Применение суб- и сверхкритических флюидов в экстракционных процессах

Е. В. Цихмейстр, Ф. М. Гумеров ПРИМЕНЕНИЕ СУБ- И СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДОВ В ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

Ключевые слова: сверхкритические флюиды, сверхкритический диоксид углерода, экстракция.

Рассмотрено использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции, применение диоксида углерода в качестве экстрагента в суб- и сверхкритических флюидных экстракционных процессах, схема экспериментальной установки для осуществления процессов экстракции.

Keywords: supercritical fluids, supercritical dioxide of carbon, extraction.

Use of supercritical fluids in extraction processes, application of dioxide of carbon in quality extragent in sub - and supercritical fluid extractsionny processes, the scheme of experimental installation for implementation of processes of an extraction is considered.

Введение

В 1822 году Каньяр де ля Тур впервые ввел понятие критической точки, как конечной точки двухфазового равновесия в системе «жидкость-газ». В 1860 году Д.И. Менделеев впервые дал определение критической температуры, как

температуры абсолютного кипения и наконец в 1861 году Эндрюс опубликовал результаты исследования РУ - диаграммы диоксида углерода, охватывавшего области до-, критической и сверхкритических

изотерм. Таким образом, было положено начало к пристальному вниманию и систематическим

исследованиям критических явлений. Как следствие, в 20 веке работы ученых в этом направлении четырежды были удостоены Нобелевских премий (Л. Онзагер, Л.Д. Ландау, К.Г. Вильсон, П. Де Жен) и было очевидно, что эти теоретические достижения не заставят себя долго ждать в плане воплощения их в виде конкретных технологических приложений. Действительно, если ограничиваться даже лишь переработкой растительного сырья, то можно

констатировать, что согласно градации ЮНЕСКО получение экстрактов с использованием суб- и сверхкритического диоксида углерода признано безальтернативной, экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей безотходной технологией XXI века. Ежегодно в мире с использованием вышеотмеченных экстрагентов перерабатывается до 2-3-х миллионов тонн растительного сырья. В частности, в 1996 году объем продаж растительных экстрактов в Европе оценивался в 7 миллиардов долларов, в Азии - 2,3 миллиарда долларов, в Японии - 2,1 миллиарда долларов, в Северной Америке - 4,5 миллиарда долларов. Средние темпы роста продаж растительных композиций в мире составляют около 12-15% в год. А прибыль, которую в будущем может принести освоение пока неизученных лекарственных растений, оценивается в сотни миллиардов долларов [1].

Говоря об общих возможностях, так называемых, сверхкритических технологий в перечисленных отраслях промышленности (пищевая, парфюмерная, фармацевтическая) следует отметить, что прежде всего они связаны с первичной переработкой растительного сырья:

выделение ароматических, вкусовых и красящих веществ из овощей, фруктов и специй; получение растительных масел из семян, зерен, бобов, косточек; декофеинизация кофе и чая; деникотинизация табака; извлечение эфирных масел из цветов; выделение биологически активных компонентов лекарственных растений и кореньев. Вторичная переработка включает в себя фракционирование масел и витаминов; дезодорирование и удаление холестерина из масел. И наконец следует перечислить технологические процессы не связанные с переработкой растительного сырья: интенсификация реакций

синтеза фармпрепаратов; удаление остаточного растворителя из фармокопейных субстанций; микронизация и стерилизация фармпрепаратов; пропитка полимерных материалов ароматами и фармпрепаратами; концентрирование этанола в

водноэтанольном растворе и многое другое [2,3].

Именно диоксид углерода нашел

наибольшее применение в качестве экстрагента в суб- и сверхкритических экстракционных процессах, далеко распространившихся за пределы технологий обсуждаемых отраслей

промышленности. Причиной тому послужили,

нетоксичность, инертность, пожаро-,

взрывобезопасность, дешевизна, доступность, удобные критические параметры и высокая летучесть диоксида углерода.

При этом суб- и сверхкритические экстракционные процессы, реализующие замкнутый экстракционный цикл (с минимальными выбросами экстрагента в окружающую среду), не являются новыми генераторами СО2.

Они лишь используют диоксид углерода, являющийся побочным продуктом других технологических процессов, тем самым в целом снижая мощность выбросов СО2 в атмосферу. Таким образом, суб- и сверхкритические экстракционные процессы не способствуют развитию парникового эффекта и потеплению климата на Земле.

Предположение об энергосберегающем характере процесса сверхкритической экстракции в первую очередь связано с тем, что вследствие сильной зависимости растворяющей способности сверхкритических флюидов от параметров

состояния, полную регенерацию экстрагента можно осуществлять путем изменения лишь температуры (или давления), не прибегая к реагентным методам или дистилляции.

