В настоящее время наиболее перспективным способом утилизации растительных отходов и отходов овощеводства является биоконверсия. Суть технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды - пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.

В качестве исходных сырьевых компонентов могут быть использованы следующие отходы:

1. Растительные компоненты сельскохозяйственных культур: стебли зерновых и технических культур, корзинки и стебли подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, трава бобовых культур, отходы сенажа и силоса, отходы виноградной лозы, чайных плантаций, стебли табака.

2. Отходы зерноперерабатывающей промышленности: отруби, отходы при очистке и сортировке зерновой массы (зерновые отходы), зерновая сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна, семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.

3. Отходы консервной, винодельческой промышленности и фруктовые отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки, отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых, дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы, моркови, картофеля.

4. Отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса, рафинадная патока, фильтрационный осадок, свекловичный бой, хвостики свеклы.

5. Отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя (щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна, солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты (картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.

6. Отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски, черешки.

7. Отходы эфирно-масличной промышленности: отходы травянистого и цветочного сырья.

8. Отходы масло - жировой промышленности: подсолнечная лузга, хлопковая шелуха.

9. Отходы кондитерской и молочной промышленности.

Таким образом, любое растительное сырье и его производные, как лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки.

Наряду с переработкой кондиционных растительных и зерновых компонентов, технология позволяет восстановление и многократное увеличение прежних кормовых свойств сырья, зараженного патогенной микрофлорой, испорченного насекомыми или частично разложившегося из-за неправильного хранения.

После завершения процесса биоконверсии получаемым конечным продуктом, является кормовая добавка - углеводно-белковый концентрат (УБК), который приобретает кормовые свойства в 1,8-2,4 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества, а также обладает рядом существенных и необходимых свойств, которыми не обладает традиционное зерновое сырье.

Особенностью конечной продукции, получаемой по альтернативной технологии микробиологической биоконверсии, в основном является то, что по своей сути, сырье для производства кормовой добавки УБК проходит обработку в среде аналогичной микрофлоре начального участка пищевода, т.е. первый этап пищеварения - «подготовка корма к перевариванию» начинается вне пищевода. Поэтому процесс переваривания таких кормов уже непосредственно в пищеводе животных, птиц и рыбы характеризуется высокими уровнем биологических процессов и переваримостью корма, а также сниженными ферментными и энергетическими затратами организма на всем этапе пищеварения.

Таким образом получаемая кормовая добавка - УБК, отличается высокой питательностью (протеин 22…26%), более легкой усвояемостью, биологической активностью, а также ферментной, витаминной и минеральной ценностью.

Кормовая добавка УБК, используется как основной компонент при производстве комбикормов в соотношении 1:1, как добавку к грубым растительным кормам, при производстве простых кормовых смесей с измельченным фуражным зерном, отрубями, зерно отходами и пр., с нормой ввода до 25…65%.

Средние затраты на производство 1 кг. высококачественного корма по рассматриваемой технологии не превышают 1 руб., а по кормовой ценности превышают показатели фуражного зерна в 1,8-2,4 раз.

Как и в традиционных кормах, продукция, полученная по альтернативной технологии компании Биокомплекс, соответствует принятым стандартам по питательности и содержанию необходимого набора витаминов и микроэлементов, ветеринарно безопасна, сертифицирована и является экологически чистой. В зависимости от вида исходного сырья и требований к готовой продукции, весь процесс микробиологической обработки может проходить от одного и до трех этапов, а длительность полного цикла производства может находиться в переделах от 4 до 6 суток. С увеличением длительности процесса снижаются финансовые затраты на переработку сырья и повышаются зоотехнические показатели конечной продукции.

Технология предусматривает круглогодичный режим работы предприятия, низкие требования к квалификации большинства рабочих, малые энергетические затраты.

Технология - экологически безопасная, не имеет сточных вод и выбросов.

Создание производственного комплекса для переработки отходов на основе альтернативной технологии микробиологической биоконверсии в корма может быть реализовано как для решения отдельных задач, так и многофункцинального назначения.

Кроме того, ЗАО Биокомплекс осуществляет реанимацию, модернизацию или перепрофилирование действующих и остановленных производств под выпуск комбикормов и кормовых добавок. Например, модульные фермерские комплексы могут быть смонтированы на основе имеющихся производственных помещений, оборудования колхозных кормоцехов, комбикормовых заводов и других пищевых и зерноперерабатывающих производств и пр.

Ключевым элементом технологической цепи является биореактор, в котором и осуществляется процесс микробиологической биоконверсии отходов в корма. Реакторы являются универсальными и позволяют работать с любым сырьем и получать различные кормовые добавки.

Технологическая схема производственного комплекса по микробиологической переработке растительных отходов в корма, показана на рисунке 5.

Рис. 5.: Технологическая схема микробиологической переработки растительных отходов в корма: 1 - прием сыпучего и влажного сырья; 2 - прием жидкого сырья; 3 - бункеры-дозаторы; 4 - смеситель; 5 - био-реактор; 6 - компрессор; 7 - парогенератор; 8 - сушилка; 9 - измельчитель; 10 - отгрузка в мешки

Влажная (55%) смесь различных отходов загружаются в биореактор. С момента загрузки сырья, в биореакторе процесс микробиологической биоконверсии протекает в течении 4-6 дней (в зависимости от желаемых зоотехнических параметров конечной продукции). В результате получается влажная кормовая добавка - углеводно-белковый концентрат (УБК). Затем ее сушат до влажности 8 - 10% и измельчают. После измельчения концентрат можно использовать для производства комбикормов, где в качестве основного компонента используется УБК (65 - 25% в зависимости от рецепта и целевого назначения комбикорма).

Комбикорма, полученные по технологии ЗАО «Биокомплекс» на основе кормовой добавки УБК, обладают совершенно уникальными качественными показателями:

Комбикорм обладает высокой биологической активностью, а его переваривание характеризуется более сжатым по времени процессом пищеварения и высоким уровнем биологических процессов. Таким образом, продуктивность кормления и эффективность выращивания животных, птиц и рыбы при использовании Комбикорма на основе УБК на 15-20% выше, чем при скармливании аналогичных комбикормов, приготовленных по традиционной технологии. Кроме того, комбикорм обладает лечебно-профилактическим и стимулирующим эффектом для иммунной, кроветворной систем и кишечного тракта, а также способствует удалению вредных веществ из организма (солей тяжелых металлов, радионуклидов и т.д.).

В отличие от классической технологии высокотемпературного гранулирования, комбикорм, произведенный по технологии Биокомплекс, проходит низкотемпературное гранулирование без использования пара. Что исключает деструкцию белка и обеспечивает сохранность витаминов в корме даже при длительном хранении.

Комбикорм скармливается по традиционным зоотехническим нормам и правилам, абсолютно безопасен в использовании, не вызывает аллергических симптомов и других побочных явлений или противопоказаний.

Представляет интерес и способ получения удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства . Способ включает: смешение в однородную биомассу навоза, птичьего помета и измельченных растительных отходов; разделение биомассы на жидкую и твердую фракции самовытеком жидкости из биомассы и сбором ее в накопителе; раздельное обеззараживание жидкой и твердой фракций биотермической ферментацией. Жидкую фракцию обеззараживают анаэробной ферментацией в сборнике при температуре 35-40оС, в течение 2-3 суток. Твердую фракцию обеззараживают аэробной ферментацией в открытых буртах, при температуре 65-70оС. Недостатки способа: повышенная загазованность рабочей зоны токсичными газообразными продуктами ферментации, в частности, фосфинами, сероводородом, меркаптанами, аммиаком; зараженность рабочей зоны термоустойчивыми патогенными микроорганизмами. Известно, что термоустойчивые микроорганизмы не погибают даже при температуре выше 100оС.

