Противоточный экстрактор для растительного сырья

 

Изобретение используется при извлечении целевых компонентов из растительного сырья с использованием жидких экстрагентов. Противоточный экстрактор содержит двухсекционный корпус с приводными шнеками в каждой из них и индивидуальными рубашками термостатирования, сообщенными с секциями через сверхзвуковые сопла, средство подачи жидкой двуокиси углерода в рубашку загрузочной секции и средство подачи паров экстрагента в рубашку разгрузочной секции корпуса. Противоточный экстрактор обеспечивает интенсификацию процесса экстрагирования и повышение выхода экстрактивных веществ, 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оборудованию для экстрагирования растительного сырья жидкими экстрагентами.

Известен противоточный экстрактор для растительного сырья, содержащий корпус с вертикальной загрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, и наклонной разгрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, размещенные в секциях приводные шнеки, патрубок подачи экстрагента, сообщенный с разгрузочной секцией, и сборник экстракта, охватывающий верхнюю часть загрузочной секции (CN, полезная модель 2088340, кл. A 23 N 1/00, 1991).

Недостатками этого экстрактора являются низкий выход экстрактивных веществ и экстенсивность экстрагирования.

Техническим результатом изобретения является интенсификация экстрагирования и повышение выхода экстрактивных веществ.

Этот результат достигается тем, что противоточный экстрактор для растительного сырья, содержащий корпус с вертикальной загрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, и наклонной разгрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, размещенные в секциях приводные шнеки, патрубок подачи экстрагента, сообщенный с разгрузочной секцией, и сборник экстракта, охватывающий верхнюю часть загрузочной секции, согласно изобретению, снабжен средством подачи жидкой двуокиси углерода в рубашку термостатирования загрузочной секции и средством подачи паров экстрагента в рубашку термостатирования разгрузочной секции, а секции корпуса сообщены с рубашками термостатирования через сверхзвуковые сопла.

Это позволяет интенсифицировать экстрагирование и повысить выход экстрактивных веществ за счет разрушения клеточной структуры растительного сырья при комбинированном воздействии на него температурных перепадов и ультразвука.

В предпочтительном варианте экстрактор снабжен завихрителями, установленными на входах в сопла.

Это позволяет дополнительно интенсифицировать экстрагирование за счет увеличения энергоемкости генерируемых в экстракционной смеси ультразвуковых колебаний.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого экстрактора: на фиг.2 и 3 представлены варианты выполнения соединения секций с рубашками термостатирования.

Противоточный экстрактор для растительного сырья содержит корпус с вертикальной загрузочной секцией 1, снабженной рубашкой 2 термостатирования, и наклонной разгрузочной секцией 3, снабженной рубашкой 4 термостатирования, размещенные в секциях 1 и 3 приводные шнеки 5 и 6, патрубок 7 подачи экстрагента, сообщенный с секцией 3, сборник 8 экстракта, охватывающий верхнюю часть секции 1, средство 9 подачи жидкой двуокиси углерода в рубашку 2 и средство 10 подачи паров экстрагента в рубашку 4. Рубашки 2 и 4 сообщены с секциями 1 и 3 через сверхзвуковые сопла 11, на входах в которые могут быть установлены завихрители 12.

Экстрактор работает следующим образом.

Растительное сырье загружают в секцию 1 корпуса экстрактора и перемещают шнеком 5 до перехода в секцию 3, в которой оно захватывается шнеком 6 и перемещается по ней до выхода из корпуса. По патрубку 7 в секцию 3 противотоком подают жидкий экстрагент, например воду, спирт или экстракционный бензин, который из секции 3 переходит в секцию 1 и выходит из нее в сборник 8. Одновременно средством 9 подают жидкую двуокись углерода в рубашку 2, а средством 10 подают пары экстрагента в рубашку 4.

При использовании экстрагентов, жидких в нормальных условиях, в секции 1 поддерживается давление ниже давления насыщенных паров двуокиси углерода при температуре экстрагирования. Двуокись углерода из рубашки 2 через сопла 11 поступает в экстракционную смесь со сверхзвуковой скоростью. На выходе из сопел 11 происходит турбулентный срыв потоков двуокиси углерода, сопровождающийся образованием и схлопыванием кавитационных полостей. При наличии завихрителей 12 на некотором участке траектории за выходом из сопел 11 потоки двуокиси углерода имеют бочкообразную форму и создают регулярные скачки уплотнения в узлах бочек. За счет падения давления при адиабатном расширении и теплообмена с экстракционной смесью двуокись углерода вскипает и переходит частично в газовую фазу с резким поглощением теплоты. Оставшаяся часть двуокиси углерода переходит в твердую фазу, которая локализуется на частицах растительного сырья, служащих центрами кристаллизации. Это приводит к локальному падению температуры растительного сырья ниже температуры замерзания клеточного содержимого.

