ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ університет харчових технологій
ЖИТНЕЦЬКИЙ ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 665.52: 66.081.6
УДОСКОНАЛЕННЯ ВИРОБНИЦТВА
ЕФІРНОЇ ОЛІЇ М’ЯТИ-СИРЦЮ
З ЗАСТОСУВАННЯМ МЕМБРАННИХ ПРОЦЕСІВ
Спеціальність 05.18.12 - процеси й обладнання харчових,
мікробіологічних і фармацевтичних виробництв
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Яровий Володимир Леонідович, Національний університет харчових технологій, перший проректор
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор
Сукманов Валерій Олександрович,
Донецький державний університет економіки і торгівлі імені М.І. Туган-Барановського,
декан факультету “Обладнання переробних і харчових виробництв”, завідувач кафедри “Загальноінженерні дисципліни”;
кандидат технічних наук, доцент
Немирович Петро Михайлович, Національний університет харчових технологій, доцент кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування
Провідна установа: |
Інститут харчової хімії і технології Національної академії наук України, м. Київ
Захист відбудеться “ 07 ” червня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових технологій за адресою:
01033 м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033 м. Київ, вул. Володимирська, 68.
Автореферат розісланий “ 28“ квітня ” 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доц. В.Л. Зав’ялов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасне виробництво ефірних олій з ефіро-олійної сировини набуває широкого розвитку в зв’язку зі зростаючою потребою харчової, хімічної, фармацевтичної промисловості та побутової хімії в натуральних ароматизаторах.
Для виділення ефірних олій із рослинної сировини використовуються процеси пресування, сорбції, екстракції та способи їх інтенсифікації з застосуванням високо- та низькочастотних коливань.
Для фракціонування та концентрування ефірних олій застосовують такі способи, як температурно-ступінчаста перегонка, когобація, декантування, які характеризуються значними енергетичними витратами, тривалістю оброблення напівпродуктів та застосуванням металомісткого обладнання.
Найбільш енергоємною ділянкою вироблення ефірної олії м’яти-сирцю є отримання вторинної ефірної олії способом когобації з дистиляту, який містить до 5ефірної олії м’яти перцевої (ЕОМП). При цьому для отримання 1 кг вторинної олії необхідно витратити 90 кг пари.
Перспективним напрямом розвитку ефіроолійної промисловості є удосконалення існуючих виробництв та розроблення і впровадження високоефективних, екологічно чистих технологій комплексного перероблення ефіроолійних сировини.
Аналіз літературних джерел свідчить про те, що для концентрування, очищення харчових продуктів широко застосовуються баромембранні процеси, які мають відносно низькі енергетичні витрати і дозволяють проводити фракціонування розчинів без зміни їх нативних властивостей.
Вивчення та наукове обґрунтування процесу мембранного концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої дасть змогу удосконалити апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю, зменшити енергетичні витрати та підвищити екологічну безпечність виробництва.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до держбюджетних тематик науково-дослідних робіт НУХТ: “Розроблення основ технології натуральних харчових ароматизаторів композиційного спрямування з заданими ароматичними, фізико-хімічними та біологічно активними властивостями” №0102U000603; “Розроблення методики та способу препаративної імітованої дистиляції для контролю якості управління процесами технології натуральних ароматизаторів” №0105U001190.
Автор особисто брав участь у проведенні лабораторних досліджень, обробленні та аналізі одержаних результатів.
Мета і завдання досліджень. Метою роботи є наукове обґрунтування, розроблення та застосування процесу мембранного концентрування розчину ЕОМП у воді.
Відповідно до поставленої мети досліджень були сформульовані такі завдання:
розробити методику визначення кількісного і якісного складу
ефірної олії м’яти перцевої у фільтратах і концентратах;
обґрунтувати і визначити тип напівпроникної мембрани для концентрування розчину ефірної олії м’яти перцевої у воді;
дослідити і визначити раціональні технологічні параметри процесів ультра- та мікрофільтрації розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді на установках непроточного та проточного типів при зміні параметрів процесу;
провести математичний аналіз результатів експериментальних досліджень процесу концентрування та встановити математичні залежності проникності мембрани від параметрів процесу;
обґрунтувати і розробити спосіб регенерації мікрофільтраційних мембран;
розробити апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю із застосуванням мембранної установки.
Об’єкти досліджень: виробництво ефірної олії м’яти-сирцю.
Предметом дослідження є: процес мембранного концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді.
Методи досліджень: газохроматографічний аналіз, багатофакторний регресійний аналіз, планування експерименту, методи математичного моделювання та статистичного опрацювання дослідних даних з використанням комп’ютерної техніки.
