Киселёва Татьяна Федоровна Кемерово 017 глава аналитический обзор

4.2.3 Изучение возможности применения вибрационного экстрактора
периодического действия для проведения процесса экстрагирования
Настаивание и кипячение в периодическом режиме не позволяет 
обеспечить полное извлечение сухих веществ из продукта. Поэтому, с целью 
улучшения технологического процесса, для снижения потерь сухих веществ в 
сырье и сокращения времени экстракции, были проведены исследования по 
экстрагированию в поле низкочастотных механических колебаний с 
использованием вибрационного экстрактора [87].
Для проведения экспериментальных исследований, направленных на 
изучение 
процесса 
экстрагирования, 
использовался 
виброэкстрактор 
емкостного типа. Данная установка была изготовлена в лаборатории кафедры 
«Машины 
и 
аппараты 
пищевых 
производств» 
Кемеровского 
технологического института пищевой промышленности (университет) [77].
Схема установки, 
на которой 
проводились 
экспериментальные 
исследования, представлена на рисунке 4.6.
85

---

86
Рисунок 4.6 - Лабораторный вибрационный экстрактор периодического
действия
1-цилиндрический корпус , 2- плоское днище, 3- устройство ввода фаз, 4- 
шток, 5 - тарелка, 6 - кривошипно-шатунный механизм, 7- устройство 
вывода фаз, 8- патрубок для отбора проб.
Для исследования кинетики экстрагирования сушеных яблок водой 
использовался лабораторный емкостной экстрактор с вибрационной насадкой. 
Аппарат выполнен в форме цилиндрического теплоизолированного сосуда (1) 
диаметром 145 мм и объемом рабочей камеры 3 литра. В сосуде соосно 
установлен шток (4), совершающий возвратно-поступательное движение в 
вертикальной плоскости. На штоке закреплена вибрационная насадка (5), 
выполненная в форме перфорированного диска диаметром 140 мм, с 
площадью живого сечения 16,5 %. По периферии насадки устанавливалась 
отбортовка высотой 13 мм направленная к днищу аппарата. Отбортовка

---

обеспечивала формирование направленных струй, а также уплотнение зазора 
между вибрационной насадкой и стенкой аппарата, величина которого не 
превышала 2 мм на сторону. Расстояние от дна аппарата до насадки 
составляло 80 мм. Возвратно-поступательные движения штоку сообщаются от 
электродвигателя постоянного тока ПЛ-072, при помощи кривошипно­
шатунного механизма (6), с изменяемой длиной кривошипа. Двигатель 
включен в питающую сеть, через лабораторный автотрансформатор, 
обеспечивающий реостатное регулирование частоты вращения якоря.
Экспериментальные исследования проводились следующим образом: в 
предварительно прогретый аппарат засыпалась навеска сушеных яблок 
измельченных на мясорубке с диаметром отверстий решетки 8 мм, массой 250 
г. Заливалась вода с заданной температурой в количестве, соответствующем 
гидромодулю 1 : 10 (на основании ранее проведенных исследований), после 
чего включался привод насадки и начинался отсчет времени. В течение 
первых пяти минут через каждые 30 секунд, а далее 
каждую минуту, 
отбирались пробы экстракта, в которых определялось содержание сухих 
водорастворимых 
веществ. 
Эксперимент 
продолжали 
до 
достижения 
максимальной концентрации сухих водорастворимых веществ в пробе, 
которая при заданном гидромодуле со став и л а 6,7 %. Частота колебаний 
насадки 
соответствовала частоте 
вращения 
вала двигателя, 
которая 
измерялась тахометром ТЧ-10Р, классом точности 1. Измерение мощности 
потребляемой электродвигателем проводили ваттметром Д 5016 с классом 
точности 0,2 [76].
Для 
сравнения 
кинетических 
закономерностей 
процесса 
экстрагирования в аппарате с вибрационной насадкой за стандартный метод 
выделения сухих водорастворимых веществ использовали метод кипячения с 
перемешиванием, при этом отсчет времени начинался с момента закипания.
На первом этапе экспериментальных исследований определялось 
влияние температуры процесса на выход сухих водорастворимых веществ. 
Эксперимент проводились при постоянных значениях амплитуды и частоты
87