Пары экстрагента аналогичным образом через сопла 11 поступают из рубашки 4 термостатирования в секцию 3, создавая турбулентный срыв на выходе из сопел 11 и скачки уплотнения в узлах бочкообразных сверхзвуковых закрученных потоков при наличии завихрителей 12. В результате адиабатного расширения и теплообмена с экстракционной смесью пузырьки паров экстрагента охлаждаются и конденсируются со схлопыванием кавитационных полостей.

Таким образом, в секциях 1 и 3 корпуса экстрактора в экстракционной смеси создается поле ультразвуковых колебаний, а поток охлаждаемого сырья движется навстречу потоку нагреваемого экстрагента. В результате теплообмена между встречными потоками происходит сублимация твердой фазы двуокиси углерода и размораживание смерзшихся частиц растительного сырья.

Генерируемое в экстракционной смеси поле ультразвуковых колебаний приводит к динамическому диспергированию и разрушению клеточных мембран растительного сырья, что резко сокращает его диффузионное сопротивление и приводит к многократному увеличению поверхности контакта фаз. Замораживание растительного сырья сопровождается образованием в нем кристаллов льда, разрушающих клеточные мембраны или снижающих их динамическую прочность, что ускоряет и облегчает их разрушение под действием ультразвуковых колебаний. Одновременно ультразвуковые колебания интенсифицируют образование и рост кристаллов, что ускоряет разрушение мембран за счет замораживания клеточного содержимого. То есть, в секции 1 происходит синергетическое воздействие замораживания и ультразвука на клеточные мембраны растительного сырья.

В зоне сублимации двуокиси углерода и оттаивания растительного сырья разрушение его клеточных мембран, а соответственно и падение диффузионного сопротивления и развитие поверхности контакта фаз, продолжается под действием термических напряжений, возникающих вследствие наличия температурного градиента и неравномерности оттаивания частиц сырья, имеющих неоднородный состав и различную форму.

На участке генерирования ультразвуковых колебаний при конденсации в экстракционной смеси паров экстрагента разогрев растительного сырья приводит к термокоагуляции цитоплазматических и хлорофилловых белков и разрыву клеточных мембран под действием возникающего при этом избыточного внутриклеточного давления. Одновременно под действием нагрева происходят необратимые структурные изменения клеточных мембран, приводящие к падению их динамической прочности. В результате ускоряется и облегчается динамическое разрушение клеточных мембран под действием ультразвуковых колебаний. При этом ультразвуковые колебания повышают проницаемость клеточных мембран для горячего экстрагента и ускоряют теплообменные процессы, что интенсифицирует термокоагуляцию растительных белков и разрушение клеточных мембран под действием повышенной температуры. В итоге в секции 3 происходит синергетическое тепловое и ультразвуковое воздействие на растительные ткани, приводящее к падению диффузионного сопротивления сырья и развитию поверхности контакта фаз.

Кроме того, образование газовой фазы двуокиси углерода, обладающей меньшей плотностью, чем экстракционная смесь, приводит ко всплытию ее пузырьков, движущихся в противотоке с экстрагентом в секции 3 и в прямотоке с ним в секции 1. В результате в экстракционной смеси возникают спутные потоки, способствующие ее перемешиванию, то есть интенсивному обновлению поверхности контакта фаз. В зонах движения струй жидкой двуокиси углерода в секции 1 и струй и пузырьков паров экстрагента в секции 3 также возникают спутные потоки в экстракционной смеси, имеющие, в основном, радиальное направление, что также способствует перемешиванию экстракционной смеси и увеличению скорости обновления поверхности контакта фаз. Перемешивание экстракционной смеси происходит в двух основных пересекающихся направлениях и оказывается настолько интенсивным, что по сечению потока концентрация экстрактивных веществ оказывается практически однородной. Это дает возможность сделать вывод о достижении значения критерия Био, близкого к бесконечности, то есть о протекании массообмена при граничных условиях первого рода.

В таких условиях при полном разрушении клеточной структуры сырья извлечение экстрактивных веществ можно считать истощающим, то есть абсолютно полним, что не достигается в экстракторе-прототипе.

Таким образом, предлагаемый экстрактор позволяет интенсифицировать процесс экстрагирования и повысить выход экстрактивных веществ из растительного сырья.

Формула изобретения

1. Противоточный экстрактор для растительного сырья, содержащий корпус с вертикальной загрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, и наклонной разгрузочной секцией, снабженной рубашкой термостатирования, размещенные в секциях приводные шнеки, патрубок подачи экстрагента, сообщенный с разгрузочной секцией, и сборник экстракта, охватывающий верхнюю часть загрузочной секции корпуса, отличающийся тем, что он снабжен средством подачи жидкой двуокиси углерода в рубашку термостатирования загрузочной секции и средством подачи паров экстрагента в рубашку термостатирования разгрузочной секции, а секции корпуса сообщены с рубашками термостатирования через сверхзвуковые сопла.

2. Экстрактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен завихрителями, установленными на входах в сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3