УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ПОВЫШЕНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Полезная модель относится к установкам для комплексной переработки возобновляемого растительного сырья, в которых экстракционными методами выделяются нативные растворимые компоненты растительного сырья для производства пищевых и кормовых продуктов и производятся лигноцеллюлозные субстраты с высокой реакционной способностью для их дальнейшей микробиологической конверсии с целью получения кормовых добавок, биотоплива или сырья для химической промышленности.
Комплексная переработка возобновляемого растительного сырья предполагает максимально полное использование его компонентов, выделенных в нативной форме. Для получения нативных форм растворимых компонентов растительного сырья (биологически активные вещества, полисахариды, масла, смолы) используются водные и водоэтанольные растворители при щадящих температурных режимах не выше 50°С. Биомасса растительного сырья, остающаяся после выделения растворимых компонентов, содержит, в основном, лигноцеллюлозные компоненты (более 50%). Указанные компоненты рассматриваются как основные виды возобновляемого сырья для получения жидкого биотоплива и других продуктов для химической промышленности методами биотехнологии. Переработка возобновляемого растительного сырья с использованием микробиологических технологий без предварительной подготовки, затруднена в связи с большим содержанием в исходном сырье биологически активных веществ, которые существенно замедляют микробиологические процессы. Кроме того, структура растительного сырья пористая, обладает низкой реакционной способностью, для повышения которой применяют различные методы механических и механохимических воздействий.
В установках для экстрагирования растительного сырья для активации процесса экстракции применяются устройства механического, гидравлического, пневматического, температурного воздействия на исходное сырье в процессе экстракции с целью интенсификации массообмена между жидким растворителем и твердой фазой сырья.
Известна установка (US 6,076,537, публ. 20.06.2000) в которой осуществляется экстракционная очистка сырья при пониженном давлении, причем величина остаточного давления в емкости для экстракции поддерживается управляющим блоком - контроллером на заданном уровне. По командам контроллер включается вакуумный насос для понижения давления в емкости или включается клапан, соединяющий емкость с атмосферой, для повышения давления. Выбираемое значение вакуума определяется точкой кипения применяемого растворителя, кипение которого интенсифицирует процесс экстракции. Однако кипение растворителя и интенсификация процесса экстракции веществ происходит, в основном, на поверхностных слоях сырья. Вещества, находящиеся в порах, практически не подвергаются воздействию при кипении, так как растворитель незначительно проникает в поры. Кроме того, при испарении и отводе паров растворителя повышается концентрация экстрагируемых веществ, накапливающихся в экстракте, что замедляет диффузные процессы экстрагирования. Другим недостатком установки является то, что она рассчитана только на ручную загрузку исходного сырья и выгрузку нерастворимых компонентов.
Известен способ экстракции полезных веществ из растительного сырья (патент RU 2213606, опубл. 10.10.2003) в котором для ускорения процесса и увеличения выхода экстракта, используется способ скоростного (вакуум-импульсного) вакуумирования герметизируемой емкости для экстракции с размещенными в ней сырьем и растворителем. Растительное сырье и растворитель предварительно дегазируются вакуумными импульсами определенной длительности и нагреваются. Время выдержки сырья и растворителя под остаточным вакуумом выбирается с учетом кинетики процесса дегазации. Процесс экстракции также осуществляется при скоростном (вакуум-импульсном) вакуумировании и выдержке сырья под остаточным вакуумом в емкости для экстракции определенное время. После выдержки давление в емкости для экстракции повышается до атмосферного давления. Недостатком является то, что для достижения полноты извлечения компонентов требуется повышать число циклов вакуум-импульсного воздействия, приводящее к увеличению длительности процесса экстрагирования.