При приготовлении удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства, навоз и птичий помет смешивают с измельченными растительными отходами в однородную биомассу. Полученную биомассу разделяют на жидкую и твердую фракции сепарацией Жидкую фракцию обеззараживают и детоксицируют обработкой в электролизере с нерастворимыми электродами, и после обработки засевают штаммами микроорганизмов аэробной и / или анаэробной ферментацией. Твердую фракцию обеззараживают и детоксицируют озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением. После предварительной обработки жидкую фракцию приливают к твердой фракции. Увлажненную биомассу загружают в барабан, засевают штаммами аэробной и / или анаэробной микрофлоры, перемешивают и, подогревом теплым воздухом, в ней активируют ферментативные процессы. После активации ферментативного процесса в биомассе, ее выгружают в бурты.

Предлагаемый способ приготовления удобрения из органических отходов имеет следующие отличительные признаки от, описанных в литературе, способов:

Первый - разделение биомассы на фракции осуществляется сепарированием, что значительно ускоряет процесс разделения биомассы на твердую и жидкую фракции и, тем самым, уменьшает загазованность рабочей зоны токсичными выделениями продуктов анаэробной ферментации исходной биомассы;

Второй - обеззараживание с одновременной детоксикацией жидкой фракции осуществляется в электролизере с нерастворимыми электродами;

Под действием межэлектродного разряда и промежуточных продуктов электролиза: радикалов водорода, кислорода, гидроксильных групп, - идет разрушение защитной оболочки микроорганизмов, необратимая деструкция ферментных, белковых систем и ДНК. Эффективность подавления патогенной микрофлоры в рабочей зоне электролизера до 99,9%.

Детоксикация (обезвреживание) водорастворимых продуктов анаэробной ферментации (естественного гниения) навоза и птичьего помета: фосфина (РН3), фосфинов (R-РН2), сероводорода (Н2S), меркаптанов (R-SН), аммиака (NН3), происходит в процессе окисления этих продуктов в прианодном пространстве электролизера и идет до образования фосфорной, серной, азотной кислот и их производных, соответственно, по уравнениям:

R-PH2 > R-H2PO4;

где R - алкил, арил, гетерил.

Образующиеся в ходе окисления кислоты нейтрализуются основаниями жидкой фракции, в частности, с аммиаком с образованием нетоксичных средних, кислых, основных солей, которые входят в минеральную составляющую органических удобрений.

Третий - перед биотермическим ферментативным обеззараживанием твердую фракцию обрабатывают озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением с целью её обеззараживания и детоксикации.

Как и жидкая фракция, твердая фракция, содержащая навоз и птичий помет, - это концентрированный источник патогенных микроорганизмов и газообразных токсичных веществ. Применение озона для обеззараживания и детоксикации твердой фракции определяется следующей целесообразностью. С одной стороны - озон - самый сильный после фтора и экологически чистый окислитель. Бактерицидное и противовирусное действие озона распространяется на все виды патогенной микрофлоры. Эффективность антимикробных, фунгицидных, спороцидных свойств озона, при прямом контакте и оптимальной концентрации, составляет 99,99%.

Непосредственные причины гибели бактерий и вирусов при действии озона - локальные повреждения плазматической мембраны микроорганизмов и изменение их внутриклеточного содержимого: окисление белков, нарушение клеточных механизмов.

С другой стороны - озон, как энергичный окислитель химических соединений, окисляет токсичные продукты естественного гниения: фосфин, фосфины, сероводород, меркаптаны, аммиак до фосфорной, сернистой, серной, азотной кислот и их производных, соответственно, по следующим уравнениям:

3РН3 + 4О3 > 3Н3РО4;

3R-PH2 + 4O3 > 3R-H2PO4;

3H 2 S + 4O 3 > 3H 2 SO 4 ;

H 2 S + O 3 > H 2 SO 3 ;

R-SH + O 3 > R-SO 3 H;

3R-SH + 4O 3 > 3R-HSO 4 ;

NH 3 + O 3 > HNO 3 +H 2 O

В количественном отношении только аммиак окисляется незначительно из-за его высокого окислительно-восстановительного потенциала.

Образовавшиеся в ходе окисления кислоты дают с избытком аммиака нетоксичные соли аммония.

Поскольку обеззараживающая эффективность озона определяется непосредственным контактом озона с объектом, в частности, с поверхностью частиц биомассы, то, с целью повышения степени обеззараживания биомассы, в усторойстве обеззараживания предусматривается дополнительная обработка ее ультрафиолетовым излучением.

Наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 205-310 нм. Более чувствительны к воздействию УФ излучения (УФИ) вирусы и бактерии в вегетативной форме (палочки, кокки). Менее чувствительны грибы и простейшие микроорганизмы. Наибольшей устойчивостью обладают споровые формы бактерий и грибов.

Гибель микроорганизмов на поверхностях, прямо расположенных в 2 м от импульсного источника УФИ, через 15 минут достигает 99,99% при дозе 50 м. Дж/см2. При этом на поверхностях, повернутых к источнику на 45-90 градусов, гибель микробов варьирует уже в пределах 57,6-99,99%.

Обеззараживающий эффект ультрафиолетового излучения, в основном, обусловлен фотохимическими реакциями, в результате которых происходят необратимые повреждения ДНК, РНК и клеточных мембран, что вызывает гибель микроорганизмов. Ультрафиолетовые лучи распространяются по прямой и действуют преимущественно на нуклеиновые кислоты, оказывая на микроорганизмы как летальное, так и мутагенное воздействие. Бактерицидными свойствами обладают только те лучи, которые адсорбируются протоплазмой микроклетки.

Для обеспечения максимального эффекта обеззараживания поверхности частиц твердой фракции, они непрерывно переворачиваются. Последнее достигается перемещением твердой фракции по технологической линии с помощью шнека - в случае обработки озоно-воздушной смесью и вибростола - в случае ультрафиолетового облучения.

Четвертое - после обеззараживания и детоксикации, непосредственно перед укладкой в бурты, твердая фракция засевается необходимыми штаммами ферментов, увлажняется обезвреженной жидкой фракцией и подвергается ферментативной активации в биобарабане при 45-55оС.

Использование предлагаемого способа приготовления удобрения из органических отходов уменьшает выброс токсичных газообразных продуктов и патогенных микроорганизмов в окружающую среду, обеспечивает санитарно-гигиенические условия труда в производственных помещениях и создает условия для ускоренного получения экологически чистого органического удобрения из отходов животноводства, птицеводства и растительного материала.

Предлагаемое техническое решение может использоваться в сельском хозяйстве для ускоренного приготовления органических удобрений из отходов животноводства, птицеводства и растениеводства.

Способ приготовления удобрения из органических отходов осуществляется с помощью устройства, которое включает в себя: смеситель биомассы 1, сепаратор 2, емкость-накопитель жидкой фракции 3, электролизер 4, емкость для обезвреженной жидкой фракции 5, засевной бак 6, ленточный транспортер твердой фракции 7, измельчитель 8, шнековое устройство с кожухом 9, озонатор 10, вибростол 11, ультрафиолетовые лампы 12, шнековый конвейер 13, ороситель 14, биобарабан 15, воздуходувку 16, ленточный транспортер - укладчик 17, бурты 18.

