СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО РАЗРУШЕНИЯ КЛЕТОК И ЭКСТРАКЦИИ МАСЛОСОДЕРЖАЩИХ СЕМЯН
METHOD FOR COMBINED DESTRUCTION OF CELLS AND EXTRACTION OF OIL-CONTAINING SEEDS

Настоящее изобретение относится к способу комбинированного разрушения клеток и экстракции маслосодержащих семян.
5
6
7
Для обеспечения максимального выхода масла в современном маслоэкстракционном производстве используют экстрагирующие агенты, которые представляют собой преимущественно смеси н-парафинов (C, С, С), так называемый бензин ограниченного фракционного состава (бензин со специальной точкой начала кипения), или чистые н-парафины (предпочтительно гексан), поскольку они обладают высокой способностью растворять триглицериды и отгоняются преимущественно из мисцеллы. Усовершенствованные за последние десятилетия технологии, не только обеспечивают высокий выход масла, но и позволяют получать корм из экстракционного остатка, а в качестве побочного продукта смеси различных фосфолипидов, используемых для получения лецитина.
В качестве альтернативы экстракции растворителем в промышленности использовали различные механические способы получения масла, например, холодное и горячее прессование с предварительной механической или тепловой обработкой или без нее. Недостатком механического способа извлечения масла является значительно более низкий выход масла по сравнению с экстракцией растворителем, но он обеспечивает получение масла более высокого качества.
При экстракции растворителем требуется проводить механическую и термическую подготовку семян. Таким образом, обеспечивается эффективный доступ растворителя к маслу в клетках масличного семени. В то же время необходимо обеспечить достаточно полное просачивание при контакте растворителя с обрабатываемыми масличными семенами. Используемыми в промышленности методами подготовки семян являются раздавливание, дробление, плющение и последующая тепловая обработка, после которой проводят механическое прессование в качестве первой стадии извлечения масла. Таким образом, подготовка масличных семян и экстракция растворителем неразрывно связаны друг с другом.
Использование бензина ограниченного фракционного состава или н-гексана в качестве растворителя, с одной стороны, обеспечивает высокую экономическую эффективность, а с другой стороны, имеет существенные недостатки. При использовании традиционных способов экстракции углеводородами происходит экстракция нежелательных жировых побочных продуктов (например, фосфолипидов, липохрома). При получении масла обычным способом с использованием гексана в качестве растворителя, масло приходится подвергать полной очистке.
Бензин ограниченного фракционного состава и н-гексан непригодны для экстракции из семян особых непищевых веществ (например, глюкозинолата и продуктов его гидролиза семенами рапса), если только они не экстрагируются маслом в качестве липофильных компонентов. Например, при экстракции семян рапса глюкозинолат и продукты его гидролиза остаются в экстракционном остатке, что ограничивает сбыт этого продукта.
Кроме того, использование бензина ограниченного фракционного состава и н-гексана для производства пищевых продуктов и кормов в лучшем случае сомнительно, поскольку их считают вредными даже в следовых количествах. Вышеупомянутые недостатки десятилетиями понуждали вести поиск альтернативных растворителей с использованием самых разных способов.
Альтернативой экстракции масел и жиров из масличных семян является использование смесей сжиженных газов (ЕР 0721980 А2). Селективная экстракция чистых масел осуществляется смесью пропана и диоксида углерода, каждый из которых находится в докритическом состоянии. При снижении давления в системе растворитель испаряется, так что полученные масло и экстракционная мука не содержат растворителя.
2
В другом способе используют в качестве растворителя для извлечения масла сверхкритический диоксид углерода (WO 02/054884 А1). Путем целенаправленного использования сверхкритического СО можно получать обезжиренную экстракционную муку с высоким содержанием лецитина, почти не содержащую масла. Полученные таким образом белковые изоляты отличаются от сопоставимых продуктов своей хорошо заметной эмульгирующей способностью. По сравнению с обычной экстракцией гексаном экстракция масла сжиженными газами, безусловно, требует больших затрат и недостаточно конкурентоспособна при промышленном использовании из-за высокой суточной нормы переработки масличных семян. Поэтому их можно использовать только для производства дорогостоящих продуктов и ингредиентов в рамках высокоспециализированного производства.
Способ FRIOLEX представляет собой процесс прямого извлечения липидов без использования гексана. В его основе лежит вытеснение масла водой из предварительно измельченного масличного сырья. Этот способ был разработан фирмами GEA Westfalia Сепаратор AG и Dr Fritsche GmbH (WO 96/05278 a1). Он предусматривает использование специальной декантирующей центрифуги для механического отделения масла, что позволяет обойтись без энергоемкой дистилляции. Этот способ позволяет получать масло высокого качества, сопоставимое с маслом холодного прессования. Контактирование масла с водой в качестве экстрагента в присутствии фосфолипидов, действующих как эмульгатор, приводит к образованию эмульсий, которые значительно усложняет разделение фаз.