Известен способ экстрагирования материалов и устройство для его осуществления, (патент RU 2382669, публ. 27.02.2010) принятое в качестве прототипа. Устройство использует термо-вакуум-импульсный способ экстрагирования и содержит две емкости для экстракции, дефлегматор, емкость для растворителя, сборник экстракта, шнековый дозатор, подогреваемые вальцы, сетчатый контейнер, вакуумные фильтры, вакуумный ресивер и вакуумный насос, а также вакуумный и жидкостной трубопроводы. Эффект ускорения процесса экстракции в установке достигается применением подогреваемых вальцов, с помощью которых исходное сырье под воздействием сдвиговых деформаций измельчается, смешивается и предварительно экстрагируется. Жом сырья после вальцов подается в сетчатые контейнеры, которые помещаются в емкости для экстракции. Такое решение позволяет сократить время проведения процесса экстракции за счет частичного механического разрушения структуры сырья, в связи с этим повышается его реакционная способность.
Недостатком указанного технического решения является то, что после скоростного вакуумирования, во время выдержки емкости для экстрагирования под вакуумом, эффективность процесса экстракции быстро снижается. Это объясняется тем, что при кипении растворителя давление паров в емкости для экстракции возрастает и кипение прекращается. В первую очередь это происходит внутри экстрагируемого материала, в капиллярах растительного сырья, где концентрация растворимых веществ выше и температура парообразования выше. Давление паров в капиллярах становится меньше, чем во внешней среде и капилляры сырья заполняются не свежим растворителем, а раствором экстракта еще до открытия клапана связи емкости для экстракции с атмосферой. Сброс вакуума при открытии клапана связи емкости с атмосферой завершает цикл вакуумно-импульсного экстрагирования, следующий цикл которого начинается уже с ненулевой концентрацией экстрагируемых веществ в растворителе, что снижает скорость диффузии целевых компонентов сырья в объем растворителя в последующих циклах и требует повышения модуля растворитель-сырье. Кроме того, эффективность работы установки снижена необходимостью ручной операции загрузки контейнеров с жомом сырья в емкости для экстракции.
Технический результат заключается в повышение эффективности процесса экстракции за счет ускоренного отвода раствора экстрактов от экстрагируемого сырья после скоростного вакуумирования в процессе кипения растворителя и подвода свежего растворителя к сырью для его пропитки, а также в обеспечении автоматического транспортирования сырья и продуктов по стадиям технологического процесса.
Технический результат достигается тем, что установка для экстрагирования растительного сырья и повышения реакционной способности лигноцеллюлозных компонентов, включающая емкость для исходного сырья, емкость для растворителя, дефлегматор, соединенный трубопроводом с управляемым клапаном с емкость для экстракции и с каплеотделителем, вакуумный ресивер, соединенный с вакуумным насосом и с каплеотделителем, накопительную емкость для экстракта, блок управления, трубопроводы с управляемыми клапанами, содержит компрессор, соединенный с ресивер сжатого воздуха, шлюзовую камеру для загрузки растворителя или растительного сырья в емкость для экстракции, шлюзовую камеру для отвода экстракта, шлюзовую камеру для выгрузки нерастворимых лигноцеллюлозных компонентов растительного сырья, емкость для транспортной жидкости, накопительную емкость нерастворимых компонентов сырья, приэтом ресивер сжатого воздуха соединен трубопроводами с управляемыми клапанами с емкостью для растворителя, с емкостью для транспортной жидкости, со шлюзовой камерой для загрузки исходного сырья или растворителя, с емкостью для экстракции, со шлюзовой камерой для отвода экстракта и с накопительной емкостью для экстракта, а емкость для растворителя соединена трубопроводами с управляемыми клапанами с емкостью для исходного сырья и со шлюзовой камерой для загрузки исходного сырья или растворителя, выход которой соединен трубопроводом с управляемым клапаном с емкостью для экстракции, а емкость для транспортной жидкости соединена трубопроводом с управляемым клапаном с емкостью для экстракции, выход которой через разделительный фильтр соединен трубопроводами с управляемыми клапанами со шлюзовой камерой для выгрузки нерастворимых лигноцеллюлозных компонентов растительного сырья и со шлюзовой камерой для отвода экстракта, выходы которых трубопроводами с управляемыми клапанами соединены соответственно с накопительной емкостью нерастворимых компонентов сырья и накопительной емкостью для экстракта, приэтом дефлегматор соединен трубопроводами с управляемыми клапанами со шлюзовой камерой для загрузки растворителя или растительного сырья, со шлюзовой камерой для отвода экстракта, со шлюзовой камерой для выгрузки нерастворимых лигноцеллюлозных компонентов растительного сырья и с накопительной емкостью для экстракта.