Навоз, птичий помет (в виде пульпы) и измельченные растительные отходы подаются в смеситель 1. Органические отходы в виде пульпы перемешиваются до однородной биомассы и перекачиваются в сепаратор 2 для разделения биомассы на жидкую и твердую фракции. Жидкая фракция с соотношением фосфора, азота и калия - 1,4:1,0:1,6 и содержанием коллоидных взвешенных веществ не менее 1%, подается в усреднительную емкость-накопитель 3, далее - в электролизер с нерастворимыми электродами. Электрохимическую обработку жидкой фракции ведут при плотности тока на электродах 2 А/дм2, площади электродов 0,5 м 2 на 1 м 3 /час обрабатываемой жидкости, при расстоянии между электродами 30 мм, время обработки жидкости 5-10 мин. Обезвреженную жидкую и детоксицированную фракцию собирают в емкости 5 и далее перекачивают в засевной бак 6, где засевают штаммами микроорганизмов аэробной или анаэробной ферментации и возвращают в твердую фракцию (шнек 13) через оросительное устройство 14. Избыток обезвреженной жидкости используется для орошения сельскохозяйственных культур.

Отсепарированная твердая фракция: пористая, рассыпчатая биомасса с низкой адгезией, из сепаратора 2 подается на ленточный транспортер 7 и в измельчитель 8, с выходными параметрами измельчения - 5-25 мм.

Измельченная биомасса подается в шнековое устройство 9, где осуществляется обеззараживание и детоксикация твердой фракции путем прокачки озоно-воздушной смеси из озонатора 10 через шнековое устройство. Соотношение озона в озоно-воздушной смеси и сероводорода и меркаптанов в биогазовых выделениях твердой фазы составляет 2-4:1, соответственно. Степень обеззараживания и детоксикации твердой фракции регулируется концентрацией озона в озоно-воздушной смеси, скоростью её прокачки через шнековое устройство и временем контакта. При выходе из шнекового устройства 9 твердая фракция попадает на наклонный вибростол 11 с закрепленными над ним ультрафиолетовыми лампами 12, где производится дополнительное обеззараживание биомассы от патогенной микрофлоры. Технические характеристики ультрафиолетовых излучателей: диапазон длин волн от 185 до 400 нм, длительность импульса излучения от 1 мкс до 10 мкс, плотность импульсной мощности излучения до 120 квт/м2.

Дальнейшее обеззараживание твердой фракции осуществляется посредством биотермической ферментации. С этой целью твердую фракцию перемещают с вибростола 11 на шнековый конвейер 13. При движении в конвейере, она обогащается через ороситель 14 штаммами ферментации из засевного бака 6 и увлажняется жидкой фракцией и выгружается в биобарабан 15. В биобарабане увлажненная твердая фракция перемещается и перемешивается, подогревается до температуры 45-550С теплым воздухом из воздуходувки 16 до активации ферментативного процесса. После биотермической ферментации в биобарабане, масса укладывается в бурты 17 для дозревания на 45-60 суток.

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

Стандартизацию масляных экстрактов проводят по содержанию действующих веществ, кислотному числу (содержанию свободных кислот), точность дозирования. Если указано в отдельных статьях, проводят определение остаточного содержания экстрагента, который использовался для приготовления экстракта.

Хранение. Масляные экстракты хранят в герметически укупоренной таре из темного стекла, в защищенном от света и прохладном месте.

Масляный экстракт зверобоя (Extractum Hyperici oleosum), зверобой-

ное масло (Оleum Hyperici) предложен для лечения трофических язв голени. Экстрагирование осуществляется в перколяторе, снабженном рубашкой.

В рубашку подают горячую воду (55-65° С) и прогревают перколятор. В экстрактор загружают измельченную траву зверобоя в мешках из фильтр-ткани и закачивают подогретое до 60-65° С подсолнечное масло. Горячее настаивание проводят в течение 3 часов. После этого масло сливают, траву отжимают под прессом. Полученную масляную вытяжку фильтруют и используют для приг о- товления мазей на разных основах. Лечебный эффект зверобойного масла связан с фитонцидным действием содержащихся в растении производных диантрона, гиперицина и псевдогиперицина, а также флавоноидов, эфирного масла и смолистых веществ.

8.7. КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЛРС

Актуальной проблемой фитохимического производства является комплексная переработка растительного сырья. В пищевой, фармацевтической, эфиромасличной промышленности крайне неэффективно используется растительное сырье. Многотоннажные отходы производства после получения соков из плодов и ягод, эфирных масел и БАВ практически выбрасывают в отвал. Р а- циональное использование этих отходов позволит получать ряд БАВ и ценных пищевых продуктов из одного и того же объекта.

Ситуация, сложившаяся в последнее время на фармацевтическом рынке Украины и других стран СНГ, характеризуется ростом потребности фитохимических лекарственных средств на фоне уменьшения природных запасов ЛРС, частичного или полного отсутствия специализированных организаций для культивирования ЛРС и во многом обусловленном его нерациональным ис-

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

пользованием, при котором в отработанном растительном сырье остаются разные группы БАВ, отличающиеся физико-химическими свойствами и терапевтическими эффектами.

Повышение эффективности использования ЛРС может быть достигнуто совершенствованием технологии производства фитопрепаратов, использованием отходов для комплексной переработки, расширением ассортимента лекарственных форм или увеличением объема их производства.

Одним из направлений рационального использования сырьевых ресурсов

и снижения себестоимости выпускаемых препаратов является разработка технологий комплексной переработки ЛРС, позволяющих из одного растительного объекта получать несколько фармакологически активных субстанций и лекарственных препаратов. При этом предусматривается соответствующая подготовка ЛРС с последующим экстрагированием экстрагентами разной полярности, например, вначале – сжиженными газами и легкокипящими органическими растворителями, затем спиртами или спирто-водными смесями, и водой или водными растворами неорганических веществ. Такая технология позволяет получать несколько комплексов: липофильные, содержащие эфирные и жирные масла; жирорастворимые витамины, стерины, жирные кислоты; тритерпеновые

и стероидные сапонины; полифенольные соединения; гликозиды; высокомолекулярные соединения – полисахариды, белки и т.д.

В последние годы в ГНЦЛС (г. Харьков) разработаны технологии переработки ЛРС, позволяющие из отходов пищевой промышленности (жом плодов аронии черноплодной, плодов рябины обыкновенной, облепихи и томатов) путем последовательной экстракции растворителями различной полярности получать БАВ, на основе которых разработаны лекарственные препараты различного фармакологического действия. Так, на основе аронии черноплодной разработаны: масло Аронии (субстанция); мазь Аромелин; бальзам Аронии; густой экстракт Аронии и белково-полисахаридный комплекс; краситель, рекомендованный для применения в пищевой и фармпромышленности. Путем комплексной переработкиплодов рябины обыкновенной выделены гидрофильный и липофильный концентраты; сорбилин – масляный каротиносодержащий препарат; суппозитории с маслом рябины. Изсемян томатов получены белковополисахаридная фракция и антисклеротический препарат Ликоперсикол. Ком-

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

плексный подход используется для получения препаратов из косточек винограда, листа эвкалипта, шалфея и др.

Таким образом, из одного вида сырья можно выделить субстанции различной химической природы, на основе которых создаются препараты разной фармакологической направленности и разрабатываются различные лекарственные формы: растворы, мази, суппозитории, капсулы, экстракты, гранулы, сиропы, биологически активные добавки, косметические средства.

