Технология комплексной переработки кедровых орехов

Химия растительного сырья. 2000. №1. С. 61-68.

УДК 676.164

ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КЕДРОВЫХ ОРЕХОВ

© А.В. Рудковский, О.Г. Парфенов, М.Л. Щипко', Б.Н. Кузнецов

Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 (Россия) e-mail: root@chem.krasnoyarsk.su

Представлены результаты отработки комплексной технологической схемы, включающей производство очищенных зерен кедрового ореха и получение из их скорлупы углеродных сорбентов. Приведены данные по испытаниям эффективности отдельных стадий и узлов этой схемы, выполненные на укрупненных лабораторных, пилотных и опытнопромышленных установках. Получены зависимости, связывающие технологические параметры переработки скорлупы с обгаром и свойствами получаемых сорбентов.

Введение

Исследовательские и обзорные статьи по орехам кедра (Pinus sibirica Du Tour) до настоящего времени были посвящены преимущественно биохимическим характеристикам его семян, перспективам использования продуктов из них в медицинских, пищевых и технических целях [1]. При этом технологические аспекты производства таких продуктов в научной литературе освещены недостаточно. В частности, при переработке кедрового ореха на ядра или кедровое масло образуется скорлупа, составляющая в среднем 51-59% от веса исходного сырья [2]. Поэтому актуальность создания комплексной технологии, ориентированной на получение очищенных ядер кедрового ореха и активированного угля из его скорлупы, обусловлена следующими причинами:

• ядра и скорлупа составляют основную массу семян, и получение из них товарных продуктов делает переработку кедрового ореха практически безотходной;

• основная часть белков, жиров и углеводов ореха сосредоточена в его ядрах, которые имеют в России устойчивый рынок сбыта в качестве продукта питания, сырья для получения кедрового масла и высококалорийной витаминизированной муки;

• скорлупа кедрового ореха является перспективным сырьем для получения активированных углей [3, 4].

Данная статья посвящена рассмотрению основных технологических аспектов комплексной переработки семян кедрового ореха в упомянутые продукты.

Обоснование выбора технологической схемы

Поскольку товарные ядра орехов должны удовлетворять требованиям к экологически чистым пищевым продуктам, то в процессе их переработки нежелательно использование каких либо химических реагентов, высоких температур и других воздействий, которые могут привести к частичному разрушению белкововитаминного комплекса семян. По этой причине из всех возможных был выбран механический способ лу-

Автор, с которым следует вести переписку.

щения. Традиционные механические способы переработки семян относительно несложны и, как правило, включают дробление между вращающимися валками или жерновами. Испытания показали, что недостаток такого способа - низкий выход готового продукта. При среднем весе ядер в семенах 43% выход составлял менее половины указанной цифры. Устранить потери нам удалось применением ударного способа обработки, при котором обрушение скорлупы ореха происходит в момент его удара о мишень.

Полная схема комплексной переработки кедровых орехов, которую предполагается реализовать в перспективе, включает стадию получения из скорлупы экстрактивных веществ путем прокаливания скорлупы в течение 1.5-2 ч при 150°С для удаления неприятного запаха плесени, гнили, обеззараживания скорлупы и отгонки легких фракций эфирных масел, экстракции смол и кедрового масла из скорлупы, экстракции тани-дов. Поскольку эта стадия не вышла за рамки лабораторных исследований, в настоящей статье она не рассматривается.

Для термоактивации скорлупы и сжигания парогазовых продуктов в разрабатываемой технологии применяются установки с псевдоожиженным слоем. В промышленном масштабе такие установки используются для термоактивации антрацита [5]. Высокие коэффициенты межфазного теплообмена, свойственные псев-доожиженному слою, обеспечивают более высокую интенсивность процесса по сравнению с установками других типов. Вместе с тем в псевдоожиженном слое наблюдается высокий уровень механического разрушения сырья. При активации сравнительно непрочных отходов переработки древесины это превращается в трудноразрешимую проблему. Одним из способов ее решения является сокращение продолжительности активации и потерь продукта за счет введения в активирующий агент определенного количества кислорода [6].

