Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Найгострішою проблемою сьогодення, від вирішення якої залежить економічне виживання України, є стабільне забезпечення її енергоресурсами. Потреба нашої країни в нафтопродуктах, за різними оцінками, складає 24-28 млн тонн у рік, тож забезпечити себе такою кількістю держава може в основному за рахунок імпорту (80-90 %).

Один із напрямів розв'язання цієї проблеми - освоєння альтернативних джерел енергії. Найперспективнішим нетрадиційним джерелом енергії є рослинні олії та тваринні жири, які можуть застосовуватися в різних галузях промисловості: хімічній, фармацевтичній, харчовій, у медицині, парфумерії. Понад 150 видів олієвмісних рослин в усьому світі - це єдиний шанс, який дає змогу регіонам самостійно, на місцевому рівні, вирішувати енергетичні питання.

Використанню традиційних і нових нетрадиційних рослин як джерел одержання олій для хімічної промисловості й біологічно активних речовин для фармації та харчової промисловості присвячено низку наукових публікацій. Однією з таких рослин є амарант, властивості якого протягом останніх двадцяти років досліджувалися у багатьох роботах. Особливу увагу привертає використання олій із рослинної сировини для виготовлення біодизельного палива.

Процеси екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини, з точки зору механізму та кінетики процесу, є досить складними, оскільки включають як внутрішню, так і зовнішню дифузії. Внутрішня дифузія є найповільнішою (лімітуючою) стадією процесу, тому розрахунок процесів екстрагування пов'язаний із труднощами, які виникають під час визначення кінетичних констант.

Беручи до уваги перспективу розробки безвідходної технології для вилучення олії з насіння амаранту в промислових масштабах, важливим завданням є визначення оптимальних умов процесів екстрагування для одержання максимальної кількості вилучених цільових компонентів.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення механізму та кінетики процесу екстрагування цільових компонентів (олії) з насіння амарантів для розробки теоретичних основ процесу екстрагування. Для досягнення цього необхідно вирішити такі основні завдання: проаналізувати літературні дані, встановити фізико-хімічні характеристики цільових компонентів, дослідити механізм вилучення цільових компонентів з метою визначення лімітуючої стадії процесу, вивчити кінетичні закономірності процесу екстрагування, розробити математичні моделі процесу екстрагування, які б дали можливість прогнозувати процес у реальних умовах, запропонувати технологічну схему процесу.

1. Вибір напряму досліджень, опис методик та об'єктів досліджень з екстрагування цільових компонентів із амаранту

Обумовлено вибір напряму досліджень, описано методики та об'єкти досліджень з екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини.

Дано загальну характеристику об'єктів екстрагування та методів вилучення цільових компонентів (неліпідних сполук - пектинів, альбумінів, глобулінів, рибонуклопротеїдів та дезоксирибонуклеопротеїдів і ліпідних сполук - жирів, вільних жирних кислот та сквалену), що містяться в насінні рослинної сировини - родини Амарантових. Виділено основні цільові компоненти і проідентифіковано одержані сполуки на основі відповідних методик. Наведено методики виділення цільових компонентів, на основі яких визначено вміст цих компонентів (пектини, білки, олія, сквален, жирні кислоти та ін.) у насінні амаранту, методики визначення хімічних характеристик амарантових олій (йодне, кислотне, естерне числа та число омилення, показник кута заломлення, густина). Підібрано необхідні розчинники для екстрагування цільових компонентів і дано їх характеристику.

Подано методики встановлення механізму екстрагування олії з насіння амаранту і методики дослідження кінетичних закономірностей процесу та визначення кінетичних констант.

2. Експериментальне дослідження кінетики екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту

Представлено результати експериментальних досліджень кінетики екстрагування цільових компонентів із насіння амаранту.

Досліджено кінетику екстрагування амарантової олії н-гексаном із неподрібненого та подрібненого насіння амаранту мітлистого, амаранту хвостатого та щириці звичайної середнім діаметром зерен 0,5 мм і 0,25 мм за різних температур. Аналогічні результати одержано під час вивчення кінетики екстра-гування олії н-гексаном із насіння амаранту хвостатого та щириці звичайної.

