УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКТА ИЗ МЫЛЬНЯНКИ ЛЕКАРСТВЕННОЙ

Полезная модель относится к техническим средствам, предназначенным для извлечения водорастворимых веществ из твердых тканей растительного происхождения, в частности мыльнянки лекарственной, путем экстрагирования из нее целевого продукта, который может быть использован в фармацевтической и пищевой промышленности.
Многолетнее травянистое растение мыльнянка лекарственная (Saponaria officinal L.) относится к семейству гвоздичных и является ценным природным источником сапонинов - водорастворимых веществ, используемых для производства шипучих вин, напитков, халвы, майонезов, кремов. Экстракт из корней мыльнянки лекарственной является классическим пенообразователем, придающим изделию характерную структуру.
Существующие конструкции установок для производства экстракта из твердых тканей растительного происхождения, в том числе мыльнянки лекарственной, имеют различные варианты технической реализации, однако основными их элементами являются: устройство для загрузки сырья, экстракторный агрегат, емкость для приемки экстракта, устройство для выгрузки отходов и технологические трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами контроля.
Процесс производства экстракта из мыльнянки лекарственной значительно отличается от процесса экстракции других видов сырья растительного происхождения и имеет свои характерные особенности. В частности, в период экстракции должен поддерживаться определенный температурный режим в рабочей полости экстрактора. Максимальное количество экстрагируемых веществ из обрабатываемого сырья с содержанием в целевом продукте сухих веществ в пределах 7-10% за относительно короткий промежуток времени можно получить только при активной послойной гидромеханической турбулизации потоков жидкой фазы. Получить эффект послойной турбулизации на экстракторах с лопастными мешалками не представляется возможным, поэтому экстракционные установки существующих конструкций без значительной реконструкции не целесообразно использовать для экстрагирования мыльнянки лекарственной. Требуется разработка специализированной установки, что и было реализовано в представленной полезной модели установки для производства экстракта из мыльнянки лекарственной.
Известна установка для выделения экстрактов из твердых материалов растительного происхождения, в частности из семян злаковых культур, содержащая устройство для загрузки сырья, экстракционный агрегат (диффузор), емкость для приема экстракта, устройство для выгрузки отходов и технологические трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами
контроля (В.П.Стабников и др. Процессы и аппараты пищевых производств. - «Пищевая промышленность», 1990 г., с 617-618).
Характеризуя указанный тип установки, следует отметить несовершенство конструкции ее устройств для загрузки сырья и выгрузки отходов, так как требуются большие затраты ручного труда при их использовании. Наличие только одного экстрактора в технологической схеме установки усложняет ее эксплуатацию, снижает производительность и качество производимого продукта, увеличивает потери экстрагируемого сырья, частицы которого нередко выгружаются вместе с последними порциями экстракта. Использование лопастной мешалки в качестве турбулизатора жидкой фазы, значительно усложняет конструкцию экстрактора, требует применение надежного сальникового уплотнителя и достаточно мощного электропривода с механическим редуктором для понижения числа оборотов, приводимого во вращения вала, что увеличивает металлоемкость аппарата и удельный расход электроэнергии.
Наиболее близкой по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является установка типа «УЭ-30» для производства экстракта из мыльнянки лекарственной, содержащая устройство для загрузки сырья, экстракционный агрегат, емкость для приема экстракта, устройство для выгрузки отходов и технологические трубопроводы с трубопроводимой арматурой и приборами контроля (Установка для производства экстракта из мыльнянки лекарственной «УЭ-30». Технологическая схема экстракционной установки УЭ-30, чертеж УЭ-30.01. ООО СТ, КБ НПО ОАО «Радуга» г.Новосибирск, 1997).
Однако данная установка имеет ряд недостатков конструктивного и эксплуатационного характера. К ним относятся: низкая производительность (30 л/час) при повышенном расходе экстрагента (воды), наличие негативных последствий, влияющих на качество производимого продукта, вызванных отсутствием соответствующей подготовки воды, значительная доля ручного труда и потерь экстрагируемого сырья, несовершенство конструкции экстракционного агрегата, в частности его турбулизирующего устройства, невозможность объективно влиять на процесс экстрагирования, большие удельные энергозатраты.