Еще один способ водной экстракции масла был разработан в Берлинском техническом университете. Поскольку липиды нерастворимы в воде, способ основан на вытеснении масла из семян, как и в способе FRIOLEX. Чтобы обеспечить вытеснения масла, необходимо более интенсивное механическое разрушение клеток, чем при обычной обработке. Кроме того, необходимость вытеснения масла из клеток масличных семян не позволяет использовать перколяционный экстрактор. Поэтому экстракцию проводят в реакторе с перемешиванием. Этот способ обладает тем преимуществом, что позволяет обходиться без дорогостоящей дистилляции для удаления растворителя. Однако дорогостоящая очистка технологической воды и образования стабильных эмульсий делают этот тип экстракции масла непригодным в качестве промышленного процесса (диссертационная публикация: A.  "Simultaneous Oil-and Protein Production with Rape", 2002, page 124-126).
Извлечение масла спиртовыми растворителями исследовали в течение ряда лет. В частности, исследованию подвергали этанол и изопропанол, стремясь разработать альтернативные способы экстракции масличных семян. В своем диссертационном исследовании W. Brautzsch исследовал экстракцию масла этанолом в лабораторных условиях. Основные стадии способа, использовавшегося при экстракции гексаном, не подверглись существенному изменению. Сначала проводят аналогичную обработки семян, но без прессования масличных семян перед экстракцией (прямая экстракция). Однако при выборе этого способа, чтобы извлечь масло из семян, следует добиться полной растворимости масла в этаноле. Таким образом, экстракцию следует проводить при температуре выше 100°С и давлении выше 3 бар. Эти процедурные базовые условия нуждаются в экстракционном устройстве новой конструкции. Обычные экстракторы не подходят для работы в подобных условиях. Удалось показать, что можно получить очень чистое масло. Из-за низкой селективности этанола происходит экстракция непищевых веществ, например, глюкозинолата, так что удается получать из рапса высококачественную экстракционную муку с низким содержанием глюкозинолата. Эти преимущества не могут перевесить экономические недостатки более дорогостоящий экстракции, так что этот способ не нашел промышленного применения (диссертационная публикация: W. Brautzsch, "The Ethanol Extraction - a Method for Improving the Quality of Extraction Oils and -Grinding of Rape", 1984, p.104).
Народное предприятие VEB Kombinat Oil and Margarine, Магдебург, согласно патентному описанию ГДР (DD 145925 а1) и аналоговому патентному описанию Великобритании (GB 2060673 А) 1981, запатентовали способ обработки растительного сырья, содержащего тиоглюкозид. Посредством описанной экстракции этанолом семена сурепки и абиссинской горчицы и продукты их переработки можно одновременно обезжиривать и обезвреживать.
В диссертационной публикации R. Brautzsch и вышеуказанном патенте показано, что подходящую растворимость масла из семян сурепки и абиссинской горчицы можно обеспечить только при проведении экстракции при температуре, превышающей температуру кипения этанола под давлением выше 2,5 бар. Обработка семян перед экстракцией проводят обычным образом, что позволяет проводить перколяционную экстракцию. Преимуществом является то, что при последующем снижении температуры до 20°С, растворенное масло частично осаждается из мисцеллы, в результате чего отпадает необходимость в энергоемкой отгонке растворителя. При дальнейшем охлаждении до температуры ниже 10°С осаждаются другие компоненты. Остаточный растворитель можно повторно использовать в экстракционном цикле без дополнительной очистки.
В 1981 году фирма Shell Oil Company of Houston (Техас) описала способ экстракции масла с использованием изопропанола. Экстракция изопропанолом в основном сходна с экстракцией этанолом. Дополнительное преимущество по сравнению с экстракцией этанолом заключается в обеспечении хорошей растворимости масла при относительно низких температурах. Таким образом, можно отказаться от проведения экстракции при сверхвысоком давлении (патент США 4515726 А). Основной целью способа, описанного в этом патенте, является получение продукта, обогащенного фосфатидом/лецитином, из соевых бобов. По существу описанный способ пригоден только для обработки соевых бобов. Подготовку семян и перколяционную экстракцию проводят, используя основные способы, применяемые в промышленной области.
