автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Технология получения масла из семян сосны сибирской
Автореферат диссертации по теме "Технология получения масла из семян сосны сибирской"
од
- 9 ШОП 1337
На правах рукописи
ГРИЦКО СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУ ЧЕНИЯ МАСЛА ИЗ СЕМЯН СОСНЫ СИБИРСКОЙ
05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
КРАСНОЯРСК - 1997
Работа выполнена в Красноярской государственной технологической академии на кафедре "Химической технологии древесины"
Научный руководитель - доктор химических наук,
профессор Репях С.М,
Официальные оппоненты - доктор технических наук,
профессор Агеев А.Я.
- кандидат технических наук, доцент Гофман П.М.
Ведущая организация - Красноярский технический
университет
Защита диссертации состоится " ¿о " ¿л-оня_ 1997 г.
часов на заседании диссертационного совета Д 063.83.01. Красноярской государственной технологической академии по адресу: 660049, г.Красноярск, пр.Мира, 82.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.
Автореферат разослан ем£и& 1997 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,
доцент ДкЛ-Р^ Исаева Е.В.
\ з •
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ уктуальность темы. В условиях сложной современной эко-еской обстановки в стране остро возникает необходимость ального использования сырья.
иск инновационных безотходных технологий переработки
я ^'
сет S осны сибирскои является актуальным в связи с уникальны-
м"о - тическими особенностями данного сырья. В семенах сос-Р. о
HbS( »3 )ской запасы пищевых, кормовых и лекарственных ре-СУ1 & ^ десятки раз больше,чем в другом растительном сырье.
о* 3
На ;едровых лесов приходится около 80% биологического
£ td ■ -уро ^ чов в стране, однако, до настоящего времени этой важ-
tü ^
ной о Ф ie не уделялось должного внимания.
" щяшний момент среднегодовой объем заготовок семян с 5 ?! 5ирской (кедра сибирского) колеблется в пределах 68 тыс О то составляет всего 0,5-1% от биологического уро-0 &
жая, HJ с плуатационные запасы сырья достигают 200-400 & §
ТЫС.ТО] tt3
Tai р щональное использование сырья объясняется несо-вершенс О ^ рименяемых технологий и отсутствием комплексного по. ^ данной проблеме; _ & t>J
Одн) Й О равлении этого подхода является получение рас-
OJ
тительно1 2 i из семян кедра сибирского путем экстрагирова-
" V
стоящее bj §1 »бы получения кедрового масла, основанные на прессовани 'S ^ едра сибирского, не позволяют полностью извлечь маслс ° ^ и эффективно использовать остаток после
прессования о . о бразом, следует, что существующие методы 03 В
извлечения ki g > ласла из семян нуждаются в замене более совершенными, м относится метод экстрагирования семян
кедра сибирск» о это обусловило актуальность данной раО
боты.
■'S й
ния ихал 2 » кими углеводородами. Существующие в на-
Цель работы заключалась в следующем:
- разработка технологии получения масла из семян сосны сибирской (кедра сибирского) методом экстрагирования.
Достижение цели предполагало решение следующих задач:
-разработка экспериментальной полупромышленной установки доя экстрагирования семян кедра сибирского;
- исследование закономерностей процесса извлечения масла из семян кедра сибирского в среде алифатических углеводородов методом экстракции;
-изучение состава кедрового масла, полученного при оптимальных технологических режимах;
-разработка технологии, позволяющей получить высококачественное пищевое кедровое масло.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые разработаны и апробированы технологические режимы получения кедрового масла методом экстрагирования семян кедра сибирского. Экспериментально-расчетным путем определены эффективные коэффициенты диффузии масла из семян в растворитель и найдены их зависимости от температуры процесса. Исследовано влияние технологических факторов процесса экстракции на извлечение масла из семян кедра сибирского на полупромышленной установке. Определены составы кедрового масла, полученного методом экстрагирования в среде бензина "Нефрас" при оптимальных технологических режимах. Исследован состав после-экстракционного остатка.
