автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процессов электроразрядного экстрагирования

На правах рукописи

ГОЛОВ Евгений Виссарионович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

Специальность 05. 17. 08 - «Процессы и аппараты химических технологий»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2004

Работа выполнена на кафедре физики и математики Пятигорской государственной фармацевтической академии (ПятГФА)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Кудимов Юрий Николаевич Казуб Валерий Тимофеевич

Шувалов Анатолий Михайлович Набатов Вячеслав Александрович

Ведущая организация:

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), г. Новочеркасск

Защита состоится « » 2004 года в <х ¿г на

заседании диссертационного совета ,3Л212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392620 г. Тамбов, ул. Советская, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

2004 года.

Нечаев В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Извлечение ценных компонентов из растительного сырья является наиболее энергоемким технологическим процессом в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности.

Главным недостатком в традиционных технологиях извлечения целевых компонентов экстрагированием из растительного сырья является низкая эффективность, обусловленная неполным извлечением и продолжительностью процесса, что особо остро ощущается в фармацевтическом производстве лекарственных препаратов. Известные методы интенсификации весьма энергозатратны и не всегда приемлемы из-за высокотемпературных режимов, приводящих к деструкции извлекаемых веществ. Поэтому совершенствование методов интенсификации переработки растительного сырья с целью более полного и быстрого извлечения ценных веществ является перспективной и актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Пятигорской государственной фармацевтической академии 1989-2002 гг. (№№ государственной регистрации 01.89.0085610 и 01.96.0009196).

Цель работы. Изучение механизма интенсификации процессов экстрагирования водорастворимых веществ при воздействии электрического импульсного разряда в жидкости.

Основные задачи исследований. Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

а) исследование влияния концентрации жидкой фазы суспензии на электропроводность и временные характеристики разряда;

б) исследование воздействия на твёрдую фазу суспензий ударных волн, генерируемых кавитационными процессами в начальной стадии разряда;

в) изучение кинетики набухания сырья при разрядном воздействии;,

г) экспериментальное исследование гидродинамических условий в разрядной камере, обусловленных пульсирующей парогазовой полостью; ,

д) исследование кинетики электроразрядного экстрагирования, определение режимных параметров, обеспечивающих интенсификацию процесса и сохранность извлечённых биологически активных соединений (БАС).

Научная новизна работы. Экспериментально исследовано изменение электропроводности жидкой фазы суспензии при многоразрядной обработке электрическими импульсными разрядами. Установлено, что величина удельной электропроводности растет в основном за счет насыщения экстрагента водорастворимыми веществами, а другие явления, имеющие место при разряде в жидкости, такие как термоэмиссия электронов, эрозионный износ электродов, ударная ионизация практически не оказывают влияния.

Впервые выявлен и изучен механизм избирательного измельчения частиц сырья под воздействием ударных волн, генерируемых схлопывающимися кавитационными пузырьками на стадии формирования разряда.

Изучена кинетика диспергирования растительного сырья при изменении энергии импульса напряжения, формирующего разряд, их количества, частоты следования разрядов, величины межэлектродного промежутка и плотности суспензии.

Установлено определяющее влияние турбулентаь1х1д>иьсащ1н жиа1юсти^)бусл0влен-ных релаксацией давления в парогазовой полости, ни

рагирования водорастворимых компонентов.

Спектрофотометрическим и хроматографическими методами исследовано влияние электроразрядной обработки на качество извлеченных компонентов, установлены параметры электроразрядного экстрагирования, обеспечивающие сохранность соединений.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что в ней представлены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие выявить природу кавитации при электрическом разряде в жидкости и пульсации парогазовой полости, обусловливающих высокую турбулентность движения суспензии в рабочей камере. В результате раскрыт механизм интенсификации экстракционного процесса, базирующегося на применении электрических разрядов, инициируемых импульсами напряжения с наносекундными параметрами. Это позволило сократить более чем в 50 раз продолжительность извлечения флавоноидов электроразрядным методом и обеспечить извлечение экстрактивных веществ на уровне 90-95% на Пятигорской фармацевтической фабрике ново-галеновых препаратов.

Результаты работы использованы в Пятигорской государственной фармацевтической академии при разработке лабораторного оборудования для подготовки студентов по курсу технологии получения жидких лекарственных форм - экстрагирование растительного (животного) сырья и при разработке учебно-методических пособий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасск), 2001 г.; на VI Российском научном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва), 1999 г.; на конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета в 1999-2001 гг. (Пятигорск), а также на научных конференциях Пятигорской государственной фармацевтической академии в 1998-2002 гг.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 13-ти работах, включая 2 патента на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 138 страниц текста, 53 рисунка, 23 таблицы, список использованных источников из 95 наименований и 3 приложений.

Содержание работы

Во введении обосновываются характер и задачи исследования, определяется степень его актуальности и научной новизны, даётся общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены проблемы и методы извлечения полезных компонентов из растительного сырья, а также способы их интенсификации. Проведен анализ литературы по электроразрядному способу воздействия на растительное сырье, показано, что, несмотря на раскрытие преимуществ данного способа, кинетика извлечения изучена недостаточно полно, исследователями не выявлен механизм интенсификации экстракционного процесса, что послужило обоснованием задач исследований.

Вторая глава посвящена описанию разработанной экспериментальной техники для исследования процессов электроразрядного экстрагирования: экстракционной камеры (рис. 1); высоковольтной установки, включающей в себя пульт управления, генератор Аркадьева-Маркса и коаксиальную формирующую линию с обостряющим разрядником; разработанной аппаратуры для изучения явлений, сопровождающих развитие электрического разрядаЛ устройств £ля регистрации тока и напряжения. 4

Генератор прямоугольных импульсов позволял получать импульс напряжения амплитудой и=50 кВ с минимальным фронтом Г =5-10~9с, длительностью прямоугольного импульса /и=10"бс.

Экспериментальные исследования времени запаздывания ((} электрического разряда в воде и суспензиях растительного сырья проводились по осциллограммам при варьировании энергии в импульсе до ■ 200 Дж с частотой посылок импульсов 5 имп/с.

Скорость развития разряда V измерялась на специально разработанной установке на базе двух фотоэлектронных умножителей ФЭУ-Зб путем фиксирования светового излучения, возникающего в процессе разряда.

Пробы, для определения рН и оценки удельной электропроводности жидкой фазы суспензии, отбирались из экстракционной камеры после каждой серии из 500 разрядов.

Время зарождения и окончания кавитационных процессов, количество и размер пузырьков определялись экспериментально с применением скоростных методов киносъемки. Дисперсность твердой фазы суспензий анализировали путем размывки продукта на ситах с последующей сушкой и взвешиванием.

Сохранность извлеченных экстрактивных веществ анализировалась с применением спектрофотометрического и хроматографических методов.

В третьей главе приведены результаты исследований механизма электроразрядных процессов в жидкостях и суспензиях. В условиях эксперимента проведены оценки электропроводности воды <тпшга, водородного показателя рН, температуры ТС и скорости развития разряда в жидкости ^^ в зависимости от количества разрядов п, при следующих значениях параметров разрядного контура: амплитуда импульса и=50 кВ; межэлектродный промежуток (МЭП) /= 1,5 мм; разрядная емкость С = 0,4 мкФ (табл. 1).

Табл.;

Изменение скорости развития разрядаУри|) в зависимости от количества разрядов п

Наличие расти

П.НМП С^Ю^ОМ-'ХМ-' рн Л У^Ю^с

0 7,6 18,0

500 6,5 7,62 19,3 0,28

1000 6,6 7,64 20,5 0,31

1500 6,7 7,66 21,8 0,36

2000 6,8 7,68 23,0 0,47

ельног о сырья в воде уж е в на чале процесса элек

троразрядной обра-

ботки приводит к снижению сопротивления промежутка. В объеме камеры накапливается тонкодисперсная твердая фаза, в жидкости увеличивается концентрация извлекаемых водорастворимых веществ, что приводит к увеличению электропроводности (табл. 2), снижая величину сопротивления промежутка по сравнению с исходным состоянием. Это приводит к росту предразрядных токов в жидкости как с поверхности электродов, так и

с поверхности плазменных образований, формируемых в промежутке в процессе пробоя, интенсифицирует тепловые процессы и является причиной деформации формы импульса напряжения, особенно при обработке сырья богатого водорастворимыми комплексами (жом, софора японская).