Примером комплексной переработки сырья может служить получение препаратов из плодов шиповника и облепихи, при этом сырье разделяют на мякоть и семена и экстрагируют отдельно.

8.7.1. Препараты облепихи

Комплексная переработка плодов облепихи позволяет получать следующие препараты:

сок из плодов облепихи

масло из мякоти облепихи

масло из семян облепихи, называемое облепиховым маслом

концентрат витамина Р.

Сырьем являются зрелые плоды облепихи крушиновидной (Fructus Hippophaёs), представляющие собой сочные ложные костянки, обычно называемые ягодами. Заготавливают плоды в начале зимы, после морозов они теряют терпкость и горечь, становятся кисловато-сладкими. Плоды сочные, оранжевые, содержат около 16% косточек, а в мякоти около 9% жирного масла.

Перечисленные препараты могут быть получены по трем технологическим схемам:

Конечным продуктом по схеме 1 является препарат, носящий название «Масло облепиховое», получаемый экстрагированием подсолнечным маслом;

По технологической схеме 2 экстрагирование мякоти плодов или отдельно семян ведут органическими растворителями.

Схема 3 предусматривает экстрагирование сырья сжиженными газами (хладоном-12) по технологии, разработанной в ГНЦЛС (г. Харьков).

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ ОБЛЕПИХИ ЭКСТРАГИРОВАНИЕМ ПОДСОЛНЕЧНЫМ МАСЛОМ

Данная схема была разработана и внедрена на Бийском витаминном заводе (г. Бийск, Россия) и позволяет получать лишь два препарата.

Получение сока из плодов облепихи. Свежие или предварительно размо-

роженные плоды облепихи транспортером подаются в дробилку, где в процессе дробления (без нарушения целостности семян) отделяют свободный сок, который удаляют насосом. Дробленые плоды загружают в специальные мешки из бельтинга или фильтр-сетки и помещают их в центрифугу на 35 – 40 минут. Отжатый сок из центрифуги поступает в сборник-отстойник, а сырой жом плодов облепихи направляется на сушку. При центрифугировании в сок переходит твердая фаза (5-10% сухих веществ) в виде тонкодисперсных взвешенных частиц плодовой мякоти. Выход сока составляет около 70%.

Очистка сока. При отстаивании сока в течение суток происходит его разделение на два слоя: нижний – осветленный и верхний – уплотненной мезги. После удаления слоя мезги осветленный сок направляют в сепаратор. Образующийся в сепараторе осадок (фуза) вместе с отделенной ранее мезгой направляется на сушку. Сепарированный сок после незамедлительной пастеризации направляется на стадию упаковки и маркировки.

Сушка сырого жома и мезги с фузом. Эти промежуточные продукты со-

держат около 50% воды, поэтому их подвергают сушке в вакуум-вальцовой сушилке до остаточной влажности 3-7%. При бережной сушке потеря каротиноидов за счет термического разложения не превышает 15%.

Экстракция сухого жома. Экстрагирование осуществляется в батарее перколяторов, снабженных рубашками, методом противоточной периодической экстракции. В рубашку подают горячую воду (55-65° С) и прогревают перколяторы. В первый экстрактор загружают сухой жом в мешках из фильтр -ткани и закачивают подогретое до 60-65° С подсолнечное масло. Горячее настаивание проводят в течение 1,5 часов. После загрузки жомом второго перколятора, закачивают масло через первый диффузор. Подобным образом проводится загрузка и настаивание во всех последующих перколяторах. Процесс экстракции осуществляется противотоком, т.е. по мере продвижения от первого до последнего экстрактора подсолнечное масло, растворяя жирное масло жома и находящиеся в нем каротиноиды, токоферолы и т.п., обогащается; одновременно в

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

обратном направлении уменьшается концентрация этих веществ и натурального масла в жоме.

Когда из последнего перколятора (спустя 24 часа) получают масляный экстракт, соответствующий требованиям АНД по содержанию каротиноидов и токоферолов, то первый экстрактор отключают, сливая отработанное масло, называемое «концевым» и выгружают шрот. «Концевое» масло поступает снова в питающий бак с подсолнечным маслом. В первый экстрактор загружают свежее сырье, на которое подают вытяжку из последнего, а свежее масло подают во второй перколятор. Следующую порцию готового продукта получают из первого перколятора. Последующие сливы готового продукта проводят из «головного» экстрактора, которым становится загруженный свежим сырьем, а свежий экстрагент подают в «хвостовой», содержащий самое истощенное сырье.

Получение облепихового масла. Каждый раз количество готового продукта, называемого «диффузионным» маслом, должно быть равно массе сырья в экстракторе. Масляные вытяжки объединяют и проводят стандартизацию: каротина и каротиноидов должно быть не менее 0,13-0,18%; токоферолов не менее 0,11%; хлорофилловых соединений не более 0,1%; кислотное число не более 14,5. Если экстракт содержит больше действующих веществ, то в него добавляют «концевые масла», т.е. проводят купаж. После этого экстракт фильтруют и фасуют во флаконы из темного стекла по 100 мл.

Выход облепихового масла составляет 80-85%, каротиноидов – 78-88%. Препарат «Масло облепиховое» представляет собой маслянистую жид-

кость оранжево-красного цвета с содержанием суммы каротиноидов (в пересчете на β -каротин) не менее 1,8 г/л и кислотностью не более 14,5.

Недостатком технологии является не полное истощение сырья, в жоме остаются часть каротиноидов и витамины Р и Е.

Рекуперация масла. Отработанный жом удерживает до 50% подсолнечного масла, поэтому он поступает для отжима на шнековый пресс. В процессе работы пресса поддерживается температура в пределах 70-90° С для лучшего о т- жима масла. Масло, отжатое на прессе, называется отработанным. Оно очищается от взвешенных примесей на центрифуге и повторно используется для экстракции. Полученный отжатый жом, содержащий около 7-10% подсолнечного масла, остатки мякоти, каротиноидов, токоферолов, а также витамин Р, используют в животноводстве как поливитаминное средство.

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

2. ПОЛУЧЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ ОБЛЕПИХИ ЭКСТРАГИРОВАНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ

Шнайдман Л.О. с сотрудниками предложил другую схему комплексной переработки плодов облепихи с применением органических экстрагентов. Эта схема включает следующие стадии:

Получение сока. Плоды облепихи сортируют, удаляя гнилые и некачественные, после чего их подвергают паровой бланшировке. По конвейеру ягоды подают в дробилку и вальцовый пресс для отжима сока. Сок поступает на специальный фильтр, предотвращающий попадание мякоти, а затем в сборник. Полученный сок передают в сепаратор для выделения масла, а из сепаратора – в смесители для очистки, где он смешивается с анионитом ЭДЭ-10 П в количестве 5% к массе сока и далее на фильтр-пресс. Из фильтр-пресса через сборники сок поступает на линию разлива.

Масло из мякоти облепихи из сепаратора поступает на нутч-фильтр, затем в сборник и на линию разлива во флаконы.

Сушка жома. Жом подается на вакуум-вальцовую сушилку для высушивания до содержания 90% сухих веществ. Сухой жом измельчают в дробилках и передают в сепаратор, где путем продувки воздухом отделяют семена от мякоти, а затем ведут их раздельную переработку.

