СКФ технологии

 

 

Технологии извлечения из растительного и животного сырья биологически активных веществ с использованием в качестве экологически чистых и безопасных растворителей сверхкритических (СК) флюидов, и, в частности, диоксида углерода (СО2), приобрели в настоящее время не только статус лабораторного инструмента изучения химического состава растительного и животного сырья, но и широко распространяются как промышленный  метод, позволяющий получать из натурального сырья экстракты в целом и отдельные фракции (вплоть до получения целевых биологически активных компонентов) для фармацевтической, косметологической и пищевой промышленности без применения органических растворителей.

Предлагаемая технология получения биологически активных экстрактов с помощью СК-СО2 предполагает высокую экологичность процесса, поскольку углекислый газ как растворитель исключает возможность загрязнения окружающей среды и конечной продукции. Более того, данная технология позволяет получать высококонцентрированные экстракты без остатков какого бы то ни было растворителя с сохраненным составом биологически активных веществ в их нативном соотношении, не содержащие остатков органических растворителей и их примесей. Сохранность биологически активных компонентов обеспечивается достаточно низкой (не более 80°С) температурой процесса. Кроме того, применение в качестве растворителя СО2 при повышенном давлении обеспечивает микробиологическую чистоту готовой продукции.

Основными рабочими параметрами процесса являются давление и температура экстрагента в экстракционном контуре, причем простое варьирование рабочими параметрами позволяет осуществлять направленное изменение состава конечного экстракта. Важными преимуществами использования СК-СО2 как растворителя для экстракции в промышленном масштабе является его  негорючесть, малая токсичность и химическая инертность. Немаловажно и то, что углекислый газ достаточно дешев и широко доступен.

Разрабатываемая технология производства оборудования полностью базируется на отечественных комплектующих, что позволит исключить импортные поставки как оборудования, так и готовой продукции требуемого качества.

Таким образом, реализация проекта позволит разработать технологию и оборудование для производства экстрактов с высокой концентрацией биологически активных веществ и сохранением нативных свойств исходного сырья при помощи СК флюидов в качестве экологически чистых и безопасных растворителей.

Решаемая задача и основные целевые параметры.

Извлечение целевых веществ из натуральных продуктов, как для аналитических целей, так и в технологических процессах переработки сырья, является важной проблемой. Применение для этих целей сверхкритических флюидов открывает новые перспективы, связанные с их уникальными свойствами. Сверхкритическим флюидом (СКФ) называют состояние вещества, когда его   температура и давление превышают критические параметры. В этой точке две фазы,  жидкая и газовая, становятся неразличимой монофазой. Поскольку по диффузионным свойствам, вязкости и поверхностному  натяжению СФ  больше напоминают газы, а по плотности и растворяющей способности —  жидкости, они обладают  рядом преимуществ при использовании их в процессах экстракции из природного сырья. Это возможность селективно выделять  биологически активные продукты, изменяя давление и температуру,  быстрота и полнота экстракции, возможность извлечения химически нестойких компонентов, проведение экстракции при низких температурах, отсутствие в экстрактах примесей органических растворителей, отсутствие необходимости отделения полученного экстракта от органических растворителей. Наиболее широко используемая для этих целей СК-СО2 – экологически безопасный экстрагент, в отличие от  загрязняющих окружающую среду органических растворителей, в частности, хлорсодержащих углеводородов, на применение которых в мире в настоящее время налагается все больше ограничений, что связано с их экологической опасностью.

Применение СКФ технологии экстракции в мире, в частности сверхкритическим углекислым газом (СК-СО2), мотивировано следующими факторами:

ограничение использования традиционных промышленных растворителей, таких как хлорсодержащие углеводороды, что сделало нетоксичные, экологически чистые СКФ, такие как диоксид углерода, привлекательными альтернативными промышленными растворителями.

удешевление процессов производства экстрактов СК-СО2 за счет сокращения ряда этапов технологических процессов, таких как дистилляция и выпаривание.

СКФ технология является экологически сохраняющим способом, альтернативным применению органических растворителей и методам, способствующим деградации, получения хрупких биоактивных веществ.

повышенные требования к качеству функциональных веществ, которым не могут удовлетворить традиционные технологии обработки.

применение СК-СО2 в качестве растворителя и экстрагента обусловлено его дешевизной и легкой доступностью. Его критические условия температуры и давления легко достижимы. Простота извлечения растворителя и его легко перенастраиваемые характеристики делают применение СК-СО2 более предпочтительным по сравнению с традиционными растворителями.

запросы рынка на производство новых типов и/или серьезную модификацию традиционных материалов для массового применения.

создание новых технических устройств и процессов требующих новых технических решений, технических качеств, обеспечивающих их безопасное и эффективное масштабное применение.

