Механізм та кінетика екстрагування цільових компонентів з насіння амаранту (стр. 2 из 4)
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):
,(1)
,(2)де М – маса речовини, що підлягає екстрагуванню, кг; Dcт – коефіцієнт стислої дифузії, м2/с; F – поверхня кулі, м2;
– градієнт концентрації; х – лінійний розмір, м; С1 – концентрація речовини в основній масі розчину, кг/м3; С – біжуча концентрація, кг/м3; СП – початкова концентрація, кг/м3; W – кількість розчинника, м3; V – об’єм сфери, м3.Сумісним розв’язком рівнянь (1) та (2) разом із граничними умовами
є рівняння: 
,(3)де
– кінцева концентрація розчину, кг/м3; R – радіус частинки, м; 
, d – товщина оболонки, м.Визначено кінетичні константи для вищенаведених об’єктів. Рівняння (3) у напівлогарифмічних координатах
дає можливість визначити постійну К, виходячи з рівняння 
.Залежності
для амаранту хвостатого dс =(0,25 мм) при різних температурах, розраховані на основі рівняння 3, та проведено їх порівняння з експериментальними даними.Аналіз цих залежностей показує, що теоретичні криві 1–3 задовільно узгоджуються з експериментальними даними.
Розроблено точнішу математичну модель на основі сколу зерна, що враховує характер розподілу цільових компонентів у зерні і його клітинах.
В основу моделі покладено таку систему рівнянь:
(4)де Сi – концентрація олії в клітинах зерна; Ri – радіус сфери, яка містить цільовий компонент з концентрацією Сi; τ – час екстрагування; DΔ – коефіцієнт стислої дифузії крізь область зародка; Δ – товщина області, в якій розташований зародок; Сan – концентрація речовини на межі фазового контакту частинки з розчинником; Сas – концентрація на межі мембранна перегородка – зародок.
Перше рівняння містить зміну маси вмісту цільових компонентів у зерні в лівій частині і градієнт концентрації в правій. Друге рівняння системи (4) визначає середнє значення концентрації олії ззовні зерна. Третє рівняння системи (4) в лівій частині містить масовміст олії за межами клітин. У правій частині цього рівняння враховується збільшення цільового компонента в розчиннику.
Розв’язок цієї системи рівнянь операційним методом дає результат у вигляді рівняння (5):
,(5)яке є рівнянням кінетики у вигляді двох експонент (6) із від’ємними показниками:
.(6)Для перевірки рівняння (6) на адекватність необхідна постановка експерименту з метою визначення постійних А, В, а і в.
Обробку даних для рівняння (6) виконували за однаковою методикою із застосуванням стандартних програм MathCAD – виконання нелінійної регресії загального виду, при якій забезпечується мінімальна середньоквадратична похибка апроксимації дослідних даних. Зіставлення величини середньоквадратичного відхилення вказує на якість апроксимації рівнянь.
У п’ятому розділі “Технологічні схеми екстракційного вилучення олії з насіння амаранту” представлено математичну модель кінетики екстрагування олії з насіння амаранту в апараті ідеального змішування, яка дає можливість прогнозувати процес екстракційного вилучення олії в умовах безперервного процесу. В основу одержання такої моделі покладено рівняння матеріального балансу та рівняння зміни концентрації олії в твердій фазі з часом згідно зі схемою:
,(7)
,(8)де W – масова витрата екстрагента,
; 
– концентрація розчину на виході з апарата, 
; 
– концентрація цільового компонента (олії) у насінні амаранту, ; 
– початкова концентрація олії в розчині, ; 
– середній час перебування твердої фази в апараті, с, 
, де 
– маса насіння, яким заповнений екстрактор, кг; 
– продуктивність екстрактора у твердій фазі, , С0 – початкова концентрація олії в твердій фазі, , t – деякий момент часу, с.