---

колебаний насадки соответственно - А = 6 мм, и n = 16,7 Гц. Форма отверстий 
перфорации - цилиндрическая, с диаметром отверстий 3 мм и высотой 2 мм.
Кинетическая зависимость выхода сухих водорастворимых веществ из 
сушеных яблок в аппарате с вибрационной насадкой (рис. 4.7) имеет 
нелинейный характер. На этих кривых имеются участки роста и участки 
постоянной 
концентрации 
сухих 
водорастворимых 
веществ, 
что 
свидетельствует о нестационарной кинетике процесса. Так при температурах 
50 и 60оС, а также при кипячении наблюдается значительное замедление 
выхода сухих водорастворимых веществ в период с 2 до 5 мин, что 
объясняется 
протеканием 
процесса 
набухания 
твердых 
частиц, 
сопровождаемого увеличением их геометрических размеров, а также 
процессов десорбции, наблюдаемых в мертвой клетке после проникновения в 
нее экстрагента. Аналогичный процесс при температуре 30оС наблюдается в 
период с 3 до 7 мин, что говорит о целесообразности проведения процесса при 
повышенных температурах.
При анализе кривых, полученных при 50 и 60оС следует отметить, что 
максимальный выход экстрактивных веществ наблюдается по истечении 11 
минут и составляет 6,8%, однако затраты энергии на создание и 
поддерживание заданной температуры в первом случае (при температуре 
50оС) будут ниже. 
Кроме этого, при данной температуре практически не 
происходит разложение термолабильных веществ (рисунок 4.7)
Анализируя кривую извлечения при кипячении системы, следует 
сказать, что, несмотря на значительное ускорение диффузионных процессов 
внутри частиц твердой 
фазы, 
вследствие значительного 
повышения 
температуры, скорость извлечения и общий выход сухих водорастворимых 
веществ будут ниже значений, полученных в аппарате с вибрационной 
насадкой. Это можно объяснить значительным внешним диффузионным 
сопротивлением 
на 
поверхности 
частиц, 
а 
также 
отсутствием 
их 
диспергирования в процессе экстрагирования, что говорит о целесообразности 
использования предложенного метода. Таким образом, рекомендуемая
88

---

температура проведения процесса экстрагирования сушеных яблок в аппарате 
с 
вибрационной 
насадкой 
составляет 
50оС. 
Все 
последующие 
экспериментальные исследования были проведены при этой температуре.
89
О 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 11 12 13 14 15 16 17 
18 19 20 21
продолжительность обработки, мин
» экстрагирование при 30 оС 
Я экстрагирование при 50 оС 
А экстрагирование при 60 оС 
)( кипячение
Рисунок 4.7 - Кинетика экстрагирования сухих водорастворимых 
веществ при различных температурах процесса
Помимо сушеных яблок, кинетику извлечения растворимых сухих 
веществ определяли и в других сухофруктах, таких как: курага, чернослив, 
изюм и шиповник, измельченные на волчке с диаметром отверстий 8 мм, при 
гидромодуле 1:10 (параметры приняты на основании ранее проведенных 
исследований).
Кинетика извлечения водорастворимых сухих веществ из кураги в 
аппарате с вибрационной тарелкой имеет нелинейный характер. На этих 
кривых имеются участки роста и участки постоянной концентрации сухих 
водорастворимых веществ. Так при температуре 50оС, следует заметить, что 
рост извлечения сухих веществ и полное насыщение раствора наступает с 8 по

---

14 минуту. При кипячении же кривая возрастает монотонно. Это говорит о 
том, что структура данного сырья плотная, способность к пропусканию 
экстрагента в поры мала. Поэтому целесообразно интенсифицировать процесс 
массоотдачи от частиц к экстрагенту с помощью аппарата с вибрационной 
тарелкой. 
Стоит 
отметить, 
что 
при 
анализе 
кинетики 
извлечения 
водорастворимых сухих веществ из чернослива, показатели были идентичны 
показателям кинетики извлечения сухих веществ кураги (рис. 4.8).
90
Рисунок 4.8 - Кинетика извлечения водорастворимых сухих веществ из
кураги и чернослива
Процесс извлечения сухих веществ из кураги и чернослива, с помощью 
виброэкстрактора, описывается уравнением (4.8), методом кипячения (4.9)
Y=6E - 05x5 -0 ,0 0 3 1x4 +0,0632x3 - 0,5911x2+2,7531x+0,1091 
(4.8)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,989,
Где Y - массовая доля сухих веществ, %
X - продолжительность экстрагирования при температуре 50°С 
Y=5E - 05x5 -0,003x4 +0,0635x3 - 0,6183x2+2,7471x+0,0878 
(4.9)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,988,

