УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ СЖИЖЕННЫМИ ГАЗАМИ

Полезная модель относится к области переработки биологического сырья растительного и животного происхождения, а именно к установкам для осуществления процессов экстракции указанного сырья сжиженными газами, преимущественно, в неполярном растворителе на основе диоксида углерода и может найти применение в пищевой промышленности, медицине, производстве биологически активных веществ, а также при создании лабораторных установок для исследования процессов экстракции.
Известна установка для экстракции биологического сырья жидкими экстрагентами, содержащая последовательно соединенные в замкнутый контур магистралями с запорной арматурой конденсатор, по меньшей мере один экстрактор, испаритель и сепаратор, а также средства подпитки экстрагента и дополнительные магистрали с запорной арматурой, соединяющие магистраль конденсатор-экстрактор с испарителем и магистраль экстрактор-испаритель с конденсатором, и сборник экстракта, причем в нижней части экстрактора размещен барботер с дополнительной магистралью с обратным клапаном и регулируемой запорной арматурой, соединяющей магистраль испаритель-сепаратор с барботером (см. патент РФ №2060777, МПК В01D 11/02, опубл. 27.05.96 Бюл.№15).
Недостатком такой установки является сравнительно низкая производительность из-за необходимости поочередного извлечения вручную отработанного сырья из нескольких экстракторов и их загрузки новыми порциями измельченного сырья. При этом приходится каждый раз вручную демонтировать и вновь установить верхние фланцы экстракторов для продолжения работы установки.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для газожидкостной экстракции растительного сырья, содержащая соединенные магистралями с запорной арматурой в замкнутый контур по меньшей мере один экстрактор, испаритель, конденсатор и по меньшей мере одну буферную емкость, а также, по меньшей мере, один соединенный с испарителем сборник экстракта и источник подпитки экстрагентов, причем каждый экстрактор снабжен кассетой для загрузки сырья, в которой, по меньшей мере, по одной концентричной окружности размещены с постоянным окружным шагом дренажные трубки с перфорированными стенками и заглушенным верхним концом.
Указанное выполнение экстракторов в известной установке позволяет повысить равномерность обработки сырья за счет облегчения проникновения экстрагента в осевую область экстракторов, повышая выход экстрактивных веществ. Наличие в установке нескольких экстракторов со сменными кассетами позволяет осуществлять загрузку измельченного сырья попеременно в различных экстракторах, не прерывая экстрагирования в остальных экстракторах. Тем не менее, в известной установке также необходимо поочередно извлекать вручную кассеты с отработанным сырьем из нескольких экстракторов, затем загружать кассеты новыми порциями измельченного сырья и помещать их в соответствующие экстракторы. При этом приходится каждый раз вручную демонтировать и вновь установить верхние фланцы экстракторов для продолжения работы установки, что при наличии значительного давления экстрагента в рабочем контуре является достаточно трудоемкой операцией.
Решаемой задачей полезной модели является создание полупромышленной установки для эффективной экстракции биологического сырья, преимущественно, в неполярном растворителе на основе диоксида углерода для получения из сырья целевого продукта, в том числе, эфирных масел, витаминов, алкалоидов, аминокислот и других ценных биологически активных веществ с сохранением их биохимического состава и физиологической активности. Важными составляющими данной задачи являются увеличение производительности процесса, степени извлечения, чистоты извлекаемого продукта и расширение технологических возможностей установки.
Указанная задача решается тем, что в установке для экстракции биологического сырья сжиженными газами, содержащей замкнутый контур, включающий испаритель, ресивер, компрессорную станцию, конденсатор и экстрактор, снабженный системой подачи и вывода сырья, измерительную и запорно-регулирующую арматуру, согласно полезной модели, указанная система экстрактора выполнена с возможностью порционной подачи и вывода сырья и содержит последовательно установленные первую мерную емкость для размещения исходного измельченного сырья, продувочную камеру на входе экстрактора, вторую емкость на его выходе для отработанного сырья и дистанционно управляемые первый, второй и третий клапаны, установленные, соответственно, на выходах первой емкости, продувочной камеры и экстрактора, причем компрессорная станция содержит, по крайней мере, одну ступень поршневого компрессора с гидроприводом плунжерного типа, соединительный шток между которыми размещен в замкнутой полости в атмосфере рабочего газа.
Кроме того, экстрактор может быть выполнен в виде вертикально расположенного цилиндра, на торцевых фланцах которого установлены седла и механизмы привода для второго и третьего клапанов, на наружной поверхности цилиндра могут быть размещены электронагреватель, ультразвуковые излучатели для интенсификации экстрагирования и оптроны для контроля уровня сырья в рабочем объеме экстрактора, причем на выходе экстрактора и компрессорной станции могут быть установлены фильтры для очистки рабочей среды от механических примесей, а вход компрессорной станции может быть соединен с выходным коллектором баллонной рампы для поддержания рабочего давления в замкнутом контуре.
Кроме того, система порционной подачи и вывода сырья может быть выполнена с возможностью функционирования в автоматическом или полуавтоматическом режиме с пульта управления в соответствии с программой экстракции конкретного вида сырья.
