Кинетика экстракции сверхкритической СО2 с сорастворителем жиросодержащих материалов из семян дыни

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Кафедра информационно коммуникационные системы управления технологическими процессами. Бухарский инженернотехнологический институт. Ул. К. Муртазоева, 15. г. Бухара, 200100. Республика Узбекистан. Тел: +998 914017905.

Кинетика экстракции сверхкритической СО2 с сорастворителем жиросодержащих материалов из семян дыни

Гафуров Карим Хакимович, Мирзаева Шохиста Усмоновна

и Мухаммадиев Баходир Темурович

Email: shohista.m@rambler.ru

Аннотация

Изучение процессов экстракции липидов из жиросодержащих растительных материалов с помощью флюидов (например, двуокисью углерода в флюидном состоянии) представляет научный и практический интерес. Для интенсификации процесса извлечения липидов из растительных материалов используются различные физико-химические приёмы: варьирование степени измельчения, влажности, настаивание, гидродинамические условия и др. Кроме того, можно использовать не только чистый флюид, а его модифицированную полярными растворителями (например, этиловый спирт) форму.

Рассматриваются теоретические аспекты и экспериментальные исследования кинетики экстракции сверхкритической двуокисью углерода с сорастворителями (этиловый спирт) жиросодержащего растительного материала (на примере молотых семян дыни). Липиды (жиры) растительного происхождения важны, так как являются ингредиентами косметической и фармацевтической промышленности, поэтому важным является изучение кинетики их экстракции из растительного материала, в частности, молотых семян дыни. Растительные ингредиенты в первую очередь отличаются друг от друга по растворимости в сверхкритическом флюиде и способности диффундировать в межфазном пространстве. Растворимость в сверхкритическом флюиде и в смеси его в этиловом спирте и диффузия ингредиентов в растительном матриксе представляют собой сложный физико-химический процесс, которого следует описать с помощью математических моделей, а затем проверить соответствие модели экспериментальным данным. растительный флюид экстракция спирт

Основными параметрами процесса экстрагирования (СКСО2 с сорастворителем - этанолом) липоидов растительного происхождения, имеющими кинетический характер, являются входящие в число действительных единиц переноса число Шервуда и коэффициент внутренней диффузии.

Эксперименты имели цель установить влияние сорастворителя на процесс извлечения. Был принят режим экстракции: давление 8 МПа, температура 50 оС. Загрузка измельченного сырья 15 г. Расход СО2 составил Q = 8.0 л/ч. Используя полученные параметры Dвнутр = 3.802·1010 м2/с при Спред= 0.288% и экспериментальные данные произвели расчет кинетики экстракции построили график. Произведенный расчет кинетики процесса и полученная на основании этого модель нелинейной диффузии с экспоненциальной концентрационной зависимостью коэффициента диффузии адекватно описывает кинетику экстракции.

Ключевые слова: кинетика, экстракция, сверхкритическая СО2, планирование эксперимента, масличность, растворимость, диффузия.

Abstract

The kinetics of supercritical CO2 extraction with cosolvent of fatcontaining materials from melon seeds

Karim Kh. Gafurov, Shokhista U. Mirzaeva,*+ and Bakhodir T. Mukhammadiev

Department of Information and Communication Control System of the Technological Process.

Bukhara EngineeringTechnological Institute. K. Murtazoeva St., 15. Bukhara, 200100.

Republic of Uzbekistan. Phone: + (998) 914 017 905. Email: shohista.m@rambler.ru

Publication is available for discussion in the framework of the online Internet conference “Butlerov readings”.

http://butlerov.com/readings/

Submitted on December 20, 2016.

The study of the processes to extractions lipids from fat contents vegetable material by means of fluids (for instance, dioxide of carbon in fluid condition) presents scientific and practical interest. For intensification of the process of the extraction lipids from vegetable material are used different physicalchemical acceptance: variation degree pulverizing, moisture, precipitate, hydro dynamic of the condition and others. Besides, possible use not only clean fluid, but its form modified by polar solvents (for instance, ethyl alcohol).

They are considered theoretical aspects and experimental studies of the kinetics extractions by supercritical carbon dioxide (with the ethyl alcohol as cosolvent) vegetable material (on example milled melons seeds). The calculation of the kinetics of the process on the bases of experimental data and theoretical aspects has shown the identical description by their model. Lipids (fats) of the vegetable origin have the important since are an ingredients makeup and pharmaceutical industry. So important to study of the kinetics their extractions from vegetable material, in particular, milled seeds melons. Vegetable ingredients in the first place differ between from each other on solubility in supercritical fluid and abilities diffusion in interface space. Solubility in supercritical fluids and in mixture its in ethyl alcohol and diffusion ingredients in vegetable matrix present itself complex physicalchemical process, which follows to describe by means of mathematical models, and then to check the correspondence to models experimental data.

The main parameter of the process extraction (SKСO2 with соsolvent - the ethanol) lipids vegetable origin, having kinetic nature, are ranking along real units of the carrying number Sherwood and factor to internal diffusion.