Из вышеописанных разработок очевидно, что до настоящего времени не удалось создать сравнительно экономичный промышленный способ экстракции масличных семян гексаном. Хотя отдельные разработки и нашли применение при переработке соевых бобов, в случае рапса и других семян с высоким содержанием масла добиться успеха не удалось, главным образом, по экономическим причинам. В частности, при переработке рапса пропадает потенциал создания существенной добавленной стоимости. Этот потенциал заключается, в частности, в получении высококачественных сырых масел уже на стадии переработки семян с получением высококачественной экстракционной муки с высоким содержанием белка, не содержащей непищевых веществ, а также в выделении ценных природных компонентов.
Все вышеупомянутые существенные примеры исходят из обычных способов переработки семян (размельчения, плющение, дробления, прессования) и описывают применение перкуляционной экстракции даже в случае спиртовых растворителей. Но этого недостаточно для существенного улучшения процесса комплексной экстракции, позволяющего раскрыть потенциал создания добавленной стоимости, особенно в случае семян с высоким содержанием масла.
Другой недостаток приведенных выше примеров заключается в том, что обработка почти полностью очищенных семян масличных культур невозможна. Существенным для использования способов прессования является то, что исходный материал содержит в своем составе волокна и другие балластные вещества. Они необходимы для транспортировки продукта и поддержания давления в прессе. При обработке почти полностью очищенных семян (т.е. семян с пониженным содержанием волокна) нельзя использовать способы прессования. В этом случае извлечение масла следует проводить исключительно растворителем путем так называемой прямой экстракции.
В настоящее время перколяционную экстракцию преимущественно используют для экстракции растворителем, использование которой для почти полностью очищенных семян еще недостаточно изучено. Однако шелушение представляет собой предварительное условие для производства экстракционной муки с высоким содержанием белка и низким содержанием волокон. При этом многообещающие возможности открывает дальнейшая оптимизация обработки семян, направленная на полную механизацию разрушения клеток в масличных семенах.
В своей диссертационной публикации (A.  "Simultanous Oil-and Protein Production from Rape" 2002, page 17)  объясняет, что экстракция спиртом, а также водная экстракция требуют почти полного разрушения клеток. Далее он указывает, что размер клеток в семенном материале составляет около 30×20×20 мкм. Для обеспечения чисто механического разрушения клеток для экстракции, измельчение следует проводить с ориентацией на этот размер.
Другой существенной частью работы  является очень подробное описание разрушения клеток. Была исследована и сопоставлена пригодность роторно-статорных систем и гомогенизаторов высокого давления. Анализ показывает, что оба способа способны обеспечить почти полное разрушение клеток. Они отличаются друг от друга в основном по принципу действия и по удельному расходу энергии в системе. При использовании гомогенизаторов высокого давления большой удельной расход энергии в системе можно обеспечить в почти адиабатических условиях. В результате при гомогенизации под высоким давлением благодаря большому удельному расходу энергии образуются стабильные эмульсии. При использовании роторно-статорных систем происходил нагрев на 40 K и уменьшался удельный расход энергии.
Для достижения подобной тонкости помола проводят дополнительные исследования по тонкому и тончайшему помолу. Обычно жидкие добавки (интенсификаторы помола) предотвращают агломерацию продукта и способствуют измельчению в энергетическом отношении. К этим так называемым мокрым способам относятся быстро вращающиеся роторно-статорные системы, гомогенизаторы высокого давления, а также шаровые мельницы; хотя последние исключены из-за слишком низкого расхода энергии в системе (K. Schwister, V Leven "Technology for Engineers: a Text-and physical Book" 2013, page 107-198, ISPN 978-3-446-43136-2).
В 1994 г. фирма Dorr-Oliver Deutschland GmbH запатентовала способ экстракции растительных жиров и масел. В нем разрушение клеток осуществляют с помощью нескольких расположенных друг за другом роторно-статорных систем (ЕР 0312855 В1). Промышленное внедрение и определение экономической эффективности все еще не проведено.
