Мобильный комплекс для переработки растительного сырья
MOBILE COMPLEX FOR RECYCLING OF VEGETATIVE RAW MATERIALS

Настоящее изобретение относится к области обработки растительного сырья, а именно борщевика, с целью выделения из него пектиновых полисахаридов, предназначенных для использования в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, в фармакологии или медицине.
В частности, изобретение может быть использовано в качестве мобильного комплекса для переработки борщевика Сосновского.
Борщевик (Heracleum), род крупных трав семейства зонтичных. Многие виды имеют хозяйственное значение как кормовые (силосные) растения, но почти все могут вызывать у человека (при соприкосновении) воспаление кожи, похожее на ожог. В их числе и борщевик Сосновского (Heracleumsosnovskyi), завезенный с Кавказа, который культивировался как силосное растение, но стал опасным сорняком на лугах и опушках лесов множества областей России и активно расширяет свой вторичный ареал (Пименов М.Г. БОРЩЕВИК // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2016); https://bigenc.ru/biology/text/1879443 Дата обращения: 28.02.2021).
Коды продукции борщевика Сосновского (зеленая масса и семена) исключены из Общероссийского классификатора продукции в декабре 2014 года, с 1 января 2015 года борщевик утратил статус сельскохозяйственной культуры, с декабря 2015 года борщевик Сосновского внесен в Отраслевой классификатор сорных растений Российской Федерации.
Разработаны различные методические указания и рекомендации для борьбы с неконтролируемым распространением борщевика Сосновского и по настоящее время разрабатываются новые способы его уничтожения.
Известные способы борьбы с неконтролируемым распространением борщевика направлены, прежде всего, на эффективное уничтожение растений, обеспечивающее физическое их истребление на определенной территории с исключением повторного роста. Однако в настоящее время имеется большое количество площадей, как сельскохозяйственного назначения, так и просто не обработанных земель, полей, лесов, на которых уже обширно и качественно произрастает борщевик - а это огромный объем биомассы, содержащий, в том числе, полезные вещества, которые возможно и необходимо использовать.
При переработке растительного сырья на основе борщевика получают белый сахар (патент РФ №2458148, опубликован в 2012 г.), биоэтанол (патент РФ №2458106, опубликован 2012 г. ).
Известен способ переработки борщевика с целью получения пектиновых полисахаридов, при котором обработку сырья осуществляют водным раствором формалина, экстракцию сырья осуществляют водным раствором оксалата аммония, фильтрацию и концентрирование экстракта проводят на ультрафильтрационной колонке (патент РФ №2636764, опубликован в 2017 г.).
Задачей создания настоящего изобретения является повышение удобства эксплуатации оборудования для переработки растительного сырья на основе борщевика.
Ожидаемым техническим результатом является создание удобного в использовании комплекса для переработки растительного сырья на основе борщевика с получением ценного и полезного продукта в различных удаленных районах в местах локализации отходов борщевика.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Мобильный комплекс для переработки растительного сырья на основе борщевика, включающий размещенные и закрепленные в едином транспортабельном контейнере блок предварительной подготовки и подачи сырья, блок экстракции, блок сепарации, блок подачи воды, блок генерации электрической энергии, блок управления, при этом блок предварительной подготовки и подачи сырья содержит устройства для измельчения сырья с размером частиц 1-5 мм, смешивания измельченного сырья с водой и его дозированной подачи в блок экстракции, который содержит ультразвуковой экстрактор для разрушения частиц сырья, с целью дальнейшего эффективного выделения пектиновых полисахаридов в водном растворе при температуре 35-60°С и атмосферном давлении в течение 30 мин с последующей сепарацией полученного продукта в блоке сепарации, в котором твердый осадок отделяется и осушается с последующим выводом из комплекса, а блок подачи воды содержит емкость для воды, устройства для очистки и насос для подачи воды в блок предварительной подготовки и подачи сырья с целью приготовления раствора сырья с необходимой плотностью, пригодного для экстракции.
Блок генерации электрической энергии содержит силовую установку на базе ДВС, вырабатывающую электропитание для бортовой сети напряжением 24 В.
Блок управления, выполнен с возможностью автоматизированного управления алгоритмами запуска, вывода на режим, регулирования, выключения комплекса, а также контроля параметров рабочей среды.