Ускорение отвода экстракта в емкость для экстракта достигается под воздействием скоростного повышения давления в процессе вакуумного кипения, а отводимый экстракт замещается свежим растворителем при скоростном вакуумировании.
Таким образом, реализуемое в установке воздействие на сырье скоростного вакуумирования и импульсного повышения давления позволяет ускорить процессы экстракции и обеспечивает транспортирование сырья и продуктов по стадиям технологического процесса.
На фиг.1 представлена установка экстрагирования растительного сырья и повышения реакционной способности лигноцеллюлозных компонентов (далее установка).
Установка содержит емкость 1 для исходного сырья, в которую подается измельченное растительное сырье, емкость для растворителя 2, ресивер 3 сжатого воздуха, соединенный с компрессором 4. Вакуумный насос 5 поддерживает заданный уровень остаточного давления в ресивере 6 вакуума. Ресивер 6 трубопроводом с управляемым клапаном сообщен через каплеотделитель 7 с дефлегматор 8. Дефлегматор 8 соединен трубопроводом 9 через управляемый клапан с емкостью 10 для экстракции; трубопроводом 11 через управляемый клапан со шлюзовой камерой 12, предназначенной для загрузки растворителя или растительного сырья в емкость для экстракции 10; трубопроводом 13 через управляемый клапан со шлюзовой камерой 14 для отвода экстракта; трубопроводом 15 через управляемый клапан со шлюзовой камерой 16 для выгрузки нерастворимых лигноцеллюлозных компонентов растительного сырья; трубопроводом 17 через управляемый клапан с накопительной емкостью 18 для экстракта. Емкость 2 для растворителя трубопроводом 19 через управляемый клапан соединена с емкостью 1 для исходного сырья, а трубопроводом 20 через управляемый клапан соединен со шлюзовой камерой 12, другой вход камеры 12 трубопроводом 21 через управляемый клапан соединен с емкостью 1 для исходного сырья. Ресивер 3 трубопроводом 22 через управляемый клапан соединен с емкостью 2 для растворителя; трубопроводом 23 через управляемый клапан соединен с емкостью 10 для экстракции; трубопроводом 24 через управляемый клапан соединяется с емкостью 25 для транспортирующей жидкости. Емкость 25 трубопроводом 26 через управляемый клапан соединяется с емкостью 10 для экстракции. Трубопровод 27 через управляемый клапан соединяет шлюзовую камеру 12 с входом емкости 10 для экстракции, при открытом клапане трубопровода 27 в емкость 10 подается либо растительное сырье с растворителем, либо растворитель. Трубопроводом 28 через управляемый клапан шлюзовая камера 12 соединяется с ресивером 3, давлением воздуха которого осуществляется подача порции сырья и растворителя из шлюзовой камеры 12 в емкость 10. На выходе емкости 10 для экстракции установлен разделительный фильтр 29, в котором отделяются твердые нерастворимые компоненты сырья от жидкого экстракта. Жидкий экстракт по трубопроводу 30 через управляемый клапан поступает в шлюзовую камеру 14 для экстракта, а твердые нерастворимые компоненты сырья по трубопроводу 31 через управляемый клапан поступают в шлюзовую камеру 16, выход которой трубопроводом 32 через управляемый клапан соединен с накопительной емкостью 33 нерастворимых компонентов сырья. Шлюзовая камера 14 для экстракта трубопроводом 34 через управляемый клапан соединена с емкостью накопителя 18 для экстракта в которую она разгружается под действием сжатого воздуха, поступающего от ресивера 3 при открывании управляемого клапана трубопровода 35. Разгрузка экстракта из накопительной емкости 18 во внешний приемник по каналу «Экстракт» осуществляется при подаче сжатого воздуха из ресивера 3 через управляемый клапан по трубопроводу 36. Емкость 1 для исходного сырья, емкость 2 для растворителя, емкость 10 для экстрагирования, шлюзовые камеры 12, 14 и 16, накопительная емкость 18 для экстракта и емкость 25 транспортирующей жидкости снабжены термостатирующими рубашками, через которые прокачивается теплоноситель заданной температуры. Поддержание заданных температурных режимов в емкостях осуществляется блоком управления 37. Кроме того, блок управления 37 обеспечивает автоматическое управление клапанами, установленными в трубопроводах, и реализует алгоритмы работы установки в автоматическом режиме.