Табл. 2

Значения удельной электропроводности $ж жидкой фазы суспензий

Ко-'ь но импульсов' 500 1000 1500 2000 2500 РосгОж>%

Тип сырья Шротжаьшеня 'ЮЛ Ом1 см"1 1,25 1,30 1,«) 1,45 1,46 16,8

Листья женьшеня ОДО 0Д2 0,13 0Д4 0,15 50,0

Софора японская 1,40 2,30 2,55 2,60 2,64 86,4

Яблочньйжом 0,78 1,30 1,92 2.55 2,80 258£

С целью оценки доли удельной электропроводности жидкой фазы аж в суммарном значении электропроводности суспензии <тпслн при воздействии электрических импульсов использовали экспериментально полученные данные, а также расчетные и экспериментальные значения низковольтного сопротивления межэлектродного промежутка (МЭП). Полная удельная электропроводность представлена в виде: алолн= сгл+стж, где стд - условная удельная электропроводность, связанная со всеми другими факторами и процессами в МЭП.

Эквивалентное сопротивление рассчитывали по эмпирическому выражению:

где й - диаметр электрода, мм; г - неизолированная часть электрода, мм.

При неизменных значениях I, г ий эквивалентное сопротивление рабочего промежутка зависит только от полной электропроводности жидкой фазы алаи. Для условий эксперимента геометрические размеры электродной системы /=1,5 мм; й=6 мм; г = 4 мм; при этом/? =0,17/<т .

' г зкв ' . полн

Для эффективного проведения процесса экстрагирования, с целью снижения непроизводительных потерь энергии, величина Яжв должна быть не ниже 150 Ом. Исходя из этого, величина полной удельной электропроводности жидкой фазы суспензии, согласно расчетам, должна выдерживаться на уровне 1,4-103 ОмЛсм1, что может быть достигнуто путем выбора времени обработки.

Установлено, что время запаздывания пробоя ?=/(п) характеризует комплекс явлений, присущих процессу формирования разряда. Показано, что зависимость ?=/(п) в интервале 50-И00 разрядов достигает максимума. При дальнейшем увеличении количества разрядов стабилизируется значение (3, а также величина пробивного напряжения, что позволяет определить оптимальную амплитуду импульса напряжения и, с целью снижения потерь энергии в процессе экстрагирования, рекомендовать оптимальный диапазон временных параметров импульса — крутизну фронта (3-ь5)-109с, длительность (0,6Л-0,8)-10"6 с, прямоугольную форму импульса.

Экспериментально показано, что в начальной стадии формирования разряда высокая скорость нитеобразных стримерных каналов вызывает развитие и схлопывание ка-витационных газовых пузырьков.

Каждый пузырек при схлопывании генерирует кратковременный импульс давления который рассчитывали по показателю газосодержания

Ятп - исходный размер зародыша, - максимальный размер пузырька.

Размер активируемого зародыша при быстром вводе энергии 10,5м, а при медленном - 10"*м.-В первом случае 0,016, во втором £ «0,1. Для <5, - Ря« 3«108Па, 62 -Рм « 1,2-106 Па. Длительность этих пиков давления не превышает 1 мкс, что обеспечивает протяженность фазы сжатия в волне « 1 мм, т.е. воздействие этих волн может эффективно дезинтегрировать частицы размером менее 1 мм, что подтверждается результатами гранулометрического анализа (табл.3).

Табл. 3

Гранулометрический анализ фракционного состава

Исходные размеры члстпц сырья. №1 Содерхавв« БАС в сырь«

До экстракции, % После экстракция, %

+1 18.2

+ 0,5 129 12.3

-0.5 0.43 "5

Результаты экспериментальных исследований количества пузырьков в объеме воды, при изменении формы импульса за счет индуктивности разрядного контура, указывают на возможность регулирования процесса. Эксперименты проведены с использованием скоростного фоторегистратора СФР-2М.

Развитие и схлопывание кавитационных газовых пузырьков сопровождается их слиянием в более крупные ансамбли. Явления кавитации сопровождают разрядный процесс до момента замыкания лидерным каналом МЭП. При многоразрядном воздействии эти процессы повторяются, создавая условия для измельчения сырья, включая усталостные нагрузки. По сравнению с обычными жидкостями кавитационные пузырьки, располагаясь, как правило, на поверхности твердых частичек суспензии значительно снижают прочность жидкой фазы на разрыв. Количество, размер и время жизни кавитаци-онных пузырьков зависят от свойств жидкости, но основную роль играет время ввода энергии, т.е. длительность фронта импульса. Здесь наиболее значимо то, что при коротком фронте газовые пузырьки зарождаются в результате формирования канала, тогда как при длительном нарастании напряжения импульса формирование канала происходит по «тепловым» газовым пузырькам, возникающим в результате выделения джоулева тепла от протекания предразрядного тока.

Канал разряда после замыкания МЭП и завершения всех электрических процессов в разрядном контуре, вырождается в пульсирующую парогазовую полость (ПГП) и является источником вторичных кавитационных процессов. Поэтому процессы в жидкости, протекающие непосредственно после ее электрического пробоя, также могут рассматриваться как факторы интенсивного воздействия на растительное сырье.

Гидродинамические характеристики ударных и акустических волн в жидкости не зависят от способа их получения, поэтому для анализа волновых процессов, возбуждаемых ПГП в завершающей стадии, использован подход, разработанный Ю.С. Яковлевым для взрыва химических взрывчатых веществ в воде, но с учетом энерговыделения, характерного для электрического пробоя воды.

Кавитационные процессы при электрическом пробое воды могут возникать в зоне разрежения за фронтом ударной волны, при отражении волны от раздела вода-воздух (свободная поверхность), отражении от акустически жестких поверхностей (стенки и дно камеры), а также при схлопывании парогазовой полости, в которую вырождается

канал разряда в завершающей стадии. Изменение давления на фронте ударной волны

оценивали как: Рт (г, 0 = 0,06 ■

(О2

Л)

. Скорость распространения фронта удар-

ной волны:-

. Характерное время спада давления в точке г, определяли

по эмпирической формуле: 0 =

Полное время спада положительной фазы давления волны до нуля, время существования зоны разрежения, наступающее после прохождения фазы сжатия, рассчитывали по выражениям к-ва и-в= к^ЕТ^ соответственно, где к1 =/(ЬС) и в исследуемом диапазоне к== 1,5*3; к] =/(ЬС) = 2,0+6,0 при 5 мкГ < Ь < 600 мкГ; 0,01 мкФ < С< 0,5 мкФ.

Максимальный радиус ПГП с учетом близости поверхности рассчитывали из выражения:

Л

37-»П

'0,6*

V р» у

, где к - коэффициент, учитывающий близость твер-

ч4лг-Р0

дой поверхности (к = 0,5), г - коэффициент, учитывающий долю энергии единичного

импульса РБ, затрачиваемой на образование и движение ПГП (Т1« 0,4-0,6).

Период пульсации

Средние значения скорости течения

жидкости V определены из условия изменения во времени радиуса полости

время достижения максимального размера;

время начала развития ПГП; Я - радиус полости; / - величина МЭП.

Экспериментальные оценки максимального радиуса ПГП и времени его достижения, проведенные по скоростным кинограммам, дают хорошее совпадение с расчетными величинами.

В начале расширения ПГП жидкость ускоряется, достигая 40 м/с, затем скорость её резко спадает. При росте полости до максимальных размеров, жидкость перемещается между стенкой рабочей камеры и границей полости со средней скоростью 1 -3 м/с. Уменьшение диаметра рабочей камеры увеличивает среднюю скорость движения жидкости.