Низкая производительность и большая доля ручного труда в значительной степени обусловлена тем обстоятельством, что экстракционный агрегат в своем составе имеет только один экстрактор, он же выполняет функцию аппарата для замачивания сырья, а выгрузка отходов производится вручную, при этом использование одного и того же экстрактора для получения продукта различных ступеней экстракции увеличивает время технологического процесса. Применение в качестве механического активатора (турбулизатора) широколопастной роторной мешалки, приводимой во вращение электроприводом с постоянной частотой вращения приводного вала мотор-редуктора (установленного на крышке редуктора), не позволяет регулировать на различных этапах
технологического процесса режимы турбулизации жидкой фазы за счет изменения числа оборотов активатора. Кроме того, его лопасти при вращении частично разрушают обрабатываемый материал, измельчая его, особенно в нижней зоне экстрактора, примыкающей к фильтрующей перегородке. Это приводит к засорению ее отверстий и блокировке участков фильтрующей поверхности, уменьшая тем самым пропускную способность, увеличивая расход экстрагента и энергозатраты, и, как следствие - к понижению производительности установки.
Отсутствие объемного отстойника и использование системы фильтров для очистки экстракта от взвешенных частиц понижает интенсивность осветления экстракта и удлиняет технологический процесс на стадии выпуска продукции. А отсутствие специального оборудования для обработки воды, используемой в качестве экстрагента, отрицательно сказывается на качестве производимого продукта и сокращает сроки его хранения.
Задача полезной модели - повышение производительности при минимальном расходе экстрагента и удельных энергозатрат, улучшение качественных характеристик целевого продукта, обеспечение оптимального режима технологического процесса, сокращение доли ручного труда.
Поставленная задача реализуется тем, что в известной установке для производства экстракта из мыльнянки лекарственной, содержащей устройство для загрузки сырья, экстракционный агрегат, емкость для приема экстракта, устройство для выгрузки отходов и технологические трубопроводы с трубопроводной арматурой и приборами контроля, согласно заявленного технического решения перед экстракционным агрегатом установлен аппарат с термостатической рубашкой для влаго-термической обработки сырья, а сам агрегат имеет как минимум два экстрактора, установленных на разных уровнях по высоте и соединенных друг с другом последовательно. При этом устройство для загрузки сырья в первый экстрактор, выполненное в виде шнекового транспортера-дозатора с регулируемой частотой вращения шнека, посредством приемного патрубка присоединено к разгрузочному патрубку вышеупомянутого аппарата, а нагнетательный патрубок - к приемному патрубку первого экстрактора. Кроме того, оба экстрактора снабжены струйными водяными коллекторами, расположенными рядами по периметру их корпусов, которые выполняют функцию турбулизаторов потока жидкой фазы, а между экстракционным агрегатом и накопительной емкостью установлен отстойник для осаждения твердых частиц из экстракта и, как минимум, две промежуточные емкости для сбора экстракта различной концентрации. Экстрагент и вода, используемая для предварительного замачивания сырья, проходит специальную подготовку путем ее фильтрации и стерилизации.
Отличительные признаки - наличие в установке в начале технологической цепочки специального аппарата для влаго-термической обработки сырья перед загрузкой в экстракционный агрегат значительно сокращает время рабочего цикла на производство целевого продукта. Аппарат, кроме того, выполняет функцию резервной емкости, позволяющей
осуществлять технологический процесс непрерывно - пока на агрегатах установки осуществляется рабочий цикл, в его рабочую полость загружается, а затем обрабатывается очередная порция сырья.
Загрузка сырья в экстракционный агрегат осуществляется механическим способом - шнековым транспортером-дозатором, а выгрузка отходов - шнековым транспортером с минимальными затратами рабочего времени.
Наличие как минимум двух экстракторов в экстракционном агрегате позволяет сделать его систему коммуникаций замкнутой, что дает возможность периодически отключать один из экстракторов от циркуляционной системы, освобождать его от полностью истощенного материала и заполнять свежим, а затем вновь включать в систему циркуляции. Замкнутый характер процесса, как в экстракционном агрегате, так и в остальных системах установки позволяет сохранить все экстрактивные, в том числе и летучие, вещества, что улучшает качество продукта и снижает потери. Использование в экстракторах струйных водяных коллекторов, расположенных рядами по периметру их корпусов, позволяет производить турбулизацию потоков жидкой фазы послойно, придавая им вращательное движение. Это обеспечивает лучшие гидромеханические условия процесса, так как все поверхности частиц материала участвуют в процессе экстрагирования, что повышает качество экстракции и производительность установки.