---

Где Y - массовая доля сухих веществ, %
X - продолжительность экстрагирования при температуре 100°С 
Кинетика извлечения водорастворимых сухих веществ из изюма 
представлена на рисунке 4.9. Исходя из полученных данных, можно сказать, 
что в изюме при температуре 50оС полный выход экстрактивных сухих 
веществ осуществляется по истечении 12 мин. Это объясняется тем, что в 
изюме проницаемость клеточных мембран достаточно высока, поэтому 
проникновение экстрагента в клетки происходит быстро. Таким образом, 
скорость извлечения и общий выход сухих водорастворимых веществ будут 
выше.
91
Рисунок 4.9 - Кинетика извлечения водорастворимых сухих веществ из
изюма
Процесс 
извлечения 
сухих 
веществ 
из 
изюма, 
с 
помощью 
виброэкстрактора, описывается уравнением (4.10), методом кипячения (4.11).
Y=5E - 05x5 -0,0025x4 +0,0514x3 - 0,5069x2+2,6512x+0,1374 
(4.10)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,984,
Где Y - массовая доля сухих веществ, %

---

X - продолжительность экстрагирования при температуре 50°С 
Y=7E - 05x5 -0,0038x4 +0,0744x3 - 0,657x2+2,7868x+0,1164 
(4.11)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,988,
Где Y - массовая доля сухих веществ, %
X - продолжительность экстрагирования при температуре 100°С 
При кипячении сырья с 10 по 20 минуту концентрация растворимых 
сухих веществ близка к концентрации сухих растворимых веществ, 
полученных с применением аппарата с вибрационной тарелкой. Это также 
объясняется хорошей проницаемостью клеточных мембран данного вида 
сырья, но следует отметить, что при этом разрушаются термолабильные 
вещества, а также данный способ является более энергозатратным. Таким 
образом, оптимальным решением поставленной задачи является получение 
экстрактов из изюма с использованием виброэкстрактора.
Исследуя кинетику извлечения экстрактивных веществ из шиповника, 
можно 
заключить, 
что 
результат, 
полученный 
с 
применением 
виброэкстрактора, 
оказался 
лучше, 
чем 
при 
традиционном 
способе
92
Рисунок 4.10 - Кинетика извлечения водорастворимых сухих веществ из
шиповника

---

Процесс извлечения сухих веществ из шиповника, с помощью 
виброэкстрактора, описывается уравнением (4.12), методом кипячения (4.13).
Y=6E - 05x5 -0,0034x4 +0,0682x3 - 0,6219x2+2,7815x+0,1371 
(4.12)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,982,
Где Y - массовая доля сухих веществ, %
X - продолжительность экстрагирования при температуре 50°С 
Y=4E - 05x5 -0,0027x4 +0,0587x3 - 0,5885x2+2,6803x+0,0764 
(4.13)
Величина достоверности аппроксимации, R2=0,991,
Где Y - массовая доля сухих веществ, %
X - продолжительность экстрагирования при температуре 100°С 
Таким образом, в кураге и черносливе в течение 14 минут происходит 
максимальный выход экстрактивных веществ, содержание сухих веществ 
составляет 6,9 % и 6,8 % против 6,3% и 6,2% по классической технологии, 
соответственно. Так, что касается изюма, то 12 минут в данном случае 
составляет 
продолжительность 
экстрагирования, 
содержание 
сухих 
водорастворимых веществ достигает при этом значения 7,4 % (против 6,7%). 
В шиповнике извлечение экстрактивных веществ происходит быстрее, в 
течение 7 минут, при содержании сухих веществ 2,3% против 2,1% по 
традиционному способу с использованием кипячения.
Также 
проводили 
исследование 
гидродинамического 
режима 
в 
реакционном 
пространстве 
аппарата. 
Его 
необходимо 
начинать 
с 
исследования влияния параметров колебаний вибрационной насадки, а 
именно частоты и амплитуды колебаний. Анализ литературных данных не 
позволил найти обобщенный параметр, учитывающий совместное влияние 
этих факторов на процесс экстрагирования. Поэтому следует проводить