Техника и технология использования диоксида углерода в суби сверхкритическом состоянии

Решение проблем глубокой переработки сельскохозяйственного сырья во многом зависит от использования биотехнологических приемов обработки компонентов сырья, применения высокотехнологических способов с целью длительного хранения сырья, препаративного разделения химических компонентов сырья, созданию натуральных пищевых добавок на основе вторичных ресурсов сельскохозяйственного производства.

Известно, что современные технологические процессы переработки сельскохозяйственного сырья сопровождаются изменениями в газожидкостных средах в широком диапазоне влажности, температур и давлений. Газожидкостные технологии эффективно влияют на поток сырья, которое приобретает новые качественные характеристики или может разделяться на отдельные классы химических соединений.

Целью работы является анализ технологических особенностей газожидкостной обработки сельскохозяйственного сырья для получения высококонцентрированных БАВ. Достижение поставленной цели позволяет определять оптимальные режимные параметры процесса СО2-экстракции для аппаратов разной производительности, обеспечивать получение экстракта высокого качества, достигнутого на уровне лабораторных исследований и сократить продолжительность процесса извлечения ценных компонентов израстительного сырья [1-3].

Весомую роль в обсуждаемой области играют экстракционные процессы, среди которых особое место принадлежит диоксиду углерода при суб- и сверхкритических параметрах. Выполненные с участием автора предварительные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать основные закономерности газожидкостной обработки сырья [4-6]. Масштабный перенос результатов эксп еримента в промышленные условия представляет серьезную научноисследовательскую и прикладную задачу.

Несмотря на значительное количество публикаций и объектов интеллектуальной собственности в области газожидкостных технологий, в настоящее время не существует четких алгоритмов промышленного освоения процессов суб и сверхкритической СО2-экстракции, учитывающих взаимосвязи массопереноса в слое экстракционного материала с заданным качеством СО2-экстракта [7-9]. Качество большинства СО2-экстрактов определяется, в первую очередь, содержанием в них целевого компонента, например азулена в ромашке аптечной, сквалена в амаранте, карвона в тмине, цинеола в лавровом листе. Такое состояние обеспечивается селективностью жидкого или сжатого диоксида углерода как растворителя, или использованием в экстракционной системе азеотропных смесей и сорастворителей.

Промышленная реализация технологии суб и сверхкритической СО2-экстракции ценных компон ентов из сырья предусматривает масштабирование полученных данных в промышленных объемах [10-12].

Субкритическая СО2-экстракция относится к мягкорежимным процессам пищевой технологии и наиболее полно используется в интервале температур от +5 до +28 оС и давлений насыщенных паров СО2 от 3,8 до 7,2 МПа. Используя методы системного анализа, сформулирована концепция нового научного направления в области применения в пищевой промышленности СО2-технологий для переработки различных видов пищевого сырья.

Выявлены закономерности взаимодействия, функционирования и развития технологических процессов, основанных на взаимодействии пищевых продуктов с диоксидом углерода в стабильных или изменяющихся фазовых состояниях, что позволило разработать научные основы инженерных решений в области техники и технологий СО2-обработки пищевого сырья.

По результатам исследований разработаны научные основы селективного экстрагирования, поточно-струйной обработки, выявлены механизмы кристаллизации веществ в сложных системах “СО2-компонент”, установлены условия появления эффекта “соэкстрак-ции” при взаимодействии растительного сырья с СО2-растворителем.

Выявлены основные закономерности активирования собственных протеолитических процессов мышечной ткани под воздействием газообразного диоксида углерода под давлением до 4,0 МПа.

Разработаны совмещенные методы анализа термодинамической эффективности проведения процесса направленной поточно-струйной кристаллизации и селективной экстракции в системе «энергетика - экономика - экология».

Разработана методология выбора и определения последовательности проведения проектно-конструкторских разработок, для оценки взаимосвязанных режимных и технологических характеристик оригинального оборудования для СО2-технологий.

Разработаны обобщенные подходы к процессам, позволившие выявить интерактивные факторы развития новых технологических процессов, сформулировать направления научных исследований и обобщить пути решения многочисленных задач, которые стояли и стоят перед перерабатывающими предприятиями пищевой и парфюмерно-косметической промышленности.

Доказана возможность управления эффективностью экстрагирования целевых веществ из растительного сырья с помощью направленного разрушения клеточной структуры материала.

Обоснован способ гомогенизации растительного сырья последовательным изменением давления обработки. Установлены закономерности очистки виноградного сока и виноматериалов от тартратов с целью стабилизации качества и повышения потребительской ценности готовых продуктов.

