Интенсификация процесса экстракции биологически активных соединений из растительного сырья электрическими импульсными разрядами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Степанян, Валентина Петровна

• Степанян, Валентина Петровна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанян, Валентина Петровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ.

1.1. Традиционные технологии экстракционного процесса.

1.2. Методы обработки, интенсифицирующие экстракционный процесс.

1.2. 1. Ультразвуковая обработка.

1. 2. 2. Экстракционный процесс при действии электрического тока.

1. 2. 3. Интенсификация процесса экстракции лекарственного растительного сырья электрическими импульсными разрядами.

1. 2. 3. 1. Электроэрозионный износ электродов.

1.3. Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Выбор объекта исследований.

2. 2. Методика проведения опытов и идентификации выделенных веществ.

2. 2. 1. Методика проведения опытов.

2. 2. 2. Идентификация выделенных веществ.

2. 3. Экспериментальные установки и их характеристики.

2. 3. 1. Экспериментальные камеры для изучения кинетики процесса.

2. 4. Техника и методика экспериментальных исследований.

2. 4. 1. Количественная оценка эрозионного износа и микроскопический анализ поверхностей электродов.

2. 4. 2. Регистрирующая аппаратура.

2. 4. 3. Источник импульсных напряжений для инициирования разряда в экстракционной камере.

2. 4. 4. Особенности кинетики процесса, обусловленного тепловыми явлениями в межэлектродном промежутке.

2. 4. 4. 1. Исследование процессов эрозионного износа электродов.

2. 4. 4. 2. Роль тепловых процессов в эрозионном износе электродов.

2. 4. 4. 3. Эрозионный износ электродов при пробое комбинированного МЭП.

2. 5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

3.1. Обработка экспериментальных результатов.

3.2. Температура искрового разряда в жидкости.

3.3. Составление уравнения энергетического баланс.

3.3. 1. Численный расчет составляющих энергобаланса.

3. 4. Влияние формы экстракционной камеры на фокусировку волн давления.

3.5. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЭКСТРАКЦИОННОГО ПРОЦЕССА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭИР.

4. 1. Отработка технологических режимов экстракции пектинов.

4. 2. Экстракция изохинолиновых алкалоидов.

4. 3. Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ИНТЕНСИВНОЙ ЭКСТРАКЦИИ.

5.1. Разработка конструкции экстракционной камеры.

5. 2. Рекомендации по внедрению экстракционной аппаратуры с ЭИР.

Выводы по диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса экстракции биологически активных соединений из растительного сырья электрическими импульсными разрядами»

Актуальность работы. Эффективность современного производства неразрывно связана с разработкой и внедрением новых технологических процессов, позволяющих рационально использовать перерабатываемое сырье. Несмотря на бурное развитие производства синтетических лекарственных средств, еще очень многие биологически активные вещества получают из природного сырья растительного происхождения. Экстрагирование биологически активных веществ - главная, но и наиболее трудоемкая и продолжительная стадия переработки сырья. На большинстве заводов экстрагирование ведется малоэффективными, трудоемкими и длительными методами, предполагающими экстрагирование в течение 6-28 часов.

Поскольку традиционные методы экстрагирования, перколяция и мацерация достигли своего естественного предела и не дают возможности повысить скорость обработки сырья, увеличить выход целевого продукта, то, естественно, возникла необходимость изыскать новые способы интенсификации экстракции. Уже предпринимались попытки интенсифицировать процессы обработки лекарственного сырья с помощью ультразвука, различных механических, электрических, магнитных, импульсных воздействий. Эффективность многих из них подтверждена пока только в лабораторных условиях. Любой технологический процесс найдет широкое применение в фармации, если он не будет нарушать химической устойчивости лекарственных веществ, если они останутся фармакологически активными с заранее требуемыми свойствами, если этот процесс значительно повысит скорость переработки сырья.

Одним из перспективных способов интенсификации экстракции биологически активных веществ растительного сырья, может стать способ обработки электрическими импульсными разрядами (ЭИР), допускающий замену токсичных экстрагентов на водные растворы и отвечающий требованиям, предъявляемым к охране окружающей среды.