. Практическая ценность работы. Разработанный способ получения кедрового масла из семян позволяет повысить коэффициент извлечения масла до 0,9-0,92, что по сравнению с применяемыми в настоящее время способами, является перспективным и экономически выгодным. На основании данного исследования разработана схема комплексной переработки семян кедра сибирского с по-
лучением масла и послеэкстракционного остатка (шрота), которые могут быть использованы в пищевой и парфюмерно-косметической промышленности. Разработанная полупромышленная установка внедряется в одном из лесхозов Республики Тува. Данная технология рекомендуется для внедрения на предприятиях по производству растительных масел.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на краевом семинаре молодых ученых и специалистов химиков по вопросам внедрения научных разработок в производство, г.Красноярск, 1994г., на конференциях по итогам научно-исследовательских работ КГТА 1993-1996 гг.
Публикации. По диссертационной работе опубликованы 4 статьи, в которых изложено основное содержание выполненных исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
В литературном обзоре дана характеристика исходного сырья, освещена область применения семян кедра сибирского и продуктов, полученных из семян. Проведен сравнительный анализ способов экстрагирования растительного сырья, а также применяемых для этого аппаратов. Показана актуальность проблемы получения кедрового масла методом экстракции семян кедра сибирского. На основании анализа литературных данных были выбраны конкретные задачи, решаемые в представленной работе.
Методическая часть. Объектом исследования были семена кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), собранные в период весны-осени 1994-1996 годов в Республике Тува и Центральных районах Красноярского края.
Обработка технологических режимов процесса экстрагирования осуществлялась в полупромышленной установке периодического действия. Единовременная загрузка экстрактора 100 кг. ре-
акционной смеси. При отработке технологических режимов использовались семена кедра сибирского, измельченные до размеров 2-5 мм на экспериментальной дисковой мельнице производительностью 125 кг/час.
В качестве экстрагентов применялись экстракционный бензин "Галоша" и низкокипящий экстракционный бензин "Нефрас". Контроль за проведением процесса экстрагирования осуществляли по количественному выходу масла и качественным показателям, которые определялись по методикам, принятым в масложировой промышленности.
Жирнокислотный состав масла анализировался на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором и программированием температуры до 400°С. Масло, полученное при оптимальных технологических режимах,характеризовалось групповым, кислотным и минеральным составами.
Экспериментальная часть. Определение диффузионных характеристик процесса извлечения масла из семян кедра сибирского в растворитель проводили на полупромышленной установке, в которой экстрактор периодического действия и вакуумный ро-торно-дисковой испаритель совмещены в одном узле.
После загрузки в экстрактор сырья и заполнения его растворителем, отсчет времени начинался с достижения температуры процесса экстрагирования. Пробы мисцеллы, в которых определялся выход масла, отбирались через определенные промежутки времени. По полученным данным рассчитывали безразмерный симплекс концентраций
Ср - О
Е=-------------, (I)
Со " Сп
где СР - равновесная концентрация масла;
Со - начальная концентрация масла в семенах кедра сибир ского;
Сп. - начальная концентрация масла в растворителе;
О - усредненная расчетная концентрация масла в мисцелле в 1 - момент времени.
Кинетические параметры процесса извлечения масла из семян кедра сибирского можно выразить следующим уравнением:
Е= Вп ехр(-Мп2Род) , (2)
где Вп, Мп - корни характеристического уравнения, зависящего от формы частиц;
Род - диффузионный критерий Фурье;
Ср - С;
Вп = (3 Ап; р= ----------- ;
Со - Сп
Для измельченных семян кедра сибирского размером до 0,5 мм была принята форма неограниченной пластины, для семян измельченных до размера 2 - 5 мм - форма неограниченного цилиндра.
Тогда для измельченных семян диффузионные характеристики можно определить, решив систему уравнений: 2Э
В„ =
Мп Ц ^а
аё Мп-Мп в
В; М„
(3)
где В1 -Я О
диффузный критерий Био;
характеристический размер твердого тела; эффективный коэффициент диффузии;
а - угол наклона касательной к логарифмической кривой регулярного процесса извлечения.