Сверхкритическая флюидная экстракция обеспечивает близкий к 100% выход целевого продукта, значительно превышая результаты традиционных способов экстрагирования (водноспиртовым, пропилегликолевыми и другими растворами). Это снижает необходимое количество исходного сырья, тем самым удешевляя производство и снижая себестоимость экстрактов.

Как отмечается в работе [4] СО2-экстракты содержат массу природных консервантов и антиоксидантов, по причине которой в них в отличие от сырья нет ни живых, ни мертвых микробиальных клеток. Нет в них и опасных продуктов жизнедеятельности микрофлоры. Поэтому, согласно технической документации [4] СО2 - экстракты могут храниться до трех лет. Но на практике многие их них не теряют своих качеств и через 6-9 лет, причем в обычных условиях хранения.

Экспериментальная часть

В настоящее время в КНИТУ на кафедре теплотехники, для осуществления процессов экстракции, используется американская установка модель 8РЕ-1000, принципиальная схема установки представлена на рис. 1.

' 4 5

^2 2 3

12

10

6 12

10

Рис. 1 - Схема экспериментальной

экстракционной установки: 1 - баллон СО2; 2 -холодильник; 3 - насос для СО2; 4 - емкость для со-растворителя; 5 - насос для сорастворителя; 6 - электронагреватель; 7 - экстракционный сосуд; 8 - нагревательная рубашка; 9 -

циклонный сепаратор; 10 - манометр; 11 - ручной игольчатый клапан; 12 - вентили высокого давления

Лабораторный прибор состоит из насоса высокого давления, снабженного системой контроля давления и расходомером (опционально), насоса со-растворителя (опционально), нагревательных теплообменников, экстракционного сосуда, регулятора обратного давления, приемного сосуда (сборника), регулятора обратного давления и

системы управления на основе ПК. Также в комплект входит система предварительного охлаждения входящего диоксида углерода,

включающая в себя циркуляционный термостат и охлаждающий теплообменник для диоксида

углерода. Прибор поставляется на стальном мобильном блоке с четырьмя прорезиненными колёсами, задние колеса снабжены стопорами. Рабочие части прибора размещаются на трёх полках мобильного блока.

Система создания давления состоит из баллона с СО2 (1)объёмом 50 л, холодильного аппарата (2),охлаждающего рабочие камеры насоса, плунжерного градиентного насоса фирмыTharTech (3), и качающего газ с постоянным объёмным расходом в диапазоне от 5 до 200 гр/мин. В начале эксперимента диоксид углерода, находящийся в рабочей камере насоса, охлаждается и конденсируется с помощью холодильного аппарата, и в жидкой фазе выталкивается плунжером насоса в систему. После этого плунжер возвращается в исходное положение, и рабочий объём вновь заполняется газом. Благодаря тому, что в насосе установлены две камеры, плунжеры которых работают в противофазе, а также благодаря наличию ресивера, установленного перед входом в систему, достигается равномерность расхода газа.

Рабочее давление в системе измеряется аналоговым и цифровым манометром (10). Расход газа задается с помощью массового расходомера Кориолиса и данные выводятся на дисплей системы управления или компьютер по интерфейсу RS 232C.

Нагрев диоксида углерода, поступающего в экстракционный сосуд осуществляется с помощью электронагревателя (5).

Электронагрев экстракционного сосуда осуществляется с помощью электрической нагревательной рубашки. Для контроля температуры используются термопары J-типа, управление нагревателями осуществляется с помощью реле нагревателей.

Литература

1. Улесов А.В. Вещества растительного происхождения в косметологии и современные способы их извлечения из натуральных объектов // Материалы ЛИРП ГНЦЛС, Харьков, 2000, 8с.(http: // saybervizhn. narod. ru / sscd / -02. htm)/

2. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н. Процессы суб- и сверхкритического экстрагирования в пищевой промышленности // Тезисы II межрегиональной научнопрактической конференции «Пищевая промышленность 2000», Казань, 1998, стр.5 - 6.

3. Mukhopahyay M. Natural Extracts Using Supercritical Carbon Dioxide. CRC Press LLC, New York, 200, 339 p.

4. Латин Н.Н., Банашек В.М. Стасьева О.А. Со2 -экстракт-продукт ХХ! века// Пищевые ингредиенты: сырье и добавки. 2003. №1. С. 26-27.

© Е. В. Цихмейстр - магистр КНИТУ, katerina-v.b@mail.ru; Ф. М. Гумеров -основ теплотехники КНИТУ.

д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических