Оптимизация параметров экстрактора для извлечения токсичного синигрина из семян горчицы

Русакова Г.Г.; Демьянов А.В.; Парахневич Д.В.; Тронев С.В.

УДК 631.3:665.52/24

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРАКТОРА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТОКСИЧНОГО СИНИГРИНА ИЗ СЕМЯН ГОРЧИЦЫ

OPTIMIZATION OF EXTRACTOR PARAMETERS OF SINIGRIN EXTRACTION FROM MUSTARD SEEDS

Г.Г. Русакова1, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.В. Демьянов1, соискатель, Д.В. Парахневич1, кандидат технических наук С.В. Тронев2, кандидат технических наук, доцент

1 1 12 G.G. Rusakova , A.V. Demyanov , D.V. Parakhnevich , S.V. Tronev

1Волгоградский государственный технический университет 2Волгоградский государственный аграрный университет

1 Volgograd State Technical University 2Volgograd State Agriculture University

Для безопасного применения некондиционных семян горчицы в качестве кормовой добавки их необходимо очистить от антипитательного вещества - тиоглигозида синигрина. Учитывая свойства синигрина, в частности, его хорошую растворимость в воде, была разработана технология очистки путем извлечения синигрина из семян горчицы экстракцией водой. Поскольку конструктивные особенности аппаратов для экстрагирования определяются комплексным влиянием ряда факторов (режим работы, свойства фаз, параметры процесса и т.д.), то основными критериями предпочтения той или иной конструкции служит высокая удельная производительность, низкая металлоемкость и лучшие технологические показатели процесса [2, 3, 5, 8, 10-19]. Экстрактор для извлечения синигрина из семян горчицы представляет собой полый вертикальный цилиндрический аппарат с конусным днищем и плоской верхней крышкой. Построенная с помощью методов регрессионного анализа математическая модель отражает связь между параметрами отдельных элементов конструкции экстрактора. В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 4-х факторного эксперимента. По результатам расчета рекомендованы параметры конструктивного оформления экстрактора, обеспечивающие требования нормативной документации по остаточному содержанию синигрина в очищенном продукте.

For safe use of substandard mustard seed as a feed additive it is needed to be cleaned of anti-nutritional substances - sinigrin tiogligozid. Given sinigrin properties, in particular, its high solubility in water purification technology has been developed by extracting seeds of mustard sinigrin extraction with water. Since the design features of devices are determined to extract the complex influence of several factors (mode of operation, properties of phases, process parameters, etc.), the main criteria for choosing one type of design are high specific performance, low metal content and the best technological parameters of the process [2, 3, 5, 8, 10-19]. Extractor for extracting sinigrin mustard seed is a hollow vertical cylindrical device with a conical bottom and a flat top cover. Mathematical model built with the usage of regression analysis methods reflects the relationship between the parameters of the individual elements of the extractor design. In accordance with the methodology for the study area of the optimum plan Rehtshafnera was implemented for 4 factorial experiment. As a result of calculating the recommended structural design parameters of the extractor to ensure the requirements of normative documents on the residual content in the purified product sinigrin.

Ключевые слова: семена горчицы, синигрин, экстрактор, параметры экстрактора.

Key words: mustard seeds, sinigrin, extractor, extractor parameters.

Введение. Для безопасного применения некондиционных семян горчицы в качестве кормовой добавки их необходимо очистить от антипитательного вещества - тиоглигозида синигрина. Учитывая физические свойства синигрина: хорошую растворимость в воде; инактивацию фермента мирозиназы при температуре выше 80 оС - была разработана технология очистки путем извлечения синигрина из семян горчицы экстракцией водой.

Многообразие условий экстрагирования породило большое количество аппаратов для их проведения. Классификация экстракторов может быть проведена по технологическим и конструктивным признакам.

Поскольку конструктивные особенности аппаратов для экстрагирования определяются комплексным влиянием ряда факторов (режим работы, свойства фаз, параметры процесса и т.д.), то основными критериями предпочтения той или иной конструкции служит высокая удельная производительность, низкая металлоемкость и лучшие технологические показатели процесса [2, 3, 5, 8, 10-19].

Материалы и методы. Для извлечения синигрина из семян горчицы авторами рекомендован экстрактор, представляющий собой полый вертикальный цилиндрический аппарат с конусным днищем и плоской верхней крышкой.

Семена горчицы загружали в экстрактор (рисунок 1) и добавляли воду для экстрагирования с температурой 90 оС, соотношение воды и семян горчицы составляло 6 : 1. Перемешивание вели в течение 30 минут путем непрерывного отвода из экстрактора и возврата в него образующегося экстракта с помощью центробежного насоса.

Суспензия вводилась в экстрактор под напором тангенциально для продолжения принудительного перемешивания суспензии.

Днище экстрактора выполняется конусообразным, что способствует снижению потерь сырьевой массы ввиду избегания накоплений крупки на днище экстрактора. Это приводит к более эффективной очистке семян горчицы от синигрина.

01250

Рисунок 1 - Экстрактор 265

Для построения математической модели, отражающей связь между параметрами отдельных элементов конструкции экстрактора, необходимо использовать методы регрессионного анализа. Для этих целей используется активный эксперимент. В нем задаются и поддерживаются на определенных уровнях значения факторов, влияющих на оптимизируемый параметр. В общем случае задача сводится к изучению зависимости между условным математическим ожиданием изучаемого признака (функцией отклика), и совокупностью воздействующих факторов, в качестве которых, согласно информации источников о поиске оптимальных условий экстрагирования при планировании эксперимента, приняты конструктивные характеристики аппарата [1, 5, 9]: х1 - высота экстрактора, м; х2 -диаметр экстрактора, м; х3 - расстояние от штуцера до верхней части экстрактора, мм; х4 -высота конусной части экстрактора, мм.

В качестве выходного показателя на этапе лабораторных исследований [7] был принят критерий оптимизации, учитывающий эффективность технологического процесса: остаточное содержание синигрина в очищенных семенах горчицы не более 0,06 %. В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 4-х факторного эксперимента.

Результаты и обсуждение. На основании экспериментальных данных по предложенной программе [4] рассчитаны коэффициенты В0, В;, Ву и уравнения регрессии:

у = В0 + £Вгхг + ^Вцхх1 + ^ВХ . (1)

Значимость коэффициентов уравнения (1) оценивалась по критерию Стьюдента. Незначимые коэффициенты удалялись, и выполнялся повторный расчет коэффициентов регрессионной модели [6]. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде:

У = 0,054 - 0,004х - 0,002х2 + 0,008х3 - 0,004х4 + 0,012х1х2 - 0,058хх +

+ 0,019х^4 - 0,041х2х3 + 0,029х2х4 - 0,051х3х4 + 0,123x1 + 0,171х22 + , (2)

+ 0,201х32 + 0,093x42

Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера [6],

о 2

„ *=(3)

где

s2 (у)=| ХХк - У; +1) " дисперсия ошибки опыта;

N /

S2д = п^ (у; - у;)2 / (N - [к +1]) - дисперсия неадекватности модели,

здесь: у; - случайная величина, рассчитанная по математической зависимости; у; - среднеарифметическое значение случайной величины; ущ - значение ьтой величины в д-том опыте; п -число повторностей опыта; N - число строк матрицы плана; к - число факторов.

В результате 32а = 0,00162 и S2(у) = 0,00118.

При исследовании процесса извлечения синигрина получено F = 1,3715. Во всех случаях F0.05>F (здесь F0.05=2,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5 % [8, 9]). Таким образом, математические модели адекватны результатам эксперимента.

С помощью предложенной программы [4] были определены оптимальные значения факторов (таблица 1).

Таблица 1 - Оптимальные значения факторов

Фактор Оптимальные значения факторов

х! - высота экстрактора, м 0,02 1,51

х2 - диаметр экстрактора, м 0 1,25

х3 - расстояние от штуцера до верхней части экстрактора, мм - 0,02 49,9

х4 - высота конусной части экстрактора, мм 0,02 501

Примечание: в числителе - в кодированном виде, в знаменателе - в раскодированном виде.

Для анализа и систематизации полученную математическую модель второго порядка привели к типовой канонической форме вида:

Y - Ys = В а Х1 + В22 Х \ +... + ВккХ2к, (4)

где Y - значение критерия оптимизации; Ys - значение критерия оптимизации в оптимальной точке; Х1, Х2,..., Хк - новые оси координат, повернутые относительно старых х1, х2, ..., хк; В11, В22, ..., Вкк - коэффициенты регрессии в канонической форме.

В результате расчетов, проведенных на ЭВМ, получены коэффициенты регрессии в канонической форме В11, В22, В33, В44 и значения критерия оптимизации в оптимальной точке Ys.

Уравнения регрессии (2), представленные в канонической форме, имеют вид:

УУ - 0,054 = 0,131X1 + 0,173Х22 + 0,214Х32 + 0,070Х42. (5)

Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют положительные знаки, то поверхность отклика, описанная уравнением (2), представляет не что иное, как четырехмерный параболоид с координатой центра поверхности в оптимальных значениях факторов.