Наличие перед фильтром в системе приема экстракта объемного отстойника, обогреваемого термостатической рубашкой, позволяет еще до фильтра в значительной степени очистить экстракт от твердых частиц, предотвращая фильтр от быстрого засорения и частой очистки. А наличие в системе трех сливных емкостей, две из которых промежуточные, позволяет раздельно сливать в них экстракт различных этапов экстракции или, сливая поочередно в общую приемную емкость, купажировать целевой продукт определенной концентрации с заданным процентным содержанием сапонинов.
Вода, используемая в качестве экстрагента, проходит специальную обработку путем ее фильтрации и стерилизации, что исключает обсеменение целевого продукта вредной микрофлорой в процессе рабочего цикла, улучшая тем самым качество продукта и продлевая сроки его хранения.
На фиг.1 изображена принципиальная схема установки для производства экстракта из мыльнянки лекарственной.
Установка для производства экстракта из мыльнянки лекарственной содержит экстракционный агрегат, состоящий из двух экстракторов, экстрактора 1 (первой ступени экстракции) и экстрактора 2 (второй ступени экстракции), установленных на разных уровнях по высоте и соединенных друг с другом последовательно посредством перепускного патрубка 3 и шлюзового затвора 4. Корпуса экстракторов представляют из себя цилиндрические емкости с технологическими патрубками, внутри каждой из которых в нижней части над днищем (зона стечки экстракта) установлена
наклонная фильтрующая перегородка 5, состоящая из перфорированного металлического листа с установленной на нем мелкоячеистой сеткой. По периметру корпусов обеих экстракторов рядами располагаются водяные струйные коллекторы 6, кольцевые полости которых посредством сквозных отверстий 7 в корпусах экстракторов сообщаются с рабочими полостями. При этом коллекторы 6 могут функционировать независимо друг от друга в автономном режиме, для чего каждый снабжен вентилем 8. Сливные патрубки 9 и 10 экстракторов посредством вентилей 11 и 12 соединены с циркуляционными насосами 13 и 14, а нагнетательные патрубки 15 и 16 посредством вентилей 17 и 18 присоединены к магистральному водопроводу. Устройство 19 для выгрузки отработанного сырья из экстрактора 2 выполнено в виде шнекового транспортера, присоединенного к разгрузочному патрубку 20 экстрактора 1 посредством переходника 21, который снабжен винтовой задвижкой 22.
С боку над экстрактором 1 установлен аппарат 23, снабженный термостатической рубашкой обогрева 24, предназначенный для предварительной влаго-термической обработки (замачивания) подготовленной к экстракции мыльнянки лекарственной. К выпускному патрубку 25 аппарата 23 посредством приемной воронки 26 присоединено загрузочное устройство 27, предназначенное для подачи сырья в рабочую полость экстрактора 1 посредством промежуточной вставки 28 и патрубка 29. При этом между патрубком 25 и приемной воронкой 26, а так же вставкой 28 и 29 смонтированы винтовые задвижки 30 и 31 соответственно.
Для осаждения твердых частиц из произведенного экстракта установка снабжена отстойником 32 с термостатической рубашкой обогрева 33, которая вместе с термостатической рубашкой 24 аппарата 23 посредством технологических трубопроводов подачи конденсата и установленных на них вентилей 34, соединены с конденсатоотводчиком 35 и паровой рубашкой теплообменника 36. В верхней части отстойника 32 расположен приемный патрубок 37 для заливки в рабочую полость отстойника полученного экстракта, а в нижней - патрубок 38, к которому последовательно присоединены центробежный насос 39 фильтр 40.
Для сбора экстракта установка снабжена тремя приемными емкостями, две из которых 41 и 42, соединенные с насосом 39 посредством фильтра 40 технологическими трубопроводами, являются промежуточными, а емкость 43, соединенная со сливными патрубками емкостей 41 и 42 является накопительной. Накопительная емкость 43 снабжена центробежным насосом 44, всасывающий патрубок которого присоединен к сливному патрубку накопительной емкости 43, а нагнетательный - к перепускному трубопроводу 45 и трубопроводу 46, предназначенному для расфасовки произведенного продукта в более мелкую тару.
Система водоподготовка экстрагента состоит из последовательно соединенных друг с другом водяного центробежного насоса 4, фильтра 48, стерилизатора 49 с бактерицидными ультрафиолетовыми лампами и тонкослойного трубчатого теплообменника 36 с паровой рубашкой обогрева.
