Активация процесса экстракции растительных масел в СВЧ электромагнитном поле

УДК 665

Е.А. Терлова, В.Ю. Кожевников АКТИВАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Разработка технологии и оборудования для получения растительных масел из масличного сырья методом экстрагирования в СВЧ электромагнитном поле с максимальным сохранением его биологической ценности.

Экстракция, растительные масла, этиловый спирт, СВЧ излучение

E.A. Terlova, V.Yu. Kozhevnikov ACTIVATION PROCESS OF EXTRACTION OF VEGETABLE OILS IN THE MICROWAVE ELECTROMAGNETIC FIELD

Development of technology and equipment to produce of vegetable oils from oilseeds extraction method in a microwave electromagnetic field with maximum preservation of its biological value.

Extraction, vegetable oils, alcohol, microwave radiation

Растительные масла обладают высокой биологической ценностью и являются источником незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, витаминов и микроэлементов. Они являются структурной частью всех тканей организма, благоприятно воздействуют на многие его системы и функции и способствуют правильному обмену веществ. В связи с этим растительные масла широко используются в медицине, косметологии и парфюмерии, пищевой промышленности и диетическом питании. И такое широкое их применение приводит к необходимости получения экологически чистых масел с максимальным содержанием биологически активных веществ.

В связи с этим актуальной задачей является разработка способов глубокой переработки маслосодержащего сырья с получением экологически безопасных жировых продуктов. Глубокая переработка подразумевает создание и применение технологий, позволяющих безотходно использовать все компоненты сырья и получать экологически чистые продукты.

В общем случае экстракция - это процесс разделения жидких смесей и извлечения компонентов смеси при помощи жидкого растворителя (экстрагента), избирательно растворяющего только извлекаемые компоненты [4].

Для разработки экстракционной установки проводилось изучение факторов, влияющих на процесс экстракции растительного масла из масличного сырья. Такими факторами являются: растворимость растительных масел в экстрагентах, диэлектрические характеристики обрабатываемого сырья и экстрагента, скорость возрастания температуры в СВЧ поле и коэффициент диффузии масла [2].

Чем ближе по величине силы взаимодействия молекул в двух жидкостях, тем легче они смешиваются друг с другом. Приближенной характеристикой, отражающей силу молекулярного взаимодействия, считается диэлектрическая проницаемость. Для большинства растительных масел диэлектрическая проницаемость при нормальной температуре находится в пределах 2,0 - 3,2. Поэтому почти все растительные масла хорошо растворяются в неполярных гидрофобных растворителях с диэлектрической проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости масел. Такими растворителями являются гексан5 бензин, бензол, дихлорэтан и другие органические растворители. Однако все эти растворители имеют такие недостатки как неоднородный химический состав, легкая воспламеняемость, взрывоопасность и токсичность. Учитывая эти недостатки, в качестве растворителя принимается этиловый спирт. Преимущество использования этилового спирта заключается в том, что он, хорошо растворяя масло при температурах до 120 оС, при охлаждении до 16-24 оС отслаивается от него. Таким путем масло отделяется в сравнительно чистом виде без теплового воздействия.

На рис. 1 представлены результаты известных исследований [2] относительно диэлектрических характеристик масличного сырья и экстрагента.

20 25 30 35 40 Д5 50 55 00 В5

Температура, С

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости £’ и £” экстрагируемого масличного сырья

от температуры под воздействием СВЧ поля

Они свидетельствуют, что диэлектрическая проницаемость этилового спирта под воздействием СВЧ поля и температуры изменяется от 2,73 до 2,43, что примерно равно диэлектрической проницаемости масла (2,48 - 2,42). При таких условиях масло практически полностью растворяется в этиловом спирте.

Для уточнения и сравнения этих значений были проведены собственные исследования.

Измерения диэлектрических характеристик проводились волноводным методом полного заполнения сечения волновода [3].

