166150 (Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту)

Національний університет "Львівська політехніка"

Федорчук–Мороз Валентина Іванівна

УДК 66.061.3:665.12

Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту

05.17.08 – процеси й обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі органічної та біологічної хімії Волинського національного університету імені Лесі Українки Міністерства освіти і науки України, м. Луцьк.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Семенишин Євген Михайлович,

Національний університет "Львівська політехніка",

професор кафедри хімічної інженерії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Малежик Іван Федорович,

Національний університет харчових технологій,

завідувач кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування

доктор технічних наук, професор

Мальований Мирослав Степанович,

Національний університет "Львівська політехніка",

завідувач кафедри екології та охорони навколишнього середовища

Захист відбудеться 15 квітня 2008 р. о 12-й год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 при Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України за адресою: 79013, м. Львів - 13, пл. Св. Юра, 9, корпус 9, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (м. Львів - 13, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 13 березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Атаманюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найгострішою проблемою сьогодення, від вирішення якої залежить економічне виживання України, є стабільне забезпечення її енергоресурсами. Потреба нашої країни в нафтопродуктах, за різними оцінками, складає 24–28 млн тонн у рік, тож забезпечити себе такою кількістю держава може в основному за рахунок імпорту (80–90 %).

Один із напрямів розв’язання цієї проблеми – освоєння альтернативних джерел енергії. Найперспективнішим нетрадиційним джерелом енергії є рослинні олії та тваринні жири, які можуть застосовуватися в різних галузях промисловості: хімічній, фармацевтичній, харчовій, у медицині, парфумерії. Понад 150 видів олієвмісних рослин в усьому світі – це єдиний шанс, який дає змогу регіонам самостійно, на місцевому рівні, вирішувати енергетичні питання.

Використанню традиційних і нових нетрадиційних рослин як джерел одержання олій для хімічної промисловості й біологічно активних речовин для фармації та харчової промисловості присвячено низку наукових публікацій. Однією з таких рослин є амарант, властивості якого протягом останніх двадцяти років досліджувалися у багатьох роботах. Особливу увагу привертає використання олій із рослинної сировини для виготовлення біодизельного палива.

Процеси екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини, з точки зору механізму та кінетики процесу, є досить складними, оскільки включають як внутрішню, так і зовнішню дифузії. Внутрішня дифузія є найповільнішою (лімітуючою) стадією процесу, тому розрахунок процесів екстрагування пов’язаний із труднощами, які виникають під час визначення кінетичних констант.

Беручи до уваги перспективу розробки безвідходної технології для вилучення олії з насіння амаранту в промислових масштабах, важливим завданням є визначення оптимальних умов процесів екстрагування для одержання максимальної кількості вилучених цільових компонентів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри промислової екології Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0194U0295586); плану науково-дослідної роботи кафедри органічної та біологічної хімії Волинського національного університету імені Лесі Українки з проблеми “Виділення та встановлення будови фізіологічно-активних природних сполук”; плану науково-дослідної роботи кафедри хімічної інженерії Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Тепло- та масообмін в системі тверде тіло – рідина – газ”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення механізму та кінетики процесу екстрагування цільових компонентів (олії) з насіння амарантів для розробки теоретичних основ процесу екстрагування. Для досягнення цього необхідно вирішити такі основні завдання: проаналізувати літературні дані, встановити фізико-хімічні характеристики цільових компонентів, дослідити механізм вилучення цільових компонентів з метою визначення лімітуючої стадії процесу, вивчити кінетичні закономірності процесу екстрагування, розробити математичні моделі процесу екстрагування, які б дали можливість прогнозувати процес у реальних умовах, запропонувати технологічну схему процесу.

Об’єкт дослідження: насіння амаранту мітлистого (Amaranthus cruentus L.), амаранту хвостатого (Amaranthus caudatus L.), а також насіння щириці звичайної (Amaranthus Retroflexus L.).

Предмет дослідження: механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини.