Пульсация ПГП в жидкости обусловливает формирование волн сжатия-разрежения, размеры которых соизмеримы с протяженностью фронта акустических волн и создают

высокую турбулентность движения суспензии в рабочей камере. Это является дополнительным ИЗСЖИЮМ измельчения твердой фазы и активатором диффузионных процессов при экстрагировании из клетки и межклеточного пространства растительного сырья.

Анализ временных характеристик и амплитудных значений напряжений и предраз-рядных токов, полученных в результате детальной расшифровки осциллограмм электрического пробоя воды и суспензий, позволил объяснить один из важных аспектов развития процессов в жидкости - тепловые явления в межэлектродном промежутке, вызванные токами проводимости.

Выявлены принципиальные отличия в разрядных процессах инициируемых импульсами напряжения с различной крутизной. Так в начальной стадии многоразрядного воздействия, инициируемого пологими импульсами напряжения, на водные суспензии лекарственного растительного сырья происходит насыщение их пузырьками газа, за счет локального вскипания жидкости в местах высокой напряженности поля. В этот промежуток времени вероятность формирования канала по газовым включениям возрастает.

Установленное качественное отличие динамики разрядного процесса заключается в том, что при импульсах с высокой крутизной фронта ионизационный процесс, определяющий длительность запаздывания разряда, начинается непосредственно с момента приложения напряжения. Предразрядный ток имеет место в МЭП в течение короткого промежутка времени, равного длительности фронта импульса. Поэтому искажение фронта импульса (вытягивание фронта) незначительно, посадка амплитуды импульса не превышает 2-3%. Это обусловливает более высокую напряженность электрического поля в МЭП, более высокую скорость развития стримерных каналов и, соответственно, скорость формирования локального канала разряда.

В четвертой главе исследованы процессы, предшествующие экстрагированию. Процесс подготовки растительного сырья к экстрагированию, кроме стадии измельчения, традиционно предусматривает и стадию замачивания, в течение которой сырье пропитывается экстрагирующей жидкостью. Этот процесс занимает от 2-х до 8-и часов и зависит не только от степени измельчения сырья, температуры, скорости проникновения жидкости внутрь частицы, но и от наличия потока жидкости, тормозящего процесс диффузии веществ к поверхности. т10->,«г При воздействии разрядов на сырье продольного,

поперечного и заводского измельчения процесс набухания частиц завершается в течение 20-30 с, т.е. время, потраченное на их замачивание, примерно в 150 раз меньше времени, необходимого для традиционного замачивания, а вид измельчения, при одинаковой крупности сырья, практически не оказывает существенного влияния (рис. 2).

Важная роль в увеличении скорости замачивания 'О " 15 20 23 30 » , растительного сырья при разряде в жидкости, принад-Вид измельчения лежит турбулентному перемещению суспензии, под

А • Заводское ♦ • Поперечное Продольное

воздействием кавитационных процессов и пульсаций Рис. 2. Кинетика набухания • парогазовой полости.

частиц сырья Микроскопический анализ частиц сырья, подвер-

женных замачиванию под воздействием электрических

разрядов, показал, что независимо от вида исходного сырья, частицы подвергаются большему расщеплению вдоль волокон, чем поперечному разрыву, из-за более слабых меха-ническнх связей между растительными тканями в продольном направлении.

В пятой главе экспериментальным путем установлены траектория канала разряда, изучены гидродинамические условия в электроразрядном экстракционном аппарате.

Показано, что внутри неоднородного диэлектрика, при приложении импульсного электрического поля в областях расположения неоднородностей, имеют место повышенные напряженности. Наличие неоднородностей в средах приводит к отклонению траектории канала разряда от минимально возможного пути (кратчайшего) при их электрическом импульсном пробое в резконеравномерном поле. Траектория канала разряда в таких системах ориентируется на области максимальных напряженностей поля и имеет избирательный характер. Чем больше отличие в диэлектрических проницаемостях жидкости и твердого тела, тем выше вероятность прохождения траектории-канала через твердую частицу и тем значительнее зона поражения включений.

Зона влияния неоднородности на траекторию канала разряда зависит от степени неравномерности поля, соотношения диэлектрических проницаемостей «матрица-включение» (характерном для случая применения воды с диэлектрической проницаемостью £=81) и может захватывать область диаметром до трех размеров МЭП.

В шестой главе исследована кинетика экстрагирования и влияние электроразрядного воздействия на сохранность извлекаемых соединений. Изучены: показатели процесса электроразрядного экстрагирования при варьировании параметров источника импульсов, количества разрядов, соотношения твердого вещества и жидкости в суспензии, длиной межэлектродного промежутка в экстракционном аппарате; сохранность веществ, извлеченных из растительного сырья при электроразрядной обработке.

Выбор оптимальных параметров электроразрядного экстрагирования растительного сырья проведен по максимальному извлечению экстрактивных веществ, определяемому по сухому остатку с применением стандартных методик после центрифугирования и выпаривания пробы.

Масса извлеченных биологически активных веществ по отношению к массе растительного сырья в пересчете на 1л суспензии в зависимости от числа разрядов при варьировании энергией единичного импульса, увеличивается наиболее интенсивно при изменении времени обработки от 40 до 70 с (200-350 разрядов) (рис. 3). Дальнейшая обработка приводит к незначительному росту массы извлекаемых веществ, с последующим ее снижением.

В начальной стадии процесса интенсивный рост-зависимости 1=[(п,С) может быть связан с отделением слабосвязанных частиц сырья и смывом экстрактивных веществ с их поверхностей.

Установлено, что увеличение энергии, выделяемой в канале за счет накопительной емкости С и количества разрядов в суспензии п, приводит к увеличению массы швлеченных веществ за счет скорости расширения парогазовой полости, в кото-

10

рую канал разряда вырождается в завершающей стадии, скорости движения жидкости на границе парогазовой полости и скорости потока жидкости между границей парогазовой полости и стенкой рабочей камеры. Многократные воздействия этих факторов обеспечивают высокую турбулентность потока, интенсифицируют диспергирование твердой фазы суспензии, в результате чего активизируются процессы как массопередачи, так и массоотдачи, что в целом обеспечивает интенсификацию процессов экстрагирования из твердой фазы. Однако, увеличение разрядной емкости «С» приводит не только к увеличению выделяемой впоследствии в разрядном контуре энергии, но и к росту разрядного тока, протекающего через канал и обусловливающего интенсивный нагрев среды, что приводит к активизации электрохимических процессов, чем и объясняется снижение количества извлекаемых веществ. Зарядную емкость генератора импульсов следует ограничить величиной 0,4 мкФ. Это при разрядном токе порядка З-г-4 кА обеспечивает оптимальный режим экстрагирования.

Показано, что при увеличении массы твердой фазы в суспензии ухудшаются процессы экстрагирования за счет увеличения вязкости среды и, как следствие, увеличения диссипативных потерь энергии и уменьшения кавитационного воздействия на твердую фазу суспензии.

Анализ кинетики извлечения флавоноидов из плодов софоры при изменении МЭП показал, что функция 1=/(<1) при Щ,=соп£Л; имеет оптимум в связи с тем, что с ростом МЭП уменьшается плотность энергии по длине канала за счет роста сопротивления промежутка и падения напряжения на искре (рис. 4).

Эксперименты с использованием сой-бобов для получения соевого молочка и ферментов, при параметрах импульса 11= 27 кВ, С=0,4мкФ,/=1,5мм,Т:Ж= 1:10 в диапазоне изменения количества разрядов от 200 до 500 показали, что кинетика накопления белков в растворе при обработке сои- бобов аналогична кинетике извлечения флавоноидов из плодов софоры.

Показано, что при электораз-рядном экстрагировании сои-бобов выход белка и трипсина возрастает с увеличением числа разрядов, а количество извлеченного антитрипсина имеет сложную зависи-

1 10-1, м

Рис. 4. Зависимость количества извлеченных флавоноидов из плодов софоры от длины МЭП. 1 - С = 0,4 мкФ; 2 - С = 0,5 мкФ; 3 - С = 0,3 мкФ, 4 - С = 0,6 мкФ.

мость (табл.4).