Извлечение масла из мякоти плодов. Мякоть плодов измельчают в поро-

шок и подвергают экстрагированию в циркуляционном аппарате, снабженном холодильником-конденсатором, испарителем и сборником. Экстракцию ведут 4-5 кратным количеством метиленхлорида при температуре около 40° С. В испарителе отгоняют растворитель, а масло из испарителя переводят в вакуумаппарат для отгонки в среде углекислого газа (для защиты БАВ от окисления) остатков метиленхлорида при добавлении небольшого количества воды (для удаления экстрагента при более низкой температуре) при давлении 650-700 мм.рт.ст. под вакуумом. Из вакуум-аппарата масло перекачивают в сборник, откуда его направляют на расфасовку.

Согласно постановлению Совета Министров СССР от 7 апреля 1990 г. № 335 «Об организационной структуре Государственного комитета СССР по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и атомной энергетике» в 1990 г. в структуре Госпроматомнадзора СССР было организовано Управление по надзору на предприятиях хлебопродуктов.

Созданию надзора предшествовала крайне тревожная обстановка, сложившаяся на предприятиях хлебопродуктов. С 1971 по 1990 г. на предприятиях системы хлебопродуктов СССР произошло 104 взрыва: на комбикормовых заводах - 42, в элеваторах и зерносушилках - 34, на мукомольных заводах - 28. При этом пострадали 395 человек, из которых 101 погиб. Наиболее тяжелые последствия (разрушение строительных конструкций, технических устройств, гибель людей) были на элеваторах и мукомольных заводах. Это в определенной степени связано с тем, что данные объекты спроектированы и построены без необходимых средств взрывозащиты зданий и сооружений, поскольку требования взрывобезопасности в отраслевых нормативных документах не были полно отражены. Кроме того, развитию указанных событий способствовал низкий уровень знаний в области обеспечения взрывобезопасности при эксплуатации производств и объектов хранения и переработки зерна как руководителей, так и инженерно-технического персонала, рабочих.

Осуществление с 1990 г. государственного надзора и контроля за состоянием безопасности на предприятиях системы хлебопродуктов, повышение профессиональных знаний инженерного корпуса о причинах промышленных аварий и мерах по их предупреждению способствовали значительному снижению аварийности и травматизма на этих объектах. Так, в 1990-2000 гг. было зафиксировано 30 аварий.

В перечень поднадзорных предприятий до 1997 г. входили только предприятия системы хлебопродуктов с производствами и объектами, относящимися по взрывопожароопасности к категории «Б». В 1997 г., с вступлением в силу Федерального закона от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», была расширена область надзора с включением в перечень производств и объектов по хранению и переработке зерна всех предприятий, независимо от их ведомственной подчиненности, организационно-правовых форм и форм собственности. Под надзор были приняты опасные производственные объекты (ОПО) предприятий пивоваренной, хлебопекарной, макаронной промышленности, агропромышленного комплекса страны.

По состоянию на 1 января 1993 г. число поднадзорных предприятий составляло 923, на 1 января 2000 г. - 1916. В 2003 г. под государственным контролем и надзором уже находилось свыше 2900 предприятий, эксплуатирующих более 7200 ОПО - элеваторов, комбикормовых, мукомольных и крупяных заводов, спиртового и пивоваренного производств и др. В 2010 г. количество организаций (юридических лиц), осуществляющих деятельность на взрывопо-жароопасных объектах хранения и переработки растительного сырья, поднадзорных Ростехнадзору, составило уже более 4700. В эксплуатации находилось около 14 тыс. ОПО хранения и переработки растительного сырья, в том числе более 400 цехов (участков) деревообрабатывающих производств и около 20 цехов (участков) растаривания и сортировки сырья льняного, ткацкого, текстильного и прядильного производств.

Одна из важнейших задач при эксплуатации объектов хранения и переработки растительного сырья - обеспечение взрывобезопасности, особенно учитывая тот факт, что производственные процессы сопровождаются выделением горючих пылей, а это приводит к повышенному риску возникновения аварийных ситуаций (взрывов пыли) и угрожает при возникновении аварийных (нештатных) ситуаций жизни и здоровью людей.

Образование пылевоздушных смесей, которые не уступают по характеристикам взрыва парогазовоздушным смесям углеводородов и сжиженных газов, - наиболее весомый признак опасности технологических процессов указанных предприятий, но не единственный. Применение на предприятиях большого количества оборудования, работающего под давлением, грузоподъемных механизмов, систем газопотребления, сложных систем и комплексов энергоснабжения в совокупности с пылевоздушными смесями может существенно повышать характеристики взрывоопасных производств - гибридные пылегазовоздушные смеси по своим характеристикам значительно превышают взрывоопасность как пыле-, так и газовоздушных смесей.

Немалая часть поднадзорных объектов была введена в эксплуатацию в 1960-1980-е годы XX в. На многих из них за прошедшие годы не в полной мере уделялось внимание обновлению оборудования и энергохозяйства, модернизации и проведению технического перевооружения, в связи с чем их основные фонды имеют значительный износ. Все это характеризует совокупную опасность, которая неизменно сопровождает эксплуатацию указанных объектов и технологические процессы пылеобразующих производств, в связи с чем вопросы обеспечения их безопасной эксплуатации не утрачивают своей актуальности.

С 1997 г. регулирование требований безопасности на предприятиях отрасли осуществляется согласно Федеральному закону от 21 июля 1997 г. . С установлением государственного надзора были разработаны правила взрывобезопасности, инструкции и методики, направленные на предупреждение случаев аварийности и травматизма. Организация работ в соответствии с требованиями указанной нормативной базы и осуществление государственного контроля способствовало снижению аварийности и смертельного травматизма при эксплуатации поднадзорных объектов хранения и переработки растительного сырья. Определению приоритетных мер по обеспечению промышленной безопасности взрывопожароопасных объектов хранения и переработки растительного сырья способствовало проведение на предприятиях с 2003 г. паспортизации технических средств взрывобезопасности оборудования, зданий и сооружений.

Так, с 2002 по 2010 г. на указанных объектах произошло 20 аварий, более 90 % которых не связаны со взрывами. В общей сложности с 1997 г. на взрывопожароопасных объектах хранения и переработки растительного сырья (в том числе на объектах деревообрабатывающих производств) было семь взрывов пыли растительного происхождения.

В 2010 г. произошло три аварии: два пожара (нарушение требований при эксплуатации электрооборудования) и один взрыв древесной пыли на деревообрабатывающем предприятии. Пострадавших не было, прямой материальный ущерб превысил 35 млн. руб., ущерб экологической среде не зарегистрирован.

За 9 мес 2011 г. аварий и несчастных случаев со смертельным исходом на взрывопожароопасных объектах хранения и переработки растительного сырья не было. В то же время зарегистрированы более 100 инцидентов, около 80 % которых связаны с отказом или повреждением технических устройств (разрушение деталей рабочих органов вентиляторов аспирационных систем, конвейеров и норий, неисправность средств дистанционного контроля температуры в силосах), остальные - с отклонением от режима технологического процесса.

Распределение причин указанных инцидентов вызывает определенную озабоченность, так как при соответствующих условиях инциденты способны инициировать различные аварийные ситуации, приводить к травмированию персонала.

В настоящее время надзор и контроль за соблюдением требований безопасности при эксплуатации объектов осуществляет Ростехнадзор на регулярной основе, в том числе в части выполнения планов мероприятий, в рамках реализации которых на многих предприятиях проводится работа, в основном не требующая значительных финансовых затрат и не связанная с масштабным техническим перевооружением (оснащение технических устройств взрыво-разрядными устройствами, реле контроля скорости, устройствами контроля сбегания норийной ленты, контроля обрыва цепи скребковых конвейеров, магнитной защитой и т.д.).

