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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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