Ч / Ч / V ^ / / / / У ✓ X У - ч ч Ч ч ч Ч. ч ч Ч ч ч N \ Ч * -0,8 / У У / - - ч ч > ч, ч Ч Ч -1 -0,8

V / / у X ч -ч "А -0,6 / / / ч ч ^

V и Ч у 7- / X Л А Л V- -0 4 / / / / ......... - ч ч ч ЧЛ -0,4

Пч Ч / / у 'С = 0,10 % N \ \ \ \

Ч -4 -/■ / / Ч [Ч \ \ \ Г 1- ! / у N. \ \ \ V \

/ ! ! / / / Сс = 0,08 % х 1 / Т / с = 0,08 % 114 \ \ \

Л / / / 1 1\ 1 I | / "Л -л Л \ 0

/ с с = 0,06 % х2 I \ \ \

1 \ I \ \ \

\ \ ч / / / 0,2 \ \ \ \ \ N / 0,2 -0,4

\ \ \ \ \ \ / / / / / / \ \ \ \ \ \ ч / / /

* \ \ \ \ \ \ \ \ / ч г- 7 / / / / / 7 -0,4 \ * * ч Ч Ч- ч ч Ч ч ч / / / /

я ч ч N ч ч^ N N N Ч ч ч ■ ....... у / / / / / / ^ / / £ * -0,6 -0,8 > ч; ч ч; ^ч ч ч ч ч ч Ч ч :: ч — У ^ / / / / 0,6 0,8

\ чч ч Ч ч ч ч г— / Ч -1 ч-1 -0 ,8 -0 ,6 -0 ,4 -0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 - 1

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Рисунок 2 - Двумерное сечение Рисунок 3 - Двумерное сечение

для изучения влияния факторов хх и х 2 для изучения влияния факторов хх и х3

при х3 = - 0,02 х4 = 0,02 на содержание при х2 = 0 и х4 = 0,02 на содержание

синигрина в продукте Сс, % синигрина в продукте Сс, %

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), относительно (х1) и (х 2), факторы (х3) и (х4) фиксировались на оптимальных значениях х3 = - 0,02 х4 = 0,02.

Результаты расчетов графически представлены на рисунке 2.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,1...0,1 и х2 = - 0,1... 0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), относительно (х1) и (х3), факторы (х2) и (х4) фиксировались на оптимальных значениях х2 = 0 и х4 = 0,02.

Результаты расчетов графически представлены на рисунке 3.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,1.0,1 и хз = - 0,1.0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), (х1) и (х4), факторы (х2) и (х3) фиксировались на оптимальных значениях х2 = 0 и хз = - 0,02.

Результаты расчетов графически представлены на рисунке 4.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,1.0,1 и х4 = - 0,1.0,1.

/ / / V / / / 7 \ ч N \ \ \ Ч \ ч \ X -0,8 1 Й / / > / Ч / ч ^ч ч^ 1 * я --0,8

+1 V / / / / / 7- / X с с 0,1 \ 0°/ \ 'о \ V --0,6 Я ^ / Т / Сс \ -ч ч ч \ * -0,6 -0,4

/ / / / / / / \ \ \ \ \ \ \ -0,4 ч / / / = 0,10% N ч \ \ л \\ \У

7 / / / / / \ \ \ 1 / / / / к \ \ \ \л

/ / / / / / Сс = 0,08 % -0,2 / / / / Сс = 0,08 % \ \ \ \

/ / '— Г- / / / \ \ ---- ■ч 1 1\ \ \ \ \ хз 0 -0 2

/ ■ 1 1 1 с = 0,06 0 \ \

Сс = 0,06 % \\ \\ 1 \ \

\ / / \\ \\ \ \ \ \ /

\ \ ч 7— 1- / / — / - 0,2 \\ \\ V \ N. / / / / /1 1

V V- г \ X ч / / / / / / -0,4 Ь ъ * \ \ \ \ ч N / / / / / / '/7 ъ -0,4

\ V Л \ \ V "Л X \ \ V- ч / / / / V -0,6 $ V $ N N Ч N Ч ....... / / X / * // У/ -0,6

\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ч N N N ч у / / / / / / / / / / / ? 0,8 § С ч £ 0,8 -1

Рисунок 4 - Двумерное сечение Рисунок 5 - Двумерное сечение

для изучения влияния факторов х1 и х4 для изучения влияния факторов х2 и х3

при х2 = 0 и хз = - 0,02 на содержание при х1 = 0,02 и х4 = 0,02 на содержание

синигрина в продукте Сс, % синигрина в продукте Сс, %

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), относительно (х2) и (х3), факторы (х1) и (х4) фиксировались на оптимальных значениях х1 = 0,02 и х4 = 0,02.

