Разработка интенсивной технологии получения купажированных CO2-экстрактов из растительного сырья методами до- и сверхкритической экстракции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.01, кандидат технических наук Силинская, Светлана Михайловна

• Силинская, Светлана Михайловна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Силинская, Светлана Михайловна

Введение

Глава 1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 7 по проблеме извлечения ценных компонентов из растительного сырья

1.1 Теоретические основы суб- и сверхкритической экстракции.

1.2 Классификация и обзор существующего технологического оборудования для до- и сверхкритической ССЬ-экстракции.

1.3 Методы математического планирования эксперимента и математической статистики в технологии до и сверхкритической экстракции.

1.4 Задачи исследования.

Глава 2 Методы исследования, лабораторная аппаратура, характеристика сырья.

2.1 Характеристика объектов исследования.

2.2 Методы анализа и схема исследований.

2.3 Методы планирования эксперимента.

2.4 Оценка растворимости веществ в сверхкритических растворителях.

Глава 3 Экспериментальная часть.

3.1 Выбор сырья и оценка качества плодов облепихи, лимонника китайского, шиповника яблочного, хвои пихты сибирской и пихты кавказской.

3.2 Определение коэффициентов молекулярной диффузии.

3.3 Разработка математической модели СОг-экстракции.

3.4 Изучение особенностей до- и сверхкритической СОг-экстракции компонентов из каротинсодержащего сырья.

3.5 Разработка технологии совмещенной до - и сверхкритической СОг-экстракции.

Глава 4 Практическая реализация результатов исследований.

4.1 Разработка усовершенствованной схемы установки с целью осущест- 104 вления процесса до- и сверхкритической экстракции.

4.2 Химический состав СС^-экстрактов.

4.3 Разработка технической документации на новые виды С02-экстрактов t и расчет экономической эффективности их производства.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка интенсивной технологии получения купажированных CO2-экстрактов из растительного сырья методами до- и сверхкритической экстракции»

Извлечение ценных компонентов из растительного сырья обычно осуществляется отгонкой с водяным паром, в среде инертных газов или экстрагированием с помощью органических растворителей.

К наиболее перспективным способам выделения органических соединений из целлюлозной растительной матрицы относится экстрагирование веществ сжиженными газами и десорбция компонентов сжатыми газами (в сверхкритическом, флюидном состоянии).

В Российской Федерации накоплен опыт экстрагирования веществ из сухого растительного сырья жидким диоксидом углерода.

Диоксид углерода экологически безопасен, может быть устранен из любого растворенного вещества с большой легкостью и наиболее полно благодаря его чрезвычайной летучести (удаление растворителей при общепринятых методах осложнено), а полученные экстракты имеют уникальную микробиологическую частоту. Углекислый газ не горюч, не является взрывчатым веществом, также имеется в достаточно больших количествах, что служит его преимуществом для производства экстрактов в промышленных масштабах.

Технология С02-экстрагирования ценных компонентов из эфиромаслично-го, пряно-ароматического и лекарственного растительного сырья была освоена в опытно-промышленных условиях на экспериментальном заводе Краснодарского НИИ пищевой промышленности (КНИИПП) с 1965 года, переданного затем в Краснодарский НИИ хранения и переработки сельскохозяйственной продукции (КНИИХП).

В тот же период было создано оригинальное нестандартизированное оборудование для осуществления процесса получения С02-экстрактов в докрити-ческом режиме работы (от 3,0 до 6,4 МПа). Такие С02-экстракты хорошо зарекомендовали себя в качестве натуральных пищевых добавок, и нашли широкое применение в отраслях пищевой промышленности.

Известно, что в докритическом режиме жидкий диоксид углерода высокоселективен и не позволяет извлекать из зернового сырья жирные масла, белковые компоненты и углеводы. Этими возможностями, по мнению многих исследователей, обладает сверхкритический диоксид углерода в диапазоне от 7,5 до 100 МПа.

В настоящее время использование сверхкритических флюидов в роле экст-рагентов и растворителей в процессах выделения, отчистки и фракционирования - как научно-биотехнологическое направление достигло высокого уровня.

Результаты широкомасштабных исследований находят применение (в том числе в крупнотоннажных производствах) в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, химической, нефтедобывающей и нефте- и углеперерабатывающей отраслях промышленности, решаются экологические проблемы.

В сверхкритических условиях углекислый газ приобретает свойства универсального растворителя биологически-активных соединений, что позволяет извлекать из растительных источников натуральные экстракты максимально приближенные по свойствам к исходному растительному сырью.