Технологические трубопроводы и аппараты снабжены приборами контроля: манометрами 50, термометрами 51 и указателями уровня жидкости 52.
Разводка технологических трубопроводов конструктивно выполнена таким образом, что, переключая на них по определенной схеме те или иные вентили, можно осуществлять работу различных технологических участков и узлов установки по наиболее оптимальному режиму, например по замкнутому контуру. Для этого в систему трубопроводов, кроме вышеперечисленной трубопроводной арматуры, установлены функциональные вентили 53, 54, 55, 56 и 57, а так же обратный клапан 58, который работает в автоматическом режиме.
Установка для производства экстракта из мыльнянки лекарственной работает следующим образом.
Мыльнянка лекарственная, очищенная от посторонних примесей, промытая и измельченная укладывается в аппарат 23 и заливается водой, прошедшей специальную обработку путем ее фильтрации и стерилизации. Вода, поступающая из водоотводной сети, нагнетается центробежным насосом 47 в рабочую полость аппарата 23, проходя при этом через фильтр 48, в котором она очищается от взвешенных частиц, стерилизатор 49, в котором она обеззараживается, облучаясь бактерицидными ультрафиолетовыми лампами и тонкослойный теплообменник 36, в котором она нагревается до температуры 80°С. Заливка воды в аппарат 23 производится при открытом вентиле 53, остальные вентили в системе подачи воды при этом перекрываются. Сырье, замоченное горячей водой, поглощая влагу, постепенно набухает, увеличиваясь в объеме, что в дальнейшем ускоряет процесс экстрагирования, так как с момента заливки сырья водой уже начинается в определенной степени процесс извлечения из него водорастворимых веществ. Для того, что бы процесс набухания происходил ускоренно и равномерно по всему объему уложенной сырьевой массы в рабочей полости аппарата 23, посредством термостатической рубашки 24 поддерживается необходимая температура (70-80°С), при этом в качестве теплоносителя используется конденсат, выходящий из паровой рубашки теплообменника 36. Этим же конденсатом посредством термостатической рубашки 33 обогревается и отстойник 32. Температурный режим в аппарате 23 и отстойнике 32 контролируется термометрами 51, при этом регулировка температуры осуществляется вентилями 34 путем увеличения или уменьшения количества конденсата, циркулирующего в их термостатических рубашках.
Технология выделения экстракта из мыльнянки лекарственной по заявленной установке предусматривает ее обработку как минимум в двух экстракторах.
После завершения процесса влаго-термической обработки сырья открывается задвижка 30 на аппарате 23 и задвижка 31 на экстракторе 1. Включается электропривод шнекового транспортера-дозатора 27 и сырьевая масса, захватываемая вращающимся шнеком, через вставку 28 и патрубок 29
перегружается в экстрактор 1, при этом возможность регулирования скорости вращения шнека позволяет загрузить полость экстрактора равномерно по всему ее рабочему объему в заданном количестве. По окончании процесса загрузки задвижки 30 и 31 закрываются, а аппарат 23 заполняется очередной порцией сырья, после чего процесс его влаго-термической обработки повторяется аналогично вышеизложенному.
После загрузки экстрактора 1, помещенное в него сырье заливается горячей водой, для чего на технологическом трубопроводе закрывается вентиль 53 и 57, а вентили 8 на коллекторах 6 открываются. Вода через отверстия 7 заполняет полость экстрактора до необходимого уровня, после чего начинается этап первичного экстрагирования, который длится не менее одного часа. В процессе экстрагирования экстракт движется сверху вниз, проходит через фильтрующую перегородку 5 и накапливается в пространстве между перегородкой и днищем экстрактора.
Использование в качестве экстрагента горячей воды позволяет значительно увеличить коэффициент диффузии и массоотдачи экстрагируемого вещества в частицах растительного сырья, в частности мыльнянки лекарственной, повышая концентрацию сапонинов в экстракте. Однако увеличение температуры экстрагента выше определенного уровня может привести к ухудшению качества получаемого экстракта, либо изменению физических свойств частиц сырья, потере ими упругих свойств и в результате ухудшение условий массоотдачи. В частности, максимальная температура воды для экстракции мыльнянки лекарственной не должна превышать 95°С и должна строго контролироваться по показаниям термометра.