Ферменты легко растворимы в воде и, после 600 разрядов, содержание трипсина в растворе возрастает в 9 раз, по сравнению с исходным состоянием, а содержание антитрипсина, вредного компонента, препятствующего усвоению белков организмом, снижается более чем в два раза от 4,6 у/мл при 200 имп до 2,0 у/мл при 600 имп и продолжает падать. Можно допустить, что в процессе электроразрядного воздействия в определенный момент времени начинается разложение антитрипсина. Установить на данном этапе исследований факторы и причины его разложения не представляется возможным

и требует специальных исследований. Однако установленный факт снижения содержания антитрипсина в белковом экстракте, полученном при электроразрядном экстрагировании и улучшающий его усвояемость, является высокозначимым.

Табл.4

Выход белка и трипсина

№ пробы Число импульсов, шг Содержание веществ

Белок, мг/мл Трниснн, мЕд'мл Ангитрппснн У/мл

1 200 11.00 0.10 3.1

2 300 17.70 0.42 4.6

3 400 21 ДО 0.50 2,7

4 500 3115 0.81 22

5 600 37.40 0.95 2.0

Результаты обработки суспензии соевого шрота, полученного от Усть-Лабинского объединения «Флорентина» Краснодарского края, с целью доизвлечения белков, показали, что плотность энергии в рабочем промежутке и соотношение Т:Ж по сравнению с обработкой цельного сырья сой-бобов должны быть увеличены. Параметры энергии в импульсе и размер межэлектродного промежутка, рекомендуемые для использования при технической реализации переработки соевого шрота с целью доизвлечения белков на уровне 80-90% от оставшегося в сырье после традиционной обработки, представлены в табл. 5.

Табл.5

Параметры импульса и размер межэлектродного промежутка, рекомендуемые для переработки соевого шрота

Показатели

Энерпи единичного импульс» \У0. Дк

Соотношение Т:Ж

Д.га мл рабочего промежутка /. мм

Удельная производительность при 5имп,с, лч

Наименование сырья

Бооы сои

12?

1:10

1.5

50

0.00023

Соевый шрот

140

1:12

1.5

52

0,002:

¡Удельная энергоемкость. кВт"ч/л___ ._

Представленные результаты свидетельствуют, что электрические импульсные разряды целесообразно использовать для интенсификации экстрагирования как суспензий растительного сырья, так и шрота. Это позволит эффективно извлекать водорастворимые комплексы на уровне ~ 90% от исходного содержания, при существенно меньших затратах энергии и времени обработки, по сравнению с традиционными методами экстрагирования.

Проведены опыты по обработке сырья пихтовой лапки и сбора «Курильский чай» (табл. 6). В настоящее время извлечение БАС из сбора «Курильский чай» осуществляется в воде с температурой - 100°С путем настаивания в течение 2-х часов при соотношении Т:Ж = 1:15 дважды, со сменой экстрагирующей воды (методика Ботанического сада СО РАН, г. Новосибирск). При этом количество извлеченных веществ достигает 80% от исходного содержания, а длительность процесса составляет 4 часа (без учета времени на фильтрацию жидкой фазы). Производительность таких экстракторов составляет ~ 10-20 л/ч, удельные затраты энергии только на нагрев воды составляют ~ 0,18 кВт-ч/л.

Табл.6

Выход экстрактивных веществ при 3-х кратном экстрагировании

Шрлмегры игтотнгал импульсов Ппхтовяя хлпка (жстрлктшных вещ«тв 25.8*'#) Клииьясийчяй (»кстрлктганыз:

Число импульсов

1009 1 2000 1 3000 I 4 0 00 1 1000 1 20 00 | 3000 14000

Выход, % к исходному содержанию

и=25кВ; С=0,4мкФ; / =1мм 62.0 85,3 94,8 95,1 65,5 81.3 84,3 85.6

и =34кВ; С=0,4мкФ, 1 =2мм 55,0 85,2 91,5 94,5 64,3 81,0 83.4 85,0

и =30кВ; С=0,4 мкФ; 1=1,5 мм 54,5 55.2 90,3 93,8 58,2 79,2 82,8 84,2

и =25кВ; С=0,4мкФ; /=1,75мм 42,3 82,2 69,5 78,6 55,9 74,2 81.9 85,3

Сводные показатели обработки используемого растительного сырья: параметры источника импульсов, размер рабочего промежутка, соотношение Т:Ж при степени экстракции веществ на уровне 85-90% от исходного содержания представлены в табл. 7. Расчет удельных энергетических показателей проведен для частоты посылок импульсов 5 имп/с на один высоковольтный электрод при диаметре рабочей камеры в рабочей зоне 80 мм. Так, при электроразрядном экстрагировании сбора «Курильский чай», удельная энергоемкость процесса составляет 0,023 кВт-ч/л при извлечении на уровне 85% за время 240 с и производительности более 70 л в час.

Технологические показатели экстрагирования сырья

Шххмшовлние сырья Листья гоферы Курнзьоаш чпй Пихтовая лапкя

Показателя

Производительность, л/ч 57.6 72 90

Удельная энергоемкость, кВт ч/л 0,034 0,047-0,05 0,047

Примечание: Извлечение на уровне 80-90 % от исходного содержания.

Затраты энергии при электроразрядном экстрагировании в 4-5 раз меньше, чем при традиционной схеме.

Особенностью исследуемых процессов является отказ от использования токсичных реагентов, что обеспечивает их экологическую чистоту.

Важной характеристикой любого способа обработки растительного сырья с целью экстрагирования полезных компонентов является сохранность извлекаемых веществ. Нами изучена сохранность биологически активных компонентов, полученных при обработке суспензий электрическими импульсными разрядами, на примере плодов софоры японской (флавоноиды), сой-бобов (белки, ферменты) и пихтовой лапки (витамин «С», каротин).

Плоды софоры японской стандартизуются по содержанию флавоноидов, поэтому нами проведено исследование качественного состава полученных извлечений с использованием бумажной и тонкослойной хроматографии, а также с использованием хромоген-ных реактивов (2%-ный спиртовой раствор А1С13, 5%-ный спиртовой раствор NaOH, порошок Mg в конц. НС1). Реакции на флавоноиды с данными реактивами были положительны. Пятна флавоноидов на хроматограммах в УФ-свете для каждого опыта имели одинаковую интенсивность и при проявлении их различными реактивами на флавоноиды давали одинаковое окрашивание. Это свидетельствует о том, что основные действующие вещества плодов софоры японской (флавоноиды), повергаясь воздействию фак-

13

торов, сопровождающих разряд в жидкости в камере экстрактора, не разрушаются, что имеет определяющее значение для получения эффективных препаратов на основе экстрактов, полученных методом электроразрядной экстракции.

Для оценки целостности молекул белка в экстрактах, белки разделялись методом гель-фильтрации с Тоуореаг1-55 на колонке 2,6x40 см и проводилось сравнение стандартных спектров и спектров продуктов, полученных в результате электроразрядной обработки. Работы выполнены совместно с Пятигорским НИИ курортологии и физиотерапии на поставленных нами продуктах.

Белки из центрифугатов суспензий, полученных при 200 и 600 имп/л, а также продукты после механической обработки соевой суспензии (в агатовой ступке), элюирова-ли в 4 этапа по 25 мл трис-НС1 буфера с рН =7,5. Элюат собирали фракциями по 4 мл. Белок в каждой фракции определяли спектрофотометрически при длине волны 280 нм. Диапазон длин волн определялся по стандартной методике.

Для всех сравниваемых проб соевый белок с колонки элюируется двумя пиками (рис. 5). Первый пик в области 20-25 мл соответствует молекулярной массе белка 550 КД, второй пик выявлен в области 50-60 мл и соответствует молекулярной массе белка 200 КД. Представленные зависимости сходны по форме пиков и времени выхода белков, отсюда следует вывод об идентичности белков, входящих в состав сравниваемых проб.

0, нм

ÍQ

Анализ остаточной активности ингибиторов выполнен в соответствии с требованиями ОСП ТУ 431.1418.990.02-92 и ОСК ТУ 431.1419.990.01 -92. Пробы для анализа отобраны через 100 имп/л в ходе обработки суспензии «соя-вода» при Т:Ж= 1:10.