Речь идет о новом подходе в технологии, за которым имеет место решение проблем выработки принципиально новых особо чистых медикаментов; экологической безопасности и малоотходности технологических процессов; энергосбережение.

Существенный вклад в развитие теории и практики до- и сверхкритической экстракции внесли известные ученые специалисты: Б.С. Алаев, В.Э. Банашек, Х.Р. Блягоз, С.Ф. Быкова, А.Р. Водяник, Ф.М. Гумеров, В.А. Карамзин, Г.И. Касьянов, Е.П. Кошевой, Б.И. Леончик, Я.С. Мееров, А.В. Пехов, Т.К. Рослякова, Р.И. Шаззо, G.V. Schneider, Е. Schultz, Е. Stahl. Наибольшее распространение в нашей стране получила технология докритической СО2 - экстракции, освоенная на экстракционных предприятиях городов Краснодара, Красноярска, Москвы и Томска. Установлено, что углеводороды и типичные липофильные органические соединения, полярность которых незначительная, например, сложные эфиры, лактоны,спирты, оксиды легко экстрагировать в докритиче-ском режиме при давлении 6,5- 7,0 МПа.

Процессы сверхкритической экстракции освоены в отраслевых ПИИ и на ряде предприятий городов Москвы, Ростова-на-Дону и Томска.

Существующие технологии извлечения ценных компонентов из растительного сырья в докритическом или сверхкритическом состояниях диоксида углерода имеют как преимущества, так и ряд существенных недостатков, относящихся к полноте химического состава экстрактов, величинам энергетических затрат и трудоемкости изготовления аппаратуры. Это обстоятельство приводит к ненужной конкуренции между производителями до- и сверхкритических СО2-экстрактов и дезориентирует потребителей.

В связи с вышеизложенным, весьма перспективна проверка достоверности гипотезы о сочетании в едином экстракционном модуле процессов до- и сверхкритической СОг-экстракции ценных компонентов из растительного сырья.

Часть исследований выполнена, с участием авторов, в КНИИХП в соответствии с «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ на период до 2005г.», научно-технической программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (приказ Минобразования РФ от 11.02.2003г. № 475), а также в соответствии с госбюджетной тематикой НИР КубГТУ № 1.5.01.-05 «Совершенствование технологии производства сбалансированных по химическому составу продуктов функционального питания на основе сырья растительного и животного происхождения» (20012005 гг.).

Заключение диссертации по теме «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства», Силинская, Светлана Михайловна

ВЫВОДЫ

1 Подобрано растительное сырье с высоким содержанием каротиноидов и токоферолов для выработки до- и сверхкритических С02-экстрактов: лимонник китайский, облепиха, хвоя пихты кавказской, хвоя пихты сибирской, шиповник яблочный.

2 Разработана математическая модель оптимизации последовательных технологических процессов до- и сверхкритической С02-экстракции, основанная на анализе обобщенных зависимостей закона Фурье и статистической обработке экспериментальных данных.

3 Определены оптимальные режимы извлечения ценных компонентов из измельченного растительного сырья - выжимок плодов лимонника китайского, облепихи и шиповника яблочного, хвои пихты сибирской, хвои пихты кавказской: температура - +18 .+22°С и давление - 5,4 . 6,1 МПа, с последующим увеличением давления до 10,8 - 20,1 МПа и температуры до 40 - 60°С.

4 Модернизирована экспериментальная С02-экстракционная установка, позволившая извлекать ценные компоненты из растительного сырья диоксидом углерода в докритическом состоянии: при 20°С и давлении 5,7 МПа, в сверхкритическом состоянии: при до 45°С и давлении насыщенных паров 18 МПа.

5 Разработана технология последовательного извлечения ценных компонентов из растительного сырья диоксидом углерода, путем проведения процессов до- и сверхкритической С02-экстракции в едином экстракционном модуле, позволяющая получить новые С02-экстракты с более полной гаммой извлеченных биологически активных веществ, высоким процентным содержанием каротиноидов и ненасыщенных жирных кислот (в 1,5 раза выше, чем в до критических С02-экстрактах).

6 Интенсифицировано извлечение ценных компонентов из растительного сырья, за счет перехода жидкого диоксида углерода в газообразное состояние и увеличения скорости процесса экстракции. Продолжительность последовательного процесса экстракции колеблется от 90 до 120 минут в зависимости от характеристик сырья.