После завершения первичного этапа экстрагирования осуществляется его активный этап, который длится до трех часов и производится путем периодической гидродинамической турбулизации потоков жидкой фазы внутри экстрактора. Для этого открываются вентили 11, 54 и 55 на технологическом трубопроводе экстрактора 1, а вентиль 56 закрывается. Включается насос 13 и жидкая фаза, проходя через фильтрующую перегородку 5, коллектор 6 и теплообменник 36, начинает циркулировать по замкнутому кругу. При этом струи воды, выходящие рядами из отверстий 7 по касательной к внутренней поверхности корпуса экстрактора, за счет их кинетической энергии создают вращательное движение компонентов, находящихся в рабочем объеме экстрактора 1. Таким образом, происходит послойная обработка сырья и турбулизация потоков жидкой фазы, что способствует интенсификации процесса экстракции мыльнянки лекарственной и, как следствие, значительному сокращению времени технологического процесса и улучшению качества продукта.
По завершению процесса экстракции в экстракторе 1 закрывается вентиль 55, а вентиль 56 на выпускном патрубке 37 отстойника 32 открывается и полученный экстракт первой ступени экстракции (с максимальным содержанием сапонинов) насосом 13 перекачивается в отстойник 32. В этом отстойнике происходит осаждение твердых частиц,
которые организуют осадок, периодически удаляемый из его полости в специальный сборник. После отстоя осветленный экстракт насосом 39 через фильтр 40 закачивается в промежуточную емкость 41.
В сырьевой массе, оставшейся после слива экстракта из экстрактора 1, содержится некоторая доля экстрагируемого компонента (сапонина) и для более глубокой ее переработки она из экстрактора 1 посредством перепускного патрубка 3 перегружается в экстрактор 2. Для этого открывается шлюзовой затвор 4, включается насос 13 и струями воды, выходящими из отверстий 7, сырьевая масса сбрасывается в рабочую полость экстрактора 2, после чего шлюзовой затвор 4 закрывается. Далее открывается клапан 57, расположенный на технологическом трубопроводе подачи экстрагента и вентили 8 на водяных коллекторах 6 экстрактора 2, после чего вода заполняет до необходимого уровня рабочую полость экстрактора и процесс экстракции начинает осуществляться в той же последовательности, как и в экстракторе 1.
Полученный экстракт (второй ступени экстракции) насосом 14 перекачивается в отстойник 32, при этом вентили 12 и 56 должны быть открыты, а вентили 54 и 55 закрыты. После отстоя этот экстракт насосом 39 через фильтр 40 закачивается в промежуточную емкость 42, при этом вентиль на приемном патрубке емкости 41 должен быть перекрыт. Оставшиеся после экстракции в рабочей полости экстрактора 2 отходы смываются струями воды, выходящими из отверстий его водяных коллекторов 6 и, проходя через выпускной патрубок 20, открытую задвижку 22 и переходник 21 разгрузочным устройством 19 удаляются из нее.
Из промежуточных емкостей 41 и 42 экстракт поочередно сливается в накопительную емкость 43 из которой насосом 44 подается на фасовку в более мелкие емкости или тару, в которых транспортируется на склад или в производственный цех. Однако, при необходимости, экстракт первой и второй экстракции из промежуточных емкостей 41 и 42 может быть весь или в определенных пропорциях слит в накопительную емкость 43. Это происходит в тех случаях, когда необходимо получить экстракт с заданным процентным содержанием сапонинов для выработки определенного вида продукции или, когда по регламенту производственного цикла некоторая часть произведенного экстракта из накопительной емкости 43 перепускается в аппарат 23. Делается это, например, при необходимости получения на выходе технологического цикла экстракта с повышенным содержанием сапонинов, а так же при проведении ремонтных работ или профилактических мероприятий на установке.
В процессе эксплуатации экстракторов их фильтрующие перегородки 5 забиваются частицами сырья, поэтому после завершения каждого этапа работ перегородки должны тщательно прочищаться и промываться. Процесс этот осуществляется путем подачи через открытые вентили 17 и 18 и нижние технологические патрубки 15 и 16 экстракторов 1 и 2 воды под избыточным давление 4-5 атм в пространство между днищем и фильтрующей перегородкой экстракторов. Под напором воды забившиеся отверстия легко
продавливаются, а фильтрующие перегородки 5 очищаются, после чего использованная вода отводится в канализацию производственного цеха.