В этом методе образец исследуемого диэлектрика толщиной й располагается в волноводе вплотную к короткозамыкающей пластине и без зазоров прилегает по всем стенкам волновода. Второй конец волновода через развязывающий аттенюатор подключен к генератору.

Длина волны генератора (или размеры волновода) выбирается таким образом, чтобы в волноводе располагался основной тип колебаний.

В отсутствии образца в волноводе устанавливается чисто стоячая волна с узлами, рас-

1 я ~ положенными на расстоянии ЯВ друг от друга и от короткозамыкающей пластинки, где ЯВ - длина волны в волноводе, связанная с граничной длиной волны Яг и Я0 соотношением

Л

1 -

ЧЛ2

V Лг у

Напряженность электрического поля в узлах чисто стоячей волны достигает нуля, т.к. амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей. При внесении образца напряжённость поля в узлах не достигает нуля, т.к. амплитуда отраженной волны за счет поглощения в образце становится меньше амплитуды падающей. Кроме того, все минимумы стоячей волны смещаются в сторону образца, насколько длина волны в образце меньше длины волны в пустом волноводе (рис. 2).

Указанные изменения картины стоячей волны зависят от свойств исследуемого образца диэлектрика и могут быть связаны с его электрическими характеристиками определенным соотношением, получающимся в результате решения соответствующей электродинамической задачи.

Решение электродинамической задачи приводит к комплексному трансцендентному уравнению, связывающему характеристики диэлектрического образца с измеряемыми величинами - коэффициентом бегущей волны КБ (или коэффициентом стоячей волны КС) и положением узла стоячей волны относительно поверхности образца. Это уравнение имеет вид

Рис. 2. Эпюра стоячей волны в волноводе: а - без образца; б - с образцом

Жуй

X

2пй 1 - Кб tg

где й - толщина исследуемого образца; у - постоянная распространения в образце; Хм -расстояние от поверхности образца до первого узла стоячей волны:

М

I - смещение любого узла, обусловленное внесением образца; © - фазовый угол, соответствующий расстоянию Хм:

Л 2п „

= п х ХМ ’

ЛГ>

КБ - коэффициент бегущей волны:

Кб =

1 ПХ

Кс Лв

АХ - расстояние между точками удвоенного минимума:

АХ = Х 2 - Х1.

Определенные значения величин КБ, ЯВ и Хм , а также заранее измеренная толщина образца й позволяют вычислить постоянную распространения у, связанную с е и е", следующей формулой:

Ї

2п

Л

Є-]Є"-

ґ Л4 2

V ЛГ у

Вычисление постоянной распространения наталкивается, однако, на принципиальные трудности, связанные, во-первых, с невозможностью аналитического решения уравнения и, во-вторых, с неоднозначностью, обусловленной периодичностью входящих в него функций. Неоднозначность вычислений устраняется, если хотя бы ориентировочно известно значение проницаемости исследуемого материала или произведено несколько измерений с образцами различных толщин.

Измерения проводились на лабораторной установке. На рис. 3 приведена ее блок-

схема.

Мощность СВЧ колебаний генератора ГЧ-80 СВЧ кабелем через волноводнокоаксиальный переход подается в плечо А волноводного моста (двойного волноводного тройника), выполненного на прямоугольном волноводе. В волноводном мосте мощность делится на части, поступающие в плечи С и Б. К плечу С болтами крепится специальная короткозамкнутая волноводная секция, в которой помещается образец исследуемого диэлектрика. К плечу Б болтами крепится подвижный реактивный короткозамыкатель, а к плечу В - детекторная головка, сигнал с которой регистрируется индикаторным прибором.

Для нагрева образца исследуемого диэлектрика в установке имеется электронагреватель сопротивления косвенного нагрева, позволяющий устанавливать и регистрировать заданную температуру.

Экспериментальная установка позволяет проводить измерения £'(Т) и tgS(T) исследуемого диэлектрика волноводным методом, использующим характер распределения поля в волноводе.