По полученным результатам были найдены зависимости эффективных коэффициентов диффузии от температуры проведения процесса, которые выражаются уравнением:
ЕЙ = В20 + Ь(1 - 20) , (4)
где Ого - эффективный коэффициент диффузии масла из семян кедра сибирского при температуре 200 С; - эффективный коэффициент диффузии при необходимой температуре;
Ь - угловой коэффициент;
I - температура, при которой определялись эффективные коэффициенты диффузии.
Коэффициенты уравнения (4), рассчитанные методом наи-
меньших квадратов, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения коэффициентов уравнения (4)
Сырье Гидромодуль Экстрагент Иго-Ю-8 ЬЮ-10 г
I 2 3 4 5 6
Измельченные Бензин "Галоша" 0,675 0,214 0,98
семена кедра 1 : : 1
сибирского Бензин "Нефрас" 0,700 0,245 0,98
Измельченные Бензин "Галоша" 0,715 0,290 0,98
семена кедра 2 : 1
сибирского Бензин "Нефрас" 0,754 0,337 0,98
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6
Измельченные Бензин "Галоша" 0,780 0,350 0,98
семена кедра 3 : 1
сибирского Бензин "Нефрас" 0,797 0,375 0,98
Из таблицы 1. видно, что эффективные коэффициенты диффузии масла из семян кедра сибирского в растворитель увеличиваются с повышением температуры процесса.
В этом же эксперименте изучалось влияние продолжительности процесса, вида экстагента и температуры на выход масла и его качественные показатели.
В результате эксперимента было выяснено, что процесс экстрагирования имеет два периода: быстрый и медленный (рис.1). Основная масса масла извлекается из семян кедра сибирского за первые 60 мин. и составляет 55 - 80 % от всего количества извлеченного масла. Длительность первого периода уменьшается с увеличением степени измельчения сырья. Это указывает на то, что в начальный период 'происходит удаление масла С легкодоступных частей масленичного сырья (его поверхности и разрушенных клеток). Эффективность первого периода (продолжительность и степень извлечения) зависят от свободной диффузии частиц масла из разрушенных клеток. При экстрагировании бензином "Нефрас" коэффициенты диффузии выше, чем при экстрагировании бензином "Галоша", так как диэлектрическая постоянная бензина "Нефрас" ниже, чем бензина "Галоша", поэтому фактор набухания играет меньшую роль, чем понижение вязкости экстагента при повышении температуры. Зависимости извлечения масла из семян кедра сибирского от температуры и исходной влажности показаны на рис. 1. Выход масла увеличивается с повышением температуры и уменьшается при увеличении влажности сырья.
Рис.1. Зависимость извлечения масла из семян кедра сибирского ( по расчетным значениям )
а) от температуры процесса I - 40°С ; 1 - 50°С ; 3 - 60°С ,
б) от влажности сырья I - 12 % ; I - 10 % ; 3 - 7,5 %.
и
Таким образом, из полученных результатов видно, что решающими факторами, влияющими на степень извлечения масла из семян кедра сибирского, являются температура и исходная влажность сырья.
Исследование и оптимизация процесса извлечения масла из семян кедра сибирского на полупромышленной установке.
Для определения оптимальных режимов процесса извлечения кедрового масла из семян методом экстракции были проведены эксперименты в полупромышленной установке. Процесс экстрагирования проводился в среде бензина "Галоша" и в среде бензина "Нефрас". При реализации эксперимента использовали статистическое планирование. В качестве независимых переменных факторов, влияющих на процесс экстрагирования, были выбраны температура процесса, продолжительность процесса и соотношение растворителя и масленичного сырья (жидкостный модуль).
Постоянными факторами процесса были: производительность установки, объем загрузки сырья в экстрактор.
При извлечении масла из семян кедра сибирского в среде бензина "Нефрас" в качестве плана был использован полный факторный эксперимент (ПФЭ) 23. Независимыми переменными для данного эксперимента явились: Х| -температура процесса (°С) , Хг - продолжительность процесса (час); Хз - жидкостный модуль (кг/кг).