Экстрактор, в котором проводят поэтапную экстракцию, выполнен в виде закрытой емкости с источником ультразвука с номинальной частотой ультразвуковых колебаний 22 кГц.
В современных технологиях для экстракции биологически активных веществ растений используются различные методы экстракции, в том числе и ультразвуковой метод.
Источниками ультразвуковых колебаний в промышленном производстве могут быть различные колебательные системы, преобразующие электрическую или механическую энергию в систему упругих колебаний. Наиболее важный для промышленных целей эффект, сопровождающий ультразвуковые колебания и определяющий эффективность процесса ультразвуковой экстракции - кавитация. Данное явление сопровождается образованием микропустот, мгновенно заполняемых паром и газами, растворенными в жидкости. При конденсации пара пустоты «захлопываются», вызывая ударные волны высокого давления, разрушительно действующие на частицы в жидкости. Под воздействием процесса кавитации происходит механическое разрушение клеточных стенок и образование диффузионных микротоков, что, в свою очередь, обеспечивает выход клеточного сока и его последующее растворение в экстрагенте.
Например, известен ультразвуковой экстрактор, используемый для получения экстракта из натурального растительного материала - дубовой стружки, содержащий отстойную камеру, корпус которой, для обеспечения интенсификации процесса экстракции, равномерной обработки материала, разрушения текстуры и структуры дубовой стружки, выполнен в виде ультразвукового излучателя (патент РФ №2221036, опубликован в 2004 г.).
На представленном чертеже показана схема предлагаемого мобильного комплекса для переработки растительного сырья на основе борщевика для получения пектиновых полисахаридов.
Мобильный комплекс для переработки растительного сырья на основе борщевика включает следующие, размещенные и закрепленные в едином транспортабельном контейнере 1 элементы: блок предварительной подготовки и подачи сырья 2, блок экстракции 3, блок сепарации 4, блок подачи воды 5, блок генерации электрической энергии 6, блок управления 7. Блоки, входящие в установку, содержат функциональное оборудование, соединены коммуникациями с необходимыми датчиками и запорно-регулирующей арматурой и размещены в мобильном контейнере 1 для удобства эксплуатации и доставки комплекса в места локализации отходов борщевика.
Блок предварительной подготовки и подачи сырья 2 содержит устройства для бесконтактного сбора, измельчения и дозированной подачи сырья из растений борщевика с размером частиц 1-5 мм.
Блок экстракции 3 содержит экстрактор в виде закрытой емкости с источником ультразвука с номинальной частотой ультразвуковых колебаний 22 кГц.
Блок сепарации 4 содержит сепаратор, обеспечивающий отделение экстракта от твердого осадка.
Блок подачи воды 5 содержит емкость для воды, устройства для очистки, насос высокого давления.
Блок генерации электрической энергии 6 содержит силовую установку на базе ДВС, вырабатывающую электропитание для бортовой сети напряжением 24 В.
Блок управления 7 выполнен с возможностью автоматизированного управления алгоритмами запуска, вывода на режим, регулирования, выключения комплекса, а также контроля параметров рабочей среды.
Блок 2 соединен с блоком 3 для подачи подготовленного сырья, к блоку 2 подается электрическая энергия от блока 6. От блока управления 7 подаются управляющие сигналы в блок 2 на запуск, а от блока 2 в блок 7 передаются сигналы от датчиков о состоянии работы блока 2.
Блок 3 соединен с блоком 4 для подачи экстракта из экстрактора на сепарацию, в блок 3 от блока 5 подается вода для приготовления смеси для экстракции. От блока управления 7 подается управляющий сигнал в блок 3 на включение и отключение, а от блока 3 в блок 7 передаются сигналы от датчиков о состоянии работы блока 3.
Блок 4 соединен с блоком 3 для получения экстракта, блок 4 соединен с блоком 7 для обмена информацией от датчиков и получения управляющих команд, Блок 4 может обеспечивать выдачу товарного экстракта на соответствующем выходе комплекса.
Блок 5 соединен с блоком 3 для подачи воды на приготовление смеси (водного раствора сырья), в блок 5 подается электрическая энергия от блока 6 (для питания насосов воды и других потребителей), от блока управления 7 подается управляющий сигнал в блок 5 на запуск, а от блока 5 в блок 7 передаются сигналы от датчиков о состоянии работы блока 5.