В индустриально развитых странах СКФ экстракция из природных матриц широко используется в пищевой, в фармацевтической и нутрицевтической промышленности, а также в производстве парфюмерии и косметики.   В России на сегодняшний день данная технология практически не развита. Между тем, СКФ экстракция обладает рядом существенных экономически значимых преимуществ по сравнению с традиционными методами экстракции:

Возможность снижения числа технологических операций процесса экстракции вследствие исключения стадий дистилляции и выпаривания;

Возможность организации малоотходных производств;

Возможность управления процессом экстракции изменением параметров (температуры, давления), что облегчает его автоматизацию и повышает технологичность;

Возможность сохранения лабильных компонентов, отсутствия продуктов разложения, неизбежных при традиционной экстракции,  отсутствия следов органических растворителей и их примесей, что позволяет получать качественно новые продукты экстракции, отвечающие требованиям современного рынка.

Утилизация наиболее широко применяемого для СКФ в качестве экстрагента диоксида углерода.

Основными причинами слабого развития СКФ технологий в России являются: отсутствие отечественного лабораторного, пилотного и промышленного оборудования, а также кадров, способных создавать, внедрять и обслуживать оборудование такого рода.

Таким образом, целью данного проекта является создание методологической основы и приборно-технологической базы для изучения процесса сверхкритической экстракции из различного природного сырья.

При разработке проекта предлагаются следующие этапы решения поставленной задачи:

Создание лабораторного стенда для разработки процессов экстракции как из твердых, так и из жидких природных субстратов сверхкритическим диоксидом углерода;

Разработка аналитических методов определения состава полученных экстрактов для каждой природной матрицы;

Разработка методов препаративного выделения индивидуальных компонентов,  наиболее значимых для данной природной матрицы;

Разработка методов направленного получения экстракционных фракций, обогащенных целевыми компонентами;

Разработка методов определения микробиологической чистоты полученных продуктов;

Создание пилотного образца оборудования и отработка технологии получения целевых продуктов  из жидких и сухих экстрактов растительного и животного происхождения;

Создание полупромышленного образца оборудования путем масштабирования пилотной установки, а также сертификация и патентование оборудования, отдельных узлов и технологии производства экстрактов растительного и животного происхождения из твердого и жидкого сырья.

На базе ранее выполненных исследований планируется усовершенствовать технологию производства растительных и животных экстрактов на созданном лабораторном, пилотном и полупромышленном оборудовании для экстракции сверхкритическими флюидами (СК-СО2).

В дальнейшем разработанная технология позволит получать качественно новые СКФ экстракты высокой чистоты, в том числе высококонцентрированные экстракты. Кроме того, разрабатываемая технология позволит реализовывать и другие важные задачи: осуществить процессы получения нанопорошков,  новых видов биотоплива из растительных масел, глубокую очистку полимерных материалов с последующей импрегнацией для медицинских целей, разработать новые методы регенерации адсорбентов и катализаторов.

Основными ожидаемыми научными и научно-техническими результатами работы по реализации проекта являются разработка и промышленное внедрение  способа экстракции СК-СО2 из растительного сырья, получение экстрактов из растительного сырья, разработка оборудования и технологии получения экстрактов из твердого и жидкого сырья, а также методов анализа и контроля качества получаемого продукта.

Предполагаемые технические пути решения поставленной задачи:

Создание лабораторного стенда, пилотной и полупромышленной установки для экстракции твердого и жидкого сырья, а также колонны для фракционирования с использованием в качестве флюида диоксида углерода;

Разработка и создание узлов оборудования, обеспечивающих интервалы рабочих давления и температуры от 7,38 МПа  до 50 МПа и от 31,1 до 800С;

Создание контролируемого потока флюида до 90 л/час;

Обеспечение высокой коррозионной стойкости сосудов, узлов и герметизирующих материалов, работающих под давлением;

Создание установки, работающей в замкнутом цикле, что позволяет обеспечить безопасность и экономическую рентабельность производства.

Новизна создаваемой сверхкритической флюидной технологии заключается в создании широкой гаммы продуктов и ингредиентов с высокой концентрацией биологически активных веществ, полученных без применения органических растворителей для пищевой, косметологической и фармацевтической промышленности.

Производство оборудования должно полностью базироваться на отечественных комплектующих материалах, пригодных для масштабирования и внедрения, что позволит  исключить поставки соответствующего оборудования  из-за рубежа.

Выполнены исследования по созданию оборудования для обработки сырья сверхкритическими газами (Карамзин В.А., Шиндяпкин А. А.)