Using got parameters Din = 3.802 1010 m2/s and Csat = 0.288% experimental data has produced the calculation of the kinetics to extractions have built the graph, which shows the identical description model by experimental data.

The model to nonlinear diffusion with exponential concentration dependency of diffusions coefficient adequately describes the kinetics of extractions.

Keywords: kinetics, extraction, supercritical СO2, planning the experiment, fatty, solubility, diffusion.

Введение

Теоретические аспекты кинетики экстракции рассматривались нами ранее [1]. Исследование кинетики экстрагирования жиросодержащего материала из семян дыни сверхкритической двуокисью углерода (СКСО2) с сорастворителем (этанол) проводились в экстракционной установке ELGA. Установка представляет собой круглый цилиндр для загрузки сырья, ёмкостью 1.5 литра (d = 70 мм и h = 250 мм). Закрывается она винтовым запорным устройством.

Эксперименты имели целью установить влияние сорастворителя на процесс извлечения. В качестве материала использовались молотые семена дыни, экстракты из которой применяются для получения косметических увлажняющих кремов, а также фармпрепаратов [24]. Эти жиросодержащие вещества представляют собой биологически активный продукт, содержащий жирорастворимые ингредиенты: линолевую и олеиновую кислоты (сумма их около 90%), стеролы и - б, в, гтокоферолы, причем самый ценный бтокоферол составляет 40% от их суммарного значения. Выход экстрактивных веществ при доктрических условиях составляет 56%, а при СКусловиях достигает 11.5%, а содержание липидов около 15% [5, 6]. Следовательно, экстракция СКСО2 дает возможность почти в два раза увеличить выход.

1. Экспериментальная часть

Основываясь на литературные данные был принят режим экстракции: давление 4 МПа, температура 50 оС. Загрузка измельченного сырья 15 г. Расход СО2 составил Q = 8.0 л/ч. Опыты предусматривали изменения 2 факторов: наличие сорастворителеля и время экстракции и планировались по схеме 22 полного факторного эксперимента (ПФЭ) 2 и включали 4 варианта (табл. 1).

Табл. 1 План эксперимента

Табл. 2 Масличность семян, %

Табл. 3 Остаточная масличность, %

На основании результатов ситового анализа было установлено, что средневзвешенный размер измельченных семян равнялся 0.8 мм. Масличность по опытам равнялась следующим значениям (табл. 2).

Проведя различные режимы экстракции получили следующие результаты: при 50 мин. масличность - 0.9%, а при 40 мин. - 2.4%. Также различалось кислотное число: 3.13 и 3.02 мг КОН/г, соответственно. Опытные значения остаточной масличности при экстракции СКСО2 следующие (табл. 3).

Оказалось, что экстракция СКСО2 с участием этанола дает большую масличность, что объясняется затратами времени на насыщение СКСО2 этанолом в начале процесса (табл. 3).

Исходные данные процесса экстракции на опытной установке представлены в табл. 4, которые являются опорными для расчета основных критериев процесса экстракции из слоя.

Табл. 4 Основные показатели процесса

Эти данные в свою очередь, послужили для расчета исходных данных кинетической модели экстракции из слоя. Для оценки кинетических показателей было использовано предельное значение остаточной масличности и время цикла экстракции. Коэффициент молекулярной диффузии триглицеридов в СО2 4.8·105 м2/с, вязкость СО2 2.9·104 Па·с.

Базовое уравнение в данном случае представляет собой функцию остаточной концентрации (С) от 2х переменных: высоты слоя (Х) и времени экстракции (ф).

 (1)

Учитывая интегральную величину остаточной концентрации масла в материале можно преобразовать уравнение (1).

Окончательный вид уравнения (2):

где В1 и В2 временные проекции уравнения (3).

Таким образом, мы имеем уравнение зависимости средней остаточной концентрации в слое материала от времени процесса. Это уравнение позволяет рассчитывать нормированную в интервале 0.1 концентрацию и для сопоставления ее величины с реальной концентрацией, взятой из опыта. Нормированную величину необходимо пересчитывать на новый нормированный интервал. Уравнение перерасчета имеет вид:

где Cпред - предельная концентрация, t - время экстракции, фi - его именной аналог.

где i - номер шага интегрирования временных проекций В1(фi) и В2(фi);

h - длина шага интегрирования временных проекций В1(фi) и В2(фi); фmax - предельное значение интервала интегрирования [0, фmax] В1(фi) и В2(фi).

Затем имеем:

Окончательно имеем уравнение (6) с двумя идентификационными пара ис и Wпред, которые использовались для адекватного описания опытных данных (табл. 3). Для расчета предельной концентрации Спред использовались данные по равновесной концентрации жиров в СО2 общее количество оставшегося в материале жира рассчитывается из равновесной концентрации жиров в бинарном растворителе. Для этого данными служат равновесная растворимость жира (Wравн), объём растворителя (Wраст), начальная масличность (Wнач), масса экстрагируемого материала (m). Для идентификации модели эксперименту использовали временной масштабный множитель ис.

