劉玉德, 萬璐明, 張 媛, 石學(xué)智, 王 濤

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048)

連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線的設(shè)計和研究

劉玉德, 萬璐明, 張 媛, 石學(xué)智, 王 濤

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048)

從國內(nèi)超聲波提取設(shè)備的工藝優(yōu)缺點入手,介紹了循環(huán)超聲波提取設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點.并結(jié)合循環(huán)超聲波提取技術(shù)設(shè)計了一套連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線.該生產(chǎn)線包括物料包裝系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、超聲波提取系統(tǒng)、提取液濃縮系統(tǒng)和回收系統(tǒng).根據(jù)超聲波萃取植物資源有效成分的動力學(xué)關(guān)系設(shè)定合理的工藝參數(shù),得到實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),分析比較了該生產(chǎn)線與其他超聲提取裝置的優(yōu)勢所在.

連續(xù)提取;循環(huán)超聲;超聲提取;動力學(xué)

我國自20世紀(jì)50年代就已開始將超聲波技術(shù)應(yīng)用于中藥和天然產(chǎn)物提取的研究,發(fā)現(xiàn)超聲波提取技術(shù)比傳統(tǒng)的提取方法具有提取率和提取速率高,物耗低、能耗低等優(yōu)點[1-2].國內(nèi)的超聲提取技術(shù)在實驗室小量樣品制備中效果很好,且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,其快速、高效的特點已被廣泛認(rèn)同.但是,由于存在著能耗較高、噪音較大、適用范圍窄、缺乏有效的工藝放大手段和方法等問題,超聲提取設(shè)備還處于中試或小規(guī)模生產(chǎn)階段,在一些大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)提取中尚未得到推廣[3-5].

1 國內(nèi)超聲波提取設(shè)備的形式及特點

目前國內(nèi)開發(fā)出的超聲波提取設(shè)備多為單罐間歇超聲波提取設(shè)備,但連續(xù)提取設(shè)備乃至成套的超聲提取設(shè)備并不多見[6-7].超聲波提取的主流設(shè)備類型主要有罐式超聲波提取設(shè)備和管道式超聲波提取設(shè)備2種.

1.1 罐式超聲波提取設(shè)備

罐式結(jié)構(gòu)的超聲波提取設(shè)備如圖1.其特點是提取物質(zhì)量好、雜質(zhì)少、提取率高;可滿足各種有效成分提取的需要;操作方便、易于清洗清理.但由于這種結(jié)構(gòu)形式受超聲波特性的影響,提取罐的容積有限,不適合于大規(guī)模植物資源的提取[8].

圖1 罐式超聲波提取裝置Fig.1 Device of tank type ultrasonic extraction

目前,罐式超聲波提取罐與真空濃縮器結(jié)合起來,并配備過濾、有機(jī)溶劑冷凝回收、油水分離器、電加熱器、在線清洗等輔助系統(tǒng),組成的一套天然物提取、過濾、濃縮成套設(shè)備,已經(jīng)用于中試試驗和小批量的中藥和天然產(chǎn)物提取生產(chǎn).

1.2 管道式超聲提取設(shè)備

管道式超聲波提取設(shè)備適用于連續(xù)大型化生產(chǎn),管道形式有單管型、陣列型、螺旋形.現(xiàn)在較為流行的管道式連續(xù)逆流超聲波提取設(shè)備,其基本結(jié)構(gòu)如圖2[9].

圖2 管道式逆流超聲提取設(shè)備Fig.2 Equipment of pipeline flow ultrasonic extraction

連續(xù)逆流超聲波提取設(shè)備能實現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)及動態(tài)逆流提取,提高了生產(chǎn)效率,提取時間由60～300min縮短至20～40 min,減少了溶劑用量,降低了提取溫度,保證了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了能耗,避免了殘渣對環(huán)境的污染,被廣泛應(yīng)用于使用各種溶劑從植物藥材中提取各種天然產(chǎn)物,特別是使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑對較大規(guī)模單味藥材的提取[10-11].但由于超聲波穿透深度有限,管道直徑均在20～50 cm之間;并且大型超聲提取設(shè)備需要很長的管道來保證提取率,不適應(yīng)多種工藝參數(shù)調(diào)整[1].

2 工業(yè)化超聲波提取設(shè)備最新發(fā)展——循環(huán)超聲波提取

2.1 循環(huán)超聲波提取技術(shù)的研發(fā)背景

由于超聲波對靜止物料的作用效果有限,研究人員提出了循環(huán)超聲波提取技術(shù).經(jīng)過多年的實驗發(fā)現(xiàn),循環(huán)超聲波提取技術(shù)可顯著增加超聲場的物料處理能力,解決了超聲提取的工藝放大難題,極大地拓寬了超聲提取的應(yīng)用范圍[12].