Экспериментальная установка состоит из следующих основных элементов: экстрактора высокого давления с контейнером для размещения навески семян, системы подачи экстрагента, системы сбора продукта, системы конденсации, системы КИП, регулирующей и запорной арматуры.

Экстрактор высокого давления 3 представляет собой толстостенный сосуд с внутренним диаметром 45 мм, изготовленный из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (рис. 1). Герметизация осуществляется муфтовым соединением при помощи резинового О-образного кольца. Для предотвращения выноса из экстрактора частиц экстрагируемого материала навеска помещается в контейнер из фильтродиагонали с размером ячейки 20 мкм. Для обеспечения требуемых температурных условий экстрактор оснащён теплоизоляцией из листового ППЭ. Управляющий сигнал в систему терморегулирования поступает от термометров сопротивления типа ТСМ, установленных непосредственно на  входе и выходе рабочей камеры экстрактора.

Дроссельный вентиль 4 настраивается по показаниям манометра, установленного на выходе экстракта из рабочей камеры экстрактора.

Система подачи экстрагента состоит из плунжерного насоса 1, буферной ёмкости 9, испарителя 2, регулирующего клапана 8 и запорной арматуры.

Расход экстрагента изменяется при помощи регулирующего клапана 8, расположенного на линии нагнетания насоса.

Система сбора продукта состоит из сепаратора 6, подогревателя экстракта 5 и запорной арматуры.

Система конденсации состоит из блока конденсаторов 7 и запорной арматуры. В качестве хладагента используется водопроводная вода.

Температура в системе измеряется и регулируется логометрами типа ЛР. Давление в системе измеряется образцовыми манометрами типа ОБМ.

Процесс СК-экстракции на экспериментальной установке происходит следующим образом: предварительно измельчённое растительное сырьё загружается в контейнер, который устанавливается в экстрактор 3 таким образом, чтобы исключить байпасирование экстрагента между стенками экстрактора и контейнера. После герметизации экстрактор и система сбора продукта продуваются газообразным СО2 для удаления воздуха.

Жидкий диоксид углерода сжатый плунжерным насосом 1 до давления 8…60 МПа, проходит через испаритель 2, где  переходит в сверхкритическое состояние (Р1 = 8…60 МПа и t1 = 35…70 оС) и подаётся в нижнюю часть экстрактора 3. Пройдя через слой растительного сырья сверхкритический диоксид углерода, извлекает растворимые компоненты (облепиховое масло) и выводится из верхней части экстрактора. При прохождении через дроссельный вентиль 4  давление и температура СК-СО2 снижаются ниже критических параметров (Р2=6,0…6,5 МПа и t2 = 20…30оС) и диоксид углерода из сверхкритического состояния переходит в газообразное. В сепараторе 6 происходит осаждение растворённого в СК-СО2 облепихового масла. Газообразный диоксид углерода ожижается в блоке конденсаторов 7, сжимается до рабочего давления плунжерным насосом 1 и цикл повторяется.

Основные технические характеристики экспериментальной установки:

объём экстрактора – 0,5 л; объём сепаратора – 0,59 л; максимальное давление – 60 МПа; максимальная температура – 70°С; максимальный удельный расход экстрагента – 70 кг СО2/(кг*час).

Основные параметры, контролируемые в ходе эксперимента:

  •          давление и температура на входе и выходе из экстрактора
  •          давление и температура в сепараторе
  •          удельный расход экстрагента

Рис. 1   Экстрактор высокого давления.

1 – корпус экстрактора;   2 – крышка;   3 – гайка;   4 – уплотнительное О-образное кольцо;   5 – пружина;   6 – контейнер с навеской сырья;   7 – газораспределительная решётка.

А – ввод газа;   Б — вывод газа;   В – штуцер для присоединения манометра;

Г — штуцер для резистора сопротивления.

 

Рис. 2   Схема экспериментальной установки для проведения экстракции сверхкритическим СО2.

1 – плунжерный насос высокого давления;   2 – испаритель;   3 – экстрактор;   4 – дроссельный вентиль; 5 – подогреватель;   6 – сепаратор;   7 – блок конденсаторов;   8 – регулирующий клапан;   9 – буферная ёмкость; 10 – запорно-регулирующий вентиль.

10000
9
8
7
6
5
4
3
2
1

 

Рисунок  Внешний вид экспериментальной установки для проведения экстракции сверхкритическим СО2. (со снятым защитным кожухом)

1 – плунжерный насос высокого давления;   2 – испаритель;  3 – экстрактор;   4 – дроссельный вентиль; 5 – подогреватель;  6 – сепаратор;   7 – блок конденсаторов;   8 – регулирующий клапан;   9 – буферная ёмкость; 10 – запорно-регулирующий вентиль