Мобильный аппарат для эмульсионной экстракции растительного сырья

Полезная модель относится к мобильной аппарату для переработки растительного сырья, выделения биологически-активных веществ и может применяться в лесохимической, пищевой, фармацевтической промышленности для получения экстрактов, обладающих биологической активностью.
Известен аппарат колонного типа [патент РФ №2013439, МПК C11B9/02].
Известно применение роторно-пульсационного аппарата [патент РФ №2445143, МПК B01D11/02; B01F7/00]. Интенсификация процесса экстракции растительного сырья осуществляется за счет многократной обработки сырья посредством измельчения, истирания и ударных нагрузок.
Известны экстракторы с периодическим или постоянным перемешиванием растительного сырья, например, с использованием мешалки [патент РФ №2091121,  МПК В01D11/02] или ультразвуковых колебаний [патент РФ №2053006, МПК В 01 D11/02; патент РФ №2127752, МПК С11В11/02].
Указанные установки не являются мобильными, требуют дополнительного стационарного оборудования и экономически нецелесообразны для применения на производстве в малых хозяйствующих объектах.
В институте химии Коми НЦ УрО РАН разработан эмульсионной способ экстракции растительного сырья, который эффективно применяется для выделения БАД из древесной зелени пихты и ели. Для высокого выхода экстрактивных компонентов хвои необходимо, чтобы экстрактор обеспечивал условия для омыления липидов,  исключение образования застойных зон, возможность получения эмульсии типа «масло в воде» и перевод липидной части в водную среду наряду с водорастворимыми компонентами.
В результате проведения научно-исследовательских и технологических работ в малом инновационном предприятии ООО «НТП Института химии Коми НЦ УрО РАН» был разработан и изготовлен опытный образец установки для эмульсионной экстракции растительного сырья и опробован для выделения БАД из древесной зелени хвойных пород деревьев.
Существенные признаки указанной установки, выбранной нами за прототип, опубликованы в объеме формулы по заявке на изобретение №2014112160. Установка для экстракции растительного сырья содержит корпус с днищем и крышкой,  изготовленные из пищевой нержавеющей стали, в рабочем состоянии вращающиеся под углом 45 градусов, корпус установки выполнен в виде барабана грушевидной формы с тремя внутренними лопастями, изогнутыми в сторону вращения, крышка снабжена фильтрующей сеткой, устройство снабжено технологическими штуцерами, приводится во вращательное движение электродвигателем, установленным под днищем, имеет приспособления для подъема крышки и переворачивания корпуса на 180° для извлечения целевого продукта.
Недостатком устройства является длительность фильтрации, забивание фильтра, сложность его очистки, что в конечном итоге снижает производительность.
Технический результат состоит в увеличении функциональных возможностей, повышении производительности работы установки за счет увеличении скорости фильтрации и автоматизации рабочего процесса.
Технический результат достигается за счет наличия в экстракционной аппарате дополнительного блока фильтра грубой очистки конусообразной конструкции, обеспечивающей равномерное распределение отделяемого твердого осадка, наличием дополнительных патрубков  с кранами  для обеспечения возможности ведения процесса фильтрования суспензии под давлением,  наличия блока управления трудоемкими операциями (подъем крышки, установка рабочей емкости под углом).
Полезная модель поясняется чертежами. На рис. 1 представлен общий вид установки сбоку, на рис. 2 – вид установки с фильтрационным блоком тонкой очистки, на рис. 3 – вид установки с фильтрационным блоком грубой очистки, на рис. 4 – блок грубой очистки.
Мобильный аппарат для эмульсионной экстракции растительного сырья включает
бочкообразную рабочую емкость 1, верхняя часть которой герметично через прокладку уплотнителя 18 соединена  с цилиндрической фильтрационной горловиной  2, а нижняя часть взаимосвязана с электродвигателем 13 через подшипниковый узел 12 и блок шестерен с ограждением 30;
конусообразную крышку 3 с внутренней рабочей камерой, которая в рабочем состоянии герметично соединена с горловиной  2 через фланцевое соединение 17 (А) и 17(Б) с помощью кронштейнов 4  со струбцинами  5;
станину 14, имеющую устойчивое основание и две вертикальные стойки, одна из которых 35 выше уровня  верхней части аппарата;
поворотную раму 9, на которую установлена  рабочая емкость 1, взаимосвязанную с вертикальными стойками через подшипниковый узел 29;
подъемное устройство, установленное на вертикальной стойке 35, в виде электролебедки 11 с пультом управления 10, при этом электролебедка имеет блок  22 через который проходит трос 23, соединенный через проушину 21 с крышкой 3 рабочей емкости 1;
блок поворота рабочей емкости от 0 до 180 градусов, включающий редуктор опрокидывания  7,  электродвигатель  для привода редуктора 8,  приспособление  для фиксации расположения  рабочей емкости под углом в виде стопора 33 с педалью 34.