Результаты расчетов графически представлены на рисунке 5. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2 = -0,1.0,1 и хз = - 0,1.0,1.

ИЗВЕСТИЯ "

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

№ 3 (43) 2016

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), относительно (х2) и (х4), факторы (х1) и (х3) фиксировались на оптимальных значениях х1 = 0,02 и х3 = - 0,02.

Результаты расчетов графически представлены на рисунке 6.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2 = -0,1.0,1 и х4 = - 0,1.0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2), относительно (х3) и (х4), факторы (х1) и (х2) фиксировались на оптимальных значениях х1 = 0,02 и х2 = 0.

Результаты расчетов представлены на рисунке 7.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х3 = -0,1.0,1 и х4 = - 0,1.0,1.

V 7 / л / / / / ч \ \ V s 7

V h / 7 / / / / / ч. s \ \ \\ \\

7 // / / / / / / 4 ч \ \ \ \\ \\

/ 7 / / / / -'С,. = 0,10% \ \ \\ л

// / // 7 / / / \ \ \ \\

// / / / / / 44 \ \ \ \ 7

/ / // ,/ / / С = 0.08 % , \ \ U

/ / / / / \

/ / / / / / / \

/ С од 6°

\ /' / I 1 '

V \ / / / / I

\ \ V \ / / / / // ' !

у \ \ \ \ и / ! / 7 / >

\ \ л \ \ \ / / / / ч, 'Ч

\ \ \ \ \ \ \ / / / / /А

\ 7 \ \ \ \ / / / / / //,

V \ \ \ \ \ ч / / / 7 '// / /

л \ 7 \ \ \ ч / / 7 // 7/

-0,6

-0,2 х4

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0.2 0.4 0.6 0.Î

Рисунок 6 - Двумерное сечение Рисунок 7 - Двумерное сечение

для изучения влияния факторов х2 и х4 для изучения влияния факторов х3 и х4

при х1 = 0,02 и х3 = - 0,02 на содержание при х1 = 0,02 и х2 = 0 на содержание синигрина в продукте Сс, % синигрина в продукте Сс, %.

Анализ приведенного двумерного сечения показал, что для того, чтобы содержание синигрина в очищенном продукте было минимальным, могут быть рекомендованы следующие значения факторов: х1 - высота экстрактора 1,49.1,51 м; х2 - диаметр экстрактора 1,24.1,26 м; х3 - расстояние от штуцера до верхней части экстрактора 49,9.50,1 мм; х4 - высота конусной части экстрактора 499.501 мм. При этом остаточное содержание синигрина в очищенном продукте Сс, составит 0,06 %, что удовлетворяет требованиям нормативной документации.

Заключение. Таким образом, предложенная авторами конструкция основного аппарата для извлечения синигрина из семян горчицы - экстрактора - позволяет обеспечить необходимый качественный состав некондиционных семян горчицы с целью их последующего использования в качестве кормовой добавки. Посредством выполненных методом регрессионного анализа расчетов произведена оптимизация параметров экстрактора - высота; диаметр; расстояние от штуцера до верхней части экстрактора; высота конусной части экстрактора.

Библиографический список:

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст]/ Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - Изд-е второе, перераб. и доп. - М.: Наука, 1976.

- 279 с.

2. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование (система твердое тело-жидкость) [Текст]/ Г.А. Ак-сельруд, В.М. Лысянский. - Л.: Химия, 1974. - 256 с.

3. Белоглазов, И.Н. Твердофазные экстракторы (инженерные методы расчета) [Текст] / И.Н. Белоглазов. - М.: Атомиздат, 1998. - 192 с.

4. Дегтярев, Ю.П. Регрессионный анализ на ПЭВМ [Текст]/ Ю.П. Дегтярев, А.И. Филатов // Труды Волгоградского СХИ, 1992. - С. 128-131.

5. Лысянский, В.М. Экстрагирование в пищевой промышленности [Текст] /В.М. Лысянский, С.М. Гребенюк. - М.: Агропромиздат, 1987. - 187 с.

6. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях с.-х. процессов [Текст] /С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.

7. Новая технология переработки семян горчицы [Текст] : монография / Г.Г. Русакова, А.В. Демьянов, Н.М. Антонов, Д.В. Парахневич, Е.Д. Парахневич, М.М. Русакова, Л.В. Мазина.