Установка работает следующим образом.
Подготовка сырья, растворителя и загрузка емкости для экстракции
Измельченное растительное сырье загружается в емкость 1, растворитель загружается в емкость 2, блок управления 37 включает подачу теплоносителя в рубашки емкостей и шлюзовых камер и устанавливает в них требуемые значения температуры для проведения экстракции и повышения реакционной активности лигноцеллюлозных компонентов сырья. Для транспортирования сырья в установке применяются вакуумное всасывание и пневматическое нагнетание - способы, при которых транспортируемое сырье переводится в псевдоожиженное состояние и перемещается под воздействием вакуума или повышенного давления, что позволяет избежать применения ручных операций при осуществлении процесса экстракции и получении жидких и твердых компонентов растительного сырья и его транспортировании. Для получения в емкости 1 псевдоожиженного состояния исходного сырья в растворителе, блок управления 37 открывает клапан трубопровода 22, создавая в емкости 2 избыточное давление, открывает клапан трубопровода 19, по которому в емкость 1 подается поток жидкости или воздуха, переводящий частицы сырья в псевдоожиженное состояние. Транспортирование сырья в псевдоожиженном состоянии осуществляется под воздействием вакуума, создаваемого в шлюзовой камере 12. Вакуумирование шлюзовой камеры 12 осуществляется подключением ее к вакуумному ресиверу 6 через дефлегматор 8 и каплеотделитель 7 при открывании на короткое время клапана трубопровода 11 по сигналу блока управления 37. Затем при открывании клапана трубопровода 9 аналогично вакуумируется емкость 10 для экстракции. Далее блок управления 37 открывает клапан трубопровода 21, по которому порция сырья с растворителем под действием вакуума поступает в шлюзовую камеру 12. Объем порции определяется размером шлюзовой камеры 12. В шлюзовой камере 12 сырье подвергается дегазации и пропитке с применением вакуммно-импульсного воздействия, которое осуществляется при открывании клапана трубопровода 11. При открывании клапана трубопровода 20 в предварительно вакуумированную шлюзовую камеру 12 может подаваться из емкости 2 растворитель. Далее порция сырья с растворителем или только растворитель при открытии клапана трубопровода 27 под действием транспортирующего вакуума, созданного в емкости 10 для экстракции, и под давлением воздуха ресивера 3 при открывании клапана трубопровода 28 перемещается в емкость 10. Для заполнения емкости 10 до заданного объема процедуры дозированной подачи исходного сырья и растворителя через шлюзовую камеру 12 могут повторяться заданное блоком управления 37 количество раз.