На наружной поверхности  устройства выполнены: гнездо для установки термометра 6, манометр 16, два патрубка с кранами для подачи сжатого воздуха 15, шарнир 20 для подъема крышки с проушиной для троса 21. Для крепления шарнира 20 в верхней части фильтрационной горловины 2 установлен кронштейн 19.
На внутренней поверхности  рабочей емкости 1 выполнены проушины 32, к которым прикреплены три  съемные лопатки 31, при этом лопатки имеют размеры и форму, обеспечивающие полный захват экстрагируемого сырья.
С наружи рабочей камеры крышки 3 установлены  штуцер слива экстракта 28. Внутри рабочей камеры 3 установлена опорная кольцеобразная пластина 24, выполненная из листовой стали с многочисленными отверстиями диаметром до 10 см, и фильтрационный блок тонкой очистки, закрепленный в гнезде крепления фланца 17А крышки 3.
Блок тонкой очистки, предназначенный для удаления из раствора мелких частиц экстрагируемого растительного сырья,  опирается на пластину 24, содержит жесткую решетку 25, выполненную из листовой стали с многочисленными отверстиями диаметром 3-2 мм (на чертеже не показано), сетку тонкой фильтрации 26 с прижимным устройством 27. Блок тонкой очистки крепится к фланцу 17А крышки 3 (в котором выполнено гнездо крепления) с помощью болтового соединения.
Блок грубой очистки, предназначенный для удаления из раствора крупных частиц экстрагируемого растительного сырья, расположен в фильтрационной горловине, состоит из решетчатого каркаса 36 конусного типа и сетки грубой фильтрации 37, закрепленной внутри каркаса. Фильтрационный блок  грубой очистки крепится к внутренней поверхности по диаметру фланца 17Б с помощью болтового соединения. Блок грубой очистки выполнен с возможностью извлечения для последующей промывки. Для обеспечения возможности снятия и установки блока грубой очистки в основании каркаса 36 выполнены П-образные проемы, которые позволяют осуществлять закрепление и снятие каркаса через барашковые винты (М8 типа DIN 316), закрепленные на внутренней поверхности  фланца 17Б горловины 2. Жесткость П-образных проемов обеспечивается внутренними скобами, являющимися ручками для монтажа и демонтажа блока грубой очистки.
Диаметры проволок для фильтровальных сеток 26 и 37 и размер ячеек подбирается в зависимости от вида растительного сырья. В частности, для экстракции древесной зелени пихты авторами использовалась для фильтра тонкой очистки сетка тканая фильтровая ГОСТ 3187-76 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (размер ячейки/диаметр проволоки 0,1-0,2/0,08-0,12 мм), для фильтра грубой очистки – сетка тканая ГОСТ 3826-82 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (размеры стороны ячейки 0,5-2,0*0,5-2,0, диаметр проволоки – 0,5-1мм, вид плетения - полотняное).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В рабочую емкость 1 с горловиной 2 засыпают экстрагируемое сырье, добавляют экстрагент при эффективном соотношении, в горловину 2 устанавливают блок грубой очистки, герметично закрывают крышкой 3 посредством кронштейнов 4  со струбцинами  5. Емкость с помощью поворотной рамы 9 устанавливают под углом 15-45 градусов (в зависимости от вида сырья) электродвигателем 8 привода редуктора 7, фиксируют положение рабочей емкости с помощью  стопора 33 и педали 34. Установку приводят в состояние работы путем включения электродвигателя 13. В процессе экстрагирования древесной зелени хвойных пород деревьев применяется водно-щелочной раствор низкой концентрации. При вращении емкости сырье, находящееся в водно-щелочной среде, поднимается лопатками 31 вверх. Под действием гравитационных и центробежных сил обеспечивается механическое и химическое разрушение клеточных стенок растительного сырья, разрушение химических связей белково-липидного комплекса, извлечение БАВ в экстракт и образование эмульсии типа «масло в воде». Конструкция трех лопаток, установленных в бочкообразной емкости, обеспечивают полный захват сырья и участие всех частиц твердого вещества, находящихся в емкости, в процессе экстрагирования. В процессе экстракции исключается образование застойных зон, за счет формы рабочей емкости 1, конструкции лопаток 31, скорости вращения устройства.