- Волгоград: Волгоградский ГАУ, 2014. - 140 с.

8. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов [Текст] /П.Г. Романков, М.И. Курочкина. - Л.: Химия, 1983. - 256 с.

9. Румшанский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство [Текст]/Л.З. Румшанский. - М., 1971. - 192 с.

10. Clark M. Drop breakup in a turbulent flow.I. Conceptual and modelling considerations // Chem. Engng. Sci. 1988. V. 43, N 3. P. 671-679.

11. Crosier H.E., Brownell L.E. Washing in porous media // Ind. Eng. Chem. 1952. V. 44, N 3. P.631-635.

12. Davies J.T. A physical interpretation of drop sizes in homogenizers and agitated tanks, including the dispersion of viscous oils // Chem. Engng. Sci. 1987. V. 42, N 7. P. 1671-1676.

13. Ldde K.H. Die Turboextraction. Ein neus Verfahren zur schnellen Herstellung von Tinc-turen // Pharm. Z.Verein. Apot. Ztg. 1961. V. 106. P. 1092-1094.

14. Hinze J.O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitling in dispersion processes // A. I. Ch. E. J. 1955. N 1. P. 289-295.

15. Olszewski L., Dylag A. Anwendung der Zentrifugalkraft zur Extraction von phlanzlichen Rohproducten // Diss. pharm. 1962. Bd. 14. S. 89-97.

16. Piret E.L., Ebel R.A., Kiang C.T., Armstrong W.P. Diffusion rates in extraction of porous solids. II. Two-phase extractions // Chem. Eng. Prog. 1951. V. 47, № 12. P. 628-636.

17. Rosen J.B. Kinetics of a fixed bed system for solids diffusion into spherical particles // J. Chem. Phys. 1952. V. 20, N 3. P. 387-394.

18. Rosen J.B. General numerical solution for solid diffusion in fixed beds // Ind. Eng. Chem. 1954. V. 46, № 8. P. 1590-1594.

19. Wang C.Y., Calabrese R.W. Drop breakup in turbulent stirred tank contractors // A. I. Ch. J. 1986. V. 32. P. 667-674.

References

1. Adler, Ju.P. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij [Text]/ Ju.P. Adler, E.V. Markova, Ju.V. Granovskij. - Izd-e vtoroe, pererab. i dop. - M.: Nauka, 1976. - 279 p.

2. Aksel'rud, G.A. Jekstragirovanie (sistema tverdoe telo-zhidkost') [Text]/ G.A. Aksel'rud, V.M. Lysjanskij. - L.: Himija, 1974. - 256 p.

3. Beloglazov, I.N. Tverdofaznye jekstraktory (inzhenernye metody rascheta) [Text] / I.N. Beloglazov. - M.: Atomizdat, 1998. - 192 p.

4. Degtjarev, Ju.P. Regressionnyj analiz na PJeVM [Text]/ Ju.P. Degtjarev, A.I. Filatov //Trudy Volgogradskogo SHI, 1992. - p. 128-131.

5. Lysjanskij, V.M. Jekstragirovanie v pishhevoj promyshlennosti [Text] /V.M. Lysjanskij, S.M. Grebenjuk. - M.: Agropromizdat, 1987. - 187 p.

6. Mel'nikov, S.V. Planirovanie jeksperimenta v issledovanijah s.-h. processov [Text] /S.V. Mel'nikov, V.R. Aleshkin, P.M. Roshhin. - L.: Kolos, 1980. - 168 p.

7. Novaja tehnologija pererabotki semjan gorchicy [Text] : monografija / G.G. Rusakova, A.V. Dem'janov, N.M. Antonov, D.V. Parahnevich, E.D. Parahnevich, M.M. Rusakova, L.V. Mazina. - Volgograd: Volgogradskij GAU, 2014. - 140 p.

8. Romankov P.G., Kurochkina M.I. Jekstragirovanie iz tverdyh materialov [Text] /P.G. Romankov, M.I. Kurochkina. - L.: Himija, 1983. - 256p.

9. Rumshanskij, L.Z. Matematicheskaja obrabotka rezul'tatov jeksperimenta. Spravochnoe rukovodstvo [Text]/L.Z. Rumshanskij. - M., 1971. - 192 s.

10. Clark M. Drop breakup in a turbulent flow.I. Conceptual and modelling considerations // Chem. Engng. Sci. 1988. V. 43, N 3. p. 671-679.