Киселёва Татьяна Федоровна Кемерово 017 глава аналитический обзор

1.4Основные процессы экстрагирования и их расчет
Экстрагирование - это метод выделения одного и нескольких 
составляющих из твердого тела при помощи растворителя. Растворитель же 
имеет возможность растворять именно те компоненты, которые нужно
37

---

выделить. Экстрагирование напрямую подчиняется законам массообмена, так 
как имеет отношение к переносу веществ в каждой из фаз и из одной фазы в 
другую [2].
Движущая сила процесса экстрагирования - это разница концентраций 
экстрагента в жидкости, которая заполняет поры твердых тел, а также в 
основной массе экстрагируемого вещества, которая взаимосвязана с 
наружностью твердых частиц.
Принцип экстрагирования заключается в том, что экстрагент проникает 
в поры сырья, после чего происходит растворение одного или нескольких 
целевых компонентов, экстрагируемое вещество переносится из глубин 
твердых частиц плодов к наружному разделу фаз: в нескольких случаях 
процесс протекает при помощи молекулярной диффузии, но при осложнении 
данного процесса - такими явлениями как растворением, набуханием и др., то 
есть при помощи массопроводности, после чего вещество перемещается от 
наружного раздела фаз в глубину экстрагента с помощью массоотдачи [3].
Итак, на последних стадиях извлекаемое вещество переносится при 
помощи молекулярной и конвективной диффузии.
Закон Фика - это закон молекулярной диффузии:
j = - D х ( d c / d n ) , 
( 1 4 )
где j - плотность диффузионного потока;
Л
D - коэффициент молекулярной диффузии, м /с ;
d ^ d n - градиент концентрации на поверхности dF выделенной в 
пространстве.
Тем не менее, закон Фика работает лишь только при стационарной 
диффузии. При экстрагировании из твердых тел идет процесс нестационарной 
диффузии, это означает, что поля концентрации постоянно меняется, а это 
значит, что уравнением (1.4) невозможно определить количество веществ,
38

---

перешедших через наружность тела во внешние среды. Интегрируя уравнение 
нестационарной диффузии (1.5), решение данной задачи является возможным
39
На заключительной стадии экстрагирования вещество переносится при 
помощи конвективной диффузии. Этот процесс достаточно сложен, но в 
простом виде записывается как уравнение массоотдачи (1.6):
где j - плотность диффузионного потока;
Р - коэффициент массоотдачи, м/с;
С ’ - концентрация основного компонента в экстрагенте, % масс 
СП - концентрация извлеченного вещества на поверхности твердого 
тела, % мас.; [2].
Не только движущая сила процесса определяет темп экстрагирования, 
но и диффузионное сопротивление на каждой его стадии. Тем не менее, 
сложностью является то, что на скорость экстрагирования оказывают влияние 
многие факторы, но также некоторые из факторов, которые увеличивают темп 
процесса на одной стадии, тормозят его на другой. Вся скорость 
экстрагирования имеет зависимость от сопротивлений именно на том этапе, 
когда скорость переноса веществ наименьшая.
Таким 
образом, 
если 
измельчить 
материал, 
то 
увеличивается 
наружность раздела фаз, при этом уменьшается внутреннее сопротивление 
диффузии, это может ускорить процесс экстрагирования. В этом есть и минус
- слой измельченного материала может стать очень плотным, это приводит к 
ухудшению контакта частиц со взаимодействующим экстрагентом, что может 
способствовать неравномерному процессу в отдельных частях слоя частиц и, 
таким образом ухудшать массообмен от частиц к жидкости, а это значит 
тормозить другой этап процесса. Вся скорость экстрагирования при разных
д 2 с 
д 2 с д 2 с
------- 1--------- 1------- )
д х 2 
д у 2 
d z 2
(1.5)
j = в х (C 
п
- C )
(1.6)

---

степенях измельчения может уменьшаться. Помимо этого, при измельчении 
затрудняется отделение жидкости и твердых частиц, при этом требуются 
значительные 
энергетические 
затраты, 
влияющие 
на 
эффективность 
экстрагирования [2, 63].
Повышение массы экстрагента в отношении к массе сырья, так 
называемый гидромодуль, влияет на скорость процесса экстрагирования. При 
увеличении соотношения разницы масс экстрагента и твердых частиц, 
увеличиваются энергозатраты на извлечение целевой составляющей в чистом 
виде при концентрировании, транспортировании жидкости в аппарате. Так как 
это ведет к повышению размера аппарата, то в общем негативно влияет на 
эффективность процесса и оборудования.
Все тепло- и массообменные процессы, со взаимодействующими между 
двумя фазами, выгоднее тогда, когда они проводятся при противотоке данных 
фаз. Но тогда, когда лимитирующая стадия процесса - это массоотдача от 
наружного слоя частиц к экстрагирующей жидкости, может возникнуть 
необходимость в применении перемешивания, псевдоожижениия, вибрации и 
других средствах, приводящих к интенсификации процесса массоотдачи. Но 
также это может привести к замедлению, так как происходит нарушение 
противотока.
Процесс экстрагирования также зависит от способа подготовки сырья. 
Не только дробление или гранулирование могут обеспечить необходимую 
форму, 
дисперсный 
состав 
частиц 
и 
размер, 
но 
и 
увлажнение, 
термохимическая и другой вид обработки сырья, способствующие оказать 
влияние на диффузионные и механические свойства его элементов.
Растительная клетка имеет вид как бы двухслойного мешка, который 
заполнен соком. Клеточная оболочка проницаема для воды и растворенных в 
ней веществ, так как имеет микропористую структуру. Мембрана цитоплазмы 
имеет ультрапористую структуру, отверстия в ней очень малы, поэтому через 
них проходят молекулы малых размеров, таких как молекулы воды. Молекулы 
соли и сахара имеют более крупные размеры, следовательно, через них пройти
40

