УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2024 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для осуществления процесса экстрагирования под воздействием ультразвукового поля, и может быть использовано в пищевой, химической, парфюмерной, косметической, лесохимической и фармакологической промышленности для получения композиций и чистых экстрактов из сырья растительного и животного происхождения, в частности к ультразвуковому экстрактору.

Известна установка для экстрагирования (Патент RU 57152 U1 МПК В06В 1/06 опубликовано 10.10.2006), содержащая соединенные магистралями с запорной арматурой в замкнутый контур емкость для экстрагирующей жидкости и экстрактор, выполненный в виде корпуса со съемной крышкой в рабочей полости которого расположена емкость для загрузки сырья. Установка содержит также ультразвуковые вибраторы, расположенные на наружной поверхности экстрактора, насос для подачи экстрагирующей жидкости в рабочую полость экстрактора, а емкость для загрузки сырья выполнена перфорированной и снабжена съемной крышкой.

Недостатком известной установки для экстрагирования является низкая эффективность процесса массообмена, связанная с невысокой глубиной проникновения ультразвуковых волн через слой сырья, расположенного в емкости для экстрагирования, а также высокие энергозатраты на процесс, обусловленные необходимостью постоянного перекачивания экстрагирующей жидкости из экстрактора в промежуточную емкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является экстрактор для системы твердое тело-жидкость (Патент RU 2053006 С1 МПК B01D 11/02 опубликовано 27.01.1996), состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с рубашкой термостатирования, имеющей патрубки подвода и отвода теплоносителя. В верхней части устройства расположен патрубок подвода жидкой фазы, в нижней - патрубок отвода экстракта, защищенный с внутренней стороны решеткой. По нижней части корпуса и бункера проходит шнек для подачи твердой фазы из бункера в аппарат. В корпусе по центру установлен ультразвуковой волновод, соединенный с ультразвуковым преобразователем и представляющий собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью. Профили боковой поверхности единичных концентраторов могут быть выполнены цилиндрическими, коноидальными, бочкообразными, а также их комбинациями.

Однако, известный экстрактор не обеспечивает полное и равномерное извлечения экстракта из экстрагируемого материала, что снижает эффективность процесса. Так как твердая фаза заполняет весь объем экстрактора, то интенсивность воздействия ультразвука будет максимальна возле концентраторов с развитой боковой поверхностью, расположенных на ультразвуковом волноводе и чем больше диаметр цилиндрического корпуса экстрактора, тем больше неравномерность воздействия ультразвука на экстрагируемый материал. При изготовлении такого экстрактора большой производительности со значительными габаритными размерами и диаметром максимальное извлечение экстракта из экстрагируемого материала будет осуществляться только в зоне концентраторов, а сырье, расположенное по периферии корпуса будет меньше подвержено воздействию ультразвука. Кроме того, глубина проникновения ультразвука в среду значительно зависит от свойств самой среды. Таким образом, использование различного по свойствам экстрагируемого сырья в рамках одного и того же экстрактора с установленными размерами будет усиливать неравномерность извлечения экстракта.

При высокой интенсивности ультразвукового воздействия на экстрагируемый материал возможно разрушение твердой фазы, что приведет к образованию суспензии внутри экстрактора, которая в последствии плохо фильтруется, что значительно снизит качество получаемого экстракта. Применение защитной решетки перед отводящим патрубком с крупным размером ячеек не позволит задерживать мелкодисперсные частицы твердой фазы, образующиеся в результате кавитационного воздействия, а использование мелкоячеистой решетки приведет к образованию слоя частиц на ее поверхности и затруднению фильтрации, что снизит производительность экстрактора.

Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности процесса экстракции, равномерности извлечения целевого компонента из экстрагируемого вещества и повышении качества получаемого экстракта.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в ультразвуковом экстракторе, состоящем из вертикального цилиндрического корпуса с рубашкой для термостатирования, с устройствами ввода и вывода фаз, с установленным в центре корпуса ультразвуковым волноводом, соединенным с ультразвуковым преобразователем и представляющим собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью, новым является то, что вдоль ультразвукового волновода коаксиально расположены цилиндрические перфорированные корзины для загрузки сырья, при этом диаметр внешнего перфорированного цилиндра корзины определяется D<1k, где k - коэффициент поглощения ультразвуковой волны экстракционной средой, а диаметр внутреннего перфорированного цилиндра корзины d=(0,3…0,5)D сверху и снизу цилиндрические корзины закрыты перфорированными кольцами, а высота цилиндрической части корзин равна длине концентраторов с развитой боковой поверхностью, при этом количество корзин соответствует количеству концентраторов, расположенных на ультразвуковом волноводе.

В цилиндрическом корпусе ультразвукового экстрактора асимметрично относительно образующей внешнего цилиндра корзин для загрузки сырья установлена вертикальная мешалка быстроходного типа.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности процесса экстракции, равномерности извлечения целевого компонента из экстрагируемого вещества и повышении качества получаемого экстракта.

На фиг. 1 представлено объемное изображение ультразвукового экстрактора; на фиг. 2 - продольный разрез ультразвукового экстрактора; на фиг. 3 - объемное изображение цилиндрической перфорированной корзины; на фиг. 4 - объемное изображение мешалки.

Ультразвуковой экстрактор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и сферической крышкой 3. Снаружи корпуса 1 расположена рубашка для термостатирования 4 с патрубками подвода 7 и отвода 8 теплоносителя. В верхней части аппарата имеется патрубок подвода жидкой фазы 5, в нижней конической части патрубок 6 для отвода экстракта. В верхней части крышки 3 по центру установлен ультразвуковой волновод 9, подключенный к ультразвуковому генератору (на фиг. не показан) и представляющий собой каскад концентраторов 10 одинаковой длины с развитой боковой поверхностью. Вдоль ультразвукового волновода 9 коаксиально расположены цилиндрические перфорированные корзины для загрузки сырья, состоящие из внешних перфорированных цилиндров 11, диаметр которых определяется D≤1/k, где k - коэффициент поглощения ультразвуковой волны экстракционной средой и внутренних перфорированных цилиндров, диаметр которых равен d=(0,3…0,5)D. Сверху и снизу цилиндрические корзины закрыты перфорированными кольцами 13 и 14 соответственно. Высота цилиндрической части корзин равна длине концентраторов 10 с развитой боковой поверхностью. Корзины расположены вдоль ультразвукового волновода с шагом а, равным шагу расположения концентраторов. Для создания осевого потока жидкой фазы в экстракторе и организации движения жидкой фазы, в корпусе 1 асимметрично относительно образующей внешнего цилиндра 11 корзин для загрузки сырья установлена вертикальная мешалка быстроходного типа 15, приводимая во вращение посредством привода 16. В качестве мешалки 15 может использоваться пропеллерная, турбинная или специальная мешалка.

Ультразвуковой экстрактор работает следующим образом.

Предварительно корзины для загрузки сырья через съемные кольца 13 заполняют экстрагирующими ингредиентами. Жидкая фаза (экстрагент) подается через патрубок 5, расположенный в верхней части аппарата. Установленный в корпусе 1 по центру ультразвуковой волновод 9 возбуждается ультразвуковым преобразователем, подключенным к генератору (на фиг. не показан), и образует по всей высоте аппарата вдоль концентраторов 10 в области расположения корзин для загрузки сырья зоны кавитации за счет своих радиальных колебаний. Ультразвуковые колебания, проникая сквозь перфорированные корзины для загрузки сырья, создают в последних максимальную интенсификацию процесса массообмена между жидкой и твердой фазой. Под кавитационным воздействием целевые компоненты из обрабатываемого сырья интенсивно экстрагируются в поток жидкости. При этом перфорация корзин защищает от попадания частиц твердой фазы в основную область аппарата, где находится жидкая фаза. Выполнение наружного диаметра корзин для загрузки сырья равным величине обратной коэффициенту поглощения обеспечивает равномерное воздействие ультразвука на экстрагирующие ингредиенты по всей толщине корзины.