Задачей настоящего изобретения является создание способа, который представляет собой сочетание эффективного разрушения (англ. cell digestion, дробление, измельчение, гомогенизация клеток) клеток и экстракции этанолом и который позволяет проводить обработку почти полностью очищенных семян с высоким содержанием масла, например, семян рапса, а конечными продуктами являются масло и экстракционная мука нового высококачественного типа, причем обработку производят в мягких условиях и обеспечивают высокий выход масла и выделение других ценных компонентов. Эти многочисленные преимущества призваны обеспечить экономическую эффективность по сравнению с обычной экстракцией гексаном. Эта цель достигается способом, изложенным в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением описан способ комбинированного разрушения клеток и экстракции масличных семян, который включает:
- получение пульпы из масличных семян и этанола в качестве растворителя, в котором масличные семена имеют массовое содержание масла ≥30%;
- разрушение клеток масличных семян в этаноле, причем разрушение осуществляют механически до среднего размера частиц ≤50 мкм;
- совмещение разрушения клеток с последующей экстракцией этанолом, при котором меньшая часть масла, содержащегося в клетках масличных семян, и содержащиеся в них растворимые в спирте компоненты переходят в этанол в соответствии с их растворимостью в этаноле, а большая часть масла вытесняется этанолом из клеток масличных семян, образуя в этаноле свободную масляную фазу;
- отделение свободной масляной фазы и масла, растворенного в этаноле, и выделение растворимых в спирте компонентов из спирта, причем процентное содержание фосфатидов в свободной масляной фазе составляет ≤0,1%, предпочтительно ≤0,025%, а процентное содержание свободных жирных кислот составляет ≤0,5%, предпочтительно ≤0,3%,
- отделение экстракционного остатка после экстракции и удаление из него остатков этанола при небольшом разрежении, причем разрушение клеток и экстракцию проводят при определенном массовом отношении масличных семян к этанолу, составляющему от 1:3 до 1:8, предпочтительно при отношении 1:5.
При массовом отношениях в соответствии с настоящим изобретением количество высвобожденных/вытесненных масел превышает то количество, которое способно раствориться в этаноле при приведении процесса ниже температуры кипения этанола, так что высвобожденное/вытесненное масло может неполностью раствориться, и это нерастворившееся масло присутствует в виде отдельной жидкой фазы. Это масло можно экономически выгодно получать без перегонки. Масло, растворенное в этаноле, можно также выделить путем снижением его растворимости при пониженной температуре.
Предпочтительным для мягкого производства масла из масличных семян является сочетание масла, вытесненного из масличных семян в виде отдельной масляной фазы, и масла, растворенного в этаноле в качестве экстракционной фазы.
В рамках настоящего изобретения масличные семена считают высокомасличными семенами, если массовое содержание масла в них ≥30% и если их можно использовать для производства растительного масла. Они представляют собой, в частности, семена рапса, льна, подсолнечника и другие масличные семена с таким же высоким содержанием масла, почти полное выделение которого из исходных семян уже выполнялось обычными методов прессования и экстракции.
Мисцеллой называют смесь органического экстрагента/растворителя и масла, которая является промежуточным продуктом при производстве растительных масел.
Экстракционной смесью называют смешанную фазу растворителя, масла и растворенных ценных веществ, которая может образоваться при переработке масличных семян на стадии разделения жидких фаз между мисцеллой и свободным маслом.
В рамках настоящего изобретения рециркулируемые материалы представляют собой растворимые в спирте компоненты, которые в настоящем изобретении служат источником добавочной стоимости при производстве растительных масел, или удаление которых увеличивает ценность первичных продуктов (масла и экстракционной муки). Они представляют собой, в частности, фосфолипиды, фенольные соединения, глюкозинолат (рапс) и другие подобные вещества.
При отделении свободной масляной фазы в соответствии с настоящим изобретением оказалось, что свободная масляная фаза содержит настолько мало фосфолипидов и липохрома, что на последующей стадии рафинирования качество пищевого продукта можно обеспечить без очистки от слизи, что значительно уменьшает затраты на отбеливание. Таким образом, свободное масло по качеству соответствует полурафинированному маслу. Это масло характеризуется содержанием фосфора ≤50 ppm, предпочтительно ≤30 ppm, особенно предпочтительно ≤10 ppm или содержанием фосфатидов ≤0,1%, предпочтительно ≤0,05%, особенно предпочтительно ≤0,025%. Напротив, экстрагированное рапсовое масло, полученное путем обычной экстракции гексаном, имеет содержание фосфора ≥300 ppm или содержание фосфатидов ≤0,75%. Содержание свободных жирных кислот в свободной масляной фазе, полученной согласно настоящему изобретению, составляет≤0,5%, предпочтительно ≤0,4%, особенно предпочтительно ≤0,3%, тогда как их содержание в масле, полученном обычным экстракционным способом, составляют от 1,0 до 2,0%. Это масло заметно светлее экстракционных масел. Таким образом, сокращение расходов на рафинирование является результатом и преимуществом способа по настоящему изобретению.
Отделение экстракционного остатка после экстракции и удаления остаточного этанола из экстракционного остатка, проводят в мягких условиях при разрежении (вакууме), где мягкие условия следует понимать как температуру <90°С, предпочтительно от 50 до 90°С и давление ниже атмосферного, предпочтительно от 50 до 500 мбар.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения перед получением пульпы из масличных семян и этанола проводят почти полную очистку масличных семян, поскольку в соответствии с настоящим изобретением сочетание разрушения клеток и экстракции способствует производству масла из почти полностью очищенных масличных семян и направлено на повышение содержания белка в экстракционной муке.