Кроме того, конденсатор, экстрактор с системой подачи и вывода сырья, испаритель, ресивер и компрессорная станция могут быть размещены, преимущественно, в вертикальной плоскости с опорой на несущие конструкции или стены помещения.
Такое выполнение установки для экстракции биологического сырья сжиженными газами позволяет решить поставленную задачу обеспечения эффективной экстракции сырья при одновременном увеличении производительности процесса экстракции, степени извлечения и чистоты извлекаемого продукта. Сокращение времени подачи нового сырья в экстрактор и вывода отработанного сырья обеспечивается наличием последовательно установленных мерной емкости для размещения исходного измельченного сырья, продувочной камеры, экстрактора, емкости для отработанного сырья и дистанционно управляемых клапанов, установленных на выходах первой емкости, продувочной камеры и экстрактора.
Достижение необходимых параметров рабочего давления и температуры в агрегатах замкнутого контура установки обеспечивает компрессорная станция с несколькими ступенями поршневого компрессора с гидроприводом плунжерного типа, а также теплообменники в конденсаторе и испарителе и нагреватель на корпусе экстрактора. Высокая степень извлечения и чистоты извлекаемого продукта обеспечивается, в том числе, за счет отсутствия дополнительных протечек масла и воды из гидравлической системы в силу особой схемы соединения поршня компрессора и гидропривода.
Использование в предложенной установке в качестве экстрагента диоксида углерода, обладающего низкой вязкостью, высоким коэффициентом диффузии и способностью полного удаления из экстрагируемого сырья при испарении способствует увеличению скорости экстракции, степени извлечения и чистоты целевого продукта. Технологичность предложенной установки связана с возможностью создания на ее основе серии полупромышленных и промышленных установок жидкостной, газожидкостной и сверхкритической флюидной экстракции растворителями на основе диоксида углерода различных видов биологического сырья.
На фиг.1 приведена принципиальная схема установки.
Установка для экстракции биологического сырья сжиженными газами, содержит замкнутый контур 1, включающий экстрактор 2, испаритель 3, ресивер 4, компрессорную станцию 5 и конденсатор 6, систему подачи и вывода сырья, измерительную и запорно-регулирующую арматуру. Система подачи и вывода сырья содержит последовательно установленные первую мерную емкость 7 для размещения исходного измельченного сырья, продувочную камеру 8, размещенную на входе экстрактора 2, вторую емкость 9 на его выходе для отработанного сырья и дистанционно управляемые первый, второй и третий клапаны 10, 11, 12, установленные, соответственно, на выходах первой емкости 7, продувочной камеры 8 и экстрактора 2. Компрессорная станция 5 содержит, по крайней мере, одну ступень поршневого компрессора 13 с гидроприводом 14 плунжерного типа, соединительный шток 15 между которыми размещен в замкнутой полости 16 в атмосфере рабочего газа.
Экстрактор 2 выполнен в виде вертикально расположенного цилиндра, на торцевых фланцах которого установлены седла и механизмы 17 привода для второго и третьего клапанов 11, 12. На наружной поверхности цилиндра размещены электронагреватель 18, ультразвуковые излучатели 19 для интенсификации экстрагирования и оптроны 20 для контроля уровня сырья в рабочем объеме экстрактора 2. На выходе экстрактора 2 и компрессорной станции 5 установлены фильтры 21 для очистки рабочей среды от механических примесей, а вход компрессорной станции 5 соединен с выходным коллектором баллонной рампы 22 для поддержания рабочего давления в замкнутом контуре 1 установки.
Система порционной подачи и вывода сырья выполнена с возможностью функционирования в автоматическом или полуавтоматическом режиме с пульта управления 23 в соответствии с программой экстракции конкретного вида сырья. На выходе испарителя 3 установлена емкость 24 для сбора экстракта. На выходе второй емкости 9 установлены шнековый транспортер 25 и накопительный бункер 26 для отработанного сырья. Первый клапан 10 на выходе первой мерной емкости 7 также снабжен независимым механизмом привода. Первая и вторая емкости 7, 9, бункер 26, емкость 24 и конденсатор 6 снабжены оптронами 20 для системы автоматического контроля уровня сырья, экстракта и сжиженного газа.
В рабочем объеме конденсатора 6 смонтирован теплообменник 27, выполненный с возможностью подачи в его полость охлаждающей жидкости, например, рассола. На наружной поверхности испарителя 3 размещены трубки теплообменника 28 для подачи в него горячей воды, функции которого может также выполнять электронагреватель. Первая и вторая емкости 7, 9, продувочная камера 8 и экстрактор 2 снабжены патрубками 29, 30, 31, 32 для продувки указанных частей рабочим газом на различных режимах подачи и вывода сырья.
