Изучение параметров, влияющих на процесс экстракции растительных масел в электромагнитном поле сверхвысоких частот

Экстракционный способ извлечения растительных масел является наиболее экономичным и обеспечивает максимальное обезжиривание масличного сырья. В основе процесса экстракции лежит способность растительных масел растворяться в органических растворителях, при этом экстракция происходит посредством молекулярной и конвективной диффузии. В качестве растворителей для извлечения масла из растительного сырья применяют, как правило, экстракционный бензин марки «А» или нефрас, которые наряду с применением высоких температур при отгонке растворителя снижают качество получаемых масла и шрота. Экстракцию масла можно осуществлять также с помощью диоксида углерода при сверхкритических давлениях (более 600 мПа), однако его недостатками являются высокая металлоемкость оборудоваия и необходимость изготовления толстостенных экстракционных аппаратов, трубопроводов и запорной аппаратуры, выдерживающих высокие давления.

В последнее время для интенсификации процессов экстракции из растительного сырья все чаще применяют электромагнитное поле сверхвысоких частот (далее - ЭМП СВЧ), позволяющее значительно сократить время экстракции, а следовательно, сократить время нахождения термолабильного растительного сырья в зоне высоких температур, применять нетоксичные растворители, значительно сократить продолжительность процесса.

В связи с тем, что в последнее время возрос интерес к кедровому ореху как ценному масличному сырью (а на предприятиях Республики Бурятия, занимающихся его переработкой, основным выпускаемым продуктом является кедровое масло), изучение интенсификации процесса экстракции кедрового масла с помощью ЭМП СВЧ является актуальным.

Условия экстракции кедрового масла этиловым спиртом под влиянием электромагнитного поля СВЧ с использованием СВЧ-установки были детально исследованы в работах [1, 2 и др]. Однако в указанных работах не были исследованы такие важные технологические параметры, как диэлектрические характеристики обрабатываемого сырья и экстрагента, скорость возрастания температуры в ЭМП СВЧ, коэффициент диффузии масла, влияющие на диффузионные процессы и растворимость масла в этиловом спирте, а следовательно, и на максимальное извлечение (выход) масла.

Цель исследования

В связи с вышесказанным целью нашего исследования явилось изучение технологических параметров, влияющих на процесс экстракции кедрового масла из ядра кедрового ореха этиловым спиртом в ЭМП СВЧ.

Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи:

• -    определить диэлектрические характеристики обрабатываемого сырья (ядра кедрового ореха), экстрагента (этилового спирта) и кедрового масла;

• -    установить скорость возрастания температуры сырья и экстрагента в ЭМП СВЧ;

• -    определить коэффициент диффузии кедрового масла.

Материалы и методы исследований

Материалами исследований в эксперименте служили очищенные ядра кедровых оре- хов, растворитель - этиловый спирт, кедровое масло, полученное методом экстракции в ЭМП СВЧ.

Исследование диэлектрических характеристик спирта этилового и ядра кедрового ореха проводилось волноводным методом.

Скорость возрастания температуры в ЭМП СВЧ определяли в процессе экстракции растительного сырья путем изменения веса экстрагируемого материала, т.е. при различных весовых количествах материала.

Для определения коэффициента диффузии был использован интервальноитерационный метод [3].

Результаты исследования и их обсуждение

Для сырья (ядра кедрового ореха), экстрагента (этилового спирта) и кедрового масла были исследованы их диэлектрические характеристики, так как от этого зависят величина удельной мощности ЭМП СВЧ, трансформируемой в теплоту, и глубина проникновения СВЧ-волн. Опытные испытания проводились на экспериментальном комплексе, включающем генератор для создания волн с встроенным усилителем и аттенюатором, осциллограф, потенциометр.

При проведении эксперимента по определению диэлектрических характеристик ядра кедрового ореха и этилового спирта были получены зависимости диэлектрических характеристик от температуры образцов и установлено, что в ЭМП СВЧ диэлектрическая проницаемость этилового спирта (экстрагента) изменяется от 25,4 при нормальных условиях до 2,58 под воздействием волн дециметрового диапазона, что близко к определенной нами диэлектрической проницаемости кедрового масла (3,2-3,5). При таких условиях масло хорошо растворяется в органическом растворителе. В опытах при измерении диэлектрической проницаемости под воздействием ЭМП СВЧ повышение температуры незначительно отразилось на изменении диэлектрических свойств этилового спирта и кедрового масла.

Полученные значения диэлектрических характеристик этилового спирта и кедрового масла свидетельствуют о том, что диэлектрическая проницаемость спирта этилового в ЭМП СВЧ становится близкой к диэлектрической проницаемости масла кедрового, в результате чего масло практически полностью растворяется в спирте этиловом.

Основным фактором, определяющим скорость возрастания температуры (dt/dτ) под действием ЭМП СВЧ, является удельная мощность Р уд . При этом форма материала должна быть такой, чтобы обеспечить нагрев изделия по всему объему, т.е. линейные размеры материала хотя бы в одном измерении не должны превышать удвоенной глубины проникновения поля СВЧ. Полученные результаты диэлектрических характеристик позволили теоретически определить оптимальную толщину экстрагируемого материала (ядра кедрового ореха), при которой происходят равномерный нагрев и максимальное выделение масла из ядра в экстрагент (спирт этиловый).