Аналіз одержаних результатів показав, що при кімнатній температурі розмір подрібненого насіння амаранту суттєво не впливає на вихід олії. Підвищення температури (30-40 єС) збільшує ступінь вилучення олії для фракцій з розмірами 0,5 і 0,25 мм. Однак для фракції з розміром частинок 0,25 мм ускладнюється процес фільтрації. Слід зазначити, що процес екстрагування олії з амаранту хвостатого відбувається швидше порівняно з амарантом мітлистим і щирицею, що пояснюється деякою відмінністю внутрішньої структури та дещо іншим вмістом олії.

Досліджено кінетику екстрагування амарантової олії бензеном та хлороформом із неподрібненого та подрібненого насіння амаранту мітлистого та амаранту хвостатого середнім діаметром зерен 0,5 мм і 0,25 мм за різних температур. Аналогічні результати одержано під час вивчення кінетики екстрагування олії хлороформом із насіння амаранту мітлистого та хвостатого.

Аналіз результатів з вивчення впливу природи розчинника на кінетику екстрагування олії показав, що під час використання н-гексану можна одержати вищий вихід олії порівняно з іншими розчинниками.

Із метою інтенсифікації процесу досліджено вплив попередньої термічної обробки (140 160 єС) неподрібненого насіння амаранту на кінетику процесу.

Аналіз результатів досліджень показав, що попередній короткочасний контактний нагрів до температури 160 С збільшує швидкість вилучення внаслідок руйнування насіннєвих оболонок і може бути використаний з метою інтенсифікації процесу. Експериментально визначено вихід амарантової олії, що міститься у насінні амаранту і становить 6,5-8,7 % від маси сухого насіння залежно від виду амаранту. Встановлено механізм екстрагування цільових компонентів із насіння родини Амарантових. Показано, що процес екстрагування олії із неподрібненого насіння проходить у внутрішньодифузійній області (рис. 1 г), а під час екстрагування з подрібненого насіння - у змішаній зовнішньо- і внутрішньодифузійній областях.

Встановлено шлях інтенсифікації процесу за рахунок механічного подрібнення насіння амаранту, внаслідок якого руйнуються насіннєві обо-лонки і клітинні мембрани, що є основною причиною внутрішньо-молекулярного перенесення цільових компонентів із ядра зерна до поверхні фазового контакту.

Вивчено кінетику екстрагування олії з насіння амаранту, вплив температури і ступеня подрібнення на швидкість процесу екстрагування.

3. Математичні моделі екстрагування олії з насіння родини Амарантових

Наведено спрощену математичну мо-дель кінетики екстрагування цільових компонентів із насіння родини Амарантових, яка дає можливість прогнозувати кінетику екстрагування олії в умовах виробництва.

Перевірено математичну модель на реальних об'єктах (насіння родини Амарантових). В основу такої моделі покладено закон Фіка (1) та рівняння матеріального балансу (2):

, (1)

, (2)

де М - маса речовини, що підлягає екстрагуванню, кг; Dcт - коефіцієнт стислої дифузії, м2/с; F - поверхня кулі, м2; - градієнт концентрації; х - лінійний розмір, м; С1 - концентрація речовини в основній масі розчину, кг/м3; С - біжуча концентрація, кг/м3; СП - початкова концентрація, кг/м3; W - кількість розчинника, м3; V - об'єм сфери, м3.

Сумісним розв'язком рівнянь (1) та (2) разом із граничними умовами є рівняння:

, (3)

де - кінцева концентрація розчину, кг/м3; R - радіус частинки, м; , - товщина оболонки, м.

Визначено кінетичні константи для вищенаведених об'єктів. Рівняння (3) у напівлогарифмічних координатах дає можливість визначити постійну К, виходячи з рівняння .

Аналіз цих залежностей показує, що теоретичні криві 1-3 задовільно узгоджуються з експериментальними даними.

В основу моделі покладено таку систему рівнянь:

(4)

де Сi - концентрація олії в клітинах зерна; Ri - радіус сфери, яка містить цільовий компонент з концентрацією Сi; ф - час екстрагування; DД - коефіцієнт стислої дифузії крізь область зародка; Д - товщина області, в якій розташований зародок; Сan - концентрація речовини на межі фазового контакту частинки з розчинником; Сas - концентрація на межі мембранна перегородка - зародок.

