Сверхкритическая экстракция семян масличных культур

Р. Н. Максудов, Е. Н. Тремасов, А. Г. Егоров,

А. Б. Мазо

СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ЭКСТРАКЦИЯ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР

Ключевые слова: сверхкритический диоксид углерода; амарант, сквален, фазовое равновесие; растворимость; экстракция; масличная культура; математическая модель; клетка; диффузия; масштабирование , supercritical carbon dioxide; amaranth; squalene; phase equilibrium; solubility; extraction; oil yielding corps seeds; mathematical model; cell;

diffusion; scaling

Осуществлена экстракция масла из семян амаранта сверхкритическим СО2 Измерения проводились на экспериментально-измерительном комплексе, реализующем насосный и компрессорный циклы сверхкритической экстракции. Процесс экстракции осуществлен на основе экспериментальных данных по фазовым равновесиям основных компонентов масла в чистом и модифицированном СК СО2. Построена математическая модель экстракции из слоя молотых семян масличных культур сверхкритическим диоксидом углерода. Решение разработанной модели позволяет рассчитывать режимные параметры сверхкритической экстракции масла из растительного сырья в промышленном аппарате.

It is carried out extraction oils from amaranth seeds supercritical СО2 Measurements were spent on the experimentally-measuring complex realising pump and compressor cycles supercritical extraction. Process extraction is carried out on the basis of experimental data on phase equilibrium the basic components of oil in pure and modified СК СО2. extraction the mathematical model is constructed of a layer of ground seeds of olive cultures supercritical dioxide carbon. The decision of the developed model allows to count regime parametres supercritical extraction oils from vegetative raw materials in the industrial device.

Промышленная реализация сверхкритических экстракционных технологий на этапе проектирования предполагает предварительное исследование растворимости целевых компонентов, лабораторную реализацию сверхкритического экстракционного процесса, масштабирование полученных результатов на промышленные объемы математическим моделированием процесса.

В настоящей работе осуществлены экспериментальные исследования экстракции масла из семян амаранта сверхкритическим СО2 Измерения проводились на экспериментально-измерительном комплексе, реализующем насосный и компрессорный циклы сверхкритической экстракции. Получены данные по растворимости:

- сквалена (целевого компонента масла из семян амаранта) в СК СО2 в диапазоне температур 308^328 К и интервале давлений 8^33 МПа;

- сквалена в СК СО2, модифицированном этанолом, для диапазона концентраций сорастворителя от 0.5 до 7.5 % мас.

На рис. 1 представлено сравнение растворимостей компонентов амарантового масла в СК СО2, проведенное по результатам настоящей работы и литературным данным. Из рисунка видно, что растворимости сквалена и олеиновой кислоты близки и имеют промежуточную величину между растворимостями остальных жирных кислот и жиров на примере триолеина. Его растворимость на изотерме 313 К значительно превышает

растворимость сквалена при той же температуре. Очевидно, при экстракции из семян амаранта в рассматриваемом диапазоне параметров, можно ожидать преимущественного выхода жиров наряду со скваленом и олеиновой кислотой. Для концентрирования целевого компонента- сквалена необходима, таким образом, реализация дополнительной стадии обработки полученного экстракта.

На следующем этапе исследований осуществлена тотальная экстракция СК СО2 масла из семян амаранта. Степень извлечения масла в зависимости от температур и давлений представлена на рис. 2. При давлениях до 20 МПа наблюдается увеличение выхода масла с ростом давления. При давлениях выше 20 МПа количество извлекаемого масла практически не зависит от температуры и давления.

Извлеченное масло подвергалось разделению на кислотную и нейтральную фракции. По данным ГЖХ выход сквалена в нейтральных фракциях масла амаранта сорта Кизлярец составил 98.9^99.5 %. По данным масс - спектрометрии выход сквалена в нейтральной фракции составил 100 %. Полученные результаты представляют собой основу нового способа получения натурального сквалена высокой чистоты из семян амаранта.

Поведение растворимостей основных компонентов масла (рис. 1) позволяет предположить возможность фракционирования масла, получаемого тотальной экстракцией сверхкритическим СО2. Для проверки этого предположения были проведены опыты по фракционированию масла с начальным содержанием сквалена 0.42%. Результаты анализа содержания сквалена во фракциях масла в жидкой фазе (рафинате) и в экстракте методом газо-жидкостной хроматографии и расчетное содержание во флюидной фазе обнаруживают, что имеет место его концентрирование от 0.42 % в исходном масле до 35.51 % в экстракте._________________________________________________________________

Давление, МПа

Рис. 1 - Растворимости основных компонентов масла из семян амаранта в СК СО2 при Т = 308 К и Т = 313 К

В наших предыдущих работах построена математическая модель экстракции из слоя молотых семян масличных культур сверхкритическим диоксидом углерода. Модель включает в себя уравнения переноса концентрации масла в рабочей камере аппарата, диффузии раствора масла в частицах слоя по межклеточным каналам и уравнение растворения и истощения запасов масла в клетке. Используется численное решение определяющей системы уравнений, которая в безразмерных переменных имеет вид:

-rO-rÆ=і-с, dt

Rt=0 1 ;

de

5 z

R

(1 -C) Cz=o = О-

1-^ - '2=0

Здесь R е[0,і] - координата фронта истощения растительной частицы, С е [0.1] -концентрация раствора масла в камере аппарата, 1 > 0 - время, 2 е [о, н] - вертикальная координата, Н - высота аппарата. По заданным функциям р(2,1), С^, 1) вычисляется распределение безразмерной концентрации масла вдоль радиуса Г растительной частицы, расположенной на высоте 2 в момент времени 1:

Ті,

<9(r ; z, t ) =

0(r;z,t )=

1 -

0 < r < R 1 - R / T

1,

1 -

R < r < 1. 1 - R '

0 < T < R,

- R / t

1 - R

R < r < 1.

Аналитическое решение задачи о динамике выхода масла из экстрактора показывает, что практически в течение всего процесса экстракции выработка масла растет линейно по закону

m(t ) = t, t < t* « H/3,

здесь t* - время полной экстракции; m - безразмерная масса экстракта.

Очевидно, линейный участок является технологически оптимальным, т.к. на этой стадии процесса из аппарата выходит насыщенный раствор. Решение показывает, что близкой к оптимальной будет конструкция экстрактора, у которой H > 2. При этом на линейный участок приходится не менее 70% времени и 90% массы экстрагированного масла.

Адекватность модели проверена по результатам лабораторных экспериментов по экстракции масла из семян амаранта и литературным данным.________________________________

Давление, МПа

Рис. 2 - Степень извлечения масла из семян амаранта при экстрагировании СК СО2

Для калибровки математической модели по экспериментальным данным (рис. 2) и последующего масштабирования лабораторных исследований на промышленные объемы необходимо использовать связь между безразмерными и размерными величинами:

_ m — t — H

m =-----, t =—, H =—,

msc tsc Zsc

(1 -s)a2 (в)0 a2v

tsc =-------------, zsc =-, msc = tscve*A,

s De* 3(1 - e)sD

в которых v - скорость фильтрации; в* - концентрация насыщенного раствора; (во -

начальные запасы масла в клетке, A=nR - площадь сечения рабочей камеры аппарата, a -радиус частиц засыпки; D - коэффициент диффузии масла в газе; e - пористость растительной засыпки; s - объемная доля межклеточных каналов в частице.

Одним из результатов лабораторных исследований является определение полной массы масла в исходном сырье, загруженном в аппарат mon. По этой величине вычисляются начальные запасы масла в клетке

moil

в о -

(1 - е)(1 -е) АН

Скорость фильтрации V вычисляется через массу профильтрованного через аппарат газа ГПg, его плотность и время эксперимента

ш„

v = -

Р( Р,т ) А*е

Решение разработанной модели позволяет рассчитывать все параметры сверхкритической экстракции масла из растительного сырья в любом промышленном аппарате. В качестве примера предложенной методики масштабирования лабораторных исследований приведем основные расчетные технологические параметры промышленного экстрактора объемом 1.6 м3, работающего на том же сырье с размером зерен а=0,5 мм. При давлении 20 МПа и температуре Т=308К оптимальные режимы работы обеспечиваются при массовом расходе 0<0^=2000кг/ч. При выборе 0=1500 кг/ч время полной выработки составляет 1>=10 часов; выход масла составляет 53 кг.

© Р. Н. Максудов - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ, maxoudov@kstu.ru; Е. Н. Тремасов - канд. техн. наук, мл. науч. сотр. той же кафедры; А. Г. Егоров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. гидроаэромеханики КГУ; А. Б. Мазо - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.