Законодательно установленные процедуры регулирования промышленной безопасности при эксплуатации объектов в основном выполняются. Все организации, осуществляющие эксплуатацию объектов, имеют договоры страхования риска ответственности за причинение вреда при эксплуатации ОПО, планы ликвидации аварий и защиты персонала, положения о производственном контроле засоблюдением требований промышленной безопасности, технические паспорта взрывобезопасности и планы мероприятий по доведению объектов до нормативных требований промышленной безопасности. В соответствии со статьей 11 Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» почти на всех предприятиях, эксплуатирующих поднадзорные Ростехнадзору объекты, организуется производственный контроль за соблюдением требований промышленной безопасности, разработаны положения об организации производственного контроля, которые согласованы с территориальными органами Ростехнадзора в установленном порядке, назначены ответственные за организацию и осуществление производственного контроля.

Остается сложной ситуация с организацией производственного контроля на предприятиях с малой численностью сотрудников, где он носит зачастую формальный характер. Система управления промышленной безопасностью на многих предприятиях хранения и переработки растительного сырья по-прежнему отсутствует или ограничивается лишь организацией производственного контроля, не будучи органично связанной со структурой управления предприятий в целом.

На взрывопожароопасных объектах деревообрабатывающих производств особое внимание уделяется вопросам подготовки и аттестации руководителей, специалистов и рабочих основных профессий в области промышленной безопасности; разработке технических паспортов взрывобезопасности, планов ликвидации аварий, паспортов на аспирационные сети и пневмотранспортные установки.

Проблемным вопросом для объектов указанных производств остается отнесение без соответствующего расчетного обоснования помещений цехов по производству ДСП, ДВП и фанеры (по проектной документации) по пожарной и взрывопожарной опасности к категории «В».

К основным и значительным проблемам в обеспечении промышленной безопасности опасных объектов хранения и переработки растительного сырья следует отнести недостаточные темпы модернизации действующих производств и обновления основных фондов, способствующие их физическому износу.

Нередки случаи, когда в целях обеспечения надлежащей безопасности эксплуатации объектов ограничиваются разработкой и внедрением компенсирующих организационно-технических мероприятий, а когда для приведения объектов в соответствие установленным требованиям необходим объем работ, требующий больших капитальных вложений, мероприятия не выполняют или проводят с отступлением от сроков и не в полном объеме.

В 2010 г. сотрудники Ростехнадзора провели около 3400 проверок соблюдения требований промышленной безопасности при эксплуатации объектов хранения и переработки растительного сырья, в ходе которых выявлено и предписано к устранению более 18 тыс. нарушений. В основном это недостаточная организация производственного контроля, несоответствие площадей легкосбрасываемых конструкций и систем аспирационных установок нормативным требованиям, а также отсутствие (или несоответствие предъявляемым требованиям) тамбур-шлюзов и др. Назначено около 1,5 тыс. административных наказаний, более 20 из них - административное приостановление деятельности.

Вместе с тем выполнение мероприятий по оснащению объектов средствами контроля опасных параметров, управления, противоаварийной защиты, автоблокировки, аварийной сигнализации, защиты от статического электричества, термометрии и другими, а также по устранению нарушений действующих требований промышленной безопасности под регулярным контролем и мониторингом Ростехнадзора позволяет поддерживать удовлетворительную докритическую взрывопожаробезопасность большинства поднадзорных объектов.

Поэтапное обновление основных фондов, внедрение новой техники и современных энергосберегающих и экологически чистых технологий, технических средств контроля, противоаварийной защиты и регулярного мониторинга состояния процессов, а также повышение автоматизации технологических процессов не утратили своей актуальности. Реализация данных мероприятий позволит значительно снизить риск возникновения аварийных ситуаций.

В то же время необходимость применения новых технологий, а также научных методов управления промышленной безопасностью, в свою очередь, связана с подготовкой специалистов, работающих на объектах. Недостаточная профессиональная подготовка персонала, занятого эксплуатацией ОПО, не позволит обеспечить безусловное соблюдение поднадзорными организациями требований промышленной безопасности, эффективно обслуживать новые технологии и современное оборудование.

Вопрос повышения взрывопожаробезопасности поднадзорных объектов - приоритетный. Его реализация при постоянном росте загруженности производственных мощностей предприятий зерноперерабатывающей отрасли, связанном с ежегодным увеличением валового урожая зерновых культур, будет также способствовать сохранению зернового запаса и, как следствие, окажет положительное влияние на продовольственную безопасность Российской Федерации.

ТЕМА

Физико-химические основы переработки растительного сырья

План

Особенности процессов

Экстракции,

Выпаривания,

Осаждения,

Центрифугирования и сепарирования,

Фильтрования (микрофильтрация, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос) при переработке растительного сырья

▲Экстракция

Экстракция относится к массообменным процессам.

Массообменные процессы – такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией. Движущая сила массообменных процессов – разность концентраций распределяемого вещества во взаимодействующих фазах .

Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам :

Агрегатному состоянию вещества,

Способу контакта фаз,

Характеру их взаимодействия.

По агрегатному состоянию вещества можно представить основные фазы: «газ – жидкость» (Г-Ж), «газ – твердое тело» (Г–Тв.т), «жидкость – жидкость» (Ж–Ж), «жидкость – твердое тело» (Ж – Тв.т) и др.

В зависимости от сочетания фаз имеются способы их разделения . Так, при сочетании Г–Ж разделение возможно дистилляцией, ректификацией, абсорбцией и десорбцией, сушкой и увлажнением;

Г – Тв.т – сублимационной сушкой, адсорбцией, ионным обменом, фракционной адсорбцией;

Ж – Ж–жидкостной экстракцией;

Ж–Тв.т – фракционной кристаллизацией, экстрагированием, адсорбцией, ионным обменом.

Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, в которой его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной.

По способу контакта фаз массообменные процессы разделяют на процессы

С непосредственным контактом фаз,

Контактом через мембраны и

Без видимой (четкой) границы фаз.

По характеру взаимодействия массообменные процессы и аппараты разделяют на периодические и непрерывные . В непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов.

Экстракция в системе «жидкость – жидкость» – процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом . Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте . Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, в котором разделяется на экстракт – раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции – экстракторах .

При экстракции в системе «жидкость – жидкость» экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, затем из экстракта выделяют растворенное вещество отстаиванием, выпариванием или другими методами.

В промышленности используют периодическую или непрерывную экстракцию по следующим схемам:

Одноступенчатой,

Многоступенчатой противоточной и

Многоступенчатой с перекрестным током экстрагента.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз – в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий – сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Экстракцию широко применяют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов..

Преимущество экстракции заключается в том, что она проводится при низкой рабочей температуре процесса. Это позволяет разделять жидкие смеси веществ, которые при повышенных температурах разлагаются (например, эфирные масла, ферменты, антибиотики).

Экстракция твердых тел – выщелачивание .

Экстракция из твердых тел (выщелачивание, экстрагирование) – извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью.

Выщелачивание представляет собой сложный многостадийный процесс, заключающийся в диффузии растворителя в поры твердого тела, растворении извлекаемых веществ, диффузии экстрагируемых веществ в капиллярах твердого тела к поверхности раздела фаз и массопередачи экстрагируемых веществ в ядро потока экстрагента.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения. Примерами таких процессов могут служить посол, маринование, копчение и др. В них солевой или водный раствор либо сложный по составу газ проникает в глубь твердого пористого продукта, смешивается с водными растворами, заполняющими их поры, и передает им часть своих растворенных веществ.