В другом варианте осуществления изобретения требуемую сушку масличных семян совмещают с желаемой предварительной очисткой масличных семян перед проведением комбинированного разрушения клеток и экстракции.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения пульпу из масличных семян и этанола получают без предварительной очистки семян.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный способ осуществляют в виде многостадийного непрерывного или квазинепрерывного процесса, проводимого в режиме прямотока (фиг. 1) или противотока (фиг. 2). Также возможно совмещение обоих режимов проведения процесса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения разрушение клеток производят с помощью роторно-статорной системы или с помощью гомогенизаторов высокого давления, предпочтительно с помощью роторно-статорной системы, которая может обеспечивать разрушение клеток до среднего размер частиц ≤50 мкм и в которой подача энергии не приводит к термическому повреждению масличных семян.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения отделение жидких фаз (мисцеллы/свободного масла) от экстракционного остатка осуществляют путем фильтрования под давлением, с использованием ситовых прессов, центрифуг или декантаторов, способных обеспечить отделение мелких и мельчайших частиц.
В одном из вариантов осуществления после разрушения клеток отделение этанольной мисцеллы от свободной масляной фазы проводят в отстойном резервуаре или под действием центробежной силы. Перед отделением свободной масляной фазы мисцеллу следует охладить предпочтительно до 4-25°С. При непрерывном проведении процесса охлаждение осуществляется в отдельном теплообменнике или через теплообменную поверхность в отстойном резервуаре.
В одном из вариантов осуществления экстракцию проводят при температуре ниже температуры кипения этанола при атмосферном давлении. Предпочтительно экстракцию проводят при атмосферном давлении и температуре около 70°С.
В одном из вариантов осуществления после завершения экстракции пропитанный спиртом экстракционный остаток подвергают механическому отжиманию, а затем осторожно сушат предпочтительно в вакуумной сушилке, чтобы удалить этанол.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения после отделения свободной масляной фазы от мисцеллы последнюю присоединяют к оставшемуся экстракционному остатку. Таким образом, отделенную мисцеллу можно повторно использовать на последующих стадиях вытеснительной экстракции.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения этанол регенерируют при выделении растворенного масла и ценных компонентов из мисцеллы, а также из экстракционной смеси. Это позволяет повторно использовать этанол для последующей экстракции вплоть до почти полного извлечения масла и ценных компонентов из масличных семян.
В одном из вариантов осуществления регенерацию этанола осуществляют путем вакуумной перегонки. Перед перегонкой можно проводить концентрирование мисцеллы методом мембранного разделения, предпочтительно с использованием ультрафильтрации.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предпочитают использовать семена с высоким содержанием масла, такие как семена рапса, льна, подсолнечника, предпочтительно семена рапса.
Способ по настоящему изобретению представляет собой сочетание эффективного разрушения клеток высушенных и измельченных, очищенных или неочищенных масличных семян в способе многостадийной экстракции, представляющем собой непрерывный или квазинепрерывный способ, проводимый в режиме прямотока либо противотока; причем возможно совмещение обоих режимов проведения процесса. Можно отказаться от кондиционирования и отжима масличного семян, как при обычном способе прессования и экстракции гексаном.
Для разрушения клеток из масличных семян и этанола готовят пульпу. Путем механической обработки масличные семена измельчается до тех пор, пока не произойдет разрушение клеток, приводящее к высвобождению масла.
Экстракцию масла осуществляют этанолом, а также мисцеллой, содержащей этанол и масло. Экстракция происходит путем растворения масла в растворителе и путем вытеснения масла растворителем. Таким образом, при проведении экстракции в мягких условиях можно ограничить количество этанола. Экстракцию проводится в несколько стадий. При этом все растворимые в спирте компоненты из клеточного матрикса, а также из растворенного и вытесненного масла растворяются в этаноле. Диспергированные капельки масла опускаются на дно и образуют отдельную масляную фазу.
После завершения экстракции твердый экстракционный остаток отделяют механическим способом и сушат. После охлаждения жидкий экстракт разделяют на мисцеллу, экстракционную смесь и свободное масло. Мисцеллу и регенерированный этанол направляют на повторное использование.
