Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту

Abstract

Досліджено механізм та кінетику екстрагування олії з насіння рослинної амарантової сировини (амаранту мітлистого, амаранту хвостатого та щириці звичайної) органічними розчинниками для різних розмірів зерна. Визначено хімічний склад одержаних олій та основні фізико-хімічні характеристики. Показано, що амарантова олія містить необхідні компоненти для одержання біодизельного пального. Розроблено математичні моделі екстрагування олії з насіння родини Амарантових (на основі фізичних моделей зерна), розраховано кінетичні коефіцієнти, необхідні для математичного опису процесів. Встановлено методи інтенсифікації процесу екстрагування олії з амарантової сировини – метод попереднього подрібнення і термічної обробки. Одержано деклараційний патент на спосіб отримання олії. На основі експериментальних досліджень розроблено технологічні схеми процесу екстрагування олії в умовах періодичного та безперервного процесів.Диссертация посвящена изучению процесса экстрагирования в системе “твердое тело – жидкость” из растительного сырья. Установлены основные подходы к более эффективному извлечению целевых компонентов из растительного сырья. Изучены теоретические аспекты, связанные с извлечением целевых компонентов из растительного сырья. Показано, что экстрагирование целевых компонентов из растительного сырья характеризируется более сложным механизмом массопереноса по сравнению с экстрагированием из минерального сырья вследствие клеточного строения. Раскрыт сложный механизм этого процесса, который заключается в том, что в неизмельченных семенах в результате наличия оболочек и клеточных мембран, которые оказывают сопротивление проникновению целевых компонентов, процесс протекает за внутримолекулярным механизмом. В процессе измельчения разрушаются барьеры на пути проникновения целевых компонентов, в результате скорость процесса увеличивается и механизм процесса протекает за внешнемолекулярним механизмом. С помощью химических методов анализа выделены основные целевые компоненты в амарантовом масле, полученном из различных видов амарантового сырья. Осуществлена идентификация липидных веществ – жиров, свободных жирных кислот и сквалена. Установлено, что полученные растительные масла содержат значительное количество биологически активных веществ, особенно сквалена, который используется для изготовления лекарственных препаратов и в парфюмерии. Для амарантовых масел определены химические характеристики – иодное, кислотное, эстерное числа, число омыления, показатель угла преломления, удельная плотность. Исследованы нелипидные вещества из семян амаранта – пектины, альбумины, глобулины, рибонуклеопротеиды та дезоксирибонуклеопротеиды – и проведена их идентификация. Показано, что амарантовое масло содержит необходимые компоненты для изготовления биодизельного горючего (содержание линолевой кислоты – 45–61 %, пальмитиновой кислоты – 11–20 %, олеиновой кислоты – 16–26 %). Экспериментально исследовано кинетику экстрагирования расти-тельного масла из семян амаранта метельчатого, амаранта хвостатого и щирицы обыкновенной различными растворителями (н-гексаном, бензеном и хлороформом). Показано, что наиболее эффективным растворителем является н-гексан, а наибольшее содержание масла имеет амарант хвостатый. Экспериментальные исследования, проведенные нами, дали возможность установить механизм процесса экстрагирования масла из семян амаранта. Показано, что для неизмельченных семян процесс осуществляется исключительно за внутримолекулярным механизмом. Установлено, что для измельченного сырья процесс экстрагирования масла состоит из двух областей: первый характеризируется быстрым нарастанием концентрации и протекает за законами внешней диффузии, так как большая часть масла находится на поверхности частиц. Второй период характеризируется замедленным нарастанием концентрации, так как доставка целевого компонента на поверхность фазового контакта осуществляется за счет внутренней диффузии, которая определяет скорость процесса в данном интервале времени. Таким образом, анализируя полученные кинетические закономерности, можно считать, что экстрагирование протекает за смешанным – внутренне- и внешнедиффузионным – механизмом. Показано, что метод предыдущего измельчения, а также термической обработки семян приводит к интенсификации процесса экстрагирования масла и увеличения степени его извлечения. Получен декларационный патент на способ получения масла. Разработаны математические модели на основе упрощенных физических моделей семян амаранта, описывающие процесс извлечения масла из названных объектов и дающие возможность прогнозировать процесс экстрагирования в условиях производства. На основании этих моделей определены основные кинетические константы процесса, необходимые для расчета экстракторов. Получено математическую модель экстрактора непрерывного действия, которая позволяет определить кинетический коэффициент при разных соотношениях твердой и жидкой фазы. Показано, что полученная математическая модель адекватно описывает процесс экстрагирования в таком аппарате. Разработано технологическую схему получения целевых компонентов из семян амаранта в условиях периодического и непрерывного процессов. The mechanism and kinetics of extracting the seed oil from the seed of amaranth vegetable raw material (Amaranthus cruentus L., Amaranthus caudatus L., Amaranthus Retroflexus L.) by organic solvents for the different grain sizes were determined. Chemical composition of obtained oils and basic physical and chemical characteristics were determined. It was shown that amaranth oil contains necessary components for the production of biodiesel fuel. The mathematical models of oil extracting from Amaranth family seeds (based on physical models of grain) were developed, and the kinetic coefficients, necessary for the mathematical description of processes, were calculated. The methods of the intensification of the process of oil extraction from amaranth raw material were determined as the prior powdering and the heat treatment. A declarative patent on the method of oil production was obtained. Based on the experimental research the technological process flow diagrams of oil extracting were developed for the batch and the continuous processes.