Кінетика екстрагування олії з насіння амаранту гібриду (Amaranthus hibrydus)

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню механізму та кінетики процесу екстрагування олії з насіння амаранту гібриду. Показано, що процес екстрагування олії з неподрібненого насіння амаранту проходить дуже повільно і лімітується внутрішньою дифузією. У випадку вилучення олії з подрібненого насіння процес проходить за змішаним (зовнішньо- та внутрішньодифузійним) механізмом. Досліджено вплив температури, степені подрібнення сировини та природи екстрагента на кінетику процесу екстрагування. Встановлено оптимальні умови проведення процесу екстрагування олії. Подано математичні моделі, які дають змогу встановити існування різних механізмів екстрагування цільових компонентів з пористих структур, які визначають швидкість всього процесу: а) внутрішньодифузійний механізм; б) зовнішньодифузійний механізм; в) змішаний дифузійний механізм; г) змішаний механізм дифузійно хімічної взаємодії. На основі розвязку математичної моделі та експериментальних даних кінетики екстрагування олії з амаранту гібриду оцінено значення коефіцієнту дифузії Dм. Запропоновано новий екстрагент, який оснований на суміші полярного і неполярного розчинників. Розроблені математичні моделі для прямотечійного та протитечійного процесів екстрагування. Розроблено методики для розрахунку екстракторів періодичної дії та запропоновано технологічну схему процесу екстрагування олії. Диссертация посвящена исследованию механизма и кинетики процесса экстрагирования масла из семян амаранта гибрида. Использование новых нетрадиционных растений как источника получения масел для химической, а также для фармацевтической и пищевой промышленности обусловлено наличием биологически активных веществ в этих растениях. Поэтому целевые компоненты, которые изымаются из растительного сырья часто выступают в роли полупродуктов, или готовых продуктов в указанных отраслях промышленности. Важной проблемой, которая определяет технико-экономический прогресс нашей страны, есть проблема связана с энергоресурсами. Это касается обеспечения страны достаточным количеством топлива, которое оценивается миллионами тонн в год. Решение этой проблемы зависит от освоения альтернативных источников энергии, которые можно получить из растительного сырья. К числу таких растений относятся амарант, рапс и другие растения, масло которых может успешно использоваться для изготовления биодизеля. В диссертации представлен экстракционный метод получения масла из семян амаранта гибрида. Использование этого метода позволяет извлечь до 99% масла, что позволяет разработать безотходную технологию. Показано, что механизм извлечения масла из семян амаранта есть очень сложный. На кинетику процесса извлечения влияют такие параметры как степень измельчения, температура и природа растворителя. Степень измельчения сырья значительно влияет на протекание процесса экстрагирования. Показано, что при измельчении семян разрушается внешняя, более твердая, оболочка семян, которая составляет основное сопротивление при извлечении целевых компонентов. Это позволяет растворителю быстрее попадать в основную часть семян и этим самым увеличивать степень извлечения масла. В случае получения масла из неизмельченных семян (dсер=0,7 мм) процесс протекает по внутредиффузионному механизму, в случае измельченных семян (dсер=0,08-0,5 мм), процесс протекает по смешанному (внешне- и внутреннедиффузионному) механизму. Если измельченные семена имеют средний диаметр менше 0,8 мм, про процес будет проходить исключительно по внешнедиффузионному механизму. Исследовано влияние температуры на кинетику экстрагирования масла из семян амаранта и показано что повышение температуры выше 55 ˚С негативно влияет на состав масла. Природа растворителя на кинетику процесса экстрагирования имеет большое влияние. Так как масло есть неполярное вещество, то растворятся оно будет лучше в неполярных экстрагентах. В качестве экстрагентов использовали хлористий метилен, хлороформ, 1,2-дихлоретан, тетрахлоретилен. Показано, что наиболее эффективным растворителем является хлористий метилен (CH2CI2). В некоторых случах хлорпроизводние екстрагенти не соответствуют определенному качеству получаемого екстракта. Поетому был разработан экстрагент, состоящий из смеси полярного (этанол) и неполярного (хлористий метилен) органических растворителей. Представлены математические модели, позволяющие установить существование различных механизмов извлечения целевых компонентов из пористых структур, которые определяют скорость всего процесса: а) внутридиффузионный; б) внешнедифузионный; в) смешанный диффузионный; г) смешанный механизм диффузионно химического взаимодействия. На основе решения математической модели и экспериментальных данных кинетики экстрагирования масла амаранта гибрида оценено значение коэффициента диффузии Dм. Разработаны математические модели для прямоточного и противоточного процессов экстрагирования. Разработаны методики для расчета экстракторов периодического действия и предложена технологическая схема процеса экстрагирования масла. This dissertation is based on the research of mechanism and kinetics of oil extraction process from Hybrid Amaranth seeds. It has been shown that the process of oil extraction from unground Amaranth seeds is very slow and limited by inner diffusion. The process runs by the mixed mechanism (external and inner diffusion) in case of oil extraction from ground seeds. The impact of temperature, levels of raw material comminution and nature of extragent on kinetics of extraction process has been researched. Optimal conditions for oil extraction process conduction have been determined. Mathematical models that give the opportunity to identify existence of different target components extraction mechanisms from porous structures have been presented and determine the whole process speed: a) inner diffusion mechanism; b) external diffusion mechanism; c) mixed diffusion mechanism; d) mixed diffusion chemical interaction mechanism. The value of diffusion coefficient (Dм) has been estimated based on the solution of mathematical model and experimental data of oil extraction kinetics from Hybrid Amaranth. New extragent based on the mixture of polar and non-polar solvents has been prepared. Mathematical models for direct flow and return flow of extraction processes have been formulated. Methods for extraction unit calculation of periodical action have been developed, and technological scheme of oil extraction process have been presented.