Наукова новизна одержаних результатів. Науково обґрунтовано застосування процесу мембранного концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді:
встановлено основні закономірності ультра- та мікрофільтрації розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді при зміні параметрів процесу;
встановлено механізм та визначено періоди формування на поверхні мікрофільтраційної мембрани, динамічної мембрани при концентруванні розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді;
розроблено теоретичну модель формування динамічної мембрани на поверхні мікрофільтраційної мембрани та методику розрахунку її товщини залежно від зміни параметрів процесу;
науково обґрунтовано параметри процесу мікрофільтрації розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді на установках непроточного та проточного типів;
вперше отримано емпіричну залежність впливу параметрів процесу (надлишкового тиску, концентрації розчину, швидкості руху розчину в напірному каналі) на проникність мікрофільтраційної мембрани.
Практичне значення отриманих результатів:
розроблено методику газохроматографічного аналізу фільтратів і концентратів розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді;
визначені раціональні параметри процесу мікрофільтрації при концентруванні розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді;
розроблено та запропоновано спосіб регенерації мікрофільтра-ційних мембран з одночасним тестуванням за етанолом;
розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю із застосуванням мембранної установки на ділянці виробництва вторинної ефірної олії м’яти перцевої;
методики газохроматографічного аналізу, раціональні параметри процесу мікрофільтрації розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді та апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю рекомендовано до впровадження на підприємствах асоціації “Укрефірпарфумерпром”.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто обґрунтовано методи теоретичних й експериментальних досліджень, визначено напрями досліджень, розроблено методики досліджень, лабораторну та дослідно-промислову установки, визначено раціональні параметри процесу мембранного концентрування. Розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю з застосуванням мікрофільтраційної установки. Сформульовано загальні висновки роботи.
Аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено спільно з науковим керівником к.т.н. В.Л. Яровим.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: Всеукраїнській науково-технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловості” (Київ, 1995), VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення” (Київ, 2001), Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, 2002), 70-ій науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, 2004), 71-ій науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, 2005), та наукових семінарах кафедри.
Робота виконувалась на кафедрі “Машини і апарати харчових виробництв” Національного університету харчових технологій. Автор висловлює подяку завідувачу кафедри професору В.М. Тарану за допомогу у виконанні досліджень.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 робіт, з них: три статті у фахових журналах, 12 тез конференцій, одна праця у закордонному виданні.
Структура дисертації. Робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку бібліографічних джерел із 189 найменувань та п’яти додатків. Робота викладена на 146 сторінках машинописного тексту, містить 56 рисунків та 33 таблиці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано доцільність і актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність роботи, викладено її загальну характеристику.
У розділі 1 виконано огляд та аналіз традиційних способів перероблення ефіроолійної сировини, хімічного складу та властивостей ефірної олії м’яти перцевої та її розчинів у воді, обладнання і установок для вироблення ефірної олії м’яти-сирцю, а також застосування мембранних процесів у харчовій промисловості. Показано, що перспективним напрямом удосконалення виробництва та зменшення енергетичних витрат при концентруванні розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді є застосування мембранних процесів, яке можливе за умови розроблення методики якісного і кількісного аналізу ефірної олії м’яти перцевої в фільтратах та концентратах, обґрунтованого вибору мембран, вивчення впливу технологічних параметрів на процес концентрування розчинів, визначення раціональних параметрів цього процесу та розробки апаратурно-технологічної схеми. Аналіз сучасного стану досліджуваної проблеми дав можливість сформулювати основну мету та завдання досліджень дисертаційної роботи.
У розділі 2 обґрунтовано використання газової хроматографії для оцінки кількісного і якісного складу ефірної олії м’яти перцевої, її фільтратів і концентратів, яка базується на індивідуальних особливостях певних сполучень взаємодіяти з нерухомими фазами. Викладено методику проведення газової хроматографії ефірної олії м’яти перцевої. Для визначення найбільш придатної нерухомої фази для розділення компонентів ефірної олії м’яти перцевої дослідження проводились із застосуванням твердих носіїв Хроматон N-AW-DМCS та Інертон з нерухомими фазами ПЕГ-20M, ПЕГ-1500, СКТФТ-100. Визначено й обґрунтовано, що нерухома фаза ПЕГ-1500, яка наноситься на твердий носій Хроматон N-AW-DМCS (60-80 меш.), дає змогу розділити ефірну олію м’яти перцевої на найбільшу кількість компонентів (рис.1). Якісну оцінку розраховували методом нормалізації, кількісну – методом внутрішнього стандарту.
Рис. 1. Хроматограма ефірної олії м’яти перцевої: 1–10 – вуглеводи; 12 – ментон; 13 – ізоментон; 14 – ментилацетат; 15 – неоментол; 16 – ізоментол; 17 – ментол; 18 – пулегон; 21 – піперітон
Розроблено методику проведення газової хроматографії з використанням методу внутрішнього стандарту для оцінки кількісного і якісного складу ефірної олії м’яти перцевої, яку містять фільтрати і концентрати. Рекомендовано проводити хроматографічний аналіз за таких умов: колонка з нержавіючої сталі завдовжки 2,5 м з внутрішнім діаметром 0,003 м, температура випарника t °C, витрати газу-носія (азоту), водню, кисню – відповідно 45, 30, 333 мл/хв, температура термостата колонок для ефірної олії м’яти перцевої змінюється в межах 110 – 170 °C зі швидкістю 2 °C/хв, для концентратів та фільтратів є сталою величиною – t °C. На рис. 2 наведено хроматограми, отримані при проведенні аналізу дослідного зразка фільтрату. За результатами математичної обробки хроматограм вміст ефірної олії м’яти перцевої у фільтратах знаходився у межах від 0,002 %(мас.) до 0,003мас.), а вміст ментолу у фільтратах – у межах від 3мас.) до 6мас.). Відносна похибка визначення основних компонентів олій не перевищувала 5 %.