В диапазоне 200-600 имп/л концентрация 100 мл трипсина увеличивается в ~ 9 раз, концентрация белка более чем в ~ 3 раза. В этом же диапазоне импульсов содержание антитрипсина в жидкой фазе суспензии сначала растет до значений 4,6 у/мл, а затем снижается, достигая при 600 имп/л значения 2,0 у/мл, т.е. уже при подаче более 300 имп/л происходит снижение выхода антитрипсина. Эта тенденция сохраняется и, 100 мл вероятно, связана с изменением рН соевой суспензии в процессе электроразрядной обработ-J ки. Явление расщепления антитрипсина - фермента, ухудшающего усвоение белков, представляет самостоятельный научный интерес и требует специального дополнительного изучения, т.к. придает положительные качества получаемому продукту.

В результате проведенных исследований можно утверждать, что при электроразрядной обработке суспензий растительного сырья белки сохраняют свою структуру, количество ферментов, обеспечивающих усвояемость организмом белков растут, а препятствующие усвоению белков - разрушаются, что дополнительно улучшает качество получаемых продуктов.

Оценку влияния электроразрядной обработки на сохранность витаминного комплек-

Рис. 5. Белковый спектр соевого молока, полученного механическим способом (А) 1 н электроразрядной обработкой (Б)

са, получаемого при обработке пихтовой лапки, провели на наиболее нестойком витамине «С». Отбор и анализ проб осуществлялся через 250 импульсов в опытах при соотношении Т:ЖЛ1:10.

Показано, что на первом этапе обработки идет интенсивный переход витамина «С» в экстрагент, его концентрация растет до 107 мг/л при подаче 150 имп, далее в диапазоне 150-250 имп происходит стабилизация концентрации витамина «С», а затем ее уменьшение до 90 мг/л при 350 имп (рис. 6). Причиной разрушения витамина «С» при такой длительности обработки могут быть тепловые и электрохимические процессы, обусловленные токами растекания. ^ и„„ По результатам исследований следует отме-

тить, что заметное разрушение витамина «С» при обработке пихтовой лапки электрическими импульсными разрядами происходит при воздействии более 200 разрядов. Такое энергетическое воздействие является предельным при обработке пихтовой лапки с целью получения витаминных растворов. Так, при 200 имп I, с количество суммы витаминов, извлеченных из пихтовой лапки достигает 90% от их общего Рис. 6. Изменение концентрации витамина содержания в сырье, при этом содержание ви-"С" в жидкой фазе суспензии пихтовой: хамина <<С» достигает 75% от суммы витами-лапки в зависимости от времени нов в экс1ракте. обработки.

В этих же пробах оценивали выход и сохранность каротина (провитамин А), который не растворяется в воде, а находится в эмульгированном или во взвешенном состоянии, придавая суспензии зеленый мутный цвет.

Для выделения каротина отделяли грубую твердую фракцию +0,5 мм, затем, после часового отстоя, проводили бензиновую экстракцию жидкой фазы суспензии. По мере увеличения количества разрядов оптическая плотность жидкой фазы растет за счет распределения в ней нерастворимых окрашенных соединений, преимущественно хлорофилла. Содержание каротина в пробах соответствует ходу кривой, характеризующей оптическую плотность, т.е. в условиях опыта каротин ассоциирован с хлорофиллом. Концентрация каротина с увеличением числа поданных импульсов нарастает и при 300 имп/л составляет 6,5-6,7 мг/л, что соответствует извлечению 88% каротина из пробы. Нарастание концентрации каротина указывает на его стабильное состояние и сохранность провитамина «А».

Таким образом, использование электрических импульсных разрядов позволяет эффективно экстрагировать целевые препараты на уровне- 90% от исходного содержания, при существенно меньших затратах энергии и времени обработки по сравнению с традиционными методами экстрагирования.

Электроразрядный метод можно рекомендовать для получения водных экстрактов из различных видов растительного сырья как метод, дающий выигрыш по времени обработки и увеличивающий общую эффективность экстрагирования целевых препаратов.

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально установлено предельно допустимое значение электропроводности суспензии, при которой процесс электроразрядного экстрагирования сырья протекает с минимальными потерями энергии. Предложен метод расчета эквивалентного сопротивления межэлектродного промежутка, связывающий параметры электродной системы и электрические свойства суспензии.

2. Проведены аналитические и экспериментальные исследования кавитационных процессов на стадии формирования разряда. Установлена взаимосвязь между размерами кавитационных пузырьков и параметрами волн давления, генерируемых при их схлопы-вании. Доказано, что схлопывающиеся кавитационные пузырьки размерами 10*5м, обусловливают избирательное измельчение частиц сырья крупностью (0,5-П)10,3м.

3. Показано, что пульсации парогазовой полости в завершающей стадии разряда инициируют формирование волн сжатия-разрежения с протяженностью соизмеримой с размерами фронта акустических волн и создают в рабочей камере гидродинамические условия с высокой турбулентностью. Движение суспензии со скоростью до 40 м/с активизирует внутренние диффузионные процессы в клетке и межклеточном пространстве растительного сырья и в целом интенсифицирует процесс экстрагирования.

4. Установлено, что обработка растительного сырья в электроразрядном экстракционном аппарате приводит к значительному ускорению (до 150 раз) процессов набухания, что позволяет исключить из регламента экстрагирования сырья операцию предварительного замачивания.

5. Результаты работы внедрены на Пятигорской фармацевтической фабрике по производству ново-галеновых препаратов. Продолжительность извлечения биологически активных компонентов сокращена более чем в 50 раз, при обеспечении их сохранности и количестве извлеченных экстрактивных веществ на уровне 90% от их содержания в исходном сырье. Внедрены методики и лабораторные устройства для изучения интенсивной технологии экстрагирования растительного сырья в учебный процесс Пятигорской государственной фармацевтической академии. Исследования и методикп использованы при разработке учебно-методических пособий.

6. На разных этапах изучения кинетики и механизма интенсификации процессов электроразрядного экстрагирования техническая новизна исследований и их практическая значимость подтверждены 2-мя патентами.

7. Полученные теоретические и экспериментальные результаты исследований механизма интенсификации позволили снизить потери энергии в процессе экстрагирования за счет установленного оптимального диапазона временных параметров импульса: крутизна фронта (3Л5)109с, длительность (0,6+0,8)-10"6 с, прямоугольная форма импульса; обеспечить более полное извлечение и сохранность извлекаемых биологически активных соединений, что доказано спектрофотометрическим и хроматографическими методами.

8. Результаты работы целесообразно использовать на Пермской, Новосибирской, Томской фармфабриках, Кубанском НИИ «Биотехпереработка», г. Краснодар, предприятиях «Артлайф» и «Флора-Т», г. Томск, предприятиях разрабатывающих и выпускающих оборудование для химической, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности, для которых необходимы эффективные технологии экстрагирования и диспергирования сырья.

Основные обозначения

п - число разрядов, шт; / - частота разрядов, Гц; d - диаметр электрода, м; / - длина межэлектродного промежутка, м; Ж, - энергия единичного импульса, Дж; Як - эквивалентное сопротивление межэлектродного промежутка, Ом; Я - радиус парогазовой полости, м; -максимальный размер кавитационного пузырька, м; Ятпп - исходный размер кавитационкого зародыша, м; г. - нормированный текущий радиус, м; г - неизолированная часть электрода, м; /. - фронт импульса напряжения, с; ta - длительность прямоугольного импульса напряжения, с;

- время запаздывания электрического разряда, с; tmeж - период пульсации парогазовой полости, с; t0 - время начала парогазовой полости, с; 0*т- время спада положительной фазы давления волны, с; 80 - характерное время спада давления в точке гр\ р0 - плотность воды, кг/м3; Ура/р -скорость развития разряда, м/с; Утах-максимальная скорость расширения парогазовой полости, м/с; а- скорость распространения фронта волны, м/с; С - емкость разрядного контура, Ф; Ср - накопительная емкость, Ф; Ь - индуктивность разрядного контура, Гн; и - аиплитуда импульса напряжения, В; Рм - давление на фронте ударной волны, Па; Рд - атмосферное давление, Па; Р.- максимальное давление в канале разряда, Па; Р* и Р - давление на фронте падающей и отраженной волн, Па; Р - амплитуда импульсадавления, Па; СУ - удельная электропроводность, Ом'с1; 5 - показатель газосодержания; у-10'9 кг; г - выход экстрактивных веществ, по отношению к их содержанию в сырье, %.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах

1. Кудимов, Ю.Н. Электроразрядные процессы в жидкости и кинетика экстрагирования биологически активных компонентов / Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, Е.В. Голов // Вестник ТГТУ. Часть 1. Ударные волны и кавитация - 2002. -Т. 8, № 2. - С. 253-263.