2.2 循環(huán)超聲波提取設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其特點

小型實驗室循環(huán)超聲波提取設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3,其包括超聲提取罐和超聲發(fā)生裝置.超聲發(fā)生裝置包括聚能式超聲發(fā)生裝置和發(fā)散式超聲發(fā)生裝置.其中聚能式發(fā)生裝置有一個聚能超聲振子,發(fā)散式超聲發(fā)生裝置有多個發(fā)散超聲振子,整個循環(huán)超聲提取設(shè)備置于移動支架上[13].

圖3 循環(huán)超聲提取的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of cycle of ultrasonic extraction

循環(huán)超聲提取技術(shù)適用范圍更廣、常溫常壓操作、提取成本較低、提取效率較高.由于提取溫度低,最大限度地保持了物料中原有的各種有效成分(特別是各種熱敏性成分);同時,由于提取時間短,使提取產(chǎn)品中無用的雜質(zhì)組分含量減少.循環(huán)提取設(shè)備較其他超聲提取設(shè)備具有突出特點(見表1).循環(huán)超聲波提取設(shè)備的研制成功,對于推動動植物資源有效提取的現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化具有非常重要的意義[13].

3 連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線的設(shè)計

連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線是將循環(huán)超聲提取設(shè)備與傳統(tǒng)植物資源提取工業(yè)化生產(chǎn)線有機(jī)結(jié)合,如圖4.其包括物料包裝系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、超聲波提取系統(tǒng)、提取液濃縮系統(tǒng)和回收系統(tǒng).其特點是:結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可實現(xiàn)恒溫連續(xù)提取;超聲提取設(shè)備的管道可根據(jù)生產(chǎn)車間環(huán)境設(shè)計為直線型或環(huán)形等多種形狀;物料提取完后自動回收,提取液自動排出.

表1 循環(huán)提取設(shè)備與其他超聲波提取設(shè)備特性對比Tab.1 Comparison table of cycle extraction equipmentwith other ultrasonic extraction equipment

圖4 連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線示意Fig.4 Diagram of production line of continuous loop ultrasonic extraction

3.1 物料包裝系統(tǒng)

物料包裝系統(tǒng)由料斗和物料包裝設(shè)備組成.將處理好的物料批次性地加入料斗中,通過料斗將物料連續(xù)、自動、均勻地裝入包裝袋中,形成物料包.所用包裝袋大小和材質(zhì)可根據(jù)實際生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整,但必須保證物料不易漏出,同時透水性能好.

3.2 物料輸送系統(tǒng)

物料輸送系統(tǒng)包括輸送帶和物料包整理裝置.物料包由輸送帶進(jìn)行傳輸,輸送帶上有特制的小鉤或擋板,用于固定物料包,防止物料包在傳送過程中掉落.物料包在進(jìn)入超聲提取裝置之前經(jīng)過整理裝置進(jìn)行整理,用于均勻分散物料,使得超聲提取更加充分[14].

3.3 超聲波提取系統(tǒng)

超聲波提取系統(tǒng)由超聲波提取管道和超聲波換能器組成,同時還包含溶劑輸送設(shè)備、控溫裝置和攪拌裝置.超聲波提取管道為夾層結(jié)構(gòu),管道兩端的側(cè)壁上開有進(jìn)液口和出液口,通入一定溫度的液體進(jìn)行恒溫控制;管道側(cè)壁上部開有提取液出口,提取液達(dá)到一定容積后自動流出;管道外壁上含有離散式超聲振子組和聚能式超聲振子組,多個離散式超聲振子安裝在提取管道的側(cè)壁上,多個聚能式超聲振子分布在提取管道的上部,兩種超聲波相互補充、配合;管道內(nèi)壁上設(shè)有循環(huán)攪拌設(shè)備,使得有效成分?jǐn)U散更加快速,提取效果更好;溶劑輸送設(shè)備包括溶劑儲存、輸送、定量控制等裝置,通過儲罐、循環(huán)泵、流量計對溶劑輸送量進(jìn)行自動控制.

3.4 提取液濃縮系統(tǒng)

提取液濃縮系統(tǒng)包括加熱蒸發(fā)、冷凝、萃取、干燥等裝置.利用動態(tài)循環(huán)蒸發(fā)濃縮器對提取液進(jìn)行濃縮,將提取液中的溶劑在降壓(真空)條件下蒸發(fā)出,并冷凝回收再利用;同時通過萃取裝置和干燥裝置將濃縮后的提取液進(jìn)行提純和干燥.

3.5 回收系統(tǒng)

回收系統(tǒng)包括溶劑回收裝置和物料回收裝置.溶劑回收裝置將蒸發(fā)冷凝得到的溶劑加入溶劑儲罐中,并通過溶劑輸送設(shè)備再次進(jìn)入生產(chǎn)線中進(jìn)行循環(huán)利用;物料回收裝置整理回收從提取管道中出來的物料包,可將其整理回收或進(jìn)入下一級提取液濃縮系統(tǒng)以進(jìn)行多級提取.