Экстрагирование сырья
После заполнения емкости 10 под воздействием вакуума осуществляется дегазация растворителя и сырья, а также пропитка сырья, которая производится при открывании клапана трубопровода 9. Температура и остаточное давление в емкости 10 для экстракции выбирается таким, чтобы не происходило кипение растворителя. По истечении заданного времени дегазации и пропитки блок управления 37 закрывает клапан трубопровода 9 и переводит емкость 10 в режим импульсно-вакуумного экстрагирования, при котором осуществляется скоростное вакуумирование емкости 10 при открывании клапана трубопровода 9. Температура и остаточное давление выбираются и устанавливаются блоком управления 37 таким, чтобы происходило вскипание растворителя в объеме смеси растительного сырья и растворителя, в том числе, в порах растительного сырья, при этом происходит интенсивный перенос веществ из растительного сырья в экстракт. Быстрый рост давления паров вскипающих растворителей и растворов в порах растительного сырья при скоростном вакуумировании вызывает частичное разрушение фибрилл растительного сырья, и концентрированные растворимые компоненты сырья также поступают в экстракт, минуя стадию парообразования. Для того чтобы возрастающие давление паров и концентрация экстракта не снижали скорости экстракции применяется скоростной отвод экстракта и подача свежего растворителя, причем отвод экстракта осуществляется в процессе кипения растворителя. Скоростной отвод экстракта осуществляется следующим образом. Шлюзовая камера 14 экстракта вакуумируется при открывании на короткое время клапана трубопровода 13, емкость 14 готова для приема порции экстракта. Для отвода экстракта из емкости 10 одновременно открывают клапаны трубопроводов 23 и 30. Под действием избыточного давления газов ресивера 3 и вакуума в емкости 14 экстракт ускоренно удаляется из емкости 10 в емкость 14, кипение растворителя прекращается, пары его конденсируются на частицах сырья, подвергаемого экстракции в емкости 10. Затем клапаны трубопроводов 23 и 30 закрываются и выполняются операции подачи свежего растворителя в емкость 10 и отвод экстракта из шлюзовой камеры 14 в накопительную емкость 18. Подача свежего растворителя в емкость 10 осуществляется по такому же алгоритму, как и при загрузке сырья, но в этом случае шлюзовая камера 12 заполняется растворителем, который поступает из емкости 2 при открытии клапана трубопровода 20. Свежий растворитель обеспечивает повторную экстракцию, загруженного в емкость 10 сырья, по описанному алгоритму: вакуумно-импульсная дегазация; вакуумно-импульсное экстрагирование; ускоренный отвод экстракта. Два-три цикла экстракции в таком режиме обеспечивает практически полное извлечение растворимых компонентов растительного сырья, расположенных и в его поверхностных слоях, и в порах. Отвод экстракта из шлюзовой камеры 14 в накопительную емкость 18 осуществляется под действием избыточного давления ресивера 3 при открывании клапанов трубопроводов 17, 34 и 35.
Удаление лигноцеллюлозных компонентов
Удаление из емкости 10 нерастворимых компонентов сырья осуществляется с помощью шлюзовой камеры 16, которая вакуумируется при открывании клапана трубопровода 15. Нерастворимые компоненты сырья в емкости 10 переводится в псевдоожиженное состояние с помощью транспортирующей жидкости, содержащейся в емкости 25. Для этого открываются капаны в трубопроводах 24 и 26 и транспортирующая жидкость под давлением поступает в емкость 10 через коллектор, которым заканчивается трубопровод 26 в емкости 10. В качестве транспортирующей жидкости может выступать вода. Лигноцеллюлозная биомасса под действием транспортирующей жидкости переводится в псевдоожиженное состояние и затем открывается клапан трубопровода 31. Под действием вакуума, образованного в шлюзовой камере 16 при кратковременном открывании клапана трубопровода 15, Лигноцеллюлозная биомасса в псевдоожиженном состоянии начинает движение в шлюзовую камеру. В процессе движения биомассы открываются клапаны 23 и 32, что обеспечивает полное опорожнение емкости 10 от лигноцеллюлозной биомассы, которая перемещается через шлюзовую камеру 16 в накопительную емкость 33 твердых нерастворимых компонентов. После опорожнения и очистки емкости 10 установка готово для нового цикла загрузки исходного сырья для его экстракции очистки и повышения реакционной способности.