УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к конструкциям массообменных аппаратов для систем твердое тело - жидкость и может быть использована для проведения процессов извлечения целевого компонента из измельченного растительного сырья в пищевой промышленности.
Известна конструкция ультразвукового экстрактора. Ультразвуковой экстрактор содержит корпус, устройства для загрузки исходного сырья и экстрагента, выгрузки прозкстрагированного сырья и полуфабрикатов экстракта, перемешивающего элемента, устройства возбуждения ультразвуковых колебаний с преобразователями, корпус выполнен из внешнего и герметично вставленного в него внутреннего корпусов, пространство между которыми заполнено звукоизоляционным материалом, устойчивым к воздействию ультразвука, в качестве перемешивающего элемента предусмотрена установка барботирования аргоном, устройство возбуждения ультразвуковых колебаний выполнено из 4-х ультразвуковых генераторов с четырьмя магнитострикционными преобразователями, имеющими излучающие пластины, причем преобразователи установлены на боковых поверхностях с внешней стороны внутреннего корпуса экстрактора в защитных кожухах, а излучающие пластины установлены на боковых поверхностях с внутренней стороны внутреннего корпуса попарно, симметрично друг другу под углом 90°. В качестве звукоизоляционного материала, устойчивого к воздействию ультразвука, служит полиметилсилоксановая жидкость, а излучающие пластины выполнены из пищевой или титановой стали (патент РФ №63240, 2007).
Недостатком конструкции является то, что суммарное фиксирующее ультразвуковое излучение в середине цилиндрической части, внутреннего корпуса устройства может значительно отличаться от интенсивности ультразвука на периферии и достигать значительных величин, вследствие барботирования суспензии. Это приводит к деструкции отдельных извлекаемых соединений и снижению качества получаемой продукции.
Самым близким по технической сути является ультразвуковое устройство, содержащее рабочую камеру с боковыми гранями, имеющую нижнее и верхнее отверстие соответственно для подачи и вывода жидкой среды, плоские ультразвуковые преобразователи, расположенные на гранях рабочей камеры, емкость для жидкой среды, средства подачи жидкой среды в рабочую камеру снизу вверх под давлением и обеспечения циркуляции ее через рабочую камеру и емкость по замкнутой цепи, рабочая камера выполнена в форме прямого параллелепипеда, боковые ребра которого расположены горизонтально, отверстия для подачи жидкой среды в рабочую камеру выполнены в одном, расположенном вертикально основании параллелепипеда, ультразвуковые преобразователи расположены на всех боковых гранях рабочей камеры, а также дополнительно введен разъемный съемный контейнер, расположенный внутри рабочей камеры с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и выполненный в форме полого цилиндра с установленной соосно внутри него перфорированной трубой, сообщающейся с рабочей камерой, при этом внешняя цилиндрическая стенка контейнера выполнена проницаемой для жидкой среды из материала, прозрачного для ультразвука, а труба выполнена из материала, отражающего ультразвук (патент РФ №2221634, 2004).
Недостатком конструкции является то, что для выгрузки из аппарата отработанной твердой фазы разъемный съемный контейнер необходимо извлекать из аппарата, что весьма трудоемко. Этот процесс также осложняется тем, что отработанный материал имеет высокую влажность после длительно взаимодействия с экстрагентом. Если экстрагент представляет ценность с экономической точки зрения (например, этиловый спирт), при такой разгрузке будут наблюдаться значительные его потери. В некоторых технологиях пищевой, фармацевтической промышленности ценность представляет и отработанное растительное сырье (например, пищевые волокна, выжимки фруктов), которое при использовании конструкции ультразвукового устройства по прототипу необходимо будет перерабатывать далее.
Техническая задача создание конструкции ультразвукового экстрактора, позволяющей получать остаток твердой фазы отработанного материала после экстрагирования с низкой влажностью.
Технический результат повышение эффективности работы устройства при его использовании за счет усовершенствования конструкции.
Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем рабочую камеру с боковыми гранями, имеющую нижнее и верхнее отверстие соответственно для подачи и вывода жидкой среды, плоские ультразвуковые преобразователи, расположенные на гранях рабочей камеры, емкость для жидкой среды, в которой установлен датчик концентрации получаемого экстракта, средства подачи жидкой среды в рабочую камеру снизу вверх под давлением и обеспечения циркуляции ее через рабочую камеру и емкость по замкнутой цепи, рабочая камера выполнена в форме прямого параллелепипеда, боковые ребра которого расположены горизонтально, отверстия для подачи жидкой среды в рабочую камеру выполнены в одном, расположенном вертикально основании параллелепипеда, ультразвуковые преобразователи расположены на всех боковых гранях рабочей камеры, контейнер внутри рабочей камеры с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и выполненный в форме полого цилиндра с установленной соосно внутри него перфорированной трубой, сообщающейся с рабочей камерой, при этом внешняя цилиндрическая стенка контейнера выполнена проницаемой для жидкой среды из материала, прозрачного для ультразвука, а труба выполнена из материала, отражающего ультразвук, дополнительно имеются патрубки для подачи измельченного сырья, смешанного с экстрагентом, и сушильного агента внутрь перфорированной трубы, установленные и жестко фиксированные на боковой стенке рабочей камеры и оснащенные регулирующими вентилями, на верхней грани рабочей камеры жестко зафиксирован патрубок для вывода отработанного сушильного агента, оснащенный запорным вентилем, внутри контейнера насыпаны мелющие шары для разбивания комков измельченного сырья, выполненные из инертного к экстрагенту материала, цилиндрическая стенка контейнера выполнена перфорированной для удаления сухого отработанного материала, при этом перфорированные отверстия соответствуют размерам кусочков готового сухого продукта, дно рабочей камеры выполнено с наклоном, а на дне рабочей камеры установлен патрубок с шиберной заслонкой для удаления отработанного материала.
Через патрубок с помощью напорного вентилятора, установленного вне рабочей камеры, внутрь перфорированной трубы нагнетается горячий воздух. Поток воздуха проникает сквозь отверстия в трубе, фильтруется через слой материала и перфорированные стенки контейнера и создает активную гидродинамическую обстановку внутри контейнера при его одновременном вращении. Это обеспечивает интенсивное обезвоживание материала внутри аппарата, минуя стадии его выгрузки во влажном состоянии.
Регулирующий вентиль на патрубке для подачи сушильного агента обеспечивает возможность изменения скорости движения потока газа, что позволяет поддерживать активную гидродинамическую обстановку в аппарате при использовании разного исходного сырья и степени его измельчения.
Подача измельченного сырья, предварительно смешанного с небольшим количеством экстрагента, через патрубок внутрь контейнера насосом исключает трудоемкую операцию ручного извлечения из аппарата контейнера, нагруженного влажным отработанным материалом. Регулирующий вентиль на патрубке подачи измельченного сырья, предварительно смешанного с небольшим количеством экстрагента, необходим для изменения соотношения гидромодуля (сырье экстрагент).
Наличие мелющих шаров обеспечивает измельчение крупных агломератов, образующихся при слипании материала и его сушке, что также интенсифицирует процесс обезвоживания и снижает энергоемкость. Перекатывание шаров внутри контейнера при его вращении обеспечивает также получение измельченного готового сухого продукта с максимальным размером кусочков не более размера отверстий в стенке контейнера.
Предлагаемое устройство изображено на чертеже (фиг. 1 общий вид).