Экспериментальная часть

На рисунке 1 изображена блок-схема комплексной переработки семян кедрового ореха. Стадия подготовки семян (I) включает в себя четыре этапа: (1) сушку семян, (2) их провеивание, (3) калибровку, (4) увлажнение скорлупы. На стадии лущения (II) происходит разрушение оболочки семян в центробежном дес-корификаторе (5), в барабанном сепараторе (6) - отделение скорлупы от ядер кедрового ореха и не обрушенных семян, далее проводят предварительную сушку ядер в конвекционном сушильном шкафу (7), затем отвеивание защитной пленки (8). На III этапе производят отбраковку ядер (9), их мойку (10), сушку (11) и упаковку (1 2).

Рис. 1. Технологическая блок-схема получения ядер кедрового ореха

Рис. 2. Принципиальная схема пилотной установки по термоактивации скорлупы кедровых орехов

Стадия получения активированного угля включает термоактивацию скорлупы (или твердого остатка после экстракции) при температуре 750-850°С смесью водяного пара и дымовых газов (рис. 2). Образующаяся парогазовая смесь используется в качестве топлива для производства водяного пара, необходимого для активации скорлупы. Твердые продукты представляют собой зерненный углеродный сорбент, который в зависимости от назначения может использоваться без дополнительной обработки, либо подвергаться отмывке от минеральных компонентов.

Большая часть экспериментов по термообработке скорлупы производилась на укрупненной лабораторной установке, моделирующей термические режимы промышленного аппарата термоактивации. Ее основной реактор был выполнен из нержавеющей стали и имел внутренний диаметр 43 мм и высоту 500 мм; температура в реакторе контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, показания которой выводились на прибор КСП-4. Реактор вертикально помещался в муфельную печь. Температура в реакторе регулировалась с помощью прибора РИФ - 1 путем изменения электрического тока в нагревательной спирали. Расход газов, подаваемых в реактор, задавался с помощью ротаметров, а перегретого пара - насосом-дозатором. Давление в реакторе составляло около 1 атм.

Скорлупа, использовавшаяся в экспериментах по получению углеродных сорбентов, имела следующие средние характеристики: содержание золы в расчете на сухую массу А* =0.77%; выход летучих веществ в расчете на органическую массу Ум = 55.6%; удельная поверхность - 0.3 м2/г; суммарный объем пор (по воде) 0.051 см3/г. Чтобы нивелировать колебания влажности образцов скорлупу перед загрузкой в реактор сушили при 105°С в течении 3 ч. Образцы активированного угля получали следующим образом. В реактор засыпали 100 г скорлупы кедрового ореха и нагревали со скоростью 0.5°С/с до температуры 600°С, после чего прокаливали при этой температуре в течение 30 мин. Далее повышали температуру в реакторе до температуры активации и начинали подачу активирующего газа. в качестве активирующего агента применялась газовая смесь, состоящая из водяного пара, азота и кислорода. После окончания опыта выгружали и взвешивали активированный уголь. Его характеристики определяли по стандартным методикам.

Обсуждение результатов

Получение очищенных ядер кедрового ореха

Фракционный состав семян и механические свойства кедрового ореха, поступающих крупными партиями на переработку, сильно варьируются как в зависимости от региональных и климатических характеристик зоны его заготовки, так и от технологии заготовки и первичной переработки. Большой разброс по физическим характеристикам заставляет уделять повышенное внимание первой стадии технологического процесса. Первичное провеивание и калибровка позволяют выделить орех с недоразвитыми ядрами и сор. Величина первичных отходов может колебаться от 3 до 15% от общего веса сырья. Очень большее значение имеет влажность поступающих на переработку семян, которая может варьироваться от 10 до 30%. Высокая влажность ядер при лущении приводит к их разрушению и потерям. Низкая влажность скорлупы увеличивает ее твердость и относительный объем ядер, что препятствует как лущению, так и последующему отделению ядер от скорлупы.

Поэтому при отработке промышленного процесса лущения кедровых орехов была найдена последовательность операций, включающих конвективную сушку орехов теплым воздухом до влажности ~10% и последующее кратковременное их увлажнение в течение 2-8 часов. Таким путем удается добиться при относительно низкой влажности ядер более высокой влажности скорлупы, что обеспечивает снижение ее прочности и увеличение относительного размера. В результате значительно улучшаются показатели сепарации готового продукта.