Методи дослідження: визначаючи фізико-хімічні характеристики олій, використовували процес екстрагування під час занурення, об’ємний і гравіметричний аналіз, газорідинну та тонкошарову хроматографію; досліджуючи процеси екстрагування, механізму та кінетики процесу, використовували математичне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначено склад цільових компонентів та хімічні характеристики амарантової та щирицевої олій; уточнено механізм екстрагування (лімітуючу стадію) та кінетичні закономірності процесу; розроблено математичні моделі процесу екстрагування на основі фізичних моделей зерна, перевірено їх на адекватність; встановлено умови найбільш ефективного вилучення цільових компонентів (температурний режим, діаметр частинок зерна, екстрагент та ін.); визначено константи екстрагування, знання яких необхідне для прогнозування процесу екстрагування в умовах виробництва.

Практичне значення одержаних результатів. Під час теоретичних та експериментальних досліджень розроблено та запропоновано технологічні схеми одержання олії з насіння амаранту в умовах безперервного та періодичного процесів.

Удосконалено методики для визначення фізико-хімічних характеристик та складу цільових компонентів із рослинної сировини.

Запропоновано новий спосіб отримання олії, захищений деклараційним патентом України на корисну модель.

Особистий внесок здобувача. Вивчення літературних джерел, розробку методик досліджень, аналіз і обговорення отриманих результатів виконано автором спільно з науковим керівником, доктором технічних наук, професором Є.М. Семенишиним. Експериментальні дослідження з визначення фізико-хімічних характеристик амарантової та щирицевої олій і складу основних цільових компонентів проведено здобувачем самостійно під керівництвом кандидата хімічних наук, доцента Д.І. Проца. Експериментальні дослідження процесу екстрагування рослинних олій з метою встановлення лімітуючої стадії та кінетичних закономірностей процесу виконано автором самостійно. Технологічні схеми одержання амарантових олій в умовах періодичного та безперервного процесів розроблено здобувачем спільно з кандидатом технічних наук, доцентом В.І. Троцьким.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Волинського державного університету імені Лесі Українки у 2001–2005 рр., на другій Всеукраїнської конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”, м. Київ, 2001 р., на ХІХ Українській конференції з органічної хімії, м. Львів, 2001 р., на Українській конференції з неорганічної хімії за участю зарубіжних учених, м. Ужгород, 2004 р., на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Біотехнологія. Освіта. Наука”, м. Львів, 2004 р., на ХІ Міжнародній науковій конференції „Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних виробництв”, м. Одеса, 2006 р., на Міжнародній науково-практичній конференції школи-семінару “Підвищення енергетичної ефективності харчових і хімічних виробництв”, м. Одеса, 2007 р., ІV науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості”, м. Львів, 2007 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей у фахових журналах, 5 тез доповідей на наукових конференціях, одержано деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури, який включає 120 джерел, та трьох додатків. Вона викладена на 140 сторінках тексту (з них 11 – у додатках) і містить 42 рисунки, 29 таблиць і 2 фото (у додатках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і завдання досліджень, відображено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі “Огляд літератури” наведено літературні дані з теоретичних основ та особливостей екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини порівняно з мінеральною сировиною, зі шляхів інтенсифікації процесу екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини, описано об’єкт дослідження.

У другому розділі “Вибір напряму досліджень, опис методик та об’єктів досліджень з екстрагування цільових компонентів із амаранту” обумовлено вибір напряму досліджень, описано методики та об’єкти досліджень з екстрагування цільових компонентів із рослинної сировини.

Дано загальну характеристику об’єктів екстрагування та методів вилучення цільових компонентів (неліпідних сполук – пектинів, альбумінів, глобулінів, рибонуклопротеїдів та дезоксирибонуклеопротеїдів і ліпідних сполук – жирів, вільних жирних кислот та сквалену), що містяться в насінні рослинної сировини – родини Амарантових. Виділено основні цільові компоненти і проідентифіковано одержані сполуки на основі відповідних методик. Наведено методики виділення цільових компонентів, на основі яких визначено вміст цих компонентів (пектини, білки, олія, сквален, жирні кислоти та ін.) у насінні амаранту, методики визначення хімічних характеристик амарантових олій (йодне, кислотне, естерне числа та число омилення, показник кута заломлення, густина). Підібрано необхідні розчинники для екстрагування цільових компонентів і дано їх характеристику.