Однако, для создания экстракционных установок, в которых для интенсификации процесса используется ЭИР большой мощности, необходимо проведение комплексных исследований, которые позволили бы доказать правомочность их применения для интенсификации процесса экстракции, осуществить выбор материала электродных систем, обосновать конструктивные параметры экстракционных камер, временные и амплитудные характеристики импульсов напряжения, температурные режимы обработки и оценить энергоёмкость процесса экстракции при максимальной производительности.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось исследование способа интенсификации экстракции лекарственного растительного сы-рья с помощью электрических разрядов.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику изучения кинетики развития разряда в исследуемом процессе.

Определить факторы, влияющие на температурный режим обработки сырья электрическими разрядами.

4. Изучить эрозионный износ электродов и экспериментально обосновать выбор материала, обеспечивающего требуемый технологический процесс.

2. Исследовать влияние параметров воздействующего импульса напряжения, длины межэлектродного промежутка, соотношения сырье-зкстрагент на кинетику процесса экстракции.

3. Оценить распределение энергии в межэлектродном промежутке при пробое комбинированного диэлектрика, провести численный расчет составляющих энергобаланса.

5. Провести оптимизацию энергетических параметров разряда, для экстракции биологически активных соединений в водных растворах.

6. На основании проведенных исследований получить исходные данные для технического задания на проектирование экстракционных установок.

Материалы внедрения 1. Акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы «Экстракция растительного сырья с применением электрических разрядов в жидкости» и полупромышленного образца электроимпульсного аппарата для получения пектинов на предприятии АО «Беш-тау-Темпельгоф» Ставропольского края. Научная новизна:

- разработан способ экстракции биологически активных веществ с применением импульсных разрядов в водных растворах, не вызывающий деструкцию лекарственных препаратов;

- рекомендован материал электродных систем, стойких к эрози-онному износу и обеспечивающий необходимый • технологический режим; впервые показана возможность регулируемого ввода в экстракт ионов металла в строго фиксированном количестве;

- изучена кинетика интенсивной экстракции пектинов, кислых полисахаридов и изохинолиновых алкалоидов; реализован способ интенсивной экстракции пектиновых веществ из отходов консервного производства и проведена оценка его эффективности.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Феноменологическая модель развития процессов, способствующих интенсивному ходу экстракции при электрическом разряде в объеме сырье-экстрагент.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости способа интенсификации экстракции электрическими импульсными разрядами при получении пектинов, кислых полисахаридов, изохинолиновых алкалоидов.

3. Температурный режим процесса экстракции определенный экспериментальным и расчётным путем.

4. Способ регулируемого ввода ионов металла в экстракт.

5. Модель и метод численного расчета энергетического баланса при электрическом пробое комбинированных сред

6. Режимные параметры технологического процесса интенсивной экстракции импульсными разрядами: коэффициент перенапряжения (3<1,3; фронт импульса г ~5-10"9 с; длительность импульса I „=0,8-10" 6с.

Связь задач исследований с проблемным планом Фармацевтических наук

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Пятигорской государственной фармацевтической академии (№ государственной регистрации 01.89.0085610).

Структура и объём работы Диссертационная работа представляет собой рукопись, изложенную на 153 машинописных страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. В диссертации приводится 64 рисунка, 12 таблиц. Библиографический указатель включает 82 источника.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Степанян, Валентина Петровна

12.Результаты исследования процессов экстракции на базе электрических импульсных разрядов использованы при проектировании полупромышленного образца для'АО «Бештау - Темпельгоф» Ставропольского края с ожидаемым экономическим эффектом 2,4 млн. руб. в год. Доказана возможность создания высокопроизводительных экстракционных установок по переработке отдельных видов растительного сырья по интенсивной, ресурсосберегающей и экологически чистой технологии, с целью полунения пектинов, алкалоидов и ге ми целлюлоз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанян, Валентина Петровна, 2000 год

1. Агранат Б.А., Дубровин Н.М., Хавский Н.Н. Основы техники и физики ультразвука. М.: Высш. шк., 1987. - 352с.

2. Аксельрод JI.C., Юдаев р.Ф., Мандрыка Е.А. Ультразвуковые методы воздействия на технологические процессы. М.: Металлургия, 1981. С. 29-32. Научн. тр. / МИСиС; № 133.