2. Кинетика электроразрядного процесса экстрагирования растительного сырья /

Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, Е.В. Голов и др. // Изв. вуз. Химия и химическая технология. - 2002. - Т. 45. № 1, - С. 23-28.

3. Расчет коэффициента внутренней диффузии для процесса электроразрядного экстрагирования биологически активных соединений/ Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, К.В. Мартиросян, Е.В. Голов и др. // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы II междунар. конф. - Новочеркасск. - 2002. - Ч. 2- С. 6-7.

4. Выбор управляющих параметров технологии электроразрядного экстрагирования из растительного сырья / Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, К.В. Мартиросян, Е.В. Голов и др. // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы II междунар. конф. - Новочеркасск. - 2002. - Ч. 1. - С. 7-9.

5. Пат. 2157231 РФ, МКИ 7 А61 К 35/78,31/715. Способ получения водорастворимых полисахаридов, обладающих гепатотропной активностью, из листьев женьшеня / В.Т. Казуб, Ю.Н. Кудимов, К.В. Мартиросян, Е.В. Голов и др.

6. Пат. 2169003 РФ, МКИ 7 А61 К 35/78, 31/715. Комбинированный способ получения полисахаридов из листьев и шрота женьшеня / В.Т. Казуб, О.Н. Васильева, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов и др.

7. Перспективные методы экстракции лекарственного растительного сырья /

В.Т. Казуб, Ю.Н. Кудимов, В.П. Степанян, Е.В. Голов // Деп. в ВНИИММТИ МЗ СССР, 12.02.1997. №12-22 с.

8. К вопросу об интенсивной обработке лекарственного растительного сырья /

ВТ. Казуб, В.П. Степанян, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Деп. в ВИНИТИ 12.03.97. №769-В97.-12с.

9. Ресурсосберегающий экологический способ интенсивной экстракции биологически активных соединений из растительного сырья / В.Т. Казуб,

B.П. Степанян, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Человек и лекарство: Тез. докл. 5 Рос. науч. конгр. - М., 1998. - С. 369.

10. Интенсивный способ получения пектинов / В.Т. Казуб, В.П. Степанян,

Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Человек и лекарство: Тез. докл. 5 Рос. науч. конгр. М., 1998.-С. 370.

11. Температурный режим экстракции алкалоидов с применением электрических разрядов / В.Т. Казуб, О.Н. Денисенко, Е.В. Голов, Б.Н. Житарь // Регион конф. по фармакологии и фармации (53, 1998, Пятигорск): Тез. док. - Пятигорск, 1998. -

C. 46.

12. Математическое моделирование электроимпульсного процесса в жидкости применительно к экстракции лекарственных веществ из растительного сырья /

К.В. Мартиросян, Е.В. Голов, В.Т. Казуб и др. // Регион конф. по фармакологии и фармации (55,2000, Пятигорск): Тез. док. - Пятигорск, 2000. - С. 75-76.

13. Численное решение уравнений энергетического баланса в процессах электроимпульсной экстракции / Е.В. Голов, В.Т. Казуб, А.И. Осипов, Ю.Н. Кудимов // Регион конф. по фармации, фармакологии и подготовке кадров (52,1997, Пятигорск): Тез. докл. - Пятигорск, 1997. - С. 31-32.

Подписано в печать 10.02.2004. ФОРМАТ 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Заказ № 24. Тираж_100_экз. 141

.3933

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ.

1.1. Методы и проблемы извлечения биологически активных соединений из растительного сырья.

1.2. Интенсификация экстракционных процессов электрическим током.

1.3. Электроразрядный способ обработки растительного сырья.

1.4. Постановка задач диссертационной работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальная экстракционная аппаратура.

2.2. Сырье для исследований и строение растительных клеток.

2.3. Аппаратура для изучения развития электрического разряда.

2.4. Высоковольтные импульсные источники и устройства для регистрации тока и напряжения.

2.4.1. Источник прямоугольных импульсов.

2.4.2. Генератор импульсных напряжений.

2.5. Методика проведения экспериментов и анализ полученных продуктов.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕ11ИЕ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ

ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТЯХ И СУСПЕНЗИЯХ.

3.1. Факторы, обусловливающие интенсификацию процесса.

3.2. Роль кавитационных процессов и пульсирующей парогазовой полости в воздействии на твердую фазу в водных суспензиях.

3.3. Электропроводность жидкой фазы суспензии при многоразрядном воздействии.

3.4. Исследование предразрядных токов и деформации импульса.

3.5. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ

ЭКСТРАГИРОВАНИЮ СЫРЬЯ.

4.1. Определение скорости продвижения экстрагента при набухании растительного материала.

4.2. Распределение концентрации экстрагируемых веществ внутри частицы в ходе экстрагирования.

4.3. Расчет коэффициента вымывания и числа вымывания.

4.5. Влияние электроразрядного воздействия на скорость замачивания сырья.

4.5. Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ,

ВЛИЯЮЩИХ НА ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ СЫРЬЯ.

5.1. Экспериментальное исследование траектории канала разряда.

5.2. Исследование гидродинамических процессов в электроразрядном экстракционном аппарате.

5.3. Роль кавитационных явлений и парогазовой полости в процессах измельчения.

5.4. Выводы по пятой главе.

ГЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СОХРАННОСТЬ ИЗВЛЕКАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ. ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТУРЫ.

6.1. Электроразрядное экстрагирование биологически активных соединений.

6.2. Сохранность веществ, извлеченных из растительного сырья при электроразрядной обработке.

6.3. Перспективные направления совершенствования технологии электроразрядного экстрагирования.

Извлечение ценных компонентов из растительного сырья является одной из древнейших технологий, используемых человечеством. И в настоящее время растительное сырье является одним из основных объектов переработки в пищевых, фармацевтических, химических и др. производствах. Однако, объемы и глубина переработки растительного сырья, например, в фармакологических целях, до сих пор недостаточны по сравнению с количеством экономически доступных ресурсов и оценивается в~ 10% [1].

Основной проблемой переработки растительного сырья является низкая эффективность традиционных методов извлечения полезных компонентов (мацерация, перколяция).

Поэтому разработка принципиально новых, интенсивных методов извлечения полезных компонентов из растительного сырья является актуальной задачей.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

5. Результаты работы внедрены на Пятигорской фармацевтической фабрике по производству ново-галеновых препаратов, продолжительность извлечения биологически активных компонентов сокращена более чем в 50 раз, при обеспечении их сохранности и количестве извлеченных экстрактивных веществ на уровне 90% от их содержания в исходном сырье. Внедрены также в учебный процесс Пятигорской государственной фармацевтической академии методики и лабораторные устройства для изучения интенсивной технологии экстрагирования растительного сырья. Исследования и методики использованы при разработке учебно-методических пособий.

6. На разных этапах изучения кинетики и механизма интенсификации процессов электроразрядного экстрагирования техническая новизна исследований и их практическая значимость подтверждены 2-мя патентами.