В течение ряда лет в полупромышленных условиях прошел апробацию струйный дескорификатор, который работает следующим образом. Семена кедрового ореха через эжекторный узел (рис. 3) поступают в ускорительную трубку, где с потоком воздуха приобретают скорость ~ 40 м/с и затем при ударе о мишень разрушаются. Сила удара в зависимости от прочности и эластичности скорлупы варьируется изменением скорости потока воздуха. Это позволяет сократить до минимума потери ядер при ударе. К недостаткам этого способа следует отнести сравнительно низкую производительность и низкий коэффициент полезного действия, поскольку низок КПД компремирования воздуха. Кроме того, существует необходимость очистки сжатого воздуха от паров компрессорного масла, которое в противном случае может попадать в пищевой продукт.

Поэтому для промышленной установки было использовано устройство, свободное от указанных выше недостатков, - многоканальный центробежный дескорификатор. Работает он следующим образом. Орех из-бункера подается дозатором на вращающийся с регулируемой угловой скоростью ю диск радиуса Я, где под действием центробежной силы распределяется по п радиальным каналам (рис. 4). За счет трения о стенки каналов семена приобретают на выходе линейную скорость, близкую к юЯ и затем при столкновении с мишенью обрушаются. Мишень представляет собой специально профилированное массивное стальное кольцо (рис. 4), удар о которое меняет направление движения семени на 90 градусов. Радиус кривизны мишени (кривая АВ с полюсом в точке вылета семян О) удовлетворяет уравнению логарифмической спирали. Благодаря профилированию угловой разброс в меридиональной плоскости вылетающих из каналов диска семян не влияет на силу удара о мишень.

Рис. 3. Пневматический струйный дескорификатор. орех из дозатора засасывается через эжекторный узел в трубку, где разгоняется потоком воздуха. В момент удара о мишень происходит его обрушение. Ядра и скорлупа выносятся воздухом в приемник

Рис. 4. Центробежный дескорификатор. Орех из дозатора подается в центр вращающегося ускорительного диска, где распределяется по радиальным каналам и, приобретая в них линейную скорость, близкую к юЯ, ударяется о кольцевую мишень и обруша-ется

Эта сила определяется нормальной к мишени составляющей импульса семени и временем столкновения. В свою очередь, время столкновения зависит от упругости скорлупы семени, т.е. от его влажности и ориентации в момент столкновения. Указанное выше профилирование и размеры ускорительных каналов позволили снизить разброс по силе удара, благодаря этому сократить потери и поднять производительность. Выход готового продукта при использовании высушенных здоровых семян удалось поднять до 30-33%, а производительность дезинтегратора - до 150-200 кг перерабатываемого сырья в час.

Смесь ядер, необрушенных семян и скорлупы из центробежного дескорификатора поступает на барабанные сепараторы, где они разделяются между собой. Семена возвращаются в цикл, а ядра поступают на предварительную сушку. С высушенных ядер удаляется приплодная пленка, и они подвергаются переборке, в процессе которой отделяются прогорклые и нецелые ядра. Таких ядер, как показывает практика, набирается в зависимости от условий сбора, переработки, хранения и лущения семян от 5 до 20-25%. После этого товарные ядра поступают на мойку и окончательную сушку до влажности менее 3%. Сухие ядра могут длительное время храниться на открытом воздухе практически без потери своих товарных качеств.

Получение углеродных сорбентов из скорлупы кедровых орехов

Поскольку условия получения угля-сырца во всех экспериментах поддерживались одинаковыми, то основными технологическими параметрами, влияющими на выход и свойства конечного продукта, были выбраны: температура активации, продолжительность процесса, концентрации кислорода и водяного пара в активирующем газе на входе в реактор. В качестве характеристики сорбционных свойств получаемых продуктов использовалась широко применяющаяся в литературе сорбционная активность по йоду [7].

Диапазон изменения основных управляющих параметров процесса активации углеродных сорбентов был выбран по литературным данным [5] и составил: температура - от 750 до 900°С, продолжительность процесса - от 15 до 60 мин, концентрация водяного пара - от 0 до 100%, кислорода - от 0 до 6%. В качестве выходных характеристик процесса использовались обгар и сорбционная активность получаемого продукта по йоду. В данной работе обгар образца в процентах рассчитывался по формуле:

д = 100х(34 -Шк)/34,

где 34 - выход твердого остатка (полукокса) в процессе пиролиза скорлупы при температуре 600°С в течение 30 мин, тк- выход конечного продукта в конкретном опыте.

Таким образом, обгар характеризует в основном убыль массы образца за счет его взаимодействия с газообразным активирующим агентом, без учета реакций пиролиза.