3. Лысянский В.М. Процесс экстракции сахара из свеклы.- М.: Пищ. пром.-сть, 1973.- 223 с.

4. Debska W., Walasiar A., Wltradzwieki w naukach Farmaceutycznych // Herba polon. 1975.- № 2.- S.220 - 228.

5. Suss W. Д. Die Extraktion von Fingerhutbbattern mit Hilfe Ultrashall // Die Pharmazie.- 1972.- Bd. 27, № 9.- S.615 - 616.

6. Szamel Szentessa I.M. Anwendung des Ultraschazur Extraktion der Alkaloide aus Belladona - Blattern // Gyogyszereszet. 1970. - Bd. 14, № 4. - S. 133 - 135.

7. Макаренко П.Н., Черняк А.С., Макаренко Е.П. Получение экстракта рау-вольфии на ультразвуковой установке в заводских условиях. // Всесоюз. съезд фармацевтов (2; 1974; Рига): Тез. докл. Рига, 1974. - С. 99 - 100.

8. Паршина М.А., Кардашев Г.А., Салосин А.В. Интенсификация процессов в жидкости при воздействии магнитных и ультразвуковых полей. // Электронная обработка материалов, 1983, №4(112), С. 57-58.

9. Жарик Б.Н., Краженко Л.И., Мельничук В.С. О разрушении клеточных оболочек растительной ткани при электроплазмолизе. // Электронная обработка материалов, 1990, (115), С. 66-67.

10. Воробьев Г.А. A.C. 26762 (СССР), 1960.

11. Наугольных К. А., РойН. А. Электрические разряды в воде (гидродинамическое описание). М.: Наука, 1971. - 190 с.

12. Бережной А.И., Зельцер П.Я., Муха А.Г. Электрические и механические методы воздействия при цементировании скважин,- М.: Недра, 1976. 184с.

13. Долинский A.A. Принцип дискретно-импульсного ввода энергии и его применение в технологических процессах. // Вестник АН УСРСР. 1984. - № 1. -С. 39-46.

14. Долинский A.A., Басок Б.И., Гулый С.И., Накорчевский А.И., Шурчкова Ю.А. Дискретно-импульсный ввод энергии в теплотехнологиях. Киев, 1996. 208 с.

15. Юткин Л. Электрогидравлический эффект и некоторые возможности его применения. Л.: Наука. 1959.

16. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта. / Под ред. Г.А. Гулого. М.: Машиностроение, 1977. -320 с.

17. Димов Х.Т., Пономарев В.Д. Влияние электрогидравлического удара на степень разрушенности структуры сырья листьев красавки и семян дрока. // Фармация, 1979.- № 6.- С. 57 58.

18. Молчанов Г.И. Интенсивная обработка сырья. М., Медицина, 1981. -206с.

19. Казуб В.Т., Супрунов В.В., Жалнина К.К. Низковольтное сопротивление электродной системы ЭГД установки для обработки воды. Деп. в ВИНИТИ, 25.04.88. № 3161-В88.

20. Адам A.M., Коршунов Г.С., Краснятов Ю.А. Снижение напряжения на электродной системе в воде при подаче высоковольтных прямоугольных импульсов с наносекундным фронтом. // Электронная обработка материалов, 1976, №3 (69) С. 22-24.

21. Юсунбеков Н.Р., Нуритдинов III., Абрамов Б.Б., Зупаров У.Х. Интенсификация массообменных процессов в системе твердое тело-жидкость с использование электрогидравлического эффекта. // Электронная обработка материалов, 1987. № 3 (135) С. 66-67.

22. Яцко М.А., Журавлева H.A., Флауменбаум Б.Л. Определение влияния электрогидравлического эффекта на сочное растительное сырье. // Электронная обработка материалов.- 1971.- № 5.- С. 76-80.

23. Федоров Н.Е., Рогов И.А., Гаевой Е. К. Воздействие импульсных нагрузок на чистые бактериальные культуры. М.: 1967. - С.74-76.