7. Полученные теоретические и экспериментальные результаты исследований механизма интенсификации позволили снизить потери энергии в процессе экстрагирования за счет установленного оптимального диапазона временных параметров импульса: крутизна фронта (3-ь5)-109 с, длительность (0,6-М),8)-10-6 с, прямоугольная форма импульса; обеспечить более полное извлечение и сохранность извлекаемых биологически активных соединений, что доказано спектрофотометрическим и хромато-графическими методами. 8. Результаты работы целесообразно использовать на Пермской, Новосибирской, Томской фармфабриках, Кубанском НИИ «Биотехпереработка», г. Краснодар, предприятиях «Артлайф» и «Флора-Т», г. Томск, предприятиях разрабатывающих и выпускающих оборудование для химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, для которых необходимы эффективные технологии экстрагирования и диспергирования сырья.

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил выявить основной спектр факторов, интенсифицирующих процесс электроразрядного экстрагирования биологически активных комплексов из растительного сырья с сохранением их в нативном виде.

Электроразрядный способ воздействия может использоваться для интенсификации химико-технологических процессов эмульгирования, диспергирования и растворения.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Ю.Н. Кудимову; научному консультанту доктору технических наук, доценту Казубу В.Т.; сотрудникам , кафедры физики ПятГФА и других организаций, поддержавшим данные исследования и принявшим в них участие.

1. Муравьев И.А. Технология лекарств, т. 1, М., Медицина.-1980.-391 с.

2. Агранат Б.А., Дубровин Н.М., Хавский Н.Н. Основы техники и физики ультразвука.-М.: Высш. шк., 1987.— 352с.

3. Аксельрод Л.С., Юдаев В.Ф., Мандрыка Е.А. Ультразвуковые методы воздействия на технологические процессы. М.: Металлургия, 1981. Научн. тр. / МИСиС; № 133. С. 29-32.

4. Агранат Б.А., Башкиров В.И. Критерий оценки интенсивности ультразвуковой кавитации. //ДАН СССР. 1968, т. 179, № 4, С. 821-824.

5. Debska W., Walasiar A., Wltradzwieki w naukach Farmaceutycznych // Hcrba polon. 1975.- № 2.- S.220 - 228.

6. Suss W. Д. Die Extraktion von Fingerhutbbattern mit Hilfe Ultrashall // Die Pharmazie.- 1972.- Bd. 27, № 9.- S.615 - 616.

7. Szamel Szentessa I.M. Anwendung des Ultraschazur Extraktion der Alkaloide aus Belladona - Blattern // Gyogyszereszet. 1970. - Bd. 14, № 4. - S. 133 - 135.

8. Молчанов Г. И. Ультразвук в фармации.- М.: Медицина, 1980.- 202 с.

9. Молчанов Г.И. Интенсивная обработка лекарственного растительного сырья. М.: Медицина, 1981, 206 с.

10. Ю.Макаренко П.Н., Черняк А.С., Макаренко Е.П. Получение экстракта раувольфии на ультразвуковой установке в заводских условиях. // Всесоюз. съезд фармацевтов (2; 1974; Рига): Тез. докл. Рига, 1974. - С. 99 - 100.

11. Паршина М.А., Кардашев Г.А., Салосин А.В. Интенсификация процессов в жидкости при воздействии магнитных и ультразвуковых полей. Электронная обработка материалов, 1983, №4(112), С. 57-58.

12. Бутиков В.В., Вишняков В.В. Интенсификация процессов в массообменном оборудовании химических производств наложениемэлектрических полей. Электронная обработка материалов, 1983, № 4 (112), С. 30-32.

13. Жарик Б.Н., Краженко Л.И., Мелышчук B.C. О разрушении клеточных оболочек растительной ткани при электроплазмолизе. Электронная обработка материалов, 1990, (115), С. 66-67.

14. Ботошан Н.И., Папченко А.Я., Берзой С.Е. Интенсификация процесса экстракции сахара предварительной электрообработкой свекловичной стружки.//Электронная обработка материалов. 1990, № 8, С. 66-73.

15. Ботошан Н.И., Папченко А.Я., Чебану В.Г. и др. Явление гистерезиса при электрической обработке биологических сред.// Электронная обработка материалов. 1988, № 3, С. 70-75.

16. Кардашев Г. А. Физические методы интенсификации процессов химических технологий. М., 1990. 208с.

17. А.С. 26762 (СССР), 1960. ДСП. Воробьев Г.А.

18. Наугольных К. А., Рой Н. А. Электрические разряды в воде (гидродинамическое описание). М.: Наука, 1971. - 190 с.

19. Чубыкин ММ. Оценка дробящего действия импульсной нагрузки. // Науч. тр. Иркутского НИИ редких и цветных металлов.- Иркутск, 1970. -Вып. 20.- С. 23 25.

20. Юткин JI. Электрогидравличесий эффект. JL: Наука. 1956.21.10ткин JI. Электрогидравлический эффект и некоторые возможности его применения. Я.: Наука. 1959.

21. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта. / Под ред. Г.А. Гулого. М.: Машиностроение, 1977. - 320 с.

22. Димов Х.Т., Пономарев В.Д. Влияние электрогидравлического удара на степень разрушенности структуры сырья листьев красавки и семян дрока. // Фармация, 1979.- № 6.- С. 57 58.

23. Яцко М.А. и др. Влияние электроимпульсной обработки на водные растворы углеводов.// Электронная обработка материалов. 1975. № 3, С. 59-61. '

24. Каляцкий И.И., Курец В.И., Таракановский Э.Н. Исследование эрозии электродов при пробое твердых тел. // Электронная обработка материалов. 1976.- № 4.- С. 47-50.

25. Буткевич Г.В. и др. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов.-М.: Энергия, 1978.-256с.

26. Таракановский Э.Н. Эрозия электродов при пробое импульсными разрядами комбинированного межэлектродного промежутка. // Электронная обработка материалов. 1979. № 2. С. 5-8.

27. Кривицкий Е.В., Апостоли B.JL, Сорочинский А.П. К вопросу определения оптимального рабочего промежутка в ЭГ-установках. // Материалы республиканского совещания. Киев: Наукова Думка. 1971, вып. IV, с. 77-79.

28. Пат. 2157231 РФ, МКИ 7 А61 К 35/78, 31/715. Способ получения водорастворимых полисахаридов, обладающих гепатотропной активностью, из листьев женьшеня / В.Т. Казуб, Ю.Н. Кудимов, К.В. Мартиросян, Е.В. Голов и др.

29. Бойко В.Д., Мизиненко И.Д. Экстракция растительного сырья с применением электрического разряда в жидкости //Хим. фарм. журнал. 1970, №9, С. 38-41.

30. Морозов В.Л., Киселевский Л.И. О разрушении металлов импульсной плазменной струей. ДАН СССР, 12, №5, 1968, с. 413-415.

31. Кудимов, Ю.Н. Электроразрядные процессы в жидкости и кинетика экстрагирования биологически активных компонентов / Ю.Н. Кудимов,

32. B.Т. Казуб, Е.В. Голов // Вестник ТГТУ. Часть 1. Ударные волны и кавитация 2002. - Т. 8, № 2. - С. 253-263.

33. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск, Изд-воТГУ, 1975,256с.

34. Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. Л., Энергия, 1972,295с.

35. Жекул В.Г., Мурзаев А.В., Хаскина Л.С. Экспериментальные исследования основных характеристик предпробивной стадии электрического разряда в водных промежутках.//Сб. "Физические основы электрического взрыва". Киев, 1983, С. 19-25.

36. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Л.: Наука. 1995, 277 с.

37. Гончаренко Г.К., Пехов А.В. Экстракция растительного сырья сжиженными газами. Масложировая пром., 1968, № 10. - С. 26-29.

38. Аксельруд Г.А. Об использовании высоковольтных искровых разрядов в процессах растворения // Электронная обработка материалов. 1973, №1.1. C. 61-62.

39. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.-284с.

40. Казуб В.Т., Коршунов Г. С. Установка для измерения скорости электрического разряда. Приборы и техника эксперимента. 1978. - № 1.1. С. 147-148.

41. Кухта В.Р., Лопатин В.В., Петров П.Г. Установка для исследования начальной стадии электрического разряда в диэлектриках.//Электронная обработка материалов. 1986, № 3, С. 66-68.

42. Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнев В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970.

43. Моругин JI.A., Глебович Г.В. Наносекундная импульсная техника. М.: Советское радио, 1964.-624с.