Вертикальная мешалка быстроходного типа 15, приводимая во вращение посредством привода 16 создает мощные осевые потоки движения жидкой фазы, что создает дополнительный положительный эффект турбулизации процесса по всей высоте аппарата, а асимметричная ее установка позволяет максимально исключить застойные зоны.

Постоянную температуру процесса поддерживают с помощью рубашки для термостатирования 4, в которую посредством патрубков 7 и 8 подается и выводится теплоноситель с требуемой температурой.

После достижении экстракта необходимой концентрации ультразвуковой генератор отключают, а готовый экстракт из емкости 1 через патрубок 6 направляют на дальнейшую обработку согласно технологическому процессу.

Таким образом, предложенный ультразвуковой экстрактор за счет размещения цилиндрических перфорированных корзин с экстрагируемым сырьем в зоне концентраторов обеспечит максимальную эффективность процесса экстракции, а выполнение внешнего диаметра корзин равным или меньшим величине обратной коэффициенту поглощения ультразвука обрабатываемой средой обеспечит равномерность воздействия ультразвука на экстрагирующие ингредиенты. При этом цилиндрические перфорированные корзины позволят беспрепятственно образовывать в них зоны кавитации, предотвращая при этом попадание частиц твердой фазы в основную область аппарата, тем самым повышая качество получаемого экстракта. Асимметрично установленная вертикальная мешалка быстроходного типа создавая дополнительный эффект турбулизации также позволит повысить эффективность процесса экстракции.

Изобретение относится к акустике. Ультразвуковой экстрактор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с рубашкой для термостатирования, с устройствами ввода и вывода фаз, с установленным в центре корпуса ультразвуковым волноводом, соединенным с ультразвуковым преобразователем и представляющим собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью. При этом вдоль ультразвукового волновода коаксиально расположены цилиндрические перфорированные корзины для загрузки сырья, при этом диаметр внешнего перфорированного цилиндра корзины определяется D<1/k, где k - коэффициент поглощения ультразвуковой волны экстракционной средой, а диаметр внутреннего перфорированного цилиндра корзины d=(0,3…0,5)D, сверху и снизу цилиндрические корзины закрыты перфорированными кольцами, а высота цилиндрической части корзин равна длине концентраторов с развитой боковой поверхностью, при этом количество корзин соответствует количеству концентраторов, расположенных на ультразвуковом волноводе. Технический результат заключается в повышении эффективности процесса экстракции, равномерности извлечения целевого компонента из экстрагируемого вещества и повышении качества получаемого экстракта. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ультразвуковой экстрактор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с рубашкой для термостатирования, с устройствами ввода и вывода фаз, с установленным в центре корпуса ультразвуковым волноводом, соединенным с ультразвуковым преобразователем и представляющим собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью, отличающийся тем, что вдоль ультразвукового волновода коаксиально расположены цилиндрические перфорированные корзины для загрузки сырья, при этом диаметр внешнего перфорированного цилиндра корзины определяется D<1/k, где k - коэффициент поглощения ультразвуковой волны экстракционной средой, а диаметр внутреннего перфорированного цилиндра корзины d=(0,3…0,5)D, сверху и снизу цилиндрические корзины закрыты перфорированными кольцами, а высота цилиндрической части корзин равна длине концентраторов с развитой боковой поверхностью, при этом количество корзин соответствует количеству концентраторов, расположенных на ультразвуковом волноводе.

2. Ультразвуковой экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что в цилиндрическом корпусе асимметрично относительно образующей внешнего цилиндра корзин для загрузки сырья установлена вертикальная мешалка быстроходного типа.