24. Рязанов Н.Д., Перевязкина Е.И. Действие обеззараживающих факторов импульсного электрического разряда в воде. // Электронная обработка материалов, 1984. № 2 (116) С. 43-45.

25. Dimow. Chr. Uber Extraktion von physiologisch aktiven Stoffen aus pflanzlichen Rohstoffen mit Hilfe elektischer Entladungen. // Pharmazie 1978.- Bd. 33, H 2/3.-S. 105 106.

26. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.-284с.

27. Буткевич Г.В. и др. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов. М.: Энергия, 1978. - 256с.

28. Каляцкий И.И., Курец В.И., Таракановский Э.Н. Исследование эрозии электродов при пробое твердых тел. // Электронная обработка материалов. -1976.-№4.-С. 47-50.

29. Остроумов Г.А., Штейнберг A.A. Способ измерения импульсных напряжений. // Приборы и техника эксперимента.- М.: 1963.- № 3.- С. 85.

30. Морозов В.А., Киселевский Л.И. О разрушении металлов импульсной плазменной струей. // ДАН СССР, 12, № 5, 1968, С. 413 415.

31. Окунь И.З. Расчет давления жидкости на поршень при постоянной скорости его его расширения // Изв. АН СССР. Механика жидкостей и газов.- № 1. 1968.-С. 126- 130.

32. Казуб В.Т., Кудимов Ю.Н., Степанян В.П. Исследование эрозии электродов при электроимпульсной экстракции пектинов и алкалоидов. /Тез. регион, конф. по фармакологии и фармации. Пятигорск 1996. - С.46.

33. Авсеевич И.Г. О тепловых процессах на электродах при импульсных разрядах. В сб.: Электрические контакты. М.: Энергия, 1967.-С. 65-70.

34. Золотых Б.Н. Основные вопросы качественной теории электроискровой обработки в жидкой диэлектрической среде. В сб.: Проблемы электрической обработки материалов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 7-42.

35. Розанов В.Б. Газодинамическая модель капиллярного разряда с испаряющими стенками. // Теплофизика высоких температур. 8, № 5, 1970. С. 951 -955.

36. Шубин Б.Г. Исследование термодинамических характеристик канальной стадии импульсного электрического пробоя. Автореферат дисс. канд. физ -мат наук, М.: 1977.

37. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск, Изд-во ТГУ, 1975.

38. Ильюшенков Ю.Д. Аалитическое решение канальной стадии электрического разряда в плотных средах. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Караганда, 1973.-24с.

39. Фликельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма.- М.: Иностр. лит-ра, 1961. .

40. Головейко А.Г. Исследование процессов на электродах в условиях мощного импульсного разряда. Автореф. канд. дисс. Минск, 1970.

41. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматгиз, 1966.

42. Зиновьев Н.Т., Семкин Б.В. К анализу энергетических характеристик искрового канала в твердых диэлектриках. // Электронная обработка материалов. -1982.-№6.- С.45-49.

43. Кудимов Ю.Н., Казуб В.Т., Осипов А.И. и др. Эрозия электродов в условиях электроимпульсной экстракции растительного сырья. Деп. в ВИНИТИ 06.08.1997, № 2621 В97. - 24 с.

44. Лазаренко Б.Р, Лазаренко Н.И Физика искрового способа обработки металлов. ЦБТИ Минэлектрохимпрома СССР, 1946. 75 с.

45. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов./ Г. В. Бутке-вич, Белкин Г. С., Ведешенков H.A., Жаворонков М.А. М.: Энергия, 1978. -256 с.

46. Золотых Б.Н. Некоторые вопросы качественной теории электрической эрозии в импульсном разряде в жидкой диэлектрической среде. // Радиотехника и электроника, 1959; т. IV, № 8, С. 1330-1334.

47. Белкин Г.С. Испарение металла с электродов при импульсных токах. // ЖТФ, 1968, №9, С. 1545-1551.

48. Белкин Г.С., Киселев В.Я. Влияние материала электродов на эрозию при сильноточных импульсных разрядах. // ЖТФ, 1966, т. 36, № 2, С. 384-389.