Устройство содержит рабочую камеру 1 с боковыми гранями, имеющую нижнее 2 и верхнее 3 отверстия соответственно для подачи и вывода жидкой среды, плоские ультразвуковые преобразователи 4, расположенные на гранях рабочей камеры 1, емкость для жидкой среды 5, средства подачи жидкой среды в рабочую камеру 1 снизу вверх под давлением и обеспечения циркуляции ее через рабочую камеру 1 и емкость 5 по замкнутой цепи, насос 6 для подачи под давлением жидкой среды из емкости 5 в рабочую камеру 1 через нижнее отверстие 2 и обеспечения циркуляции по замкнутой цепи: емкость 5 насос 6 рабочая камера 1 емкость 5, замкнутая цепь циркуляции замыкается с помощью трубопроводов 7, 8, 9, в емкости 5 установлен датчик 10 концентрации получаемого экстракта, рабочая камера 1 выполнена в форме прямого параллелепипеда, боковые ребра которого расположены горизонтально, отверстия 2 и 3 для подачи жидкой среды в рабочую камеру выполнены в одном, расположенном вертикально основании параллелепипеда, ультразвуковые преобразователи 4 расположены на всех боковых гранях рабочей камеры 1, контейнер 11 внутри рабочей камеры 1 с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси выполнен в форме полого цилиндра с установленной соосно внутри него перфорированной трубой 12, сообщающейся с рабочей камерой 1, при этом внешняя цилиндрическая стенка контейнера 11 выполнена проницаемой для жидкой среды из материала, прозрачного для ультразвука, а труба 12 выполнена из материала, отражающего ультразвук, дополнительно имеются патрубки 13, 14 для подачи измельченного сырья, смешанного с экстрагентом, и сушильного агента внутрь перфорированной трубы 12, установленные и жестко фиксированные на боковой стенке рабочей камеры 1 и оснащенные регулирующими вентилями 15 и 16, на верхней грани рабочей камеры 1 жестко зафиксирован патрубок 17 для вывода отработанного сушильного агента, оснащенный запорным вентилем 18, внутри контейнера 11 насыпаны мелющие шары 19 для разбивания комков измельченного сырья, выполненные из инертного к экстрагенту материала, цилиндрическая стенка контейнера 11 выполнена перфорированной для удаления сухого отработанного материала, при этом перфорированные отверстия соответствуют размерам кусочков готового сухого продукта, дно рабочей камеры 1 выполнено с наклоном, а на дне рабочей камеры 1 установлен патрубок 20 с шиберной заслонкой 21 для удаления отработанного материала. Устройство работает следующим образом.
Измельченное исходное сырье, предварительно смешанное с небольшим количеством экстрагента, насосом через патрубок 13 для подачи измельченного сырья, смешанного с экстрагентом, при открывании вентиля 15 подается внутрь перфорированной трубы 12. Емкость для жидкой среды 5 заполняется экстрагентом, в ней устанавливается датчик 10 концентрации получаемого экстракта. Емкость 5 для жидкой среды соединяется герметично через трубопроводы 7, 8 с нижним отверстием 2 рабочей камеры 1 и с насосом 6, через трубопровод 9 с верхним отверстием 3 рабочей камеры 1. После этого при помощи насоса 6 подается экстрагент под напором в рабочую камеру 1 до ее полного наполнения. Контейнер 11 заполняется экстрагентом через перфорацию в его цилиндрической стенке. После этого включают вращение контейнера 11 и питание ультразвуковых преобразователей 4. Осуществляется непрерывная принудительная циркуляция экстрагента по замкнутой цепи емкость 5 насос 6 рабочая камера 1 емкость 5 по трубопроводам 7, 8, 9 до достижения заданного уровня концентрации экстрагента в емкости 5. После ее достижения по сигналу датчика 10 концентрации получаемого экстракта процесс экстрагирования прерывается. Полученный экстракт с помощью насоса 6 удаляется из рабочей камеры 1 в емкость 5. Из емкости 5 сливается готовый экстракт. Вновь включается вращение контейнера 11. Через патрубок 14 при открывании вентиля 16 с помощью вентилятора, установленного за пределами устройства, внутрь перфорированной трубы 12 нагнетается горячий воздух. Поток воздуха проникает сквозь отверстия в перфорированной трубе 12, фильтруется через слой материала и перфорированные стенки контейнера 11. Мелющие шары 19 перекатываются внутри контейнера 11 при его вращении и обеспечивают измельчение крупных агломератов, образующихся при слипании материала и его сушке. Кусочки материала высыхают, измельчаются и через перфорацию в цилиндрической стенке контейнера 11 высыпаются на дно рабочей камеры 1. Слой высушенного материала постепенно накапливается на дне рабочей камеры 1 и периодически удаляется из аппарата через патрубок 20 при открывании шиберной заслонки 21. Введение в цикл работы стадии разгрузки аппарата при такой конструкции не требуется. Отработанный сушильный агент выводится непрерывно через патрубок 17 при открытом запорном вентиле 18. Емкость 5 наполняют новой порцией экстрагента, система замыкается и цикл работы ультразвукового экстрактора повторяется.