---

не могут. Так выходит, что мембрана цитоплазмы полупроницаема, и играет 
большую роль при экстрагировании в пищевых производствах [63].
Неповрежденная цитоплазма - полупроницаема, но если воздействовать 
на нее внешними раздражающими факторами, то она будет стараться 
сократить свою поверхность. В этих ситуациях коллоидные элементы 
начинают сближаться друг с другом, слипаться, и создавать условия для 
коагуляции белков, которые составляют большую массу цитоплазмы. 
Коагуляция белковых веществ повышает проницаемость клеток, в результате 
чего сок переходит наружу через образованные поры оболочки, давление в 
клетке понижается. Тем не менее, если раздражение не доходит до 
критической точки, то в случае устранения внешних раздражителей, 
изменения цитоплазмы могут быть обратимы.
Ферментация - наиболее 
эффективный вид обработки сырья. Она 
значительно повышает коэффициент внутренней диффузии. Существуют и 
другие способы обработки сырья, такие как 
ультразвук, ионизирующие 
излучения и механические вибрации [2, 3, 63].
Ультразвук способствует разрушению, дроблению растительной клетки. 
Плодовая мезга обрабатывается ультразвуком с помощью магнитострикторов. 
Эти приборы создают вибрацию под влиянием магнитного поля за счет 
преобразования линейных параметров некоторых материалов (никеля и его 
сплавов). Ультразвуковая обработка увеличивает выход извлекаемых веществ 
на 8-9 %. Тем не менее, увеличение выхода сока достигнет высокого эффекта 
в том случае, если мезгу погрузить в сок из этих же плодов, а это очень 
усложнит процесс. Помимо этого, обработка ультразвуком требует больших 
энергозатрат [1].
Ионизирующее излучение проводится в специальном аппарате -
облучателе, действие таких лучей повышает клеточную проницаемость и 
увеличивает выход сока на 7-10 %. Механические вибрации с частотой 2500­
3000 мин-1 повышают сокоотдачу на 10 %, их производят в вибрационных 
установках.
41

---

Обрабатывая мезгу переменным электротоком можно значительно 
увеличить содержание антоцианов в экстракте. При обработке происходит 
мацерация тканей кожицы, денатурация белков, повышается проницаемость 
оболочки клеток, перенос их веществ в окружающую среду облегчается. При 
проведении процесса электроплазмолиза, чтобы достичь большего эффекта 
необходимо использовать ток силой 30-75 А. Разные виды плодового сырья 
имеют различную токоустойчивость. Косточковые плоды менее устойчивы к 
воздействию переменного тока, по сравнению с семечковыми [2, 130].
Сильный повреждающий эффект на растительную ткань оказывает 
замораживание. В клетках и между ними создаются кристаллы льда из 
свободной влаги сырья, они занимают объем больше, чем вода. При этом 
происходит разрыв оболочки клетки, она обезвоживается и погибает. Низкая 
температура, как и высокая, способна вызывать денатурацию протоплазмы, 
так в процессе оттаивания замороженных продуктов выделение сока 
происходит легче. Температура заморозки может колебаться от -6 0С до -410С 
[98, 130].
Обрабатывая сырье теплом, в протоплазме его клеток происходит 
денатурация и сжимание, внутриклеточное давление снижается, это 
существенно облегчает выход экстрактивных веществ в окружающую 
жидкую среду. Время размягчения мезги и температура тепловой обработки 
обратнозависимы. В пределах от 400С до750С продолжительность нагрева 
может составлять от получаса до 15 часов [2, 3, 98, 130].
Вышеперечисленные факторы по-разному могут влиять на разные 
этапы процесса экстрагирования и к тому же быть взаимосвязаны. Для того, 
чтобы наиболее полно проанализировать и оценить влияние важнейших 
факторов на разные этапы процесса экстрагирования, необходимо выразить 
эту связанность количественно при помощи определенных математических 
моделей.
Данные 
модели 
позволят 
совместить теоретические 
методы 
с 
экспериментальными. 
Это 
поможет 
найти 
необходимые 
режимы
42

---

осуществления процесса при учете специфики строения сырья, а также 
преобразования 
его 
при 
экстрагировании, 
подобрать 
тип 
аппарата, 
необходимый для каждого вида сырья, рассчитать его параметры.
Основным свойством процесса экстрагирования является то, что 
физические особенности сырья в данном процессе значительно изменяются, 
это оказывает влияние на основные этапы экстрагирования. В лабораториях, а 
также в промышленности основной метод анализа и расчета экстрагирования
- это интервальный [2, 3, 63].
Интервальный 
метод 
расчета 
заключается 
в 
следующем: 
по
продолжительности 
весь 
процесс экстрагирования