На рисунках 5, 6 представлены данные, иллюстрирующие взаимосвязь между управляющими параметрами процесса активации и обгаром образцов, который, как известно, является интегральным показателем степени обработки образцов. Представленные результаты свидетельствуют, что зависимости обгара от температуры активации, концентрации кислорода в активирующем агенте и продолжительности процесса близки к линейной. Исключение составляет зависимость обгара от концентрации водяного пара в активирующем агенте (рис. 6, кривая 1), которая выходит на плато при концентрации пара более 80%.

Однако, для практических целей более интересен диапазон 20-60%, который соответствует составу активирующего агента, получаемого в промышленных условиях смешением дымовых газов и водяного пара, где эта зависимость близка к линейной. Поэтому для описания зависимости обгара от четырех основных режимных параметров было использовано уравнение линейной множественной регрессии, коэффициенты в котором рассчитывались методом наименьших квадратов:

Температура, °С 700 800 900

Концентрация кислорода, %

Рис. 5. Зависимости обгара образца от температуры активации и концентрации кислорода Кривая 1 - зависимость обгара образца от температуры

Концентрация водяного пара, %

Рис. 6. Зависимость обгара образца от концентрации водяного пара и продолжительности процесса активации

Кривая 1 - зависимость обгара образца от концентрации водяного пара в активирующем агенте

П = -372 + 0.464Т + 0.2921 + 0.369[Н20] + 1.148[02], где Т - температура, °С; 1 - продолжительность активации, мин; [Н20] и [02] - концентрации водяного пара и кислорода в активирующем агенте, %об.

Зависимость сорбционной активности по йоду от обгара для широкого диапазона технологических параметров представлена на рисунке 7. Сорбционная активность по йоду получаемых образцов изменялась от 10 до 85% в зависимости от условий обработки (рис. 7). Например, при обгаре 40-50% диапазон сорбционной активности по йоду составил 42-67%. Наиболее высокие значения сорбционной активности (85%) были получены при обгаре 70%. Эти результаты доказывают, что данный метод активации позволяет получать из скорлупы кедровых орехов продукты с сорбционной активностью на уровне промышленных марок сорбентов.

Рис. 7. Зависимость сорбционной активности по йоду сорбентов из скорлупы кедровых орехов от степени обгара (изменение обгара обусловлено изменением следующих параметров: температура от 800 до 900оС, продолжительность активации 30-45 мин. Концентрация кислорода в активирующем агенте от 0 до 4% об., концентрация водяного пара от 50 до 100 %об., остальное до 1 00% азот).

Обгар, %

Выводы

Разработана технологическая схема комплексной переработки кедрового ореха, включающая производство очищенных зерен кедрового ореха и получение из скорлупы орехов углеродных сорбентов. Показано, что оптимальные условия лущения орехов достигаются после их сушки и кратковременном последующем увлажнении. В ходе полупромышленных испытаний установлено, что среди испытанных типов аппаратов для лущения орехов лучшие результаты достигаются при использовании многоканального центробежного дескорификатора. Получены зависимости, связывающие технологические параметры переработки скорлупы с обгаром и свойствами получаемых сорбентов. Исследовано влияние параметров парогазовой активации на выход и конечные свойства активированного угля. Установлены зависимости, связывающие обгар образца с основными режимными параметрами процесса активации. Показано, что при степени обгара 40-70% сорбционная активность по йоду получаемых продуктов составляет 50-80%, что соответствует уровню промышленных сорбентов из древесного сырья.

Список литературы

1. Лесная энциклопедия. Т. 1. М. 1986. 563 с.

2. Семена кедра сибирского / Под ред. Н.Е. Судачковой. Новосибирск. 1989. 129 с.

3. Kienle V.H. and Bader E. Aktivkohle und ihre IndustrielleAnwendung. Stuttgart, 1980. 244 p.

4. Оффан К.Б., Петров В.С., Ефремов А.А. Закономерности пиролиза скорлупы кедровых орехов с образованием древесного угля в интервале температур 200-500°С // Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 61-64.

5. Махорин К.Е., Глухоманюк А.М. Получение углеродных адсорбентов в кипящем слое. Киев. 1983. 286 с.

6. Щипко М. Л., Янголов О.В., Кузнецов Б.Н. Патент № 2051096 РФ, МКИ6 С 01 В 31/08. Способ получения активированного угля. Опубл. 27.12.95. Бюл. № 36.

7. Колышкин Д.А., Михайлов К.К. Активные угли. М.: 1972. 48 с.

Поступило в редакцию 2 марта 2000 года