Основной нулевой уровень факторов задавался следующими значениями независимых переменных: 50°С, 4 часа, жидкостный модуль 2:1. Интервалы варьирования соответственно равнялись 10°С, 2 часа, ] кг / кг. Выходными параметрами процесса были приняты: У| - выход масла, в % к а. с. массе сырья; У г - кислотное число, мг КОН/ г; Уз - количество нежировых примесей, %
к массе масла; У-4 - йодное число г Ь / 100 г; У 5 - количество нео-мыляемых веществ, % к массе масла.
В результате реализации эксперимента и математической обработки были получены уравнения регрессии, которые после проверки коэффициентов на значимость приняли следующий вид:
У| = 24,430 + 0,560Х] + 1,440Х2 + 0,665Х3 + 0,185X1X2 -
-0,540Х1Хз; (5)
У2 = 1,14-0,05X2; (6)
Уз = 0,20 + 0,07Х| + 0,03X2 + 0,04Х3; (7)
У4 = 92,21 - 1,82X1 - 1,41X2 + 0,94X1X2 + 1,29Х2Х3; (8)
Уз = 1,102 - 0,0702X1 - 0,051X2 + 0,580Х,Хз. (9)
Проверка уравнений (5-9) на адекватность, путем сравнения опытного значения дисперсий с табличным значением критерия Фишера, при заданном числе степеней свободы и уровней значимости а=0,05, показало, что они адекватно описывают поверхность отклика в условиях проведения экспериментов в границах варьирования факторов. Полученные уравнения (5 - 9) описывают влияние независимых переменных на каждый из выходных параметров. Для того, чтобы оценить весь процесс в целом и определить оптимальные условия его проведения, был рассчитан обобщенный параметр оптимизации. Расчет производился методом свертывания информации и представлял собой взвешенную с "весами" 5 j сумму нормализованных выходных параметров и вычислялся по выражению:
Р Ул-У/>
Уе = --------------- , (10)
У]№-Уз<->
где У] 1 - построчное значение каждого из параметров оптими зации;
5 Уд'-) - соответственно лучшие и худшие значения каждого выходного параметра, полученных в результате эксперимента;
5 ] - весовые оценки каждого из параметров оптимизации
Р
0<<у<1 при условии £ ;
Р - число выходных параметров, включенных в обобщенный параметр оптимизации. Весовые оценки параметра оптимизации производились объективно в зависимости от значимости данного параметра в процессе и являются средними значениями из пятя, полученных опросом специалистов, весовые оценки для - 0,5; Уг - 0,14; Уз -0,07; У4 - 0,26; У5 - 0,05.
По полученным данным была сформирована матрица и рассчитано уравнение регрессии, которое после проверки на значимость имеет вид:
Уе = 0,6 + 0,11X1 - 0,06X2 - 0,08Хз; (11)
Анализ параметра оптимизации и экономического фактора показал, что наиболее оптимальным и экономичным в среде бензина "Нефрас"' является эксперимент со следующими параметрами: температура процесса 60°С, продолжительность процесса 4 часа, гидромодуль 2:1, влажность сырья 8,5%, скорость вращения мешалки экстрактора 4 об/м, масляничность сырья 55%.
Аналогично проводились и математически обрабатывались эксперименты по извлечению масла из семян кедра сибирского в среде бензина "Галоша". Оптимальным и экономичным был эксперимент со следующими параметрами: температура процесса 60°С, продолжительность процесса 6 часов, гидромодуль 2:1, влажность сырья 7,5%, скорость вращения мешалки экстрактора 6 об/м, масляничность сырья 65%.
Сравнительная оценка процессов экстрагирования семян кедра сибирского различными растворителями показала, что применение низкокипящего бензина "Нефрас" для извлечения масла из семян экономически более выгодно, чем применение для этой цели бензина "Галоша". На основании расчетных значений, полученных в результате оптимизации процесса, были построены графики зависимости извлечения масла из семян кедра сибирского от температуры и исходной влажности сырья. Эти графики хорошо коррелируются с графиками, построенными по экспериментальным данным (рис. 1,2).