где Dвнутр коэффициент массопереноса.

Результаты и их обсуждение

Уравнение (7) дает возможность идентифицировать Dвнутр для этого процесса. При СК условиях идентифицированны следующие параметры Dвнутр = 2.88·1010 м2/с при Wпред = 3.338%. При описании процесса экстракции из слоя, пропитанного этанолом, учитывается две фазы: 1) смыв этанола СО2, 2) собственно процесс экстракции.

Табл. 5 Опорные показатели процесса

В разделителе этанол выделялся, а процесс экстракции далее производился с СО2. Для определения временного интервала фазы смыва этанола использованы экспериментальные данные (табл. 5). Проведение процесса на опытной установке при максимальном времени позволило выявить тенденцию увеличения остаточной масличности по сравнению с экстракцией СО2 без добавления сорастворителя: начальная масличность 0.0% (ф = 0 с), конечная масличность 3.4% (ф = 3000 с). Для определения времени 2й фазы пользовались уравнением [6] с параметрами, идентифицированными для экстракции чистой СО2.

Время экстракции, при котором дистигается остаточное значение масличности, соответствующее опыту, равно 2220 с. Следовательно, время смыва можно определить как разность общего времени опытной экстракции (3000 с) и времени собственно процесса экстракции (2220 с), то есть 780 с.

Далее важно было определить эффективность процесса экстракции СО2 с сорастворителем (этиловый спирт). Для этого поставили дополнительные опыты с повышенным давлением в разделителе (8 МПа), что исключает выделение спирта с экстрактивными веществами. При этом увеличивался выход экстрактивных веществ. Для оценки скорости экстракции использовалась разработанная модель, в которой идентифицировался коэффициент диффузии липоидов в смеси растворителей и учитывался длительность фазы смыва этилового спирта. Коэффициент молекулярной диффузии 5.56·105, м2/с, вязкость смеси СО2 и этилового спирта 4.44·104 Па·с. Эти данные применялись для расчёта исходных данных кинетической модели экстракции из слоя и для конкретизации начальных и граничных условий краевой задачи экстракции из слоя смесью растворителей.

Объём масла (Vмасла): Vмасла = Wнач /910 = 0.10/910 = 0.11·103 см3

Объём пара (Vпар): Vпар = V 2.204 ·103масла·(1 + 0.964) = 1.89·105 см3

Общий объём (Vобщ): Vобщ = Vмасла + Vраст = 2.204·105 + 8.44·103 = 8.462·103 см3

Проверочная концентрация (Wпров): Wпров = Wнач/Vобщ = Wравн = 1.688·103 г/см3.

Расчет производится по алгоритму выбора: если Wравн больше Wпров, то для расчета остаточной масличности используется Wпров, в противном случае, используется Wравн.

Заключение

Таким образом, используя полученные параметры Dвнутр = 3.802·1010 м2/с при = Спред= 0.288% и экспериментальные данные произвели расчет кинетики экстракции построили график, который показывает адекватное описание моделью экспериментальных данных (рисунок).

Параметрические данные для расчёта кинетики экстракции:

Объём масла в материале, м3/кг 0.11·103

Объём пор в материале, м3/кг 1.89·105

Объём растворителя, м3 8.462·103

Предельная концентрация масла в материале 0.288%.

Рисунок 1 Сравнение кинетики экстракции смесью растворителей - модель (линия) и опытные данные (o)

Выводы

1. Основными параметрами процесса экстрагировании, (СКСО2 с сорастворителем (этанол) липоидов растительного происхождения), имеющими кинетический характер, являются входящие в число действительных единиц переноса число Шервуда и коэффициент внутренней диффузии.

2. Модель нелинейной диффузии с экспоненциальной концентрационной зависимостью коэффициента диффузии адекватно описывает кинетику экстракции.

Литература

3. Мирзаева Ш.У., Мухаммадиев Б.Т., Гафуров К.Х., Кинетика процесса экстракции их растительных материалов. Научные сообщения. БГУ. 2016. №2. С.10.

4. Кошевой Е.П. Экстракция двуокисью углерода в пищевой технологии. Майкоп. 2000. С.495.

5. Касьянов Г.И. Технология СО2 - обработки растительного сырья (теория и практика). Докт. диссер. М.: Россельхоз академия. 1994.

6. Сафаров А.Ф., Гафуров К.Х. Применение сжиженного углекислого газа как растворителя для получения экстрактов из растительного сырья. Монография. Изд. Бухара. 2014.

7. Мартовещук В.И. Научнопрактические основы получения модифицированных жиров и жировых полуфабрикатов методом механохимической активации. Докт. дисс. Краснодар. КубГТУ. 2000. С.50.

8. Равельский И.А., Глазков И.Н. О применении CФЭ для получения экстрактов из лекарственных, сельскохозяйственных растений и фармпрепаратов. Сверхкритические флюиды: Теория и практика. 2008. Т.3. №2. С.7076.

Размещено на Allbest.ru