Перше рівняння містить зміну маси вмісту цільових компонентів у зерні в лівій частині і градієнт концентрації в правій. Друге рівняння системи (4) визначає середнє значення концентрації олії ззовні зерна. Третє рівняння системи (4) в лівій частині містить масовміст олії за межами клітин. У правій частині цього рівняння враховується збільшення цільового компонента в розчиннику.

Розв'язок цієї системи рівнянь операційним методом дає результат у вигляді рівняння (5):

, (5)

яке є рівнянням кінетики у вигляді двох експонент (6) із від'ємними показниками:

. (6)

Для перевірки рівняння (6) на адекватність необхідна постановка експерименту з метою визначення постійних А, В, а і в.

Обробку даних для рівняння (6) виконували за однаковою методикою із застосуванням стандартних програм MathCAD - виконання нелінійної регресії загального виду, при якій забезпечується мінімальна середньоквадратична похибка апроксимації дослідних даних. Зіставлення величини середньоквадратичного відхилення вказує на якість апроксимації рівнянь.

4. Технологічні схеми екстракційного вилучення олії з насіння амаранту

Представлено математичну модель кінетики екстрагування олії з насіння амаранту в апараті ідеального змішування, яка дає можливість прогнозувати процес екстракційного вилучення олії в умовах безперервного процесу. В основу одержання такої моделі покладено рівняння матеріального балансу та рівняння зміни концентрації олії в твердій фазі з часом згідно зі схемою:

, (7)

, (8)

де W - масова витрата екстрагента, ; - концентрація розчину на виході з апарата, ; - концентрація цільового компонента (олії) у насінні амаранту, ; - початкова концентрація олії в розчині, ; - середній час перебування твердої фази в апараті, с, , де - маса насіння, яким заповнений екстрактор, кг; - продуктивність екстрактора у твердій фазі, , С0 - початкова концентрація олії в твердій фазі, , t - деякий момент часу, с.

Розв'язок цих рівнянь за умови = 0 набуває остаточного вигляду:

. (9)

Рівняння (9) дає можливість визначити кінетичний коефіцієнт м за відрізком, який відтинає на осі координат пряма за різних значень співвідношень твердої і рідкої фаз та при відомому .

Як розчинник використовували н-гексан. Концентрація олії у відібраних пробах визначалася ваговим методом після попередньої фільтрації та відгонки розчинника.

Визначення здійснювалося так. Після досягнення постійної концентрації на виході з апарата при заданому значенні Т:Р процес екстрагування закінчували, і отримана суспензія подавалася на фільтр, приєднаний до вакуум-насоса, після чого сушилася до постійної маси.

У цьому ж розділі показано технологічні схеми екстракційного вилучення олії з насіння амаранту, які можуть здійснюватися на невеликих виробництвах періодично або безперервно. Представлені технологічні схеми можуть використовуватись як в умовах попереднього подрібнення, так і термічної обробки згідно з деклараційним патентом на спосіб вилучення олії з насіння амаранту з попередньою термічною обробкою.

Оскільки процес екстрагування з неподрібненого насіння амаранту здійснюється вкрай повільно, а процес подрібнення є енергоємним і вимагає значних енергетичних витрат, нами запропоновано метод попередньої термічної обробки зерна за температури 160 С у контактних сушарках в умовах інтенсивного перемішування. На цей метод одержано деклараційний патент України на корисну модель №15120 (2006.01).

Висновки

хімічний амарантовий екстрагування

1. На основі вивчення й аналізу літературних джерел, присвячених проблемі екстрагування цільових компонентів із мінеральної та рослинної сировини, встановлено основні підходи до більш ефективного вилучення цільових компонентів із рослинної сировини. Вивчено теоретичні аспекти, пов'язані з вилученням цільових компонентів із пористих структур.

2. Показано, що екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини характеризується складнішим механізмом масоперенесення внаслідок клітинної будови порівняно з екстрагуванням із мінеральної сировини. Розкрито складний механізм цього процесу, який полягає в тому, що у неподрібненому насінні внаслідок наявності оболонок і клітинних мембран, що чинять опір проникненню цільових компонентів, процес протікає за внутрішньомолекулярним механізмом. Під час подрібнення руйнуються бар'єри на шляху проникнення цільових компонентів, як результат швидкість процесу збільшується і механізм процесу протікає за зовнішньомолекулярним механізмом.