Примером конкретного исполнения может служить ультразвуковой экстрактор для получения водорастворимых пищевых красителей (антоцианов, Е163) из отходов консервного производства. Исходное сырье измельченная кожура баклажанов, которая механически отделяется от общей массы плодов перед их термической обработкой в технологии производства овощной икры. Кожура измельчается механическим способом до размеров кусочков с эквивалентным диаметром от 3 до 5 мм. Начальная влажность сырья 88%. Экстрагент дистиллированная вода, получаемые продукты раствор антоцианов в воде и сухое отработанное сырье с высоким содержанием пищевых волокон (до 90%). Раствор антоцианов используется в пищевой промышленности для придания цвета кондитерским изделиям, винам, сокам и т.п.
Ультразвуковой экстрактор является основным узлом экспериментальной технологической линии переработки отходов производства овощной икры из баклажанов. Схема устройства соответствует приведенной на чертеже. Во избежание нежелательных изменений внешнего вида пищевых продуктов, содержащих антоцианы, узлы и детали конструкции, соприкасающиеся с сырьем, экстрагентом, экстрактом, выполнены из неметаллических материалов (фторпласт, пищевой полиэтилен) или из нержавеющей стали.
Для создания акустического поля в устройстве используются ультразвуковые преобразователи типа ПМС-32 с частотой ультразвука
2
кГц и интенсивностью ультразвукового поля кВт/м. Сырье и экстрагент подается в определенном количестве для соблюдения объемного соотношения сырье : растворитель равным 1:5. Комплексное воздействие ультразвукового поля и вызванные им кавитационные эффекты интенсифицируют процесс экстракции. Экспериментальные исследования процессов экстракции антоцианов в статических условиях при наложении ультразвука показали, что время воздействия не должно превышать 10 минут во избежание перегрева частиц сырья и деструкции антоцианов. При превышении значения температуры более 80°С высока вероятность разложения антоцианов и потеря их потребительских свойств (обесцвечивание). Но активная гидродинамическая обстановка внутри ультразвукового экстрактора, создаваемая принудительной циркуляцией через рабочую камеру и емкость по замкнутой цепи, одновременным вращением контейнера и перфорированной трубы в нем, фильтрованием потоков экстрагента через отверстия перфорированной стенки контейнера и циркуляционной трубы обеспечивает интенсивный теплоотвод из зоны максимальной плотности энергии ультразвукового поля. Максимальная температура нагрева частиц обрабатываемого материала в ультразвуковом экстракторе не превышает 70°С.
3
3
Внешняя цилиндрическая стенка контейнера выполнена из перфорированного листа нержавеющей стали с отверстиями 2 мм, сваренного в виде цилиндра диаметром 300 мм. Перфорированная труба внутри контейнера имеет диаметр 80 мм, длину 400 мм, отверстия диаметром 8 мм. Вместимость контейнера 28 л. Контейнер вращается со скоростью 80 об/мин. Производительность ультразвукового экстрактора по жидкому готовому продукту (экстракту) составляет 0,025 м/час. Получаемый экстракт имеет концентрацию сухих веществ 3,5 кг/м экстракта или в перерасчете на 100 г исходного сырья - 0,15 г антоцианов (процент извлечения = 75).
Сушка отработанного сырья происходит внутри контейнера в кипящем слое, характеризующимся непрерывным хаотическим движением частиц материала в ограниченном размерами рабочей камеры объеме. Отличительными особенностями кипящего слоя являются интенсивное движение и перемешивание частиц, максимальная поверхность испарения, малое гидравлическое сопротивление слоя, равномерный нагрев материала. Разбивание комков материала, образующихся за счет агломерации кусочков измельченного сырья в процессе сушки, происходит при механическом воздействии на них мелющих шаров. Мелющие шары выполнены из фторпласта, диаметр шара 20 мм, количество 20 шт.
Продолжительность этапа сушки составляет 10-12 минут в зависимости от свойств исходного сырья, конечная влажность сухого отработанного сырья составляет 10%, производительность по сухому продукту - 0,45 кг/час. Дисперсный состав сухого готового продукта частицы с эквивалентным диаметром 1,5-1,7 мм.
Положительный эффект - предлагаемое устройство по сравнению с известными позволяет не только эффективно проводить процесс экстрагирования из измельченного твердого сырья, но и получать отработанный твердый материал в сухом и измельченном виде. Процесс экстрагирования и сушки происходят в одном аппарате, что значительно повышает технологичность и снижает потери сырья. Влажность готового продукта (сухого отработанного растительного сырья) составляет не более 10%, что позволяет хранить его длительное время и использовать в отдельных технологиях пищевой промышленности.