При проведении исследований установлено, что скорость роста температуры при СВЧ-энергоподводе состоит из 2-х этапов: на 1-м этапе температура изменяется от 20 до 78,4^оС, а отношение dt/dT изменяется от 1,3 до 0,2 ° С/с, на 2-м этапе - при температуре более 78,4 ^оС, т.е. температуре кипения растворителя, отношение dt/dτ резко снижается и изменяется от 0,1 до 0,01 ° С/с.

Результаты экспериментальных данных свидетельствуют об усилении диффузионных процессов в ядре кедрового ореха. С увеличением температуры и частоты колебаний электромагнитного поля возникает градиент внутреннего давления в ядре кедрового ореха, в результате чего масло диффундирует к поверхности лепестка, смешиваясь и растворяясь практически полностью в спирте этиловом, так как диэлектрическая проницаемость кедрового масла и спирта этилового при этих условиях близки.

Таким образом, при экстракции целесообразно комбинировать процесс молекулярной диффузии с термодифузией путем использования наложения подобранных температурных режимов как для растворителя, так и для сырья.

Для определения коэффициента диффузии была использована методика, основанная на режиме кипящего слоя в ЭМП СВЧ. Это позволяет обеспечить столкновение каждой частицы с растворителем и создать условия для проведения экстракции при более низких температурах.

В результате экспериментальных исследований по определению коэффициента диффузии были получены экстракционные кривые, характеризующие изменения коэффициента диффузии масла в ядре кедрового ореха при экстракции спиртом этиловым в ЭМП СВЧ (рис.).

Из рисунка видно, что возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (30-90 с), а затем наступает его резкое уменьшение (в 3-4 раза), а после 140 с экстракции коэффициент диффузии уменьшается не так резко. Также характер экстракционных кривых свидетельствует о том, что, чем ниже мощность ЭМП СВЧ, тем меньше пик максимального значения коэффициента диффузии и тем позже он фиксируется по времени. Это свидетельствует о том, что, чем меньше мощность излучения электромагнитного поля СВЧ, тем медленнее протекают диффузионные процессы.

Во всех проведенных экспериментах коэффициент диффузии уменьшается на целый порядок в первые 1,5-2 мин экстрагирования. Характер изменения коэффициента диффузии во времени хорошо согласуется с современными представлениями о механизме экстрагирования масла из маслосодержащего сырья. Повышение коэффициента диффузии в начале экстрагирования связано со стадией пропитки, при которой направление движения жидкости

Рисунок - Изменение коэффициента диффузии в ядре кедрового ореха

Следует отметить, что для всех размеров ядра кедрового ореха и при всех температурах опыта максимальные величины коэффициентов диффузии приблизительно соответствуют одному и тому же времени экстрагирования – 40-90 с. Следовательно, можно считать, что за 150-180 с экстракции извлечение масла в растворитель практически заканчивается.

Таким образом, экспериментально установленные значения коэффициентов диффузии в зависимости от мощности СВЧ-излучения и продолжительности показывают, что, чем выше мощность излучения, тем выше коэффициент диффузии и тем быстрее протекает процесс извлечения масла в растворитель. Однако весь процесс экстракции масла под воздействием ЭМП СВЧ заканчивается практически в одно и то же время – за 240-360 с.

Выводы

Были получены следующие результаты:

• -    установлено, что в электромагнитном поле СВЧ изменяется диэлектрическая проницаемость этилового спирта (экстрагента) от 25,4 при нормальных условиях до 2,58 под воздействием волн дециметрового диапазона, что приблизительно равно диэлектрической проницаемости кедрового масла (3,2-3,5). При таких условиях масло хорошо растворяется в этиловом спирте;

• -    скорость роста температуры при СВЧ-энергоподводе состоит из 2 этапов: на 1-м этапе температура изменяется от 20 до 78,4 ^оС, а отношение dt/dT изменяется от 1,3 до 0,2 ° С/с, на 2-м этапе – при температуре более 78,4^оС, т.е. температуре кипения растворителя, отношение dt/dT резко снижается и изменяется от 0,1 до 0,01 ° С/с;

• -    экспериментально доказано, что с увеличением температуры и частоты колебаний электромагнитного поля масло диффундирует к поверхности ядра кедрового ореха, смешиваясь и растворяясь практически полностью в спирте этиловом;

• -    установлено, что возрастание коэффициента диффузии происходит в первые секунды экстрагирования (30-90 с), а затем наступает его резкое уменьшение (в 3-4 раза), а после 140 с экстракции коэффициент диффузии уменьшается не так резко, что свидетельствует о том, что, чем меньше мощность излучения электромагнитного поля СВЧ, тем медленнее по времени протекают диффузионные процессы.

Заключение

В результате проведенных исследований были определены основные технологические параметры экстракции кедрового масла этиловым спиртом из ядра кедрового ореха в ЭМП СВЧ: диэлектрическая проницаемость обрабатываемого сырья (ядра кедрового ореха), экстрагента (этилового спирта) и кедрового масла, скорость возрастания температуры сырья и экстрагента в ЭМП СВЧ, коэффициент диффузии кедрового масла.

Применение закономерностей, установленных при проведении экспериментов, обеспечивает производство кедрового масла с максимальным энерго- и ресурсосбережением. На основе полученных данных была разработана технология получения кедрового масла с применением ЭМП СВЧ, которая успешно апробирована [4], запатентована [5] и внедрена в производство в ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт» при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления.