УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ГОРЧИЧНО-МАСЛОБОЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING BY-PRODUCTS OF MUSTARD AND OIL PROCESSING PRODUCTION (VERSIONS)

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при переработке побочных продуктов горчично-маслобойного производства для получения эфирного горчичного масла и кормовой добавки.
Известно, что для получения эфирных горчичных масел из побочных продуктов горчично-маслобойного производства используется установка, содержащая реактор с рубашкой, фильтр, гидролизатор и конденсатор (см. патент РФ №2196811, МПК С11В 13/00, опубл. 2003). Реактор снабжен мешалкой, которой перемешивают побочные продукты (жмых) в процессе подготовки водной суспензии. Фильтр в состав установки включен для промывки и отделения твердой фазы суспензии. Гидролизатор, как и реактор, снабжен мешалкой и рубашкой для осуществления гидролиза с параметрами перемешивания и нагрева до температуры 40-60°С. При этом в гидролизатор для проведения ферментативного гидролиза направляется отобранная на фильтре жидкая фаза суспензии с присоединенными продуктами переработки семян горчицы (горчичный порошок, дробленые семена горчицы). При подаче в гидролизатор острого пара из гидролизата выделяются изотиоцианаты (эфирные масла), которые вместе с паром направляются в конденсатор для завершения паровой дистилляции.
Однако данная установка не позволяет обеспечить качество готовой продукции. При подаче в гидролизатор острого пара на изотиоцианаты оказывается высокотемпературное воздействие (100°С), из-за чего изотиоцианаты подвергаются частичному разложению и нестабильны при хранении (3 месяца без стабилизаторов). Кроме того, недостатком установки является ее энергоемкость, обусловленная, как необходимостью 30-минутного нагрева реактора для поддержания температуры находящейся в нем воды в пределах 75-90°С в процессе подготовки суспензии, так и необходимостью доведения температуры в гидролизаторе до 100°С для начала испарения воды из гидролизата. При этом установка имеет в своем составе несколько единиц дополнительного оборудования.
Так помимо реактора, снабженного мешалкой и рубашкой, в котором готовят водную суспензию побочных продуктов, она оснащена фильтром, предназначенным для многократной промывки твердой фазы.
Наиболее близким аналогом заявляемой установки является установка, технологическая схема которой представлена в монографии «Комплексная переработка семян горчицы» под общей редакцией д.с.н. Г.Г. Русаковой - ИПК «Нива», Волгоград, 2009, с. 149 (прототип). Данная установка содержит реактор с загрузочным люком, мешалкой и паровой рубашкой, разделитель-конденсатор с системой отвода летучих соединений гидролизата и устройство для обезвоживания остатка гидролизата, которое выполнено в виде распылительной сушилки. Реактор предназначен для приготовления суспензии, при этом в реактор заливают подогретую до 35-50°С воду и при работающей мешалке загружают побочные продукты маслобойного производства (жмых). По окончании загрузки в рубашку реактора подают пар, доводя температуру суспензии до 40-55°С, при которой начинается гидролиз. В процессе гидролиза, проводимого в течение 30-45 минут при указанной температуре, продолжают перемешивание реакционной массы. По истечении времени гидролиза для отгонки легколетучих эфирных соединений открывают подачу острого пара в реактор, при этом температура в реакторе достигает 96-103°С. Из реактора пары легколетучих соединений поступают в конденсатор, который представляет собой теплообменник. Конденсация паров эфирных масел происходит за счет подачи охлаждающей воды в межтрубное пространство теплообменника. Несконденсировавшиеся пары легколетучих соединений поступают в соседний конденсатор, также охлаждаемый водой, а затем эфирные пары как готовый продукт поступают через разделитель на расфасовку. После отгонки эфирных соединений оставшийся гидролизат из реактора передают в промежуточную емкость, а затем на распылительную сушилку для последующего получения кормовой добавки.
Известная установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства также не позволяет обеспечить качество готовой продукции, так как при продувке острого пара через реактор на изотиоцианаты оказывается температурное воздействие в 100°С, происходит частичное разложение изотиоцианатов, в результате чего они становятся нестабильными при хранении. Помимо этого установка характеризуется высокой энергоемкостью, так как уже на стадии приготовления суспензии в реактор необходимо залить подогретую до 35-50°С воду и при работающей мешалке загрузить побочные продукты маслобойного производства (жмых). Энергоемкость оборудования значительно возрастает на стадиях гидролиза и отгонки летучих соединений масел в связи с нагревом суспензии, как через рубашку реактора, так и посредством продувки острого пара. Высоких энергозатрат требует обезвоживание на распылительной сушилке остатка гидролизата после отгонки эфирных масел, характеризующегося большим содержанием воды, поэтому вместо получения кормовой добавки более целесообразно осуществить слив остатка жидкой фазы в отход.