В качестве растворителей используют

Воду (для экстрагирования сахара из свеклы, кофе, цикория, чая),

Спирт и водно-спиртовую смесь (для получения настоев в ликероводочном и пивобезалкогольном производствах),

Бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан (в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах) и др.

Выщелачивание является основным процессом в свеклосахарном производстве. Используется в ликероводочном производстве при получении спиртованных морсов и настоев, при производстве соков и экстрактов, в маслоэкстракционной промышленности (с помощью бензина извлекается растительное масло из семян подсолнечника).

Экстрагирование в пищевом производстве может быть выполнено различными способами :

Погружением экстрагируемого материала;

Ступенчатым орошением растворителем;

Смешанным способом, при котором материал проходит стадию замачивания, затем стадию орошения.

При погружении экстрагируемого материала процесс происходит в условиях противотока, когда растворитель и экстрагируемый материал непрерывно передвигаются навстречу друг другу.

Преимущество экстрагирования погружением – высокая скорость, простота конструкции экстракционного аппарата. Недостатки – значительные габариты экстракторов по высоте, высокое содержание примесей в конечном продукте, низкая концентрация конечного продукта.

При экстрагировании ступенчатым орошением непрерывно перемещается только растворитель, а экстрагируемый материал остается в покое в одной и той же перемещающейся емкости (ковше, камере и т.п.) или на движущейся ленте.

Конечный продукт (например, мисцелл) получается повышенной концентрации и чистоты благодаря самофильтрации через слой экстрагируемого материала. Недостатки – повышенная длительность экстракции, невысокий коэффициент использования геометрического объема.

При экстрагировании смешанным способом процесс протекает в две стадии. На первой стадии осуществляется тщательное замачивание и перемешивание (стадия экстракции погружением) экстрагируемого материала в прямоточно движущемся растворителе. На второй стадии методом ступенчатого орошения достигается окончательное экстрагирование и промывка материала чистым растворителем.

Совмещение экстрагирования погружением и ступенчатым орошением в одной установке позволяет использовать преимущества способов экстрагирования и избежать их основных недостатков.

▲Выпаривание

Выпаривание – тепловой процесс, это концентрирование (сгущение) растворов, суспензий и эмульсий (чаще твердых веществ в воде) при кипении. В процессе выпаривания парообразование (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии.

В пищевой, химической и других отраслях промышленности выпариванию подвергают главным образом водные растворы.

Выпаривание применяют для концентрирования водных растворов щелочей (едкий натр, едкий калий), солей (NaCl, Na 2 S0 4 , NH 4 NO 3 и др.) и некоторых высококипящих жидкостей, для получения растворителя в чистом виде (например, для опреснения морской воды, используя аппараты-опреснители), перенасыщенных растворов, в которых проводят кристаллизацию (растворы сахарозы, фруктозы, молочного сахара). Данный процесс используется в сахарном, консервном, кондитерском, молочном и других производствах. Выпаривают также водные растворы разных веществ (получают концентрированные соки), эмульсии (молоко), суспензии (барду) и пр.

Механизм выпаривания

При выпаривании вода из раствора удаляется в виде пара, а растворенное вещество или дисперсная фаза эмульсий и суспензий остается в неизменном количестве.

Тепло для выпаривания подводится различными теплоносителями . Основной теплоноситель – глухой водяной пар , называемый греющим или первичным или острым . Пар, образующийся при выпаривании кипящих растворов, называется вторичным или экстра-паром .

Способы выпаривания .

Выпаривание проводят под давлением

Атмосферным,

Повышенным,

Под вакуумом.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар, как правило, не используется и выбрасывается в атмосферу.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий элемент в подогревателях, для отопления, технологических нужд.

«+, –» Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому применение данного способа ограничено свойством раствора и температурой нагревающего агента. Например, при таких условиях ухудшается качество многих пищевых продуктов (молока, сахарных и томатных соков и др.). Кроме того, повышается стоимость установки.

При выпаривании под вакуумом можно проводить процесс при более низких температурах, что важно для растворов, склонных к разложению. При использовании греющего пара тех же параметров, что и при выпаривании под атмосферным давлением, увеличивается движущая сила процесса (полезная разность температур). Это позволяет уменьшить поверхность нагрева в аппарате или сокращает время проведения процесса.

«+, –» Выпаривание под вакуумом требует установки дополнительного оборудования (конденсатора, вакуум-насоса и др.) и большего расхода тепла на испарение. Однако этот способ широко используется для концентрирования высококипящих и легкоразлагающихся растворов.

Выпарные установки .

Классифицируют по рабочему давлению (см. выше), количеству корпусов (аппаратов).

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда под вакуумом производят в одиночных выпарных однокорпусных аппаратах.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, которые включают несколько соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

По методу ведения процесса различают периодическое и непрерывное выпаривание.

При периодическом выпаривании исходный раствор выгружают, а аппарат загружают новой порцией исходного раствора. Используют лишь в производствах малого масштаба или для упаривания растворов до высоких конечных концентраций.

При непрерывном выпаривании непрерывно подводят греющий пар и начальный раствор, а непрерывно отводят сгущенный раствор, вторичный пар и конденсат греющего пара. Применяют при выпаривании крупнотоннажных продуктов.

Особенности процессов отделение продукта

от культуральной жидкости

Для отделения взвешенных частиц от культуральной жидкости учитывают различные физико-химические свойства частиц:

Плотность;

Поверхностные свойства.

плотности частиц :

седиментация (отстаивание, осаждение) – используют для отделения крупных частиц размером от 2,3 мкм до 1 мкм.

гидроциклонирование – от 5 мкм до 700 мкм;

центрифугирование – от 400 нм до 900 нм;

ультрацентрифугирование – от 10 нм до 1 мкм;

Методы, основанные на разделении суспензий по размеру частиц :

▪ фильтрация через тканевые фильтры – отделяют частицы размером от 10 мкм до 1 мм;

▪ микрофильтрация – используют для частиц размером от 200 нм до 10 мкм;

▪ ультрафильтрация – используют для частиц размером от 10 нм до 5 мкм.

Сравнительные размеры различных объектов

Микроорганизмы:		Макромолекулы
	чуть больше10 нм	Микрочастицы	от 120 нм до 10 мкм
Бактерии	0,3-1,0 мкм (300-1000 нм)	Тонкие взвеси	от 10 до 100 мкм
		Грубые взвеси	от 100 мкм до 1 мм
Мицелий грибов и эритроциты

Поверхностные свойства частиц используются в процессе флотаци и . В основу данного метода положена способность клеток удерживаться пузырьками воздуха. Данным способом можно удалить частицы с размером от 1 до 200 мкм.

Рассмотрим особенности использования выше приведенных методов разделения суспензий в различных производствах.

▲ Отстаивание и осаждение

Наиболее часто используют в процессе очистки сточных вод – отстаивание активного ила, для отделения животных и растительных клеток, мицелиальных грибов и пивных дрожжей и др. взвешенных частиц.

Клетки микроорганизмов и взвешенные или коллоидные частицы не обязательно должны быть крупными: они могут концентрироваться на хлопьях, агломератах.

Процесс отстаивания часто комбинируется с предварительной коагуляцией или флокуляцией. В обоих случаях к суспензии добавляют реагент – коагулянты или флокулянты.

Прикрепленные к длинным молекулам коагулятов или флокулятов несколько клеток или частиц создают основу агломерата, который в результате имеет больший вес и меньшую подвижность, что приводит к осаждению осадка.

Недостатки метода : большая продолжительность процесса (от нескольких часов до суток), не очень хорошее разделение.