Для проведения исследований использовалась вытяжка из семян подсолнечника. Для ее изготовления применялись семена подсолнечника массой 40 г, которые заливались 96% этиловым спиртом и настаивались. Исследования проводились для двух вариантов: без нагрева (20 оС) и с нагревом (50 оС). На основе экспериментально полученных данных с помощью программы, написанной в среде программирования МаШСаё, был выполнен расчет диэлектрических параметров. В результате расчета было получено, что диэлектрическая проницаемость для вытяжки из семян подсолнечника составляет е'=2,135, а тангенс угла диэлектрических потерь - tgS=0,08064. Изменение температуры на диэлектрические характеристики не повлияло.

Немаловажным фактором, влияющим на процесс активации, является скорость возрастания температуры в СВЧ поле. Скорость роста температуры можно разделить на два этапа: на первом этапе от 20 до 80 оС она изменяется достаточно быстро, на втором этапе - от 80 оС, т.е. от начала температуры кипения растворителя, она резко снижется и изменяется медленнее. С увеличением мощности рост температуры происходит намного быстрее и температура достигает заданных значений раньше. Это приводит к усилению диффузионных процессов.

Возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (20-100 с), максимальные величины коэффициента диффузии соответствуют 50-100 секунде экстрагирования, затем наступает резкое его уменьшение в 3-4 раза, а после 150-200 секунды экстракции коэффициент диффузии уменьшается менее резко и извлечении масла в растворитель практически заканчивается. Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше мощность излучения, тем выше коэффициент диффузии и тем быстрее протекает процесс извлечения масла в растворитель.

Рис. 3. Блок-схема установки для измерения диэлектрических параметров с помощью волноводного моста: 1 - СВЧ генератор;

2 - волноводно-коаксиальный переход;

3 - соединение волноводов; 4 - аттенюатор;

5 - двойной волноводный тройник;

6 - подвижный реактивный короткозамыкатель; 7 - индикаторный прибор; 8 - детекторная головка; 9 - короткозамкнутая волноводная секция с исследуемым образцом;

10 - электронагреватель

излу* [атель V//////,

1 к 1

///////у //////// 1 ъ

Коэффициент диффузии зависит не только от относительной скорости движения твердых частиц и жидкости, но и от активной поверхности, участвующей в процессе. Поэтому особое внимание обращалось на возможность обеспечения участия поверхности каждой частицы в процессе экстрагирования. И для улучшения контакта растворителя с частицами экстрагируемого сырья предусматривается вращение экстракционной емкости. Оптимальная частота вращения определяется экспериментальным путем. По результатам этих известных экспериментов [2] оптимальная частота вращения составляет 10 об./мин.

Для разработки конструкции экстракционной установки применялось математическое моделирование процесса экстракции в СВЧ электромагнитном поле. В определенном смысле электротехнологическую установку для экстракции в СВЧ поле можно считать СВЧ электротермической установкой лучевого типа [1]. Задача заключалась в определении нестационарного поля температур при заданной мощности СВЧ генератора. Для ее решения проводилось моделирование процессов электродинамики и теплопроводности при нагреве диэлектриков в СВЧ электротермической установке лучевого типа. Обрабатываемый диэлектрик, помещенный в цилиндрическую камеру, считался относительно плоским и рассматривалось нормальное падение плоской электромагнитной волны на поверхность плоского диэлектрика, как видно из рис. 4.

Программа для компьютерного моделирования была написана в среде программирования MathСad на основе дифференциального уравнения теплопроводности (8) и волнового уравнения (9):

Рис. 4. Распространение плоской электромагнитной волны

Л

йг2

I \ йТ

+ Ь и) = ср —

йт

й2 Е п

йг2

=к

Также использовались начальные условия (10), граничные условия 3-го рода (11) и волновые граничные условия (12):

Т

ЛйТ ] =а

Л

V йп у £

Е0 = Л + Вп при г = 0;

Еп-1 = Еп при г = 1п;

Еп = 0 при г = 1&.