44. Мейлинг В., Стари Ф. Наносекундная импульсная техника. М.: Атомиздат, 1973.-384с.

45. Гельфонд JI.A., Пельцман С.С., Шубин Б.Г. Схема неискажающей регистрации падения напряжения на импульсной искре / Тез. межд. конф. по высоковольтной ими. техн. JL: 1988, С. 1-2.

46. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. М.: Энергия. 1973, 232 с.

47. Емельчанинов А.С., Ковальчук Б.М., Лавринович В.А. Шунт из фольги для регистрации наносекундных импульсов. // Приборы и техника эксперимента.- 1975.-№2.-С. 126.

48. Жгун Д.В. Исследование электроимпульсного пробоя и разрушения гранита и бетона в воде. Автореф. дисс.канд. техн. наук. Томск, 2000. -23 с.

49. Гаврилов Г.Н., Горовенько Г.Г., Малюшевский П.П. и др. Разрядноимпульсная технология в обработке минеральных сред. Киев., 1979.- 163 с.

50. Кинетика' электроразрядного процесса экстрагирования растительного сырья / Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, Е.В. Голов и др. // Изв. вуз. Химия и химическая технология. — 2002. Т. 45. № 1, - С. 23-28.

51. Зельдович Я. Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматгиз. 1966,482 с.

52. Чачин В.Н., Шадуя В.Л. Некоторые особенности деформирования плоских заготовок при электрическом взрыве проводников в замкнутых камерах малого объема. В кн.: Импульсные методы обработки материалов Минск: Наука и техника, 1977, С. 44-45.

53. Алексеева Т.И., Барская А.В., Курец В.И., Лобанова Г.Л. Исследование закономерностей диспергирования растительного сырья электрическими импульсными разрядами на примере торфа.//Изв. вузов. Горный журнал. 1998, № 7; С. 38-42.

54. Теляшов Л.Л., Охотии В.А., Половин А.Т. Экспериментальные исследования стадии схлопывания парогазовой полости в воде.//Электронная обработка материалов. 1982, №4, С. 118-124.

55. Ушаков В.Я., Ким С.В., Тонконогов М.П. Поляризационные явления при импульсном пробое суспензии.//Изв. вузов. Физика. 1972, № 3, с. 59-63.

56. Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. Л.: Госсудиздат. 1961, 313 С.

57. Физические основы электрического взрыва.//Под редакцией Гулого Г.А. Киев. 1983, 136 с.

58. Рязанов Н.Д., Перевязкина Е.И. Действие обеззараживающих факторов импульсного электрического разряда в воде // Электронная обработка материалов, 1984. № 2 (116) С. 43-45.

59. Акуличев В.А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978.-279 с.

60. Кнэпп Р., Дейли Д., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир. 1974, 325 с.

61. Рэлей. Теория звука. М.- Л.: Гостехиздат. 1940, т. 1, 1944; 1944, т. 2.

62. Мощные ультразвуковые поля.//Под редакцией Розенберга Л.Д. М.: Наука, 1968, 267 с.

63. Балабышко A.M., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое диспергирование. М.: Наука, 1998.— 331 с.

64. Филатов Г.П. Кандидатская диссертация (фонды НИИ ВН при ТПУ). Томск, 1985.

65. Буравов С.Н. Природа разрушения поверхности при • кавитационной эрозии.//Письма в ЖТФ. 1996, 22, № 11, С. 37-46.

66. Курец В.И., Лобанова Г.Л., Филатов Г.П. О газообразных продуктах и взаимодействии их с минералами при электроимпульсном измельчении руд.//Электронная обработка материалов. 1985, № 4, С. 48-50.

67. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. М.-Л., Энергия, 1964, 228с.

68. Баранов А.И. Разработка высоковольтных электродов для электроимпульсной утилизации железобетона и бурения шпуров. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Томск, 1992. — 24с.

69. Казуб В.Т. Разработка электроимпульсной технологии очистки трубок опреснителей от накипи. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Томск, 1983. -19 с.

70. Барская А.В. Исследование диспергирования растительного сырья и экстракции водорастворимых веществ с использованием электрических разрядов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Томск, ТПУ, 1998. 19 с.

71. Попов B.C. Электротехнические измерения. М.: Энергия, 1968. — 328 с.

72. Трофимова И.Б. Кандидатская диссертация (фонды ЦНИЛэлектро). М. 1965,213 с.

73. Каляцкий И.И. и др. Изменение сопротивления искровых промежутков в воде при воздействии высокого импульсного напряжения. Электронная обработка материалов, № 6, 1971. С.32-37.

74. Седов Н.В. Исследование основных показателей при разрушении горных пород высоковольтными прямоугольными импульсами с наносекунднымфронтом. — Дисс. канд. техн. наук (фонды НИИ ВН). — Томск, 1975. — 169 с.

75. Пат. 2200022 РФ, МКИ 7 Л61 К 35/78, 31/715. Способ экстрагирования биологически активных соединений из растительного сырья. / Ю.Н. Кудимов, В.Т. Казуб, Е.В. Голов, Н.В. Криворотое

76. Усов А.П. Исследование и расчет ГИН и условий использования проводящих сред в ЭИ технологиях. — Дисс. канд. техн. наук (фонды НИИ ВН).' Томск, 1968. - 239 с.

77. Казуб В.Т., Денисенко О.Н. Способ получения изохинолиновых алкалоидов, а.с. 1693750 (СССР), МКИ с 8 В 3716. / 22.07.91.

78. Hasted J.B., D. Phie. The dielectric properties of water. Dep, of Phys; Univ. Coll., London. 1987. U.K.

79. Курец В.И., Шишкин B.C., Эггерт В.Т. Методика расчета сопротивления системы острие-плоскость в проводящей среде//Сб. «Техника высоких напряжений». Томск: Изд. ТГУ. 1973, С. 94-95.

80. Казуб В.Т., Кайшева Н.Ш., Кудимов Ю.Н., Компанцев В.А. Способ получения пектинов, обладающих антибактериальным действием. Патент РФ №2066326. 14.07.1995.

81. Аренков А.Б. Основы электрофизических методов обработки материалов. М.: Машиностроение. 1967, 327 с.

82. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. Киев: Наукова Думка. 1985, 272 с.

83. Кудимов Ю.Н., Казуб В.Т., Мартиросян К.В., Голов Е.В. Кинетика измельчения растительного сырья в процессе электроразрядного экстрагирования. Изв. вуз. Северо Кавказский регион. Технические науки. - 2002. - С. 83-85.

84. Перспективные методы экстракции лекарственного растительного сырья / В.Т. Казуб, Ю.Н. Кудимов, В.П. Степанян, Е.В. Голов // Деп. в ВНИИММТИ МЗ СССР, 12. 02. 1997. № 12 22 с.

85. Казуб В.Т. Кинетика и основы аппаратного оформления процессов электроразрядного экстрагирования биологически активных соединений. Автореферат док. дисс. Тамбов ТГТУ, г. Тамбов. — 2002, 40 с.

86. К вопросу об интенсивной обработке лекарственного растительного сырья / В.Т. Казуб, В.П. Степанян, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Деп. в ВИНИТИ 12.03.97. № 769-В 97.-12 с.

87. Ресурсосберегающий экологический способ интенсивной экстракции биологически активных соединений из растительного сырья / В.Т. Казуб, В.П. Степанян, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Человек и лекарство: Тез. докл. 5 Рос. науч. конгр. М., 1998. - С. 369.

88. Интенсивный способ получения пектинов / В.Т. Казуб, В.П. Степанян, Е.В. Голов, Ю.Н. Кудимов // Человек и лекарство: Тез. докл. 5 Рос. науч. конгр. М., 1998.-С. 370.

89. Температурный режим экстракции алкалоидов с применением электрических разрядов / В.Т. Казуб, О.Н. Денисенко, Е.В. Голов, Б.Н. Житарь// Регион конф. по фармакологии и фармации (53, 1998, Пятигорск): Тез. док. Пятигорск, 1998. - С. 46.