Известен способ получения эфирных горчичных масел (изотиоцианатов) из побочных продуктов горчично-маслобойного производства, описанный в патенте РФ №2196811, МПК С11В 13/00, опубл. 2003. В известном способе сначала на основе побочных продуктов готовят водную суспензию, при этом в соотношении 1:6 к побочным продуктам присоединяют воду для экстрагирования, которое проводят в течение 30 мин при температуре воды 75-90°С. После этого осуществляют разделение фаз. Твердую фазу промывают, а в жидкой фазе проводят ферментативный гидролиз тиогликозидов при температуре 40-60°С. Гидролизат подвергают обработке острым паром для извлечения изотиоцианатов.
Среди недостатков способа следует отметить то, что образование паровой фазы после гидролиза осуществляется при температуре 100°С, при таком температурном воздействии происходит частичное разложение изотиоцианатов, и в результате полученное эфирное горчичное масло при хранении нестабильно (3 месяца без стабилизаторов). Кроме того, после приготовления водной суспензии растворившийся в воде синигрин «отмывают» от твердого вещества, причем промывку твердой фазы осуществляют не менее 6 раз. Трудоемкость данной стадии, экстрагирование, проводимое в течение 30 мин с нагревом при температуре воды 75-90°С, а также высокие энергозатраты при отгонке изотиоцианатов острым паром понижают эффективность переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства с целью получения эфирного горчичного масла. Получение же кормовой добавки известным способом является нецелесообразным, так как при этом необходимо осушить твердую фазу, которая характеризуется большим содержанием влаги (около 85% воды) при указанном соотношении побочных продуктов и воды 1:6, что влечет высокие энергозатраты. Вывоз твердой фазы в отход для утилизации также сопровождается большими транспортными расходами из-за большого содержания влаги.
Наиболее близким аналогом в отношении заявляемого способа является способ переработки отходов горчично-маслобойного производства, описанный в патенте РФ №2360432, МПК A23K1/00, опубл. 10.07.2009 (прототип). Известный способ включает соединение отходов с водой, перемешивание, подогрев до 45-50°С в течение не менее 15 мин, получение сухого продукта под вакуумом, при этом нагретую до 50°С смесь выдерживают в течение 20 мин при давлении 0,1 атм. После этого пары воды с эфирными горчичными маслами удаляют, а полученный остаток гранулируют в качестве кормовой биодобавки.
Несмотря на то, что известный способ позволяет обеспечить получение кормовой добавки, в описании способа не сказано о качественных характеристиках полученного продукта, достижение которых важно в виду того, что содержание синигрина в получаемом продукте выше нормативного значения, не только понижает качество кормовой добавки, но делает ее непригодной для корма животных. Среди недостатков известного способа следует отметить, что необходимость подогрева массы, полученной при смешивании побочных продуктов с водой, в течение 15 мин., влияет на длительность всего процесса в целом и свидетельствует о высоких энергозатратах.
Задачей группы изобретений является разработка установки и способа для получения эфирного горчичного масла и кормовой добавки из отходов горчично-маслобойного производства, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение качества продукции.
Технический результат - получение качественных характеристик продуктов переработки отходов горчично-маслобойного производства (эфирное масло и кормовая биодобавка).
Указанный технический результат достигается тем, что установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства (вариант 1) содержит горизонтально установленный реактор-гидролизер, снабженный рубашкой, мешалкой и дистанционно управляемым клапаном. Помимо этого установка содержит средство для создания вакуума в реакторе, который при этом является сушилкой и систему отвода летучих соединений гидролизата с конденсаторами и разделителем фаз конденсата, причем средство для создания вакуума размещено в системе отвода летучих соединений гидролизата.
При этом в реакторе-гидролизере может быть установлен ультразвуковой генератор.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая установка в отличие от прототипа снабжена средством для создания вакуума в реакторе, который при этом установлен в горизонтальном положении и оснащен дистанционно управляемым клапаном.
В частном случае выполнения установки для переработки побочных продуктов в реакторе-гидролизере установлен ультразвуковой генератор.