Исследование состава кедрового масла
Выход масла при экстрагировании семян кедра сибирского в среде бензина "Нефрас" в полупромышленной установке составил 24,14% от а.с. массы сырья, при этом коэффициент извлечения равнялся 0,92.
Изучение группового состава липидов показало, что в кедровом масле содержится: 96,16% - нейтральных липидов; 1,84% -фосфолипидов; 2% - гликолипидов. При этом состав нейтральных липидов следующий: 4,83% - моноацилглицеролы; 8,46% - диаци-лглицеролы; 74,53% - триацилглицеролы; 4,12% - эфиры стеринов; 3,11% - стерины; 4,75% - свободные жирные кислоты; 0,20% - воска;
Состав свободных жирных кислот, определенный методом га-зо-жидкостной хроматографии представлен в таблице 2.
Таблица 2
Состав свободных жирных кислот в % к сумме кислот
Наименование кислоты % к сумме кислот
1 2
Тетрадекановая 0,73
Пальмитиновая 2,00
Пальмитолеиновая следы
Стеариновая следы
Выход масла в % от содержания масла в сырье
Выход масла в % от содержания масла в сырье
За 0> X ■X.
я
Продолжение таблицы 2
Олеиновая 18,10
Линолевая 68,20
Линоленовая 10,17
Арахиновая 0,80
Минеральный состав кедрового масла, представленный химическими элементами, показал, что основными компонентами масла является: фосфор - 1%, марганец - 0,1%, медь - 0,01%, бор - 0,01%. Остальные элементы содержатся в масле в незначительном количестве.
Изучение послеэкстракционного остатка (шрота) выявило, что в шроте содержится до 45 % белка и много других питательных веществ, причем в белке шрота содержание незаменимых аминокислот составляет 41 % от суммы всех аминокислот, входящих в белок.
Технологическая схема получения пищевого масла из семян кедра сибирского На основании проведенных исследований разработана технологическая схема получения пищевого масла хорошего качества методом экстрагирования семян кедра сибирского (рис.3). Семена кедра сибирского доставляются на хранение в подготовительное отделение.Из хранилища семена подаются в камерные сушилки 1,сушка в которых длится 90 - 120 мин. Высушенные до влажности 7 - 9 % семена поступают на размол в дисковую мельницу 2, производительностью 3000 кг/сут. Размолотые семена направляются для экстрагирования в полупромышленную установку 3. Экстрагирование семян осуществляется при оптимальных технологических режимах. Из экстрактора мисцелла самотеком поступает в испаритель. Для полной отгонки растворителя концент-
рированная мисцелла подается в установку дистилляции 4. При получении кедрового масла для парфюмерно-косметической промышленности процесс дистилляции является конечным. Чтобы получить высококачественное пищевое кедровое масло, необходимо его очистить от сопутствующих веществ, которые сами являются ценными компонентами, т.е. осуществить рафинацию масла.
Исходя из анализа приведенных в диссертации данных по составу дистиллированного кедрового масла, предлагается следующая схема рафинации: операция гидратации ( удаление фосфо-липидов ) : операция щелочной нейтрализации ( удаление свободных жирных кислот ) : операция вымораживания (удаление восков и воскоподобных веществ ):. операция дезодорации масла (удаление веществ, вызывающих специфический вкус и запах).
Удаление фосфолипидов осуществляется в установке гидратации, которая включает в себя : теплообменник 5, струйный смеситель 6, экспозитор-коагулятор 7, сепаратор 8, фильтр 9, вакуумный сушильно-деаэрационный аппарат 10. Высушенное гид-ратированное масло подается на следующую операцию - щелочную нейтрализацию, состоящую из: теплообменника 11, нейтрализатора 12, вакуумного сушильно- деаэрационного 13. Для удаления восков и воскоподобных веществ нейтрализованное масло подвергают охлаждению - сначала до + 20° С, а затем до +10° С-+ 12°С и направляют в экспозитор 14, где выдерживают смесь при заданной температуре в течении 4 - х часов, непрерывно перемешивая. Воска отделяют на рамных фильтрах 15. Процесс рафинации заканчивается операцией дезодорации. В узел дезодорации входят: деаэратор 16, дезодоратор 17, маслоохладитель 18. Каждый узел очистки оснащен пультом управления и контрольно - измерительными приборами. Проведенные технико- экономические расчеты показали, что предлагаемая схема является эффективной.