Определяющие участки замкнутого контура 1, экстрактор 2, испаритель 3, ресивер 4, конденсатор 6, теплообменники 27, 28, емкость 24, баллонная рампа 22 и патрубки 29, 30, 31, 32 снабжены датчиками давления 33 и температуры 34 для дистанционного контроля параметров рабочей среды. При этом выходы указанных датчиков соединены с входами 35 блока управления (не показан), размещенного в пульте управления 23. Управляющие выходы 36 пульта управления 23 соответственно соединены с входами автоматически управляемых клапанов 37 в указанных на фиг.1 точках принципиальной схемы установки. Таким образом, автоматическая система измерения и управления в составе предложенной установки обеспечивает проведение экстракции сырья и поддержание термодинамических параметров рабочей среды в указанных агрегатах в широком диапазоне давлений и температур.
В случае лабораторной установки конденсатор 6, экстрактор 2 с системой подачи и вывода сырья, испаритель 3, ресивер 4 и компрессорная станция 5 могут быть выполнены в настольном исполнении. В промышленном варианте исполнения при отсутствии достаточной площади указанные составные части установки могут быть размещены в вертикальной плоскости с опорой на несущие конструкции или стены помещения.
Параметры агрегатов и систем предложенной установки предусматривают проведение процесса экстрагирования путем изменения параметров растворителя в экстракторе в широком диапазоне давлений (5-50 МПа) при сравнительно низких температурах, необходимых для экстракции некоторых видов сырья растительного или животного происхождения и сохранения биологически активных свойств получаемых экстрактов. Так, например, параметры растворителя в испарителе следует поддерживать в диапазоне температур от -5 С до +35 С. Для большинства случаев сверхкритическую экстракцию проводят за время от десятков до сотен мин.
Установка для экстракции биологического сырья сжиженными газами работает следующим образом.
Предварительно замкнутый рабочий контур 1 установки подвергается вакуумированию с помощью вакуумного насоса (не показан). При этом емкости баллонной рампы 22 должны быть заполнены диоксидом углерода при заданном давлении. Необходимое для жидкостного экстрагирования в среде диоксида углерода, например, растительное сырье предварительно высушивают до заданной влажности и измельчают до размера частиц примерно в диапазоне 0,5-2 мм. При этом компрессорная станция 5 с помощью, по крайней мере, одной ступени поршневого компрессора 13 должна обеспечить поступление в рабочий контур 1 рабочего газа при давлении, необходимом для его конденсации на поверхностях теплообменника 27 в конденсаторе 6. При готовности системы к подаче жидкого экстрагента в экстрактор 2 в него необходимо подать порцию исходного сырья. Для этого измельченное сырье через верхний патрубок загружают в объем первой мерной емкости 7 при закрытом клапане 10. Затем при зарытой верхней крышке (не показана) в емкость 7 через патрубок 29 обеспечивают подачу толкающего, преимущественно, рабочего газа.
При открытых клапанах 10, 11 и закрытом клапане 12 порция указанного сырья под давлением газа поступает через продувочную камеру 8 в объем экстрактора 2. После этого клапан 10 закрывается и в камеру 8 поступает продувочный газ через патрубок 30 для очистки седла клапана 11. Затем закрывается клапан 11 и в экстрактор 2 через автоматический управляемый клапан на выходе конденсатора 6 поступает сжиженный газ. После промежутков времени, заданных управляющим блоком в пульте управления 23 прекращается подача сжиженного газа и осуществляется экстрагирование сырья. По окончании экстрагирования открываются клапаны 11, 12 и через патрубок 30 подается вытесняющий газ, выталкивающий порцию отработанного сырья в емкость 9 и через шнек 25 в бункер 26.
В процессе обработки сырья полученный экстракт поступает через фильтр очистки на вход испарителя 3. Испарившийся газ поступает в ресивер 4, а целевой продукт стекает в емкость 24. Указанные переключения управляемых клапанов обеспечиваются с пульта управления в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Технологические параметры процесса экстрагирования для каждого конкретного вида и формы исходного сырья устанавливаются отдельно. При этом следует иметь ввиду, что снижение температуры экстракции ниже 32 С приводит к нарушению критического состояния диоксида углерода и, как следствие, к резкому снижению скорости процесса и степени извлечения целевого продукта. Повышение же температуры растворителя в экстракторе более 40 С сказывается на распаде летучих компонентов целевого продукта и может привести к снижению их биологической ценности. Давление растворителя в экстракторе при этом должно быть не ниже 7,3 МПа, поскольку в этом случае процесс выходит из сверхкритического состояния, резко снижается растворяющая способность диоксида углерода и, как следствие, снижается скорость процесса, степень извлечения и чистота извлекаемого продукта.
С повышением давления в экстракторе от 7,3 до 25 МПа и выше, при прочих равных условиях, резко увеличивается скорость процесса экстракции, а также степень извлечения и чистота целевого продукта. Указанный узкий температурный диапазон экстракции определяется необходимостью селективного извлечения из сырья различных фракций целевого продукта. Для достижения поставленной выше задачи значительную роль играют также термодинамические параметры растворителя во всех ступенях установки. Таким образом, предложенная установка для процесса сверхкритической экстракции целевого продукта из сырья растительного или животного происхождения позволяет наиболее полно использовать преимущества жидкостной и других видов экстракции в среде диоксида углерода для максимально эффективного селективного извлечения натурального целевого продукта без потери содержащихся в нем ценных биологически активных веществ.