▲ Центрифугирование и сепарирование

Для преодоления выше названных трудностей осаждения на клетки воздействуют центробежной силой. Центрифуги и сепараторы, создающие эту силу, называют осадительными.

▲ Фильтрование

Фильтрование обеспечивает разделение суспензий, пыли и туманов с помощью пористой (фильтровальной) перегородки, способной пропускать жидкость или газ и задерживать взвешенные в них твердые частицы. Фильтрование осуществляется под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки. Жидкость проходит через поры перегородки, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка. Фильтрование применяется для более тонкого, чем при осаждении, разделения суспензий и пыли.

От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависят производительность фильтра, чистота получаемого фильтрата.

В качестве пористых перегородок используются:

Зернистые материалы: песок, уголь, асбест и др.;

Ткани: шерстяные (в основном грубошерстные), хлопчатобумажные (бязь, фланель), минеральные (асбестовая ткань), металлотканые (металлические сетки);

Жесткие пористые перегородки (в основном керамические);

В последнее время в промышленную практику вошли также синтетические материалы :

Полиамидные (нейлон, капрон, анид и др.);

Полиакрилонитриловые (орлан, нитрон, дралон и др.);

Поливинилхлоридные (саран, ровин и др.); полиэтиленовые и полипропиленовые;

Полиэфирные (терилен, дакрон, лавсан, териталь и др.);

Фторлоновые (тефлон, фторлон);

Металлические, покрытые пластиком.

При разделении суспензий в зависимости от вида фильтровальной перегородки и свойств суспензии фильтрование может быть

С образованием осадка на поверхности перегородки,

С закупориванием пор фильтрующей перегородки и

С промежуточным видом фильтрования (закупоривание пор и отложение осадка на поверхности).

По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым .

Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий, очистки растворов от включений. В этом случае целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении соков, вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.

Цель продуктового фильтрования – выделение из суспензии диспергированных в них продуктов в виде осадка. Примером фильтрования такого вида может быть разделение дрожжевых суспензий, в которых целевым продуктом является осадок (дрожжи).

Процесс фильтрования в промышленных условиях проводится на фильтрах периодического и непрерывного действия .

Фильтры периодического действия позволяют проводить фильтрование в любом режиме.

Непрерывно действующие фильтры работают только при постоянной разности давления, обеспечивая непрерывное удаление осадка, что является их существенным преимуществом.

По способу создания разности давления (движущей силы) различают фильтры, работающие под давлением , и фильтры, работающие под вакуумом .

Фильтрование может обеспечить почти полную очистку жидкости от взвешенных частиц и в этом имеет преимущество перед осаждением .

С целью повышения скорости фильтрования при разделении суспензий с небольшой концентрацией твердой фазы либо содержащих слизистые вещества фильтрование проводят в присутствии вспомогательных веществ , препятствующих закупориванию пор перегородки. Слой вещества наносят на нее перед фильтрованием суспензии.

В качестве вспомогательных веществ используются тонкодисперсные угли, асбест, перлит, кизельгур и др.

Основные величины, характеризующие процесс фильтрования, – скорость и продолжительность фильтрования , зависящие от перепада давления на фильтре, вязкости фильтрата и гидравлического сопротивления при фильтровании.

Фильтрация широко распространена во всех отраслях пищевой промышленности. Так, в пивоварении фильтрация используется для отделения дробленого солода от сусла и для осветления пива. В виноделии, в соковом, консервном, ликероводочном производствах отфильтровываются части тканей плодов, ягод. Очень широко применяется фильтрация в свеклосахарном, крахмалопаточном и других производствах.

▲ Мембранные процессы – разделения жидких смесей на полупроницаемых перегородках. Внешне они похожи на обычную фильтрацию, так как движущей силой процесса является разность давлений. В действительности с помощью полунепроницаемых мембран разделяются истинные растворы (гомогенные системы), в то время как фильтрованием можно лишь разделить суспензию, т.е. отделить твердую фазу от жидкой.

Считая мембранные методы фильтрованием на молекулярном уровне (по порядку увеличения размера и молекулярной массы задерживаемых частиц), можно условно мембранные методы разделить следующим образом:

К мембранным методам очистки относят диализ, электродиализ,

К баромембранным методам – обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и тонкая фильтрация.

Баромембранные методы.

Классифицируются по размерам пор используемых мембран и размерам задерживаемых частиц.

Прямой осмос – это диффузия молекул растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану, когда мембрана не пропускает растворенное вещество. Осмотическое давление раствора (р 0) зависит от молярной концентрации растворенного вещества и степени его диссоциации. Если р 0 >р Г (давление гидравлическое), то идет прямой осмос. Если р 0 = р Г, диффузия воды через мембрану прекращается. Если р Г >р 0 , молекулы растворенного вещества и воды будут проходить через мембрану в растворитель. Этот механизм лежит в основе обратного осмоса и ультрафильтрации.

Следовательно, обратный осмос и ультрафильтрация – это перенос молекул через мембрану под давлением выше осмотического, при котором растворитель (вода) проходит через мембрану, а растворенное вещество в зависимости от его молекулярной массы и величины пор мембраны частично или полностью задерживается. Скорость ультрафильтрации тем выше, чем больше разница между рабочим давлением р Г и осмотическим.

Обратный осмос и ультрафильтрация – широко распространены в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической и ферментной промышленности.

Преимущества ультрафильтрации – отсутствие тепловой инактивации ферментов и небольшие энергозатраты, позволяет провести концентрирование раствора без фазового превращения при комнатной температуре и одновременном освобождении от балластных веществ (низкомолекулярных).

Обратный осмос и ультрафильтрация имеют один механизм, но отличаются по ряду параметров.

Различия между обратным осмосом и ультрафильтрацией – при обратном осмосе разделение низкомолекулярных веществ происходит при рабочем давлении до 0,7-14 МПа, т.к. р 0 в этих растворах велико. Используются мембраны с очень маленькими порами (от 1∙10 -4 до 2∙10 -3 мкм).

При ультрафильтрации происходит разделение высоко- и низкомолекулярных веществ, цель процесса – получение концентрированного раствора высокомолекулярных соединений (например, ферментов). При этом рабочее давление низкое (от 0,07 до 0,7 МПа), т.к. р 0 в этих растворах небольшое. Используются мембраны с порами большими (от 3∙10 -3 до 150∙10 -3 мкм).

Названные различия достаточно условные.

Для математического описания процесса мембранного разделения служит модель движения вязкого потока через поры (уравнение Пуазейля) и модель диффузионного массопереноса (закон Фика). Принято считать, что если размер пор мембран меньше 3∙10 -3 , то процесс подчиняется закону Фика (обратный осмос), при размере пор мембран больше 3∙10 -3 (ультрафильтрация), процесс подчиняется уравнению Пуазейля.

Мембраны.

Мембраны в ультрафильтрационных установках являются главным элементом, которые должны отвечать определенным требованиям, иначе процесс очистки и концентрирования может не пройти. Мембраны должны быть высокопроницаемыми и селективными, устойчивыми к действию разделяемых растворов, механически прочными. Они должны обладать низкой адсорбцией к разделяемым веществам и невысокой стоимостью. По этим показателям считаются лучшими полимерные мембраны.

При ультрафильтрации используют мембраны из целлофана, каучука, полиэтилена, полистирола, целлюлозы и ее производных (особенно ацетатцеллюлозы), полифенола, полиакриловой кислоты, металлокерамики, пористого стекла и др.

Применение обратного осмоса и ультрафильтрации .