Равновесные и кинетические закономерности процесса экстракции масла из фосфолипидного концентрата и частично обезжиренных фосфолипидов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

5 2-3,2002

даклона,

'ИВНОСТИ

|й пыле-13 ресурс |а тепло-Ьпан, то менение |е путем ^ тешто-цью ис-чивает-ченйем

(I изме-■альной рти для

ия час-приве-

уемом | рас-

на на

665.1.03.665.37.001.57

ехно-

исте-

рабо-

|м]уч-

геать

)соб-

Очи-

энеж:

шле-

узов.

- РАВНОВЕСНЫЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ МАСЛА ИЗ ФОСФОЛИПИДНОГО КОНЦЕНТРАТА И ЧАСТИЧНО ОБЕЗЖИРЕННЫХ ФОСФОЛИПИДОВ

А. А. ЛОБАНОВ, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ Г

Кубанский государственный технологический университет

■■ Одним из наиболее распространенных способов повышения качества фосфолипидов является четырехкратная экстракция масла и нежелательных примесей ацетоном из подсолнечного фосфолипидного концентрата (ФК) [1]. Решение задачи совершенствования процесса экстракции с целью повышения качества обезжиренных фосфолипидов базируется на данных по равновесию и кинетике экстракции в системе ФК-ацетон.

Цель настоящей работы - получение экспериментальных данных по равновесию и кинетике процесса экстракции масла из ФК и частично обезжиренных фосфолипидов (ЧОФ) в системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон. Равновесные данные для первой системы получены в работе [2]. В настоящем исследовании равновесная система рассматривается как двухфазная (твердая фаза-фосфолипиды, жидкая-мисцелла), трехкомпонентная (фосфолипиды, масло, ацетон). На основании экспериментальных данных построена кривая равновесия в треугольной диаграмме и рассчитан процесс однократной экстракции масла из ФК. Выбор треугольной диаграммы обусловлен наличием трех компонентов в системе и частичной растворимостью фосфолипидов в мисцелле.

Классический способ противоточной экстракции ограниченно применим при обезжиривании ФК ацетоном. Это обусловлено растворением поступающего в экстрактор ФК в масле выходящей мисцеллы и невозможностью получения твердых обезжиренных фосфолипидов. Требуется предварительное однократное обезжиривание ФК ацетоном для получения твердой фазы ЧОФ и последующая противоточная экстракция масла из ЧОФ [2]. В связи с ограниченной применимостью способа противоточной экстракции равновесные данные системы ФК-ацетон могут служить для совершенствования процесса однократной экстракции масла из ФК.

Для оценки потерь фосфолипидов с мисцеллой при однократной экстракции на основании треугольной диаграммы была определена зависимость массовой доли фосфолипидов в мисцелле (потерь фосфолипидов) от массовой доли в ней масла. При увеличении последней значительно возрастает и массовая доля фосфолипидов. Это объясняется их растворимостью в масле мисцеллы. Таким образом, для уменьшения потерь фосфолипидов целесообразно проводить процесс экстракции при более низком содержании масла в мисцелле, ,'!Т • '.П - .

Для оценки затрат растворителя на однократную экстракцию масла из ФК из треугольной диаграммы определена зависимость удельного расхода экстрагента от исходной массовой доли в нем масла при экстракции масла из ФК с получением ЧОФ с массовыми долями масла 8,64 %, ацетона 55,49 %, фосфолипидов 35,87 % (табл. 1). Установлено, что на стадии предварительного однократного обезжиривания ФК в качестве экстрагента целесообразно применение чистого ацетона. При этом достигается наименьший удельный расход ацетона на процесс. ...........

: - ... Таблица 1

Массовая доля масла в экстрагенте, % Размеры из треугольной диаграммы равновесия, мм Удельный расход, кг/кг ФК

БМ МБ экстрагента БЛ7 =РМ/1уВ ацетона

0 96 35 2,74 2,74

3 100 27 3,70 3,60

5 104 21 4,95 4,70

7 106 16 6,63 6,17

10 109 12 . . 9,08 3,17

Данные по кинетике экстракции масла из ФК и ЧОФ необходимы для создания нового экстракционного оборудования, обеспечивающего стадию предварительного обезжиривания ФК и последующую про-тивоточную экстракцию масла из ЧОФ. Исходным сырьем для получения кинетических данных служил подсолнечный ФК, выработанный на Лабинском МЭЗ. В качестве экстрагента был использован ацетон марки ч. по ГОСТ 2603-79.