Снабженный мешалкой и паровой рубашкой реактор, как и в прототипе, предназначен для проведения гидролиза, но при создании вакуума реактор-гидролизер, оснащенный дистанционным клапаном, представляет собой вакуумную сушилку. Кроме того, горизонтальное положение реактора позволяет обеспечить равномерное перемешивание густой вязкой массы увлажненного жмыха. Важно, что равномерное перемешивание такой массы способствует проведению гидролиза в полном объеме. Отгонка эфирного масла из смеси побочных продуктов с водой осуществляется не при 100°С, что имеет место при отгонке острым паром, а при температуре 50°С, при которой проводится гидролиз, что позволяет предотвратить перегрев реакционной смеси и разложение ее белковых компонентов, а также получить более стабильный для хранения продукт (эфирное масло). Принципиально то, что предназначенный для проведения гидролиза реактор, за счет средства создания вакуума функционально обеспечивает обезвоживание гидролизата. Таким образом, в процессе переработки побочных продуктов производства одной единицей оборудования вместо двух, используемых в прототипе (реактор и распылительная сушилка), может быть обеспечено получение и качество высокопротеиновой кормовой добавки, что свидетельствует об эффективности использования оборудования и его экономичности с точки зрения снижения энергоемкости. При этом помимо кормовой добавки заявляемая установка позволяет обеспечить не только получение эфирного горчичного масла, но и увеличить его количественный выход за счет обеспечения равномерного перемешивания густой вязкой массы увлажненного жмыха.
В частном случае выполнения посредством ультразвукового генератора может быть осуществлено мелкодисперсное распыление воды для обеспечения равномерного увлажнения жмыха небольшим количеством воды до 30% и интенсификация перемешивания, а при обезвоживании устранение подгорания жмыха на разогретых стенках гидролизера для улучшения теплопередачи, что в целом способствует энергоэффективности установки.
Указанный технический результат достигается при реализации на описанной выше установке (вариант 1) способа переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства. В этом способе (вариант 1) к массе побочных продуктов при их постоянном перемешивании присоединяют в качестве катализатора ферменты в количестве 2-5% от содержания побочных продуктов, добавляют не более 30% воды и в присутствии катализатора проводят гидролиз, нагревая полученную массу до температуры 45-50°С, получаемый при этом гидролизат обезвоживают под вакуумом до образования паровой фазы и сухого остатка с содержанием влаги не более 13%, паровую фазу отводят на конденсацию и после разделения конденсата получают эфирное горчичное масло, а сухой остаток отгружают в качестве кормовой биодобавки.
В заявляемом способе в отличие от прототипа к побочным продуктам сначала присоединяют катализатор в виде ферментов, а затем добавляют воду, причем количество ферментов составляет 2-5% от содержания побочных продуктов, а количество воды не более 30%. Как и в прототипе, в заявляемом техническом решении гидролиз проходит с нагревом при перемешивании. Но в отличие от прототипа на стадии гидролиза исключен подогрев гидролизной смеси в течение 15 минут до 45-50°С, так как в присутствии катализатора гидролиз проходит в процессе увлажнения побочных продуктов водой.
Присутствие катализатора в заявляемом способе позволяет не только увеличить скорость прохождения гидролиза. Ферменты, используемые в качестве катализатора, позволяют обеспечить прохождение реакции гидролиза в полном объеме, что имеет значение для повышения качества конечной продукции, так как содержание остаточного синигрина в кормовой добавке соответствует нормативно допустимому значению, при этом обеспечивается получение эфирного масла в большем количестве. В соответствии с заявляемым способом количество воды может быть взято не более 30% от содержания побочных продуктов, что позволяет уменьшить энергоемкость при перемешивании, нагреве и обезвоживании гидролизной массы. Содержание воды в таком количестве является оптимальным, так как меньшее значение не позволит равномерно перемешать и распределить воду в массе побочных продуктов и будет недостаточным для проведения гидролиза.
Указанный технический результат достигается также тем, что установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства (вариант 2), содержит горизонтально установленный реактор-гидролизер, снабженный рубашкой, мешалкой и дистанционно управляемым клапаном. Помимо этого установка содержит смеситель, установленный перед реактором, средство для создания вакуума в реакторе, который при этом является сушилкой, и систему отвода летучих соединений гидролизата с конденсаторами и разделителем фаз конденсата. Причем средство для создания вакуума размещено в системе отвода летучих соединений гидролизата, а смеситель содержит загрузочный люк на входе, перемешивающее устройство и фильерную решетку на выходе.