В уравнениях (8)-(12) использовались обозначения: X - коэффициент теплопроводности; Т - температура; - мощность внутренних источников тепла; с - теплоемкость; р -

плотность; т - время; а - коэффициент теплоотдачи; г - координата в направлении распространения электромагнитной волны; Еп - комплексная функция напряженности электрического поля в слое с номером п; кп - коэффициент распространения; Ап, Вп - постоянные интегрирования. В результате проведенного моделирования в среде программирования MathCad были получены графики распределения температур по толщине обрабатываемого сырья для различных моментов времени (рис. 5).

п

По полученным графикам распределения температур можно сделать вывод, что нагрев экстракционной смеси в СВЧ электромагнитном поле до необходимых для проведения процесса экстракции температур происходит за 2 минуты, при этом температура внутренних слоев обрабатываемого материала выше, чем внешних.

Внутри обрабатываемого материала возникает градиент общего давления, который активирует циркуляционные потоки в капиллярах. Внутри сферосом масличного сырья, содержащих масло и окруженных мембранными оболочками, также возникает градиент общего давления, в результате чего мембранные оболочки разрываются и масло из цитоплазм клеток благодаря активированным циркуляционным потокам и диффузионным процессам выделяется на поверхность и легко смешивается с этиловым спиртом.

Конструкция основного узла СВЧ электротехнологической установки для экстракции растительных масел представлена на рис. 6.

•Внутренние (

Внешние I

Рис. 5. Распределение температур по толщине обрабатываемого объекта

Рис. 6. СВЧ ЭТУ для экстракции растительных масел

СВЧ ЭТУ включает цилиндрическую камеру (6) с крышкой (1), в которую помещается экстракционная емкость (8) с крышкой (7). Соединение с СВЧ блоком источника СВЧ энергии происходит с использованием соединительного адаптера (14) и фторопластового стакана (15). Крышка камеры (1) имеет четвертьволновый дроссель (2), выполненный в виде кольца, приваренного к двери так, чтобы в закрытом состоянии это кольцо образовывало с фланцем (4) радиальную линию. Для исключения касания дросселя и фланца надевается фторопластовый протектор (3). Для вращения экстракционная емкость имеет зацепление с валом вращения (12). Для поддержания камеры и ее вращения со стороны крышки экстракционной емкости (7) надевается поддерживающий люнет (5).

Основным преимуществом разработанной установки является возможность значительно сократить продолжительности температурного воздействия на сырье, значительно повысить равномерность распределения температурного поля, а тем самым обеспечить практически полное извлечение масла более высокого качества. Установка может использоваться для получения как пищевых, так и технических растительных масел, используемых в пар-

фюмерно-косметической промышленности, для производства биотоплива, различных лаков, красок и пропиток.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Ю.С. Компьютерное моделирование СВЧ электротермических процессов и установок: учеб. пособие / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый. - Саратов: СГТУ, 2006. - 212 с.

2. Бадмацыренов Б.В. Разработка оборудования и процесса экстракции кедрового масла в электромагнитном поле СВЧ: дис....канд. техн. наук: 03.00.23 / Б.В. Бадмацыренов; ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2004. - 147 с.

3. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах: учеб. для вузов / А.А. Брандт. - М.: Физматгиз, 1963. - 404 с.

4. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: учеб. пособие / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. - 5-е изд., стер. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

Терлова Евгения Анатольевна -

магистрант кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Кожевников Вячеслав Юрьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.

Статья поступила в редакцию 17.05.12, принята к опубликованию 16.06.12

Evgeniya A. Terlova -

Graduate

Department of Automated Electrical-Technological Plants and Systems,

Gagarin Saratov State Technical University

Vyacheslav Yu. Kozhevnikov -

Ph. D., Associate Professor

Department of Automated Electrical-Technological

Plants and Systems,

Gagarin Saratov State Technical University