Изучение кинетики экстракции масла из ФК осуществляли путем постепенного введения нагретого до 60 С ФК в ацетон при непрерывном перемешивании лабораторной мешалкой со скоростью 1,5 с'1. Такие температура и скорость перемешивания выбраны как оптимальные на основании ранее проведенных экспериментов. При этом массовое соотношение ФК : ацетон брали равным 1 : 2,6 как наиболее рациональное с точки зрения расхода растворителя и глубины извлечения масла. После введения всего количества ФК перемешивание продолжали в течение 1 мин при той же скорости, затем перемешивание прекращали и производили экспозицию каждой из пяти систем в течение 5, 10,15,20,25 мин соответственно. Каждые 5 мин системы перемешивали. После экспозиции все исследуемые образцы представляли собой двухфазную (твердая фаза - ЧОФ, жидкая - мисцелла) трех компонентную сис-

тему (фосфолипиды, масло, ацетон). При этом твердая фаза состояла из ЧОФ и некоторого количества удерживаемой ими мисцеллы. Последнюю отделяли от фосфолипидов декантацией и затем исследовали ее качественные показатели по известной методике [3]. Для определения массовой доли масла в мисцелле из нее отгоняли ацетон и высушивали полученное из мисцеллы масло до постоянной массы в вакуум-сушильном шкафу при температуре 105 °С и остаточном давлении 5 КПа. Массовую долю масла в ЧОФ определяли расчетным путем из материального баланса процесса экстракции. Экспериментальные данные по кинетике процесса экстракции масла из ФК представлены в табл. 2.

.-.-ид !,• Таблица 2

Массовая доля нейтральных липидов, %,

Фаза системы при продолжительности экстракции, мин

0 5 10 15 20 25

Мисцелла 0 8,92 10,35 10,33 10,77 11,04

— ЧОФ 38,0 11,25 10,67 10.64 10,06 10,1

Необходимые для изучения кинетики экстракции из них масла ЧОФ получали путем однократной экстракции ацетоном масла из ФК, которую осуществляли при постепенном введении нагретого до 60 °С ФК в ацетон и непрерывном перемешивании лабораторной мешалкой со скоростью 1,5 с'1. Массовое соотношение ФК: ацетон брали равным 1:2,6. После введения всего количества ФК перемешивание продолжали в течение 5 мин при той же скорости, затем перемешивание прекращали и производили экспозицию полученной системы в течение 72 ч до установления полного равновесия. Во время экспозиции систему периодически перемешивали. После экспозиции отделяли мисцеллу от ЧОФ декантацией и далее по известным методикам определяли качественные показатели мисцеллы и ЧОФ. Путем однократной экстракции получены ЧОФ с массовыми долями масла 8,64 %, ацетона 55,49 %, фосфолипидов 35.87 %.

! ~.іґ Таблица 3

Фаза системы Массовая доля нейтральных липидов, %, при продолжительности экстракции, мин

0 5 10 15 20

Мисцелла 0 2,74 2,83 2,93 2,98

ЧОФ 9,36 2,18 1,83 1,71 1,67

Изучение кинетики экстракции масла из ЧОФ осуществляли таким же образом, как и исследование кинетики экстракции масла из ФК (см. выше). Массовое соотношение ЧОФ : ацетон составляло 1 : 2,5. После окончания перемешивания экспозиция каждой из четырех систем продолжалась в течение 5, 10, 15,20 мин соответственно. Экспериментальные данные по кинетике процесса экстракции масла из ЧОФ представлены втабл. 3. *гт.гг іі, к:к .-ли

Для проверки согласования данных по кинетике с равновесными данными на основании треугольной диаграммы установлена зависимость равновесной массовой доли масла в фосфолипидах от массовой доли масла в мисцелле (рисунок: пунктиром показана линия равенства массовых долей масла в фосфолипидах и мисцелле).

Г рафик показывает, что последняя выше, чем первая, и их разность возрастает по мере увеличения массовой доли масла в мисцелле, что не характерно для систем традиционный масличный материал-неполяр-ный растворитель [4]. Для систем подсолнечный лепе-сток-экстракционный бензин равновесная массовая доля масла в лепестке выше, чем в наружной мисцелле [4]. В таких системах адсорбционные силы материал-масло имеют большую величину, чем адсорбционные силы материал-экстракционный бензин. Напротив, в системах ФК-ацетон адсорбционные силы преимущественно удерживают ацетон. Таким образом, с физико-химической точки зрения процесс экстракции масла ацетоном является наиболее подходящим для обезжиривания ФК (обеспечивает более высокую степень извлечения масла).

массовая доля масла в мисцелле, %

Кинетические данные экстракции масла из ФК и ЧОФ (при 25 и 20 мин экспозиции соответственно) нанесли на рисунок (точки 1 и 2 соответственно). Экспериментальные данные по кинетике экстракции масла из ФК хорошо согласуются с данными по равновесию в системе ФК-ацетон (точка / лежит на равновесной кривой). Экспериментальные данные по кинетике экстракции масла из ЧОФ не согласуются с равновесными данными в системе ФК-ацетон (точка 2 находится вне равновесной кривой). Это свидетельствует о том, что ЧОФ обладают свойствами, отличными от свойств ФК. Поэтому возникает необходимость получения экспериментальных данных по равновесию в системе ЧОФ-ацетон при экстракции масла из ЧОФ.