7 Изучен химический состав экстрактов лимонника китайского, плодов облепихи, хвои пихты кавказской, хвои пихты сибирской, шиповника яблочного, полученных до- и сверхкритическим способами. Установлено, что купажированный СОг-экстракт из выжимки плодов облепихи содержит каротины и каро-тиноиды не менее 400 мг%, токоферолы до 10 мг%, а также воска, сквален, у-ситостерол. Купажированный СОг-экстракт из плодов лимонника китайского -жирные кислоты до 9 мг% (линоленовая, пальмитиновая, стеариновая, олеиновая), каротиноиды до 117 мг%, токоферолы, у- схизандрин, схизандрол, дезок-сисхизандрин, комплекс органических кислот. Аналогичный экстракт из плодов шиповника содержит каротиноиды- до 700 мг%, жирные кислоты (линоленовая, линолевая, капроновая, олеиновая) до 5,5 мг%, токоферолы до 1%. В экстракт пихты сибирской входят каротиноиды, токоферолы, стерины, флаво-ноиды, фосфолипиды, комплекс органических кислот, хлорофиллы, фитонциды. Купажированный СОг-экстракт хвои пихты кавказской по содержанию ряда ценных компонентов несколько уступает экстракту хвои пихты сибирской, однако снижение расходов на транспортировку, подготовку и хранение сырья позволяет рекомендовать СОг-экстракт из пихты кавказской к производству.

8 Разработаны способы производства консервов из морепродуктов с добавлением докритических, сверхкритических и купажированных С02-экстрактов: «Сараз ям», «Голубцы с мидиями», «Голубцы с морским гребешком»

Составлен бизнес-план производства СОг-экстрактов с использованием авторских технологических разработок. Экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии получения купажированных СОг-экстрактов из выжимки плодов лимонника китайского, облепихи, шиповника яблочного, хвои пихты сибирской и кавказской (в условиях цеха экстракции ООО «Компания Караван») составляет 2368,8 тыс. руб. на 1т экстракта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Силинская, Светлана Михайловна, 2006 год

1.М., Абдулкадыров, Х.С., Дадишев, М.Н. Теплофизика высоких температур Текст., 1994, Т.32. №2. - С.299.

2. Абдулагатов, И.М., Абдулкадыров, Х.С., Дадишев, М.Н. Теплофизика высоких температур Текст., 1993, Т. 31. №5.-С. 830.

3. Айвазян, С.А., Мхитарян, B.C. Прикладная статистика и основы эконометрики Текст. М.: ЮНИТИ, 1998. - 251с.

4. Алексеев, Е.Л., Пахомов, В.Ф. Моделирование и оптимизация технологических процессов в пищевой промышленности Текст., -М.: Агропромиз-дат, 1987.-272с.

5. Алтунин, В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода Текст., М.: Издательство стандартов, 1975. 546с.

6. Гиршфельдер, Д, Кертисс, Ч, Берд, Р. Молекулярная теория газов и жидкостей Текст. М.: Иностранная литература, 1986. - 929с.

7. Государственная фармакопея СССР Текст. М.: Медицина, 1987. - 336с.

8. Гумеров, Ф.М., Сабизяров, А.Н., Гумерова, Г.И. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров Текст. Казань: Изд-во Фэн, 2001.-316с.

9. Диэлектрическая проницаемость жидкой двуокиси углерода на лини насыщения Текст. /Л.Г. Александров, Г.И. Касьянов, В.П. Криулин, В.И Бессарабов //Известия вузов. Пищевая технология, 1981, № 3 С. 116-118.

10. Использование экстрактивных свойств жидкого диоксида углерода для извлечения ценных компонентов из растительного сырья Текст. /С.В. Бутто, Г.И. Касьянов, B.C. Коробицын и др. Краснодар: КубГТУ, 1998. - 38с.

11. Исследование углекислотных экстрактов лекарственных и пищевых растений и отходов их производства Текст./ Н.П. Максютина, В.Г. Иванисенко, Н.П. Мащенко, С. А. Четверня, Т.К. Рослякова //Экол. аспекты в фармации: Сб. тез. докл./М., 1990. С.25.

12. Касьянов, Г.И. Технологические основы С02-обработки растительного сырья Текст. -М.: Россельхозакадемия, 1994. 132с.

13. Касьянов, Г.И., Квасенков, О.И. Сверхкритическая С02-экстракция ароматических и вкусовых веществ Текст. //Хранение и переработка сельхоз-сырья, 1994, №1.-С. 11-13.

14. Касьянов, Г.И., Кизим, И.Е., Холодцов, М.А. Применение пряно-ароматических и лекарственных растений в пищевой промышленности Текст. //Пищевая промышленность, № 5, 2000. С. 33-35.

15. Касьянов, Г.И., Круглова, И.А., Силинская, С.М. Перспективные технологии переработки пряно-ароматического сырья смесями сжиженных газов.

16. В сб. матер. VII межд. научно-практич. коиф. «Наука и образование». -Москва, 2005. С. 146-147.