Рис. 2. Хроматограма фільтрату розчину ефірної олії м’яти перцевої у воді: 1 – ментон; 2 – ізоментон; 3 – ментилацетат; 4 – внутрішній стандарт; 5 – ментол; 6 – піперітон
У розділі 3 викладено результати досліджень концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої на експериментальній непроточній мембранній установці, метою яких було обґрунтування вибору типу напівпроникної мембрани, визначення параметрів процесу концентрування та часу стабілізації проникності мембран, визначення стадій та теоретичної моделі формування динамічної мембрани.
При проведенні досліджень застосовувались композиційні ультрафільтраційні мембрани типу УПМ-П, УПМ-50, УФМ-50 та мікрофільтраційні типу МФФК-1, МФФК-2, МФФК-3 з попереднім обробленням їх аліфатичними спиртами для зміни гідрофобних властивостей на гідрофільні.
Дослідження характеристик напівпроникних мембран проводилися в два етапи: при зміні тиску в модулі від 0,1 МПа до 0,6 МПа – для ультрафільтраційних мембран, від 0,025 МПа до 0,4 МПа– для мікрофільтраційних в інтервалі температур розчину 20–60 °С. На першому етапі досліджувались властивості мембран при тестуванні дистильованою водою для визначення впливу основних факторів (тиск, температура, тривалість фільтрування) на проникність мембран. На другому етапі визначались проникність та селективність мембран при концентруванні розчину ефірної олії м’яти перцевої у воді (табл. 1).
Таблиця 1
Результати досліджень характеристик мембран
За результатами аналізу досліджень встановлено, що мембрани УПМ-50 та МФФК-2 мають близьку за значенням селективність 96 % і 95 % відповідно, але мембрана МФФК-2 при тиску Р ,05 МПа має в 1,9 раза більшу проникність, ніж мембрана УПМ-50 при тиску Р ,3 МПа та менший у 4 рази час стабілізації, що дозволило досягти ефективного концентрування ефірної олії м’яти перцевої при значно нижчих значеннях тиску та рекомендувати мікрофільтраційну мембрану типу МФФК-2 для подальших досліджень.
При концентруванні розчину ефірної олії м’яти перцевої у воді проникність мембрани МФФК-2 становила G ,98·10-4 м3/(м2·с), при цьому селективність з основного компонента ментолу становила j Результати аналізу залежностей фільтрування (рис. , 4) свідчать, що зменшення проникності та збільшення селективності мембран є однією з ознак формування динамічної мембрани.
Рис. 3. Залежність проникності мікрофільтраційних мембран від тривалості фільтрування при DР ,05 МПа та t °C (рідина – розчин ЕОМП у дистильованій воді концентрацією Ср ,07мас.):
– МФФК-1; – МФФК-2; – МФФК-3
Рис. 4. Залежність селективності мікрофільтраційних мембран за ментолом від тривалості фільтрування при DР ,05 МПа та t °C (рідина – розчин ЕОМП у дистильованій воді концентрацією Ср ,07мас.):
– МФФК-3; – МФФК-2; – МФФК-1
За результатами обробки експериментальних даних встановлено залежності формування динамічної мембрани на стадії закупорювання пор (рис. 5) у період стабілізації проникності (рис. 6).
Рис. 5. Формування динамічної мембрани при концентрації розчину Ср ,07% (мас.), при тиску DР ,05 МПа (початковий період) на мембранах:
– МФФК-1; – МФФК-2; – МФФК-3
Рис. 6. Формування динамічної мембрани з утворенням мембранного шару на поверхні мікро-фільтраційної мембрани МФФК-2 при концентрації розчину Ср ,07 %(мас.) при надлишкових тисках DР, МПа:
– 0,2; – 0,15; – 0,1; – 0,05; Х – 0,025
Запропоновано теоретичну модель формування динамічної мембрани на поверхні мікрофільтраційної мембрани, яка базується на використанні рівняння фільтрування
(1)
де Jv– питомий об’ємний потік, м3/(м2·с); DР – різниця тисків, Па; m – динамічна в’язкість рідини, Па·с; Rд, Rм, – опір мембрани відповідно динамічної та мікрофільтраційної, м-1,
Rдмmд, (2)
де rм – питомий масовий гідродинамічний опір, м/кг; mд – маса динамічної мембрани, віднесена до одиниці площі, кг/м2,
, (3)
де c0 – концентрація розчину, кг/м3; q – об’єм фільтрату, м3; S – площа поверхні фільтрування, м2.
