МАСЛОЭКСТРАКЦИОННОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ВЛИЯНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ И ПОЛНОТУ ЭКСТРАКЦИИ
Влияние степени разрушения клеточной структуры. Изучению івлияния этого фактора на процесс экстракции посвящено много работ как наших [3, 82, 106], так и зарубежных [95, 99, 104] исследователей.
В настоящее время считается установленным, что разрыв клеток и связанное с этим выделение масла на поверхность экстрагируемой частицы облегчает и ускоряет процесс экстракции. Что касается вопроса проницаемости клеточных стенок и диффузии через них масла и растворителя, то здесь мнения расходятся. Одни считают [100, 106], что извлечение масла из целых клеток происходит, однако скорость экстракции весьма невелика, а другие [104], что стенки масличной клетки не проницаемы для масла и для растворителя, но проницаемы для воды. На основании этого они делают вывод, что процесс молекулярной диффузии через стенки клеток не идет и эффект экстракции целиком определяется степенью разрушения клеточной структуры семян.
. Не останавливаясь на величине проницаемости клеточных стенок для растворителя, из цитируемых работ все же можно сделать вывод, что наличие в экстрагируемом материале большого количества целых клеток замедляет процесс экстракции, а потому разрушение клеточной структуры в процессе подготовки масличных семян к экстракции следует считать первоочередной задачей.
Влияние размера частиц. Размер экстрагируемых частиц и их удельная поверхность являются важнейшими факторами процесса экстракции. Однако геометрический размер частицы без учета внутренней структуры ее не всегда может служить критерием для оценки оптимальной величины экстрагируемого материала.
Коут и Вингард [99], проводя экстракцию крупки и лепестков семян /гьна, арахиса, хлопчатника, сои, кукурузного зародыша, техническим гексаном, показали, что толщина сырого лепестка может точно обусловить показатели эффекта экстракции для данного размера, в то время как размер лепестка сам по себе большого значения не имеет. При переработке крупки ядра средний размер ее, определяемый номером сит (схода и прохода), по заключению тех же авторов является также показателем эффективности экстракции.
Обработав результаты своих многочисленных наблюдений и опытов, они нашли, что время экстракции (Т) в минутах, необходимое для получения шрота с масличностью 1% на сухое вещество, находится в такой зависимости от величины экстрагируемой частицы:
Где: D — средний размер частицы в дюймах;
К — отрезок между двумя точками прямой при 1-дюймовой ординате (на логарифмической кривой экстракции);
П — наклон линии (тангенс угла наклона).
Буше [93], основываясь на двупленчатой теории массопередачи и на законе диффузии Фика, дает следующие уравнения для скорости экстракции:
Где: х —концентрация масла в исходном материале;
Xх—концентрация масла в исходном материале при равновесии;
У —концентрация масла в мисцелле; w —вес масла; т —время экстракции;
К —постоянная скорости экстракции (константа скорости); А —поверхность экстрагируемого материала;
Q — плотность экстрагируемого материала; L — толщина экстрагируемого материала; D — коэффициент диффузии.
Как следует из уравнения 2, скорость экстракции и К изменяются обратно пропорционально квадрату толщины материальной частицы (в том случае, если процесс экстракции контролируется диффузией).
Зависимость константы скорости экстракции от толщины экстрагируемой материальной частицы выражена этим исследователем [93] таким уравнением;
Где т и п — постоянные величины.
Для большинства экстрагируемого материала значение п равно 3.
Отмер и Агарвэл [104] придерживаются той точки зрения, что полнота экстракции и скорость экстракции контролируется скоростью проникновения мисцеллы в капиллярную систему и подчиняются законам движения вязкого потока через капиллярную систему; в своих выводах они также указывают на большое влияние удельной поверхности и толщины лепестков сои на скорость экстракции. Согласно их данным скорость экстракции тонких соевых лепестков, составляющих 7з толщины самых толстых, увеличивается в 80 раз.
Однако по нашим исследованиям [82] указанная закономерность не соблюдается при экстракции пористых материалов, например форпрессовых жмыхов. Установлено, что при экстракции форпрессовой крупки хлопковых и подсолнечных семян на. вертикальном шнековом экстракторе масличность частиц шрота, поперечник которых меньше 0,5 мм (проход через сито 0,5 мм), как правило, больше, чем масличность более крупных частиц (с поперечником в 3 мм) или масличность шрота в целом. Это явление мы связываем с тем, что более крупные частицы были более пористыми (имели больше внутренних капилляров) и поэтому обладали большей поверхностью.
Из этого можно сделать и другой вывод, что экстракция масла из масличных семян зависит от потока мисцеллы в капиллярах и подчиняется закону Пуазейля.
Влияние влажности материала. О степени влияния влажности экстрагируемого материала на скорость и полноту экстракции нет до сих пор общепринятого мнения.
А. М. Голдовский (107], изучая изменение скорости диффузии из клеток эпидермиального слоя целых клеток, пришел к выводу, что скорости диффузии масла при экстракции неполярным гидрофобным растворителем по мере увеличения влажности семян резко снижаются.