17. Касьянов, Г.И., Пехов, А.В., Бессарабов, В.И. Жидкая двуокись углерода как экстрагент душистых и биологически активных веществ растительного сырья Текст. Краснодар: Краевой Совет НТО, 1980. - 43с.

18. Касьянов, Г.И., Пехов, А.В., Таран, А.А. Натуральные пищевые ароматизаторы С02-экстракты Текст. - М.: Пищевая промышленность, 1978. -176с.

19. Квасенков, О.И., Касьянов, Г.И. Интенсификация процессов обработки растительного сырья с помощью С02 Текст. //Хранение и переработка селъхозсырья, 1995.-Вып. 1.-С. 18-20.

20. Кирий, К.А., Кизим, И.Е., Стасьева, О.Н. Мониторинг показателей качества С02-экстрактов Текст. В сб. трудов КНИИХП «Новые технологии - будущее пищевой промышленности». - Краснодар: КНИИХП, 2002. - С. 178179.

21. Кирий, К.А., Кизим, И.Е., Стасьева, О.Н. Применение С02-экстрактов как . гарант безопасности пищевых продуктов.Текст. В сб. трудов КНИИХП,

22. Новые технологии будущее пищевой промышленности». — Краснодар: КНИИХП, 2002. - С. 178-179.

23. Киров, А.А. Теория работы диффузии на основе кривых Батю Текст. -Журнал сахарной промышленности т. 5, 1931, № 7-8. С. 37-39.

24. Комплекс научных исследований, технологических разработок и промышленного освоения высоких технологий С02-обработки сырья растительного и животного происхождения Текст. / Г.И. Касьянов, Р.И. Шаззо, Т.К. Рослякова и др. Краснодар, 1998. - 70с.

25. Кошевой, Е.П., Блягоз, Х.Р. Перспективы экстракции двуокисью углерода в совершенствовании пищевой технологии Текст. Докл Адыгейской (Черкес.) Международной академии наук. 1998, т. 1, № 1. - С. 35-41.

26. Кошевой, Е.П., Пехова, С.А., Масликов, В.А. Использование обобщенных переменных для корреляции экстракционных свойств растворителя Текст. //Изв. вузов. «Пищевая технология», 1973, № 6. С. 116-119.

27. Краснокутский, С.Г. Физико-химические свойства диоксида углерода / http://www.uran.donetsk.Ua/~masters/2002/teht/krasnokusky/diss/index:html.

28. Лекарственные растения Текст. Под ред. Н.И. Гринкевича. М.: Высшая школа, 1992.-397с.

29. Лекарственные растения официальной и народной медицины Текст. М.: Изд-во ЭКСМО, 2005. - 800с.

30. Методические рекомендации по расчету тепловой изоляции ограждающих конструкций здания, трубопроводов и промышленного оборудования Текст. /Ю. И. Хромов, А. М, Айзен, И. М. Федоткин, И. С. Речин. К.: ВНИИСП Госстроя УССР, 1976. - 26с.

31. Микронутриенты в питании здорового и больного человека Текст. /В.А. Тутельян, В.Б. Спиричев, Б.П. Суханов, В.А. Кудашева. М.: Колос,2002. -424с.

32. Муравьева, Д.А. Фармакогнозия Текст. М.: Медицина, 1991. - 560с.

33. Научные основы и практическая реализация важнейших технологий С02-обработки сырья растительного и животного происхождения Текст. /Г.И. Касьянов, Е.П. Кошевой, Б.И. Леончик и др. Краснодар: КубГТУ, 1996. -66с.

34. Паташинский, А.З., Покровений, В.Л. Флуктуационная теория фазовых переходов Текст. -М.: Наука, 1982. 382с.

35. Патент 20003263 РФ, МКИ А 23 L 1/ 222. Касьянов Г.И. Способ получения экстракта из пряно-ароматического сырья./ № 5065633/13; Заяв. 13.10.92. Опуб. 30.11.93, Бюл. №43-44.

36. Патент 2016526 РФ, МКИ А 23 L 1/ 24. Способ производства ароматизатора/ Романов А,С. Усанов Н.Г., Мелентьёв А.И. и др.// №5019343/13; Заяв. 23.12.91. Опуб. 30.07.94. Бюл. №14.

37. Патент 2017436 РФ, МКИ А 23 L 1/ 222, СИВ 1/10. Способ получения экстракта из пряно-ароматического сырья./ Касьянов Г.И., Квасенков О.И., Володзько Г.В. и др.// №4864343/13; Заяв. 10.09.90. Опуб. 15.08.94. Бюл. №15.45