Після перетворень рівнянь (1) – (3) отримуємо:
. (4)
З рівняння (4) знайдено питомий об’ємний потік, м3/(м2·с), на початку процесу
. (5)
Після перетворень рівняння (4) отримано сталу формування динамічної мембрани
. (6)
В результаті перетворень рівняння (4) з урахуванням залежностей (5) і (6) знайдено
, (7)
де qs – об’єм фільтрату, віднесений до одиниці площі, м3/м2.
За співвідношення
(8)
одержуємо
. (9)
Відповідно до рівняння (2) маса мембраноутворюючої речовини
m0q; (10)
mr dSr, (11)
де V – об’єм динамічної мембрани, м3; r – питома густина розчину, кг/м3; d – товщина динамічної мембрани, м;
. (12)
Після перетворень рівняння (7) знайдено
. (13)
При проникності мікрофільтраційної мембрани вищій, ніж динамічної мембрани одержуємо:
. (14)
де .
За результатами експериментальних досліджень процесу концентрування розчину ЕОМП у воді з використанням теоретичної моделі формування динамічної мембрани визначено її характеристики (табл. 2): стала формування, питомий гідродинамічний опір, товщина. Встановлено, що на питомий гідродинамічний опір динамічної мембрани суттєво впливає тиск та концентрація розчину ЕОМП у воді (рис. ).
Таблиця 2
Характеристики формування динамічної мембрани (ЕОМП-вода з концентрацією Ср ,07мас.)
Рис. . Залежність питомого масового гідродинамічного опору динамічної мембрани на поверхні мікрофільтраційної мембрани МФФК-2 від тиску в непроточній установці при концентрації розчину:
– Ср ,07(мас.); – Ср ,2(мас.); – Ср ,7 % (мас.)
Апроксимацією результатів досліджень одержано узагальнене розрахункове рівняння, яке описує залежність питомого гідродинамічного опору динамічної мембрани від тиску:
rм а(DР)b
при Ср ,07мас.) а ,67·1014, b ,43; при Ср ,2мас.) а ,8·1014, b ,42; при Ср0,7мас.) а ,09·1014, b ,44.
У розділі 4 наведено результати досліджень процесу мембранного концентрування на дослідно-промисловій установці проточного типу, до складу якої входить мікрофільтраційний модуль з плоскими круглими фільтрувальними елементами (рис. 8).
Рис. 8. Схема дослідно-промислової установки:
1 – мембранний модуль; 2 – ємність для розчину; 3 – ємність для гарячої води, регенеруючого та дезінфікуючого розчинів; 4 – плунжерний насос; 5 – фільтр для затримки механічних частинок; 6 – гідродомкрат; 7 – збірник фільтрату;
КП – кран прохідний; КТ – кран триходовий; В – вентиль; М – манометр.
Технологічні потоки: 1х – вода холодна; 1г – вода гаряча; 1к – конденсат; 2 – пара; 2 – розчин, ЕОМП у воді; 33 – концентрат; 34 – фільтрат; 35 – відпрацьовані води
Експериментально досліджено вплив тиску, концентрації, температури, тривалості фільтрування, швидкості руху розчину в напірному каналі на процес мікрофільтрації.
Встановлено, що підвищення швидкості руху розчину від 0,26 до 0,53 м/с при сталому значенні тиску збільшує величину тангенційного потоку розчину біля поверхні мембрани, що призводить до зменшення товщини динамічної мембрани, її гідродинамічного опору, зменшення селективності та збільшення проникності (рис. 9, 10). Підвищення тиску в напірному каналі призводить до зростання селективності та об’ємного потоку рідини через мембрану, а також до підвищення концентрації ефірної олії м’яти перцевої на поверхні мікрофільтраційної мембрани.
Рис. 9. Залежність проникності мембрани МФФК-2 від швидкості руху в напірному каналі. Розчин ефірної олії м’яти перцевої у воді при концентрації розчину Ср ,7(мас.) і температурі t °C:
– DР ,03 МПа; – DР ,05 МПа; – DР ,08 МПа
Рис. 10. Залежність селективності мембрани МФФК-2 від швидкості руху розчину в напірному каналі. Розчин ефірної олії м’яти перцевої у воді. Концентрація розчину Ср ,7 %(мас.), температура t °C: – DР ,03 МПа; – DР ,05 МПа; – DР ,08 МПа
Вплив зміни концентрації розчину ефірної олії м’яти перцевої на проникність та селективність мембрани МФФК-2 досліджувався в межах масової частки від 0,07 до 1,5 %(мас.).
Вплив температури на проникність та селективність мембрани МФФК-2 досліджувався в межах її зміни від 20 до 40 °С, що пов’язано з особливостями технології одержання промислового дистиляту ефірної олії м’яти перцевої. Аналіз результатів досліджень свідчить, що з підвищенням температури при зміні швидкості руху розчину в напірному каналі від 0,26 до 0,53 м/с збільшується проникність та зменшується селективність, що пов’язано в основному зі зменшенням в’язкості розчину.
З підвищенням температури відбувається руйнування граничної та об’ємної структур низькомолекулярних речовин, до яких належать компоненти ефірної олії м’яти перцевої (цінеол, лімонен, ментон, ізоментон, ментилацетат, неоментол, ізоментол, ментол, пулегон, піперітон), що призводить до зменшення селективності мембрани.
Проведеними дослідженнями визначено раціональні параметри процесу мікрофільтрації, за яких досягається селективність мембрани МФФК-2 з основного компонента ЕОМП (ментолу) в межах 93 – 97та проникність 0,87–0,98·10-4 м3/(м2·с): тиск в межах 0,05 – 0,08 МПа; швидкості руху розчину в напірному каналі в межах 0,26– 0,41 м/с, концентрація 0,07– 0,8мас.), температура 20–25 °С. Ефективність фільтрування забезпечується наявністю динамічної мембрани, яка формується за наведених вище параметрів процесу протягом 240 с, і час її формування залежить від тиску, концентрації та швидкості руху розчину в напірному каналі.
Планування та проведення експериментальних досліджень для визначення проникності мікрофільтраційної мембрани МФФК-2 за різних значень надлишкового тиску DР, концентрації Ср, швидкості руху розчину в напірному каналі u виконано за методом Зейделя–Гаусса.
Для узагальнення отриманих експериментальних часткових залежностей використовувалась багатофакторна функція Протодияконова:
, (15)
де yi – часткові функції, визначені за допомогою методу найменших квадратів; k – число факторів (часткові їх функцій); yср – середнє значення всіх врахованих результатів експерименту.
Математичною обробкою здобутих результатів визначено емпіричне рівняння для розрахунку проникності мембрани:
G ,3 · -4(–89(DP)2 DP ,03)(–0,23Cр ,83)ґ
ґ (2,1u2– 1,3u,84) (16)
при: 0,01 ЈDP Ј ,12 МПа; 0,07 ЈpЈ ,5 % (мас.);0,26 ЈuЈ ,53 м/с.
Отримане емпіричне рівняння було використане для визначення раціональних параметрів процесу мікрофільтрації розчину ЕОМП у воді.
У розділі 5 обґрунтовано та запропоновано хімічний спосіб регенерації мікрофільтраційної мембрани МФФК-2. Визначено, що застосування регенеруючого розчину азотної кислоти частково нейтралізованим гідрооксидом натрію, доведеним до рН 5,5, дає змогу відновити проникність на 60% від початкової.
Встановлено, що застосування етанолу як регенеруючого розчину сприяє відновленню проникності мембрани МФФК-2. За результатами експериментальних досліджень на установці непроточного типу визначено необхідну тривалість обробки мембрани етанолом, яка становить 900–1200 с і дає змогу відновити проникність за фільтратом на 90порівняно з початковою – 0,98·10-4 м3/(м2·с).
Наведено результати проникності при концентруванні розчину ефірної олії м’яти перцевої з використанням дослідно-промислової установки. Слід зазначити, що при проведенні процесу концентрування протягом 22 циклів спостерігається зменшення проникності мембрани МФФК-2 на 8та збільшується тривалість концентрування.
Застосування регенеруючого розчину етанолу дає змогу одночасно проводити тестування мембрани на відповідність значень її проникності технічній характеристиці, відновлювати гідрофільні властивості мембрани. У подальшому відпрацьований регенеруючий розчин може бути використаний у парфумерній промисловості та побутовій хімії як ароматизатор у мийних засобах.
На основі проведених досліджень розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю з використанням мікрофільтраційної установки (рис. 11), яка складається зі збірника дистиляту 6, мікрофільтраційного модуля 7, флориентини для фрак-ціонування вторинної ефірної олії м’яти перцевої.
Рис. 11. Апаратурно-технологічна схема виробництва ефірної олії м’яти-сирцю з використанням мікрофільтраційної установки: 1 – апарат НДТ-3М; 2 – бункер-розподільник БР-2; 3 – подрібнювач ИТР; 4 – конденсатор;
5, 8 – флориентини; 6 – збірник; 7 – модуль мікрофільтраційний; 9 – колектор.
Технологічні потоки: 1 – вода; 1к – конденсат; 2 – пара; 29 – подрібнена сировина м’яти перцевої; 30 - відходи; 31 - пара збагачена ЕОМП; 32 - розчин ЕОМП у воді; 33 - первинна ЕОМП; 34 – розчин ЕОМП у воді концентрат; 35 – вторинна ЕОМП; 36 – розчин ЕОМП у воді фільтрату
ВИСНОВКИ
Результати аналізу сучасного стану виробництва ефірних олій з ефіроолійної сировини, огляду існуючих технологічних схем та конструкцій обладнання, опрацювання науково-технічної інформації з теми досліджень підтвердили актуальність теми і визначили необхідність удосконалення апаратурно-технологічної схеми на ділянці виробництва вторинної ефірної олії м’яти перцевої та перспективи застосування мембранних процесів для концентрування її розчинів.