連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線基本工藝流程為:將處理好的物料通過物料包裝設(shè)備加工成物料包,物料包通過物料輸送裝置進(jìn)行運輸,在經(jīng)過物料包整理裝置整理后進(jìn)入超聲波提取管道中進(jìn)行超聲提取,提取完成后自動回收進(jìn)物料回收箱中.

4 實驗研究

中草藥成分提取傳質(zhì)動力學(xué)方程大多基于Fick第一定律擴(kuò)散方程提出[14],其表達(dá)式為:

式(1)中,J為擴(kuò)散通量;D為擴(kuò)散系數(shù),表示單位濃度梯度、單位時間內(nèi)通過單位截面積的質(zhì)量,其與擴(kuò)散邊界層的濃度有關(guān),也與提取溫度、提取溶劑湍流等有關(guān);C為溶液質(zhì)量濃度,隨提取時間變化[15],在單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量與該截面處的濃度梯度成正比.即濃度梯度越大,擴(kuò)散通量越大.

以茶多酚提取實驗為例,由式(1)可知,影響因素包括茶葉粒度、料液比、提取時間、提取溫度、超聲功率等.根據(jù)超聲波萃取植物資源有效成分的動力學(xué)關(guān)系設(shè)定合理的工藝參數(shù),并結(jié)合實際投料試驗生產(chǎn)的數(shù)據(jù),從耗材、產(chǎn)量、人工、耗電、其他消耗等5方面對連續(xù)循環(huán)超聲提取技術(shù)與其他超聲提取工藝進(jìn)行對比,詳見表2.

表2 連續(xù)循環(huán)超聲提取技術(shù)與其他超聲提取技術(shù)的利潤對比Tab.2 Comparison of profits between continuous loop ultrasonic extraction technology and common extraction technology

由表2比較可知,采用連續(xù)循環(huán)超聲提取生產(chǎn)線與普通超聲提取相比,明顯提高了產(chǎn)量,每天可多產(chǎn)生利潤11.338萬元人民幣,可見其經(jīng)濟(jì)效益是比較明顯的.

但是,連續(xù)循環(huán)超聲提取技術(shù)在設(shè)計、試車及生產(chǎn)過程中還存在以下問題:1)設(shè)備前期投入高,本生產(chǎn)線的超聲提取裝置需要定制,國內(nèi)超聲提取設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)并不多,能確保循環(huán)超聲提取設(shè)備正常運行的生產(chǎn)廠商更少.另外,生產(chǎn)線需要的配套設(shè)備很多,因此相對其他超聲提取設(shè)備而言同等規(guī)模的生產(chǎn)線投入更高.2)占地面積大,由于生產(chǎn)線的設(shè)備多,且大部分均水平布置,廠房面積較小的生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)慎重選用.

5 結(jié) 論

連續(xù)循環(huán)超聲波提取設(shè)備生產(chǎn)線解決了超聲波技術(shù)在植物資源提取方面存在的問題和難點,這一裝置集成了循環(huán)超聲提取、動態(tài)連續(xù)提取、自動渣液分離等新技術(shù),實現(xiàn)了在自動控制下全程連續(xù)化密封作業(yè),自動回收廢渣等.與其他超聲提取相比具有高效、安全、環(huán)保等明顯優(yōu)勢,對推動超聲波工業(yè)化提取植物資源中的有效成分具有重要意義.

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Design and Research of Production Line of Continuous Cyclic Ultrasonic Extraction

LIU Yude, WAN Luming, ZHANG Yuan, SHIXuezhi, WANG Tao
(School ofMaterial and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)

The equipment structure and characteristics of ultrasonic extraction circulation were introduced based on the advantages and disadvantages of domestic ultrasonic extraction equipment.A set of continuous cyclic ultrasonic extraction production line was designed combined with cycle ultrasonic extraction technology.Material packaging system,material conveying system,ultrasonic extraction system,extracting enrichmentsystem,and recovery system were included in this production line.According to the dynamic relationship of ultrasonic extraction of active ingredients from plant resources,the reasonable process parameters were set,and actual production data were obtained.Meanwhile,the advantage of the production line was compared with other ultrasonic extraction device.

continuous extraction;cycle of ultrasonic;ultrasonic extraction;dynamics

檀彩蓮)

TS205.9;TS203

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.05.013

2095-6002(2014)05-0069-05

劉玉德,萬璐明,張媛,等.連續(xù)循環(huán)超聲波提取生產(chǎn)線的設(shè)計和研究.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2014,32(5):69-73. LIU Yude,WAN Luming,ZHANG Yuan,et al.Design and research of production line of continuous cyclic ultrasonic extraction.Journal of Food Science and Technology,2014,32(5):69-73.

2013-11-28

北京市教委科研計劃面上項目(KM20111001008);“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD23B02);北京工商大學(xué)大學(xué)生科學(xué)研究計劃建設(shè)項目.

劉玉德,男,教授,博士,主要從事食品機(jī)械方面的設(shè)計與研究.