Этот технологический подход отличается тем, что весь процесс обработки масличных семян протекает без отжима масличных семян, только путем растворения в этаноле и вытеснения этанолом, а в случае семян рапса он позволяет дополнительно удалять из получаемых продуктов, экстракционной муки и масла, значительную часть непищевых веществ, а также горчащие вещества и окрашенные компоненты. Это является предварительным условием для использования экстракционной муки в качестве высокоценного корма и в качестве сырья для производства высокосортных белков, прежде всего в отношении рапса. Например, экстракционная мука может стать продуктом, определяющим стоимость переработки рапса. Кроме того, ценные компоненты, такие как фосфолипиды, фенольные соединения или глюкозинолат, становятся более доступными и значительно увеличивают добавленную стоимость, например, рапса. К тому же, подобная стратегия переработки упрощает выделение сырого масла значительно более высокого качества по сравнению с установленным промышленным процессом (см. выше: полурафинированное масло).
Особое преимущество процесса заключается в том, что экстракцию проводят при температуре ниже температуры кипения этанола при атмосферном давлении. Несмотря на низкую растворимость масла в этаноле при этих условиях, происходит полная экстракция масла путем его вытеснения из клеток семян. Это вытесненное масло образует свободную масляную фазу и может быть выделено путем простого разделения. Масло в свободной масляной фазе преимущественно обладает качеством полурафинированного масла. Этанол можно повторно использовать в этом процессе после разделения.
Для решения проблемы можно также считать целесообразным сочетание вышеописанных вариантов осуществления и соответствующих им стадий этого способа.
Далее приведено более подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Эти варианты осуществления помогают раскрыть сущность изобретения, но не ограничивают его объем.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена блок-схема способа согласно настоящему изобретению, осуществляемого в режиме прямотока с трехстадийной экстракцией.
На фиг. 2 приведена блок-схема способа согласно настоящему изобретению, осуществляемого в режиме противотока с трехстадийной экстракцией.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение экстракционного устройства.
В первом варианте осуществления со ссылкой на фиг.1 представлен процесс трехстадийной экстракции семян рапса, проводимый в режиме прямотока.
При этом сначала готовят пульпу из масличных семян, которые, например, предварительно были высушены и измельчены, и этанола. Затем проводят механическое разрушение клеток, например, с помощью роторно-статорной системы. После этого проводят экстракцию путем растворения и вытеснения, во время которой часть масла растворяется в спиртовой фазе, а после насыщения спиртового растворителя маслом спирт вытесняет масло, которое собирается в виде капелек в спиртовом растворителе. После этого производят разделение мисцеллы и свободной масляной фазы. После отделения свободной масляной фазы мисцеллу можно использовать повторно на стадиях последующего вытеснения. Кроме того, при регенерации растворителя, которую осуществляют с помощью испарителя, происходит выделение растворенного масла и других компонентов в виде кубового продукта (остатка). Тем самым обеспечивается повторное использование спиртового растворителя (дистиллята).
В результате по способу растворения и вытеснения получают свободную масляную фазу и растворенную масляную фазу, растворимые в спирте компоненты, такие как фосфолипиды, фенольные соединения или глюкозинолат, и твердую фазу (рапсовую экстракционную муку), которую можно использовать в качестве высококачественного кормового продукта или в качестве сырья для извлечения белков.
В другом варианте осуществления, показанном на фиг.2, представлен тот же самый процесс, но только работающий в режиме противотока. В этом варианте пульпу получают из исходного продукта и мисцеллы. Свежий этанол добавляют в конце экстракции и в режиме противотока относительно твердого вещества подают на все стадии процесса.
В следующем варианте осуществления описано проведение процесса согласно настоящему изобретению в лаборатории с ссылкой на фиг.3.
При этом 122 г семян рапса (очищенных или неочищенных) суспендируют в 488 г 96 об. % этанола в реакторе высокого давления 9 вместимостью 1 л. Реактор 9 и этанол были предварительно нагреты до 60°С.
Затем реактор высокого давления герметизируют и вытесняют из него воздух газообразным азотом. Проводят разрушение клеток встроенной роторно-статорной системой 1 с помощью диспергирующего рабочего органа 6, вращающегося со скоростью 18,8 м/с.
1
Через 15 мин семена полностью гомогенизируются, то есть средний размер частиц достигает значения, равного примерно 30 мкм. Во время разрушения клеток спиртовой раствор насыщался маслом (образуя мисцеллу). Избыточное свободное масло (масло), не способное раствориться, присутствует в виде капелек свободного масла в мисцелле. Кроме того, растворимые в спирте компоненты (фосфолипиды, олигосахариды, фенольные соединения и глюкозинолат) растворяются в мисцелле и окрашивают ее в оранжево-красный цвет.