3. За допомогою хімічних методів аналізу виділено основні цільові компоненти в амарантовій сировині і здійснено ідентифікацію отриманих сполук на основі відповідних методик. Подано методики визначення вмісту основних компонентів, які входять до складу цих сполук.

4. Наведено хімічні характеристики (йодне, кислотне, естерне число та інше) амарантових олій. Встановлено, що в отриманих амарантових оліях міститься значна частина біологічно активних речовин, особливо сквалену, який використовується для виготовлення важливих лікарських препаратів. Показано, що за своїми хімічними властивостями олія містить необхідні компоненти для виготовлення дизельного пального (вміст лінолевої кислоти - 45-61 %, пальмітинової кислоти - 11-20 %, олеїнової кислоти - 16-26 %).

5. Методи інтенсифікації процесу екстрагування цільових компонентів із насіння амаранту полягають у попередньому подрібненні та термічній обробці насіння. Одержано деклараційний патент на попередню термічну обробку насіння.

6. Експериментально досліджено кінетику екстрагування олії з насіння амаранту мітлистого, амаранту хвостатого та щириці звичайної різними розчинниками (зокрема н-гексаном, бензеном та хлороформом). Показано, що найбільш ефективним розчинником є н-гексан, а найбільший вміст олії має насіння амаранту хвостатого.

7. Розроблено математичні моделі на основі спрощених фізичних моделей насіння амаранту, які описують процес вилучення олії з названих об'єктів і дають можливість прогнозувати процес екстрагування в умовах виробництва. За цими моделями визначено основні кінетичні константи процесу, необхідні для розрахунку екстракторів.

8. Отримано математичну модель екстрактора безперервної дії для визначення кінетичного коефіцієнта при різних співвідношеннях твердої та рідкої фаз, без якого неможливо розрахувати відповідну апаратуру. Математична модель адекватно описує процес екстрагування у такому апараті.

9. Розроблено технологічну схему одержання цільових компонентів із насіння амаранту в умовах періодичного та безперервного процесів.

Література

1. Проц Д.І., Федорчук-Мороз В.І. Визначення жирних кислот у ліпідній фракції рослин родини Амарантових (Amaranthaceae) // Вісн. нац. ун-ту “Львів. політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2001. - № 426. - С. 219-222.

2. Cеменишин Є.М., Троцький В.І., Федорчук-Мороз В.І. Кінетика екстрагування олії з насіння щириці загнутої // Вісн. нац. ун-ту “Львів. політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2003. - № 488. - С. 200-205.

3. Cеменишин Є.М., Троцький В.І., Федорчук-Мороз В І., Марушко Л.П. Вивчення властивостей та кінетики екстрагування олії з насіння амаранту мітлистого та хвостатого // Вісн. нац. ун-ту “Львів. політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2004. -№ 516. - С. 99-103.

4. Cеменишин Є.М., Троцький В.І., Федорчук-Мороз В.І. Особливості екстрагування цільових компонентів з пористих структур // Наук. вісн.: Зб. наук.-техн. пр. -- Львів. УкрДЛТУ. - 2004. - Вип. 14.4. - С. 317-321.

5. Cеменишин Є.М., Троцький В.І., Федорчук-Мороз В.І. Математична модель кінетики екстрагування олії з насіння амаранту // Вісн. нац. ун-ту “Львів. політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2005. - № 529. - С. 199-203.

6. Cеменишин Є.М., Троцький В.І., Федорчук-Мороз В.І. Апробація математичних моделей для екстрагування олії з насіння амаранту // Вісн. нац. ун-ту “Львів. політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2006. - № 553. - С. 214-217.

7. Федорчук-Мороз В.І., Проц Д.І., Ковальська Ю.В. Кінетика екстрагування олії з амарантової сировини органічними розчинниками // Наук. пр. Одес. нац. акад. харчових технологій. - 2006. - Вип. 28. - Т. 2. - С. 48-49.

Размещено на Allbest.ru