извлекаются прижимы 8 и все элементы фильтрующей перегородки, которые подвергаются чистке и промывке.