Виконаний у цій роботі комплекс досліджень дав можливість науково обґрунтувати застосування процесу мембранного концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді.
На основі виконаних аналітичних та експериментальних досліджень зроблено такі висновки.
1. Встановлено, що визначення кількісного і якісного складу ефірної олії м’яти перцевої, її концентратів та фільтратів необхідно проводити методом газової хроматографії з використанням нерухомої фази ПЕГ-1500 за розробленими методиками із застосуванням внутрішнього стандарту.
2. Експериментально визначено технічні характеристики ультрафільтраційних мембран типу УПМ-50, УПМ-П, УФМ-50 та мікро-фільтраційних мембран типу МФФК тестуванням за дистильованою водою та досліджено можливість застосування їх для концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої.
3. Встановлено, що ефективність процесу мембранного концентрування ЕОМП із застосуванням мікрофільтраційних мембран типу МФФК досягається зміною їх властивостей з гідрофобних на гідрофільні при попередньому обробленні етанолом.
4. Встановлено, що вибір мембран для забезпечення процесу концентрування проводиться тестуванням розчину ЕОМП у воді концентрацією 0,07 % (мас.) при тривалості фільтрування 1200–4800 с за максимальним значенням проникності та селективності.
5. Обґрунтовано та рекомендовано використання полімерної композиційної мембрани МФФК-2 для концентрування розчинів ЕОМП у воді.
6. Встановлено, що ефективність процесу мембранного концентрування забезпечується при формуванні динамічної мембрани із концентрату ефірної олії м’яти перцевої, який для непроточної установки формується при тиску 0,025 МПа, концентрації розчину Ср = 0,07% (мас.), температурі 20–25 °С та тривалості концентрування 1200 с, а для проточної установки – при 0,03 МПа, концентрації розчину Ср = 0,07 % (мас.), температурі 20–25 °С, швидкості руху розчину в напірному каналі 0,26 м/с та тривалості концентрування 240 с.
7. Розроблено теоретичну модель формування динамічної мембрани для визначення її характеристик: сталої формування, питомого масового гідродинамічного опору, товщини.
8. Визначено основні закономірності формування динамічної мембрани, одержано емпіричну формулу залежності питомого гідродинамічного опору від тиску при зміні концентрації від 0,07 % (мас.) до 0,7 % (мас.) .
9. Науково обґрунтовано раціональні параметри процесу мембранного концентрування розчину ефірної олії м’яти перцевої у воді з використанням мікрофільтраційної установки з плоским круглим фільтрувальним елементом марки МФФК-2, при яких забезпечується проникність мембрани 0,87–0,98·10-4 м3/(м2·с), селективність – 93–97%: різниця тисків 0,05– 0,08 МПа, концентрація розчину 0,07 – 0,8% (мас.), температура - 20–25 °С, швидкість руху розчину в напірному каналі 0,26–0,41 м/с.
10. Визначено емпіричне рівняння для розрахунку проникності мембрани типу МФФК-2 при зміні параметрів процесу: тиску, концентрації розчину, швидкості руху розчину в напірному каналі.
11. Експериментально встановлено та рекомендовано для відновлення характеристик мембрани МФФК-2 хімічний спосіб регенерації з використанням етанолу як регенеруючого розчину.
12. Розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти-сирцю з використанням мікрофільтраційної установки на ділянці вироблення вторинної ефірної олії м’яти перцевої.
13. Очікуваний економічний ефект від застосування мікрофільтраційної установки на ділянці вироблення вторинної ефірної олії м’яти перцевої для підприємства, що переробляє 76,8 т рослинної сировини м’яти перцевої за добу протягом 30-добового виробничого сезону становить 13,87 тис. гривень.
Перелік робіт опублікованих за темою дисертації
1. Житнецький І.В., Аністратенко В.О. Кількісна ідентифікація складових компонентів ефірної олії м’яти перцевої // Харч. пром-сть – 2001.– № (46). – с. 25 – 26.
Особистий внесок здобувача: розроблення методик та проведення хроматографічного аналізу, підготовка матеріалів до публікації.
2. Житнецький І.В., Яровий В.Л., Таран В.М. Визначення проникності та селективності мембран при ультрафільтрації розчину ефірної олії м’яти перцевої // Наук. праці НУХТ. – 2005. – №16.– с. 171–172.
Особистий внесок здобувача: безпосередня участь в розробці лабораторної установки і методики досліджень, аналіз отриманих результатів, підготовка матеріалів до публікації.
3. Житнецький І.В., Яровий В.Л., Таран В.М. Визначення проникності та селективності мембран при мікрофільтрації розчину ефірної олії м’яти перцевої // Харч. пром–сть.– № .– 2005.– С. 176–177.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, аналіз результатів, підготовка матеріалів до публікації.
4. Житнецкий И.В., Анистратенко В.А. Применение микрофильтрации при получении вторичного эфирного масла м’яти перечной.– М.: Масложир. пром-сть № .– 2003.– С. 38.
Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, участь в розробці лабораторної установки, проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів, підготовка матеріалів до публікації.