Выявлены условия формирования гидроаэрозоля, мелко гранулированного водного льда, “сухого снега” (из СО 2 и водного льда) в струйных газодинамических устройствах. Использование сверхкритического диоксида углерода в качестве технологического агента является новым направлением в пищевой технологии, которое активно развивается в настоящее время. В сверхкритическом состоянии СО 2 существенно меняет свойства и может использоваться не только как эффективный экстрагент, но и для регенерации полимерных адсорбентов.

Сверхкритические экстракционные технологии отличаются высокой диффузионной способностью флюида, имеющего высокую селективность извлечения, больший выход извлекаемых компонентов, отсутствие следов растворителя в готовом продукте. Легкость регенерации экстрагента и, во многих случаях, одностадийность операции определяют энергосберегающий характер процесса.

На рисунке 1 приведена аппаратурнотехнологическая схема производства СО 2 - экстрактов, реализованная в условиях экстракционного цеха ООО «Компания Караван» (г. Краснодар). Это предприятие является головной организацией Межрегионального научнопроизводственного центра «Экстракт-Продукт».

Отличительной особенностью установки является применение ультразвукового способа интенсификации процесса экстракции. Значительный интерес представляет разработанная автором комбинированная схема организации процесса СО 2 -экстракции при суб- и сверхкритических режимах.

Рисунок 1. Аппаратурно-технологическая схема производства СО 2 - экстрактов:

1– экстракторы, 2 – конденсатор, 3 – испаритель, 4 – сборник, 5 – предохранительный клапан, 6 – рама, 7 – указатель уровня, 8 – фильтр.

Предназначенное для обработки сырье загружается в сетчатые кассеты и помещается в субкритический экстрактор 1. Из сборника-конденсатора 2 через вентиль В 3 подается жидкий СО 2 , который сначала пропитывает сырье, затем через вентиль В 6 образовавшаяся мисцел-ла поступает в испаритель 5. В паровую рубашку испарителя 5 подается горячая вода, при этом растворитель в мисцелле резко вскипает и через вентиль В 1 подается в конденсатор 2. Выделившийся из мисцеллы СО 2 -экстракт через вентиль В 8 направляется в сборник 6.

СО2 из резервной системы

Тосол

Горячая вода

. —       — —

Рисунок 2. Комбинированная схема суб- и сверхкритической экстракции ценных компонентов из растительного сырья.

1– субкритический экстрактор, 2 – конденсатор, 3 – сверхкритический экстрактор, 4 – сепаратор, 5 – испаритель, 6 – сборник

Процесс сверхкритической экстракции организован следующим образом. Вначале в испаритель 5 заливается жидкий СО 2 . В сверхкритическом экстракторе 3, снизу, через слой растительного сырья (в кассете) подается сжатый (флюидный) диоксид углерода. Поступая в охлаждаемый сепаратор 4 газовая мисцелла разделяется на газовую фазу и СО 2 -экстракт, который передается в сборник 6.

Опыт эксплуатации экстракционных установок, стабильные показатели качества вырабатываемых продуктов подтверждают высокую эффективность принципиально новых элементов технологического оборудования; некоторые результаты исследований в виде характеристик режимов обработки представлены в таблице 1, из данных которой следует, что выход экстрактивных веществ существенно зависит от способа обработки сырья.

Наибольший экономический эффект достигается в случае использования сверхкритического диоксида углерода для извлечения ценных компонентов из растительного сырья.

Под руководством и с участием автора проведены полномасштабные химикобиологические исследования более 100 видов отечественного и импортного плодоовощного, пряно-вкусового, ароматического, масличного и других видов сырья, в том числе нетрадиционных видов сырья и ранее неиспользуемых отходов пищевого сырья, выявлена их пригодность и проведена проверка таких видов, для которых наиболее целесообразно применение СО2-технологий.

Разработаны научные основы новых разделов пищевой и холодильной техники, таких, как селективное экстрагирование и поточно-струйная обработка в газодинамическом охладителе.

Кроме того, нами предложен и апробирован новый способ обработки мяса сжатым диоксидом углерода под давлением 3-5 МПа. Этот способ позволяет снизить рН мяса на 1,5-2,0 единицы. При смещении рН в кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки, набухаемость коллагена резко увеличивается. Обработка мяса в среде сжатого СО2 приводит к насыщению мяса газом по всему объему. СО2 взаимодействует с водой с образованием слабой угольной кислоты, которая, являясь нестойкой, обратимо диссоциирует, но в целом приводит к смещению рН среды в кислую зону.