Блок 6 может принимать топливо для заправки и соединен с потребителями электроэнергии - блоками 2, 3, 4, 5, 7.
Блок 7 соединен с блоками 2, 3, 4, 5 и 6, и обеспечивает возможность автоматизированного управления, а также сбор данных с датчиков и приборов и диагностического оборудования для контроля параметров рабочей среды комплекса.
Мобильный комплекс для переработки растительного сырья на основе борщевика работает следующим образом.
Комплекс доставляется на место сбора или место централизованной переработки борщевика, скошенные растения собираются и загружаются в блок предварительной подготовки и подачи сырья 1, где измельчаются в специальных закрытых устройствах до размера частиц 1-5 мм, смешиваются с водой и дозировано подаются в блок 2, в котором поступают в экстрактор - специальный сосуд с крышкой и мешалкой, после чего подается электропитание на ультразвуковой генератор.
Упругие колебания ультразвуковой частоты, формируемые излучателями формируют в жидкости высокочастотные механические колебания, равномерно распространяемые по всему объему экстрактора, под воздействием которых структура сырья разрушается, происходит интенсивный процесс экстракции, при этом в экстракторе формируются зоны интенсивной кавитации и диффузионного растворения клеточных субстратов в воде. Из экстрактора полученный жидкий экстракт поступает в сепаратор и подвергается контролю биохимического состава. Если в результате контроля выясняется, что степень обработки растительного сырья не полная (недостаточная), то полученный экстракт направляется в блок 2 для повторной обработки. Далее накопленный в сепараторе в блоке 3 экстракт собирается и хранится. Электроэнергия, необходимая для работы комплекса, вырабатывается в блоке 5 генератором на базе двигателя внутреннего сгорания, работающем, например, на бензине.
Блок управления 6 обеспечивает дистанционное, без постоянного присутствия персонала, безопасное управление работой комплекса. Оснащение комплекса блоком управления 6 с диагностическим оборудованием позволяет автоматизировать операции переработки и процесса экстракции, собирать всю информацию для мониторинга, а также для последующего анализа с целью оптимизации режимов работы.
Примером промышленной реализации может служить разработанный ООО «ТехЭкоРесурс» мобильный комплекс для переработки растительного сырья МКПРС-ТЭР, в котором все оборудование установлено, закреплено к основанию 40-футовом ISO-контейнере с габаритными размерами: длина 12,2 м, ширина 2,4 м, высота 2,6 м, установленном на грузовом автомобиле - контейнеровозе. Все узлы соединены технологическими трубопроводами, электрооборудование соединено электрическими кабелями с блоком управления. В процессе работы комплекса 5 тонн зеленой массы борщевика с гектара обрабатывается в экстракторе объемом 500 литров порциями по 250 кг (в пересчете на сухое вещество) в течение 0,5 часа каждый, таким образом, 5 тонн могут быть переработаны за 20 часов (за сутки с учетом вспомогательных работ). Выход экстракта может составлять до 15% от массы сырья, при этом содержащиеся в составе экстракта пектиновые полисахариды обладают широким спектром биологической и физиологической активности, что открывает широкие перспективы использования данных полисахаридов в сельском хозяйстве, ветеринарии, пищевой и косметической промышленности.
2
Разработанный комплекс позволяет обеспечить эффективную утилизацию отходов с минимизацией вредных выбросов (в том числе CO) в окружающую среду. Остатки от переработки в твердом или жидком виде не является опасными отходами, не содержат жизнеспособные ростки или семена борщевика, и могут утилизироваться на свалках как неопасные отходы, либо могут сушиться, спрессовываться и сжигаться в виде топлива.
Предложенный по настоящему изобретению комплекс размещенный в едином контейнере, значительно повышает удобство эксплуатации оборудования для переработки растительного сырья на основе борщевика, позволяет обеспечить безопасную, экологически чистую и эффективную переработку борщевика.
Техническим результатом является создание удобного в использовании автоматизированного комплекса для переработки растительного сырья на основе борщевика с получением ценного и полезного продукта в различных удаленных районах в местах локализации отходов борщевика.