5. Житнецький І.В., Юров Ю.Г., Аністратенко В.О. Мембранне концентрування системи “ЕОМП - вода” // Тези доповідей Всеукраїнської науково-технічної конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробку промисловості”. – К.: УДУХТ, 1995. – С. 363.
Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
6. Житнецький І.В., Сосновчик В.С., Аністратенко В.О. Розділення системи “ефірне масло – вода” з застосуванням полімерних мембран // Тези 62-ої студентської наукової конференції. – К.: УДУХТ, 1996. – С. 44.
Особистий внесок здобувача: участь у експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
7. Сосновчик В.С., Житнецький І.В., Аністратенко В.О. Застосування мембранної технології для виділення ефірних масел // Тези 62-ї студентської наукової конференції.– К.: УДУХТ, 1996. – С. 45.
Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, узагальнення і підготовка матеріалів до публікації.
8. Житнецький І.В., Маслій В.М., Аністратенко В.О. Дослідження основних характеристик металевих мембран при розділенні емульгованих систем // Тези 64-ї студентської наукової конференції. – К.: УДУХТ, 1998.– С. 56.
Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, аналіз та узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
9. Житнецький І.В., Аністратенко В.О. Удосконалення технології та обладнання виділення ефірних олії м’яти перцевої і кропу /За матеріалами VII Міжнародної науково-технічної конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення”// Наук. праці УДУХТ. – 2001. – № (Спецвипуск). – Ч.1.– С.118 – .
Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, узагальнення і підготовка матеріалів до публікації.
10. Вересоцька Ю.С., Житнецький І.В., Аністратенко В.О. Концентрування ефірної олії коріандру з використанням ультрафільтрації // Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ, 2002. – Ч.II. – С.45.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
11. Євтушенко Є.В., Житнецький І.В., Таран В.М. Дослідження процесу мембранного концентрування ефірно-олійних систем // Тези 69-ої наукової конференції молодих вчених аспірантів і студентів „Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової і переробної промисловості”. – К.: НУХТ, 2003. – С.49.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
12. Житнецький І.В., Романець О.Ю., Таран В.М. Дослідження нестаціонарного режиму в баромембранних процесах // Тези 69-ої наукової конференції молодих вчених аспірантів і студентів „Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової і переробної промисловості”. – К.: НУХТ, 2003. – С.49.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
13. Житнецький І.В., Таран В.М. Дослідження процесу мембранного концентрування дистиляту ефірної олії м’яти перцевої // Тези 70-ої наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ, 2004. – С.43.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
14. Житнецький І.В., Лисюк А.В., Таран В.М. Формування динамічної мембрани в процесі концентрування ефірної олії м’яти перцевої// Тези 71-ої наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді – вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті” – К.: НУХТ, 2005. – С. 38.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, проведення розрахунків, оброблення і узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
15. Житнецький І.В., Аністратенко В.О. Оптимізація процесу мембранного концентрування системи ефірна олія м’яти – вода // Тези міжнародної науково-технічної конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”. – К.: УДУХТ, 1997. – С. 119 – 120.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, проведення розрахунків, оброблення і узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
16. Житнецький І.В., Заремба В.К., Аністратенко В.О. Кількісна оцінка та якісна ідентифікація компонентів ефірних масел // Тези доповідей науково-практичної конференції “Наукомісткі технології подвійного призначення”. – К.: КВІУЗ, 1994. – С. 159.
Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, проведення розрахунків, оброблення і узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
Анотація
Житнецький І.В. Удосконалення виробництва ефірної олії м’яти-сирцю з застосуванням мембранних процесів: Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, Київ, 2006.
Дисертація присвячена дослідженню процесу мембранного концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді.
Експериментально встановлено, обгрунтовано та рекомендовано тип мікрофільтраційної мембрани для концентрування розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді. Досліджено вплив параметрів процесу при концентруванні розчинів ефірної олії м’яти перцевої у воді. Визначено раціональні технологічні параметри процесу концентрування їх з використанням мікрофільтраційної установки з плоским фільтрувальним елементом марки МФФК-2: надлишковий тиск 0,05–0,08 МПа, концентрація розчину– 0,07–0,8% (мас.), температура– 20–25 °С, швидкість руху розчину в напірному каналі 0,26–0,41 м/с, при яких забезпечується проникність мембрани 0,87–0,98 . 10-4 м3/(м2·с), селективність – 93–97
Визначено емпіричне рівняння для розрахунку проникності мембрани типу МФФК-2 при зміні параметрів процесу: тиску, концентрації розчину, швидкості руху розчину в напірному каналі. Розроблено апаратурно-технологічну схему виробництва ефірної олії м’яти перцевої-сирцю з використаням мікрофільтраційної установки на ділянці вироблення вторинної ефірної олії.
Ключові слова: ефірна олія м’яти перцевої, мікрофільтрація, мембрана, концентрування, проникність, селективність.
АнНотация
Житнецкий И.В. Совершенствование производства эфирного масла мяты-сырца с применением мембранных процессов: Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Национальный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины, Киев, 2006.