По завершении заданного регламентом времени процесса экстракции установку отключают электродвигателем 13. К штуцеру слива экстракта  28 подсоединяют шланг. Рабочую емкость 1 с помощью поворотной рамы 9 переводят в положение фильтрации (крышкой 3 вниз), с помощью электродвигателя 8 привода редуктора 7,  фиксируют расположение  рабочей емкости  с помощью  стопора 33 и педали 34. К одному из патрубков 15 с установленным краном для подачи сжатого воздуха присоединяют шланг, открывают кран и подают сжатый воздух с помощью компрессора до величины 0,16 Мпа. Давление контролируют с помощью манометра, установленного в гнездо 16. При необходимости повышенное давление снижения с помощью второго патрубка 15 с вмонтированным краном. Создаваемая разность давлений 0,16 МПа существенно ускоряет процесс отделения твердого остатка и фильтрацию экстракта, повышает количество перерабатываемого сырья и производительность аппарата.
В рабочем состоянии при фильтрации полученного экстракта блок грубой очистки 36,37, установленный в горловине 2, располагается над блоком тонкой очистки 25,26,27. Конусообразная конструкция каркаса 36 обеспечивает и исключает сопротивление со стороны растительной биомассы. Решетчатый конус 36, образованный полосовыми кольцами из листового металла и продольными направляющими, выполняет роль распределителя потока фильтруемой суспензии по поверхности сетки грубой фильтрации 37.
После прохождения блоков грубой и тонкой очистки отфильтрованный продукт попадает в камеру конусообразной крышки 3 и через штуцер слива экстракта 28 отводится к емкости сбора готового экстракта.
После завершения слива экстракта отключают компрессор подачи сжатого воздуха, рабочую емкость 1 сообщают с атмосферой при помощи крана патрубка 15, от штуцера слива экстракта  28 отсоединяют отводящий шланг. Емкость с помощью поворотной рамы 9 приводят в положение под углом 90 градусов электродвигателем 8 привода редуктора 7, фиксируют расположение рабочей емкости с помощью стопора 33 и педали 34. Открывают крышку 3 посредством кронштейнов 4 со струбцинами  5. Из горловины 2 извлекают блок грубой очистки для его очистки. Осуществляют выемку твердого осадка (шрота) для его последующей сушки, зачищают внутреннюю поверхность рабочей емкости 1 и сетки 26 блока тонкой очистки.
Пример 1. Осуществляли экстракцию древесной зелени пихты, измельченной до размера 5-0,5 мм на установке-аналоге. После проведения экстракции, фильтрование при атмосферном давлении протекало в течение 4-х часов через фильтр нормальной фильтрации (ячейка 0,2*0,12 мм).
Пример 2. Осуществляли экстракцию древесной зелени ели, измельченной до размера 5-0,5 мм на установке-аналоге. После проведения экстракции, фильтрование при атмосферном давлении протекало в течение 3-х часов через фильтр нормальной фильтрации (0,2*0,12 мм).
Пример 3. Осуществляли экстракцию древесной зелени пихты, измельченной до размера 5-0,5 мм на предлагаемом аппарате. Осуществляли фильтрацию экстракта древесной зелени пихты при двойной фильтрации через фильтр грубой очистки (ячейка 1,5*1,5 мм) и через фильтр тонкой очистки (0,2*0,12 мм) при повышенном давлении 0,16 МПа в течение 45 мин.
Пример 4. Осуществляли экстракцию древесной зелени ели, измельченной до размера 5-0,5 мм на предлагаемом аппарате. Осуществляли фильтрацию экстракта древесной зелени ели при двойной фильтрации через фильтр грубой очистки (ячейка 1,5*1,5 мм) и через фильтр тонкой очистки (0,2*0,12 мм) при повышенном давлении 0,16 МПа в течение 35 мин.
Пример 5. Осуществляли экстракцию растительного сырья, измельченной до определенных размеров на предлагаемом аппарате. По окончании цикла выделения получен  качественный отфильтрованный экстрактный продукт при толщине слоя осадка - 30 см, массовой доле твердой фазы в суспензии c=0,15, с характером твердой фазы суспензии – волокнистая грубая суспензия с размером твердых частиц не менее 100 мкм.
Таким образом, применение в заявленной конструкции двойного фильтрования под давлением позволяет повысить производительность экстракционного аппарата в 4 раза и увеличить количество получаемого экстракта. Кроме того, расширяется сфера применения для новых видов растительного сырья.
Установка экономически выгодна, проста в изготовлении и обслуживании (не содержит сложных электронных блоков), может быть смонтирована и использована на фермерских хозяйствах, малых инновационных предприятиях для выделения БАВ.