При этом в реакторе-гидролизере может быть установлен ультразвуковой генератор.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая установка, выполненная по второму варианту, имеет те же отличия от прототипа, что и по первому варианту ее выполнения за исключением того, что она оснащена смесителем, который содержит загрузочный люк на входе, перемешивающее устройство и фильерную решетку на выходе. Установка снабжена смесителем для того, чтобы обеспечить равномерное увлажнение жмыха небольшим количеством воды (30% от количества побочных продуктов).
При этом установка для переработки побочных продуктов в частном случае выполнения содержит реактор-гидролизер, в котором установлен ультразвуковой генератор.
В установке по второму варианту, как и в первом варианте ее выполнения, принципиально то, что горизонтальное положение реактора обеспечивает равномерное перемешивание, а сам реактор, предназначенный для проведения гидролиза, за счет средства создания вакуума является сушилкой. Однако в установке по второму варианту важным является то, что с помощью смесителя, снабженного фильерной решеткой на выходе, обеспечивается равномерное распределение воды в массе побочных продуктов при подготовке гидролизной массы. Такая подготовка реакционной смеси способствует осуществлению гидролиза в полном объеме, за счет чего обеспечивается нормативно допустимое содержание остаточного синигрина в кормовой добавке и количество получаемого эфирного масла. Важно и то, что эфирное горчичное масло и высокопротеиновая кормовая добавка могут быть получены одной единицей оборудования вместо двух, используемых в прототипе (реактор и распылительная сушилка), что свидетельствует об эффективности использования оборудования и его экономичности с точки зрения снижения энергоемкости.
В частном случае при выполнении установки по второму варианту посредством ультразвукового генератора может быть осуществлено мелкодисперсное распыление воды для обеспечения равномерного увлажнения жмыха небольшим количеством воды до 30% и интенсификация перемешивания, а при обезвоживании - устранение подгорания жмыха на разогретых стенках гидролизера для улучшения теплопередачи, что в целом способствует энергоэффективности установки.
Указанный технический результат достигается при реализации на описанной выше установке по варианту 2 способа переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства. Данный способ (вариант 2) осуществляют в следующей последовательности. К массе побочных продуктов при их постоянном перемешивании сначала присоединяют в качестве катализатора ферменты в количестве 2-5% от содержания побочных продуктов, затем добавляют 30% воды. Далее массу увлажненных побочных продуктов уплотняют до пастообразного состояния и подвергают гидролизу с нагревом до температуры 45-50°С. Получаемый при этом гидролизат обезвоживают под вакуумом до образования паровой фазы и сухого остатка с содержанием влаги не более 13%. Далее согласно способу паровую фазу отводят на конденсацию и после разделения конденсата получают эфирное горчичное масло, а сухой остаток отгружают в качестве кормовой биодобавки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в отличие от прототипа в заявляемом по второму варианту способе, к побочным продуктам при их перемешивании сначала присоединяют в качестве катализатора ферменты, а потом смешивают с водой, при этом количество ферментов составляет 2-5%, а количество воды не более 30% от содержания побочных продуктов. Важно то, что эту массу уплотняют, создавая давление, а затем с нагревом и перемешиванием подвергают гидролизу.
В заявляемом по второму варианту способе так же, как и в первом варианте, в присутствии катализатора гидролиз проходит в полном объеме, что позволяет обеспечить нормативно допустимое содержание остаточного синигрина в кормовой добавке для повышения качества конечной продукции. Кроме этого для прохождения гидролиза в полном объеме имеет значение равномерное распределение воды в массе побочных продуктов. Поэтому при осуществлении способа по второму варианту для обеспечения равномерного распределения воды в массе побочных продуктов их сначала смешивают с водой, затем, создавая давление, массу уплотняют. Важно отметить, что подготовленная таким образом реакционная смесь при осуществлении гидролиза в реакторе определяет получение большего количества эфирного масла. Кроме того, как и в первом варианте, заявляемый способ позволяет вводить в технологический цикл воду в количестве не более 30% от содержания побочных продуктов, что способствует снижению энергозатрат по перемешиванию, нагреву и обезвоживанию гидролизной массы и повышению эффективности переработки отходов горчично-маслобойного производства.
Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично представлена установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства. На фигуре 1 показана схема установки по варианту 1; на фиг. 2 - то же по варианту 2.
Установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства (вариант 1) содержит горизонтально установленный реактор 1, предназначенный для гидролиза синигрина из смеси побочных продуктов с водой. Реактор-гидролизер 1, снабженный рубашкой и мешалкой, посредством системы принудительного отвода паров гидролизата связан с конденсаторами 2, 3. При этом система принудительного отвода паров гидролизата оснащена средством создания вакуума в реакторе, например вакуумным насосом 4 и дистанционно управляемым клапаном 5. Конденсаторы 2, 3 выполнены в виде теплообменников и подключены к разделителю фаз 6, из которого отгружается эфирное горчичное масло. Шнековый транспортер 7 установлен перед реактором 1 для загрузки в него побочных продуктов маслобойного производства. Реактор-гидролизер 1 через выгрузной люк трубопроводом 8 связан с бункером 9, предназначенным для фасовки кормовой добавки.
Установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства по второму варианту выполнения содержит все те же составные элементы, что и в первом варианте ее выполнения, исключением является то, что она оснащена смесителем 10. Смеситель 10 имеет загрузочный люк на входе, перемешивающее устройство и фильерную решетку на выходе.
Для осуществления изобретения по обоим вариантам могут быть использованы известные применяемые в данной области техники конструктивные узлы, комплектующие детали, элементы и материалы, в том числе элементы гидравлики, резинотехнические изделия и крепежные элементы.
Установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства по первому варианту выполнения работает следующим образом. Предварительно к побочным продуктам, подаваемым на транспортере 7 к реактору 1, в количестве не более 2-5% присоединяют ферменты, например в виде измельченных семян белой горчицы. Затем полученная масса помещается через загрузочный люк в реактор-гидролизер 1, прогреваемый через рубашку до 50°С. В реакторе 1 масса побочных продуктов с ферментами при работающей мешалке увлажняется водой с получением гидролизата. После того как в реактор 1 введен весь необходимый объем воды в количестве 30% от содержания побочных продуктов загрузочный люк закрывают. Далее в реакторе 1 с помощью дистанционно управляемого клапана 5 посредством вакуумного насоса 4 создают вакуум для обезвоживания гидролизата. При вакуумной обработке образуется паровая фаза, содержащая пары эфирного горчичного масла. Паровая фаза транспортируется через систему принудительного отвода с помощью вакуум-насоса 4 в конденсатор 2. При этом конденсация паров эфирных масел происходит за счет подачи охлаждающей воды в межтрубное пространство теплообменника, в виде которого выполнен конденсатор 2. Несконденсировавшиеся в конденсаторе 2 пары легколетучих соединений поступают в конденсатор 3, который аналогично конденсатору 2 охлаждается водой. Эфирные масла декантированием отделяют от воды в разделителе 6. Из разделителя 6 отгружается эфирное горчичное масло. Полученный при обезвоживании сухой остаток гидролизата, характеризующийся содержанием влаги 13%, выгружается из реактора 1 и по трубопроводу 8 через бункер 9 поступает на фасовку в качестве высопротеиновой кормовой добавки.
Установка для переработки побочных продуктов горчично-маслобойного производства по второму варианту выполнения работает так же, как и в первом варианте выполнения, за исключением того, что перед подачей в реактор 1 побочные продукты (жмых) с присоединенными ферментами загружаются в смеситель 10. В смесителе 10 побочные продукты смешиваются водой, добавляемой в количестве 30% от содержания побочных продуктов, и с помощью перемешивающего устройства продвигаются к выходу, оборудованному фильерной решеткой. При прохождении через фильерную решетку происходит уплотнение массы до пастообразного состояния, которая далее загружается в реактор-гидролизер 1, прогреваемый до температуры 50°С. Сразу после загрузки загрузочный люк реактора 1 закрывают и с помощью дистанционно управляемого клапана 5 посредством вакуумного насоса 4 создают вакуум для обезвоживания гидролизата в реакторе 1.
Заявленные технические решения реализованы в промышленных условиях на предприятии ООО «Волгоградский горчичный маслозавод «САРЕПТА». Эфирное горчичное масло, получаемое в процессе переработки отходов горчично-маслобойного производства, является сертифицированной продукцией, на которую выданы соответствующие документы и сертификаты. Технологические и качественные показатели данного продукта, в частности, отражены в «Паспорте безопасности химической продукции».