Нашими исследованиями [108] было показано, что при экстракции в батарейных экстракторах сырой подсолнечной мятки масличность шрота увеличивается при увеличении влажности мятки, а при непрерывной экстракции методом орошения [109] уменьшение влажности экстрагируемого материала ниже 6% не дает при прочих равных условиях заметного снижения масличности шрота.
В зарубежной литературе также есть указания [103], что с увеличением влажности сырых лепестков арахиса и сои скорость экстракции уменьшается. Однако по некоторым наблюдениям [110] скорость экстракции (трихлорэтиленом) сырых соевых лепестков в интервалах влажности их от 0 до 10% изменяется незначительно. Наряду с этим другие исследователи [111, 112] показали, что при определении масличности соевых семян количество извлекаемого жира увеличивалось при увеличении влажности семян от 3 до 12% и от 11,4 до 23,4%.
В последнее время преобладает мнение о существовании оптимальной влажности материала, при которой скорость экстракции максимальна.
Арнольд [113], например, для сырых соевых лепестков считает оптимальной влажностью 14% (гексан), для сырых хлопковых лепестков — 4,3 % ■
Влияние температуры. Влияние температуры на эффект экстракции начинает сказываться в процессе тепловой подготовки масличных семян к экстракции (во время жарения и прессования) и при непосредственной экстракции (прокачке). Известно положительное значение жарения в формировании внешней и внутренней структуры подсолнечной мезги., Затруднения при экстракции сырой подсолнечной мятки в батарейной экстракции были разрешены переходом на экстракцию жареной мятки. Агрегирование в процессе жарения алейроновых зерен, образование денатурированных корочек на поверхности частиц позволили уменьшить слеживание мезги в экстракторе, а следовательно, улучшить прокачку.
Д'Акуин [115] и другие исследователи считают, что поджаривание сырого лепестка перед экстракцией повышает стойкость лепестка (делая его хрустящим, неслеживающимся) и улучшает условия дренажа и промывки его на план-фильтре и этим определяет высокий эффект предложенного ими способа фильтрация—экстракция.
Наша работа [114] по выяснению влияния режима подготовки мезги подсолнечных семян на скорость и полноту извлечения масла показала, что при экстракции жмыхов однократного форпрессования в виде лепестков толщиной 0,5 мм мягкого и среднего (нормального) режима наилучший эффект экстракции оказался у жмыхов, приготовленных по нормальному (согласно действующим инструкциям^ режиму. При этом (рис. 26) Ц/Ц о (q0 — содержание масла в исходном жмыхе, a q—то же, по прошествии 60 минут экстракций) равно 0,0795 против 0,1054 для мягкого режима.
Что касается вопроса влияния температуры на непосредственную экстракцию растворителем, то бесспорно, что повышение температуры экстракции положительно влияет на скорость и полноту извлечения масла.
При этом исходят из общеизвестного факта, что при повышении температуры увеличивается скорость диффузии за счет усиления беспорядочного теплового движения молекул диффундирующего вещества и за счет снижения вязкости растворителя и масла.
Вингард и Филипс [116], проводившие многочисленные лабораторные опыты по изучению влияния температуры (в пределах до 66°) на эффект извлечения масла, дают такую математическую зависимость времени экстракции. от температуры процесса:
Где: 0 — время, необходимое для получения масличности шрота в 1% на сухое вещество; t — температура в градусах Фаренгейта;
К—ордината, приходящаяся на 1°;
П — наклон линии (тангенс угла наклона линии, связывающей 8 и п — отрицательная величина.
Эти авторы дают и соответствующую номограмму. На основе полученных данных ими было сделано заключение, что время (в минутах), необходимое для получения масличности шрота в 1%-, обратно пропорционально квадрату температур.
А. Г. Нещадим [117] указывает, что повышение температуры растворителя (бензина) при работе на шнековом экстракторе до 80—85° дало снижение масличности шрота на 0,2—0,15%.
Влияние скорости и режима движения мисцеллы. Вопросу влияния скорости и режима движения мисцеллы на эффект извлечения масла были посвящены работы экстракционной лаборатории ВНИИЖа [118]. Было установлено, что для частиц с эффективным диаметром от 0,5 до 1,6 мм в шнековом экстракторе при обычном режиме прокачки движение мисцеллы турболизовано. Для частиц размером 0,25 мм и меньше возможен только ламинарный режим. Этим, между прочим, объясняется меньшая масличность частиц шрота размерами от 0,5 до 1,6 мм. Так, при масличности шрота в целом 1,55% масличность частиц размерами в поперечнике менее 0,25 мм составила 1,84%.
Основываясь на этих данных, рационально предусмотреть рециркуляцию мисцеллы с тем, чтобы, увеличив количество прокачиваемого растворителя, создавать турболизованный или турбулентный режим движения жидкости в аппарате.
Влияние количества прокачиваемого растворителя на остаточную масличность шрота. Влияние количества свежего растворителя на остаточную масличность шрста сказывается по-разному в зависимости от способа экстракции. Так, при экстракции способом погружения для получения масличности шрота 0,8—1% оптимальное отношение растворителя и экстрагируемого материала колеблется в пределах 2—1,6:1, а при экстракции способом многократного орошения 1,0—0,3 : 1. При этом на промежуточных ступенях, благодаря рециркуляции, соотношение мисцеллы и экстрагируемого материала доходит до 6—8,0 : 1.