Подано методики встановлення механізму екстрагування олії з насіння амаранту і методики дослідження кінетичних закономірностей процесу та визначення кінетичних констант.

У третьому розділі “Експериментальне дослідження кінетики екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту” представлено результати експериментальних досліджень кінетики екстрагування цільових компонентів із насіння амаранту.

Досліджено кінетику екстрагування амарантової олії н-гексаном із неподрібненого та подрібненого насіння амаранту мітлистого, амаранту хвостатого та щириці звичайної середнім діаметром зерен 0,5 мм і 0,25 мм за різних температур. Аналогічні результати одержано під час вивчення кінетики екстрагування олії н-гексаном із насіння амаранту хвостатого та щириці звичайної.

Аналіз одержаних результатів показав, що при кімнатній температурі розмір подрібненого насіння амаранту суттєво не впливає на вихід олії. Підвищення температури (30–40ºС) збільшує ступінь вилучення олії для фракцій з розмірами 0,5  і 0,25 мм. Однак для фракції з розміром частинок 0,25 мм ускладнюється процес фільтрації. Слід зазначити, що процес екстрагування олії з амаранту хвостатого відбувається швидше порівняно з амарантом мітлистим і щирицею, що пояснюється деякою відмінністю внутрішньої структури та дещо іншим вмістом олії.

Досліджено кінетику екстрагування амарантової олії бензеном та хлороформом із неподрібненого та подрібненого насіння амаранту мітлистого та амаранту хвостатого середнім діаметром зерен 0,5 мм і 0,25 мм за різних температур. Аналогічні результати одержано під час вивчення кінетики екстрагування олії хлороформом із насіння амаранту мітлистого та хвостатого.

Аналіз результатів з вивчення впливу природи розчинника на кінетику екстрагування олії показав, що під час використання н-гексану можна одержати вищий вихід олії порівняно з іншими розчинниками.

Із метою інтенсифікації процесу досліджено вплив попередньої термічної обробки (140 160 ºС) неподрібненого насіння амаранту на кінетику процесу.

Аналіз результатів досліджень показав, що попередній короткочасний контактний нагрів до температури 160 С збільшує швидкість вилучення внаслідок руйнування насіннєвих оболонок і може бути використаний з метою інтенсифікації процесу. Експериментально визначено вихід амарантової олії, що міститься у насінні амаранту і становить 6,5–8,7 % від маси сухого насіння залежно від виду амаранту. Встановлено механізм екстрагування цільових компонентів із насіння родини Амарантових. Показано, що процес екстрагування олії із неподрібненого насіння проходить у внутрішньодифузійній області (рис. 1 г), а під час екстрагування з подрібненого насіння – у змішаній зовнішньо- і внутрішньодифузійній областях.

Встановлено шлях інтенсифікації процесу за рахунок механічного подрібнення насіння амаранту, внаслідок якого руйнуються насіннєві оболонки і клітинні мембрани, що є основною причиною внутрішньо-молекулярного перенесення цільових компонентів із ядра зерна до поверхні фазового контакту.

Вивчено кінетику екстрагування олії з насіння амаранту, вплив температури і ступеня подрібнення на швидкість процесу екстрагування. Підвищення температури та ступеня подрібнення сприяють інтенсифікації екстрагування.

У четвертому розділі “Математичні моделі екстрагування олії з насіння родини Амарантових” наведено спрощену математичну модель кінетики екстрагування цільових компонентів із насіння родини Амарантових, яка дає можливість прогнозувати кінетику екстрагування олії в умовах виробництва.

Перевірено математичну модель на реальних об’єктах (насіння родини Амарантових). В основу такої моделі покладено закон Фіка (1) та рівняння матеріального балансу (2):