Ретике с

I

вольной

цвесной

(БОЙ ДО-

іанали-

I

Спидах

і

?м пер-|я масно для роляр-1 лепе-

I

Псовая

|целле

I

Ітери-Цион-апро-|пре-

, С

Частично обезжиренные фосфолипиды являются капиллярнопористым телом. Извлекаемое масло находится в порах в жидком растворе (в смеси с ацетоном). При этом молекулы масла и ацетона взаимодействуют друг с другом и с центрами адсорбции твердых ЧОФ. Эта система названа «поровой жидкостью» [5, 6]. Объем поровой жидкости, или поровый объем равен сумме объемов масла и ацетона, находящихся в порах.

Поровый объем является важным показателем, от которого зависят свойства капиллярнопористого тела. Его определяли следующим образом.

Из пробы ЧОФ (методика их получения и качественные показатели приведены ранее) отгоняли ацетон и доводили до постоянной массы в сушильном шкафу при 105 °С.

Затем находили массу и, с учетом плотности, объем ацетона в порах навески. В пробе ЧОФ по стандартной методике [3] определяли массу масла и делали пересчет на объем. Поровый объем ЧОФ находили как сумму поровых объемов ацетона и масла. Средний поровый объем ЧОФ 2-10'3 м7кг, что почти на порядок больше среднего порового объема традиционного масличного сырья 4-10'4-6-10'4 м3/кг. Поэтому в случае ЧОФ можно было ожидать наличие большого адсорбционного эффекта и большей массовой доли в них масла, чем в наружной мисцелле. Но в системах фосфолипиды-ацетон равновесная массовая доля масла в наружной мисцелле выше, чем в фосфолипидах, хотя в системах масличный материал-углеводородный растворитель она выше в масличном материале, чем в мисцелле [4].

Это дает возможность сделать вывод, что противо-точное взаимодействие ЧОФ с растворителем позволит снизить массовую долю масла в обезжиренных фосфолипидах и соответственно повысить их качество по сравнению с обезжиренными фосфолипидами, полученными путем четырехкратного обезжиривания ФК.

Высокая скорость экстракции масла из фосфолипидов обусловлена малым размером и большим поровым объемом их частиц. Однако реализации этой скорости препятствует отсутствие экстракционного оборудования, способного работать с малыми частицами масличного материала. В этой связи требуется создание нового противоточного экстрактора, способного работать с

такими частицами, что повысит качество обезжиренных фосфолипидов.

.і ■

ВЫВОДЫ

1. Получены экспериментальные данные по равновесию и кинетике экстракции масла из фосфолипидно-го концентрата и частично обезжиренных фосфолипидов. Данные, относящиеся к фосфолипидному концентрату, хорошо согласуются. В системах фосфолипиды-ацетон равновесная массовая доля масла в наружной мисцелле выше, чем в фосфолипидах, что не характерно для систем масличный материал-неполяр-ный растворитель.

2. Высокая скорость экстракции масла из частиц фосфолипидов обусловлена их малым размером и большим поровым объемом. Последний в частично обезжиренных фосфолипидах в среднем составляет 2 -10‘3 м3/кг, что почти на порядок выше, чем в традиционном масличном материале.

3. Требуется разработка нового противоточного экстрактора, позволяющего работать с частицами фосфолипидов малого размера, что повысит качество обезжиренных фосфолипидов.

•Г;П •• - И

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2061382 ІШ, С1 6 А 23 О 9/90. Пищевой фосфоли-пидный продукт и способ его получения / Е.А. Бутина., Е.О. Герасименко., М.В. Жарко и др. - Опубл. в Б.И. - 1996. - № 16.

2. Лобанов А.А., Бутина Е.А., Черкасов В.Н., Константинов Е.Н. Особенности равновесия системы фосфолипидный концентрат-ацетон//Изв. вузов. Пищевая технология.-2001.-№4.-С. 64-67.

3. Арутюнян Н.С., Корнена Е.П, Фосфолипиды растительных масел. - М.: Агропромиздат, 1986.-256 с.

4. Константинов Е.Н., Фридт А.И., Ключкин В.В. Характеристика равновесия при экстрагировании в системе масличный материал-растворитель // Журн. прикл. химии. - 1987. - 60. - № 9-С. 1992-1996.

5. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаивающихся жидких смесей (основные соотношения) // Теорет. основы химической технологии. - 1994. - № 3. - С. 243-250.

6. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаивающихся жидких смесей (расчетные уравнения и их практическое применение) // Там же. - Ха 4. - С. 429-432.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 24.01.02 г.

:1.0Н

-ц; - 4 ,ат