Затем в реакторе высокого давления 9 создают повышенное давление (2-3 бар). Через встроенный пористый стеклянный фильтр (с размером пор 15 мкм) выдавливают жидкую фазу (мисцеллу и свободное масло) и подают в разделительную воронку 10. Фильтрация длится около 1-2 часов. Суспензию во время фильтрации перемешивают, чтобы предотвратить образование осадка на фильтре. В результате этого продолжительность фильтрации сокращается примерно на 15-30 мин. После фильтрации в реакторе остается частично обезжиренный экстракционный остаток, содержащий 40-60% мисцеллы.
В разделительной воронке 10 жидкие фазы отделяются одна от другой. Оранжево-красная мисцелла образует верхний слой, а свободное масло образует нижний слой. Мисцеллу охлаждают до комнатной температуры. При этом максимальная растворимость масла снижается, то есть масло, растворенное в мисцелле, частично выделяется и переходит в разделительной воронке в нижний слой. Кроме того, между ними может образоваться третья фаза, так называемая экстракционная смесь.
1
1
Свободное масло (масло) сливают из разделительной воронки 10. После этого мисцеллу возвращают в реактор высокого давления 9. В реакторе высокого давления 9 мисцеллу нагревают при перемешивании до 60°С. Затем вышеописанные стадии фильтрации, отделения свободного масла и возврата мисцеллы повторяют до тех пор, пока после фильтрации в разделительной воронке больше не останется свободного масла (масло).
1
При применении ультразвука и использовании мешалки количество отделенного свободного масла в пересчете на одну повторно проводимую стадию может быть увеличено. Общий выход свободного масла (масло) практически не меняется. Под воздействием энергии, выделяемой при перемешивании и воздействии ультразвука, может сократиться количество повторно проводимых стадий. Лабораторные эксперименты показали, что после 2-5 повторно проводимых стадий в разделительной воронке не было обнаружено свободное масло.
Теперь вместо мисцеллы в реактор подают 488 г свежего спирта, перемешивают смесь в реакторе и нагревают ее до 60°С. Затем следует описанная выше фильтрация. Эта «промывка» экстракционного остатка служит для растворения последних остатков масла и растворимых в спирте компонентов, содержащихся в нем. В случае необходимости эту стадию промывки можно провести повторно в качестве финальной стадии.
2
3
Для регенерации растворителя всю мицеллу и экстракционную смесь осторожно выпаривают в ротационном испарителе. После удаления этанола, который используют повторно для экстракции, в ротационном испарителе остается жидкая масляная фаза (масло) и оранжево-красная твердая фаза, так называемый кубовый продукт (состоящий из масла, фосфолипидов, олигосахаридов, фенольных соединений и глюкозинолата). Затем кубовый продукт промывают ацетоном. Нерастворившуюся в ацетоне фаза, состоящая из фосфолипидов и олигосахаридов, извлекают из испарителя. На следующей стадии переработки/дистилляции ацетона, кроме жидкой масляной фазы (масло), получают также твердую фазу. Твердая фаза растворимых в ацетоне веществ состоит в основном из фенольных соединений и глюкозинолатов.
Пропитанный спиртом экстракционный остаток (содержание твердого вещества около 40-60%) сушат в мягких условиях. Отогнанный этанол возвращают на экстракцию. Высушенная экстракционная мука имеет светлую окраску и низкое содержание синапина и глюкозинолатов. Следовательно, она имеет более высокое качество, чем экстракционная мука, полученная обычным способом переработки масличных семян. Содержанием белка в ней составляет более 50%, а остаточное содержание масла ≤3%, так что она лучше подходит для производства высококачественных белковых препаратов, а также высококачественного корма.
1
1
2
3
Вытесненное масло (масло) после отделения в разделительной воронке содержит примерно 6-9% этанола. После мягкого выпаривания отогнанный этанол возвращают на экстракцию. В масле содержание свободных жирных кислот очень мало и составляет 0,03-0,6%. Точно так же содержание фосфора очень мало и составляет 0,8-7 ppm. В экстрагированных маслах, масле и масле, содержание свободных жирных кислот и фосфора выше.
1
2
3
В лабораторном эксперименте вытесняется около 70% масла, содержащегося в семенах рапса (масло). На долю масла, экстрагированного из мисцеллы (масло), приходится примерно 23% масла, содержащегося в семенах рапса. Масло, полученное из растворимой в ацетоне части кубового продукта, соответствует примерно 4% масла, содержащегося в семенах рапса. Остальное масло остается в экстракционной муке в виде остаточного содержания масла.
Нерастворимая в ацетоне часть кубового продукта и экстракционная смесь, состоящая преимущественно из фосфолипидов и олигосахаридов, представляет собой обогащенную фосфолипидами фазу. Эта лецитиновая фаза практически не содержит воды. Таким образом, исключается традиционный путь получения лецитина, включающий стадию очистки масла от слизи и последующий сложный процесс сушки.