49. Побежимов Н.Ф., Чепиков А.Т. Исследование эрозии электродов при высоковольтных разрядах в жидкости. В кн.: Пробой диэлектриков и полупроводников. М.: Энергия. 1964, С. 236-240.57.3айдель А.И. Элементарные оценки ошибок измерений. М.: Наука, 1971.

50. Румшинский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.

51. Юткин Л. Электрогидравлическое дробление. Ч. 1».Л.: Наука. 1959.

52. Семкин Б.В., Леонтьев Ю.Н. Энерговыделение в канале импульсного разряда в твердых диэлектриках. // Изв. ЛЭТИ. № 5, Ч. III, 1966. С. 34-39.61 .Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Госатомиз-дат. 1961.

53. Муравьев И.А. Технология лекарств: в 2 т.-М.: Медицина, 1980.-Т. 1 392 с.

54. Свойства фотоматериалов на прозрачной подложке. Синсиметрический справочник. ГИТТЛ, 1955.

55. Зиновьев Н. Т., Семкин Б. В. Оценки составляющих энергобаланса. // ЖТФ, 48, 624, 1976.

56. Гельфонд Л.А., Семкин Б.В. Экспериментальные данные энергобаланса при пробое комбинированных сред. // ЖТФ. 1985. - Т. 55, № 11. - С. 2220-2222.

57. Цуркин В.Н., Кривицкий Е.В., Богаченко O.A. Исследование давления плазмы электрического разряда в воде // Электрофизические и гидродинамические процессы электрического разряда в конденсированных средах. Киев, 1987.-С. 76-84.

58. Гулый Г.А. Научные основы рязрядноимпульсных технологий. Киев, 1990. -208 с.

59. Жуков А.И. Применение метода характеристик к численному решению одномерных задач газовой динамики. // Тр. Мат. ин-та им. В.А. Стеклова, М., 1960.- 102 с.

60. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики. // Мат. сб., 1959, 47, вып. 3. С. 271-306.

61. Кудимов Ю.Н., Казуб В.Т., Степанян В.П., и др. Перспективные методы экстракции лекарственного растительного сырья. Деп в ВИНИТИ 12.03.1997, № 769 В97. - 20 с.

62. Месяц Г. А., Насибов А. С., Кремнев В. В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970.

63. Крамаренко В.Ф. Химико-токсикологический анализ. Киев: Изд. «Вища школа». - 1982. - 272 с.

64. Алкалоиды Papaver bracteatum Zinde / О.Н. Денисенко, И.А. Исраилов, Д.А. Муравьева и др.// Химия природных соединений. 1977. -№ 4. -С. 547-549.

65. Алкалоиды Ylaucium corniculatum / И.А. Исраилов, М.С. Юнусов, С.Ю. Юнусов // Химия природных соединений. 1983. - № 6. - С. 751-753.

66. Яхонтов Л.Д. К изучению алкалоидов Ylaucium flavum Crantz. JITP / ВИЛР. -1969.-Т. 15.-С. 348-355.

67. Воробьев A.A. Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. -М.: Энергия, 1970. 268 с.

68. Казуб В.Т. Техника и технология очистки опреснителей от накипи. Авт. дисс. .канд. техн. наук. Томск, 1983. - 19с.

69. A.C. 1693750 (СССР), МКИ с 8 В 3716. / 22.07.91. Казуб В.Т., Денисенко О.Н. Способ получения изохинолиновых алкалоидов.

70. Kukhta V.R., Lopatin V.V. Inception and development prebreakdown cavities in water. Proc. of 13 th International Conferenceon Dielectric Liquids (ICDL'99), Nara, Japan, July 20-25, 1999, pp. 273-276.

71. Дорофеев C.A. Определение КПД и расчет оптимального межэлектродного промежутка. // Электронная обработка материалов. 1981. № 2. С. 36 -39.

72. Месяц Г.А., Усов Ю.П., Голынский А.И. Некоторые данные о влиянии о влиянии формы электродов и пробивного напряжения на время коммутации искрового разрядника. // Изв. вузов. Физика, 1963, № 2. С. 38- 41.

73. Garley-Macauly K.W., Maroudes M.G., Hitchon I.W. Energy consumption in electrohydraulis crushing // Trans. Inst.Chem. Eng. 1966. - 44. - P. 395 - 403.