Диссертация посвящена исследованию процесса мембранного концентрирования растворов эфирного масла мяты перечной в воде.
На основании анализа научно-технических источников показано, что перспективним направлением для выделения и концентрирования эфирного масла мяты перечной из водних растворов является применение мембранных процессов.
Обосновано, что для количественного и качественного анализа эфирного масла мяты перечной, её концентратов и фильтратов целесообразно применять метод газовой хроматографии. Разработаны и рекомендованы методики проведения хроматографического анализа эфирного масла мяты, её концентратов и фильтратов с применением неподвижной фазы ПЕГ-1500, которая наносится на твёрдый носитель Хроматон N-AW-DМCS.
Экспериментально определены технические характеристики ультрафильтрационных мембран марки УПМ-50, УПМ-П, УФМ-50 и микрофильтрационных мембран тип МФФК тестированием их по дистиллированной воде при изменении избыточного давления и температуры, исследована возможность их применения для концентрирования растворов эфирного масла мяты перечной в воде.
Установлено, что эффективность процесса мембранного концентрирования достигается при предварительной обработке микрофильтрационных мембран типа МФФК этанолом, которая позволяет изменить их свойства с гидрофобных на гидрофильные. Экспериментально установлено, обосновано и рекомендовано использовать микрофильтрационную мембрану МФФК-2 для концентрирования растворов эфирного масла мяты перечной в воде.
Экспериментальными исследованиями на непроточной установке показано, что эффективность процесса мембранного концентрирования обеспечивается наличием динамической мембраны, которая формируется на поверхности микрофильтрационной мембраны из концентрата эфирного масла мяты перечной.
В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости формирования динамической мембраны на стадии закупоривания пор и в период стабилизации проницаемости.
Предложена теоретическая модель формирования динамической мембраны на поверхности микрофильтрационной мембраны, которая позволяет определить её характеристики: постоянная формирования, удельное массовое гидродинамическое сопротивление, толщина. В результате аппроксимации получено эмпирическое уравнение зависимости удельного массового гидравлического сопротивления динамической мембраны от давления.
Экспериментально исследовано влияние давления, концентрации, температуры, длительности фильтрования, скорости движения раствора в плоском напорном канале на процесс микрофильтрации при использовании проточной полупромышленной установки. Определены рациональные технологические параметры процесса мембранного концентрирования растворов эфирного масла мяты перечной с использованием микрофильтрационной установки с плоским фильтровальным элементом марки МФФК-2: избыточное давление 0,05–0,08 МПа, концентрация раствора 0,07–0,8(мас.), температура – 20–25 °С, скорость движения раствора в напорном канале 0,26–0,41 м/с, при которых обеспечивается проницаемость мембраны 0,87–0,98 . 10-4 м3/(м2·с), селективность – 93–97
Определено эмпирическое уравнение для расчета проницаемости мембраны типа МФФК-2 при изменении параметров процесса: давления, концентрации раствора, скорости движения раствора в напорном канале.
Обосновано и рекомендовано применять химический способ регенерации микрофильтрационной мембраны МФФК-2. Показано, что применение этанола в качестве регенерирующего раствора позволяет восстанавливать проницаемость мембраны МФФК-2 по фильтрату на 90от исходной.
Разработана аппаратурно-технологическая схема производства эфирного масла мяты-сырца с применением микрофильтрационной установки на участке получения вторичного эфирного масла.
Ключевые слова: эфирное масло мяты перечной, микрофильтрация, мембрана, концентрирование, проницаемость, селективность.
Annotation
Zhitnetsky I.V. Way to Intensify the Process of Essential Raw Mint Oil Production with Membrane Processes Usage. – Manuscript.
The thesis is presented to acquire the degree of Cand. Tech. Sciences on the speciality 05.18.12 – processes and equipment of food, microbiological and pharmacentical manufactures, National University of Food Technologies. Kyiv, 2006
The thesis is dedicated to the investigation of membrane concentration of essential pepper mint oil solution in water.
There was affirmed, proved and recommended the type of microfiltrational membrane for concentration of essential pepper mint oil solution in water. It was also investigated the influence of the essential pepper mint oil solution in water. We defined the rational technological parameters of theer concentration process applying the microfiltrational installation with the plane filtration element MFFK – 2 type: superhigh pressure 0,05 – 0,08 MP, solution consentration 0,07 – 0,8 % (mass.) temperature – 20–25 °C, speed of solution movement in the pressure channel 0,26 – 0,41 m/s when membrane penetration takes plase 0,87–0,98 ·10-4 m3 (m2), selectivity – 93–97%.
It was also defined the empiric equation for calculation of the membrane penetration MFFK 2 type during changes in the parameter processes: pressure, concentration of solution, speed of solution movement in pressere channel. We developed the scheme of technological device for the essential oil processing from raw mint having applied microfiltrational installation in the place of the secondary essential oil processing.
Key words: essential mint oil, microfiltration, membrane, concentration, penetration, selectivity.