Ниже приведен массовый баланс для данного варианта осуществления изобретения. Из 122 г очищенных рапсовых семян (с влажностью 3%) получены следующие продукты:
1
43 г масла (сухого, не содержащего этанола)
2
14 г масла
3
4 г масла
44 г экстракционной муки (сухой, не содержащей этанола)
11 г фосфолипидов + олигосахаридов
2 г фенольных соединений + глюкозинолатов
4 г воды, выпаренной при сушке.
В одном из вариантов осуществления разрушение клеток проводят альтернативно с использованием гомогенизатора высокого давления. При выборе метода разрушения клеток решающим фактором является обеспечение полного разрушения до размера частиц 30 мкм.
В одном из вариантов осуществления для отделения жидких фаз (мисцелла/свободное масло) от экстракционного остатка можно выбрать, например, фильтрацию под давлением, ситовое прессование, ситовое центрифугирование или ситовое декантирование. Решающим фактором является надежное отделение мелких и мельчайших частиц от гомогената клеток. При соответствующем увеличении площади поверхности разделения и уменьшении образования осадка на фильтре удается сократить до минимума продолжительность разделения.
В одном из вариантов осуществления изобретения разделение жидкой фазы проводят в осадочном резервуаре или с помощью центробежной силы. Важно, чтобы перед отделением свободного масла мисцелла была охлаждена предпочтительно до 4-25°С. При непрерывном проведении процесса охлаждение производят в теплообменнике.
В одном из вариантов осуществления экстракцию проводят под давлением 1-6 бар, предпочтительно при атмосферном давлении и температуре ниже температуры кипения растворителя.
В одном из вариантов осуществления насыщенный спиртом экстракционный остаток сначала подвергают механическому отжиму, а затем осторожно высушивают в вакуумной сушилке.
В одном из вариантов осуществления регенерацию этанола проводят путем вакуумного испарения. Перед выпариванием можно провести концентрирование мисцеллы путем мембранного разделения, предпочтительно с ультрафильтрацией.
В одном из вариантов осуществления изобретения разрушение очищенных рапсовых семян осуществляют диспергирующим инструментом 6 с помощью роторно-статорной системы 1 в реакторе высокого давления 9. Диспергирующий инструмент 6 был установлен на расстоянии 48 мм от дна. Кроме того, для улучшения перемешивания были установлены четыре погружные трубы 7 в качестве перегородок. В реакторе высокого давления 9 были подобраны оптимальные условия для эффективного разрушения клеток. Для разрушения клеток в реакторе высокого давления 9 выбрали продолжительность диспергирования 15 мин, скорость вращения 20000 об/мин (окружную скорость 18,8 м/с) и содержание твердого вещества 20%. Кроме того, во время разрушение клеток поддерживали в реакторе высокого давления давление 1 бар и при температуре в рубашке 60°С. Перед проведением разрушения трубку и реактор высокого давления 9 продували газообразным азотом через патрубок для подачи азота 12, чтобы замедлить протекание окислительных процессов.
Для разрушения клеток с последующей экстракцией масла из обработанных семян рапса использовали этанол (96,0 об. %). К очищенным рапсовым семенам этанол добавляли в таком количестве, чтобы содержание твердого вещества составляло 20%, в результате чего общая масса составляла 610 г.
В экспериментах, проводимых в реакторе высокого давления 9, для получения экстракта этанольно-масляную смесь выдавливали под действием избыточного давления. Для получения максимально чистого экстракта, не содержащего частиц, в систему был встроен фильтр с размером пор 15 мкм. Профильтрованный экстракт подавали в разделительной воронке 10. Он состоит из жидких фаз мисцеллы и свободного масла. В этом примере фазу экстракционной смеси не удалось обнаружить.
После фильтрации экстракционный остаток, оставшийся в реакторе высокого давления 9, имел остаточную влажность около 50-60%. В зависимости от экспериментальной установки остаток сушат или смешивают с этанолом. Суспензию гомогенизировали вручную с помощью шпателя, потом реактор высокого давления герметизировали и продували азотом. Экстракционную муку снова отфильтровывали под избыточным давлением. В зависимости от типа экспериментальной установки эту стадию проводили повторно.
Использованные на фиг. 3 обозначения:
1 - роторно-статорная диспергирующая система;
2 - манометр;
3 - игольчатый клапан 1;
4 - игольчатый клапан 2;
5 - предохранительная мембрана;
6 - диспергирующий инструмент;
7 - погружная трубка с встроенным фильтром;
8 - термометр;
9 - реактор высокого давления с термостатирующей рубашкой;
10 - разделительная воронка;
11 - термостат;
12 - патрубок для подачи азота.