Рис. 3. Технологическая схема получения пищевого масла из семян кедра сибирского
I - сушилка , 2 - дисковая мельница , 3 - установка для экстрагирования , 4 - установка дистилляции
5 -теплообменик, О - смеситель, 1- коагулятор , 8 - сепаратор, 9 - Фильтр, 10 - суиильно-деаэра-ционный аппарат, II - теплообменник. 12 - нейтрализатор, 13 - сугаильно-деаэрационний аппарат,:
14 - экспозитор, 15 - фильтр-пресса, 16 - деаэратор, IV - дезодоратор, ^ ~ маслоохладитель
19
ВЫВОДЫ
1. Разработана технологическая схема комплексной переработки семян кедра сибирского с получением высококачественного пищевого масла, фосфатидного концентрата, солей свободных жирных кислот (мыл), послеэкстракционного остатка (шрота).
2. Разработана экспериментальная полупромышленная установка для проведения исследований с целью получения пищевого масла методом экстрагирования семян кедра сибирского алифатическими углеводородами. Отличительной чертой ее является соединение в один узел экстрактора и вакуумного роторно - дискового испарителя. Разработанную установку планируется смонтировать в одном из лесхозов Республики Тува.
3. Впервые определены эффективные коэффициенты диффузии процесса извлечения масла из семян кедра сибирского методом экстрагирования. Найдены математические модели, отражающие качественные и количественные характеристики процесса получения масла из семян кедра сибирского.
4. Синтезированы обобщенные параметры полезности, с помощью которых найдены оптимальные условия процесса извлечения масла из семян кедра сибирского на экспериментальной полупромышленной установке. Эти условия следующие:
а) при экстрагировании в среде бензина " Галоша"
температура процесса . 60° С
продолжительность процесса 6 Ч/
жидкостный модуль 2 :1
влажность сырья перед загрузкой 7,5 %
скорость вращения мешалки экстрактора 6 об/мии. б) при экстрагировании в среде бензина" Нефрас "
температура процесса 60° С
продолжительность процесса 4 ч.
жидкостный модуль 2 : 1
влажность сырья перед загрузкой 8,5 %
скорость вращения мешалки экстрактора 4 об/мин. 5. Изучены групповой, индивидуальный составы, а также физико - химические показатели кедрового масла, полученного при оптимальных условиях процесса. Полученные данные (кислотное число, мг КОН /г - - 1,03,. нежировые примеси - 0,25 %, неомыляемые вещества - 1,10 % ) соответствуют ТУ и показывают возможность получения пищевого кедрового масла методом экстрагирования семян кедра сибирского.
6. Изучен состав послеэкстракционного остатка. Рекомендовано использовать его, как добавку в пищевой промышленности, а также в животноводстве и птицеводстве, т.к. содержание незаменимых аминокислот составляет 41 % от суммы всех аминокислот, входящих в белок шрота.
7. Проведены технико - экономические расчеты, которые показали эффективность разработанной технологии получения масла из семян сосны сибирской. Данная технология рекомендуется для внедрения на действующих предприятиях по производству растительных масел.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
1. Грицко С.Л.,Репях С.М. Растворители для экстракции растительного сырья • // Комплексная переработка древесного сырья, - Красноярск,1994гС.154 - 156.
2. Грицко С.Л.,Репях С.М.,Хантургаев Г.А. Установка для экстракции маслосодержащего сырья. // Комплексная переработка древесного сырья.— Красноярск, 1996. ~ С.241 -242.
3. Грицко С.Л., Репях С.М. Комплексное использование се. мян кедра сибирского // Экология и комплексное использование недревесного сырья.'— . Красноярск, 1997,-С,245 -246.
4.Грицко С.Л. Использование кедрового ореха для получения кедрового масла методом экстракции . /^Экология и пищевые продукты. — Красноярск,!997.~С87 - 89.
-
Похожие работы