При действии на коллаген угольной кислоты в нем возникает избыточный положительный заряд, и структура коллагена разрыхляется за счет расширения фибрилл в полярных областях из‐за отталкивания одноименно заряженных групп. В расширенную область поступает вода и происходит набухание. Это также приводит к увеличению нежности мяса, что подтвердилось в результате исследований. Набухший, разрыхленный коллаген становится более доступным пищеварительным ферментам, что очень важно в свете существующей на сегодняшний день в пищевой науке доктрине о необходимости включения легкоусв ояемого коллагена в рационы взрослых и детей.

Выявлены закономерности прохождения кристаллизации веществ в сложных системах “СО2 - компонент”, что позволило разработать технологию удаления винного камня из виноградного сока и виноматериалов; условия появления эффекта “соэкстракции” при взаимодействии растительного сырья с растворителями.

Выявлены условия формирования охлажденного гидроаэрозоля, получения “сухого снега” в системе “СО2- вода”, использование которых обеспечивает охлаждение плодоовощной продукции после сбора и увеличивает продолжительность хранения в 1,5-2 раза, без снижения показателей качества продукции.

Установлены пути интенсификации сушки растительного сырья в 1,2-1,5 раза, путем обработки сырья жидкой и газообразной СО2 - для удаления кутикулярного липидного слоя с поверхности листьев и плодов, формообразования пенно-пористой структуры в протертых фруктовых пюре без ввода в них поверхностно-активных веществ.

Получена новая информация о возможностях применения способа гомогенизации для переработки плодоовощных пюре и других паст, при проведении СО2-обработки последовательного изменения давления от 4,3 МПа до давления 0,3 МПа, а также о влиянии СО2-обработки на комплекс показателей качества гомогенизированных продуктов, виноградного сока и экстрактов из более чем 50 видов сырья, в том числе кутикулярных восков.

Разработана принципиально новая технология переработки растительного сырья и побочных продуктов пищевых производств для получения порошкообразных водорастворимых биологически активных добавок, на основе которых было создано более 40 рецептур различных видов косметических средств, защищенных патентами РФ.

Доказаны возможности управления эффективностью экстрагирования ценных компонентов из растительного сырья путем направленного разрушения клеточной структуры материала - “взрывной клеточной технологий”, а также резкого (в 10-100 раз) снижения бактериальной загрязненности сырья, перерабатываемого СО 2 -технологиями.

Созданы не имеющие аналогов за рубежом технологические процессы и оборудование для СО2-обработки сырья растительного и животного происхождения, использование которых на многочисленных предприятиях в Российской Федерации и странах ближнего зарубежья позволило:

• -    осуществить СО₂-экстракцию из растительного, пряно-ароматного и лекарственного сырья в режимах субкритического и сверхкритического давлений диоксида углерода;

• -    проводить обработку сырья с целью снижения микробной обсемененности, де-тартрации, сверхтонкого измельчения плодоовощного сырья, удаления кутикулярного

воскового слоя с поверхности плодов и листьев, сатурирования воды и др.;

• -    проводить гомогенизацию грубоиз-мельченного сырья газожидкостным методом, с получением продуктов, пригодных для использования в качестве детского и лечебнопрофилактического питания;

• -    обеспечивать технологическое охлаждения продукции (птица, вареные колбасы, мясопродукты, овощи, плоды, зеленные и др.) ледяной водой и гранулированным “сухᴎᴍ снеᴦᴏᴍ”;

• -    осв оить производство парфюмернокосметических изделий потребительского и специального назначения, на основе полученных СО 2 -экстрактов, их композиций и биологически активных веществ;

• -    освоить производство напитков из молочной сыворотки , фруктовых квасов и других жидких продуктов на основе полученных СО 2 -экстрактов;

• -    осв оить в производствах мясных, рыбоовощных и рыбных консервов использование полученных СО 2 -экстрактов.

Создана современная теоретикоаналитическая база для дальнейшего развития нового промышленного направления в пищевой промышленности, включающая:

-    совмещенные методы анализа термодинамической эффективности проведения процесса (селективной экстракции, поточноструйной кристаллизации) в системе «энергетика – экономика – экология»; -    методологию выбора и определения последовательности проведения проектно- конструкторских разработок, для оценки взаимосвязанных режимных и технологических характеристик оригинального оборудования для СО2 -технологий;