Установки сверхкритической CO₂-экстракции — это высокотехнологичное оборудование, позволяющее получать чистые экстракты из растительного сырья без использования токсичных органических растворителей. Ниже представлено подробное описание принципов работы таких установок и подробный каталог модельного ряда УЭ- (Установка Экстракционная) производительностью от 1 до 100 кг загрузки.
Подробное описание работы установки CO2 экстракции
1. Физические основы процесса
Сверхкритическая флюидная экстракция (СКФЭ) использует уникальные свойства диоксида углерода (CO₂) в сверхкритическом состоянии. Это состояние достигается при превышении определенных параметров: критической температуры (около +31°C) и критического давления (около 7,38 МПа).
В сверхкритическом состоянии CO₂ приобретает особые свойства:
- Высокая плотность, как у жидкости, что обеспечивает хорошую растворяющую способность.
- Низкая вязкость и высокий коэффициент диффузии, как у газа, что позволяет быстро проникать вглубь частиц сырья и эффективно извлекать целевые компоненты.
Преимущества CO₂ как растворителя: он нетоксичен, невзрывоопасен, химически инертен, доступен и легко удаляется из готового продукта, что особенно важно для пищевой и фармацевтической промышленности.
2. Принципиальная схема и устройство установки
Типовая установка СКФЭ состоит из нескольких основных узлов, работающих в замкнутом цикле:
- Экстрактор: это основная рабочая емкость, в которую загружается подготовленное растительное сырье. Представляет собой толстостенный вертикальный цилиндрический сосуд высокого давления из нержавеющей стали, оснащенный герметичной крышкой (самоуплотняющимся люком).
- Блок подготовки и подачи CO₂: включает насос высокого давления (флюидный насос) и теплообменники. Насос забирает жидкий CO₂ из баллона или накопителя, сжимает его до рабочего давления и подает в экстрактор. Система охлаждения на входе предотвращает газообразование в насосе, а нагреватели доводят CO₂ до сверхкритической температуры.
- Сепараторы (циклоны/сборники экстракта): Емкости, в которых происходит разделение экстракта и CO₂. За счет снижения давления и/или изменения температуры растворяющая способность CO₂ падает, и целевые компоненты выпадают в осадок. В установках, может быть, несколько последовательных сепараторов для фракционирования экстракта (разделения на разные компоненты).
- Блок конденсации и рециклинга: состоит из конденсатора (теплообменника) и сборников CO₂. Газообразный CO₂ после сепараторов охлаждается, конденсируется обратно в жидкость и поступает в промежуточную емкость (ресивер, газгольдер или сборник) для повторного использования в цикле, что обеспечивает высокую экономичность процесса.
- Система автоматизации и КИП: Современные установки оснащены программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), датчиками давления, температуры, расхода и исполнительными механизмами (клапанами). Это позволяет точно соблюдать заданный режим экстракции и обеспечивает безопасность.
3. Технологический цикл экстракции (процесс по шагам)
3.1 Подготовка и загрузка: Измельченное и высушенное растительное сырье помещают в экстрактор. Важно равномерно распределить сырье для оптимального контакта с растворителем.
3.2 Насыщение CO₂ и выход на режим: Система герметизируется. Из сборника жидкий CO₂ подается насосом высокого давления в экстрактор. С помощью нагревателей и давления CO₂ переводят в сверхкритическое состояние (обычно 30-50 МПа и 40-80°С).
3.3 Экстрагирование: Сверхкритический CO₂ непрерывно прокачивается через слой сырья. Растворяя липиды, эфирные масла и другие активные вещества, он превращается в раствор, называемый мицеллой.
3.4 Сепарация: Мицелла из экстрактора дросселируется (расширяется) в сепаратор, где давление и температура снижаются. CO₂ теряет растворяющую способность, переходит в газообразное состояние, а целевой экстракт осаждается на стенках и днище сепаратора, откуда его сливают.
3.5 Регенерация CO₂: Газообразный CO₂ из сепаратора поступает в конденсатор, где охлаждается, превращаясь обратно в жидкость, и стекает в промежуточный сборник. Оттуда он снова готов к подаче в экстрактор. Цикл замыкается.
3.6 Выгрузка: По окончании процесса экстрактор разгерметизируют (остатки CO₂ отводят в ресивер) и выгружают отработанное сырье (шрот), которое не содержит следов токсичных веществ и может быть использовано далее.
Каталог установок CO₂-экстракции серии УЭ- (от 1 до 100 кг)
В данном каталоге представлен модельный ряд гипотетических установок серии УЭ- (Установка Экстракционная), охватывающий производительность от лабораторных до промышленных масштабов.
Расшифровка аббревиатуры УЭ-Х-YYY:
- УЭ: Установка Экстракционная
- Х: Количество экстракторов (1, 2, 3)
- YYY: Объем загрузки сырья (в литрах или кг, далее в описании для унификации используется масса загрузки)
Модельный ряд установок УЭ-
Лабораторные и пилотные установки (1 – 10 кг загрузки)
Предназначены для НИОКР, разработки технологических режимов и мелкосерийного производства.
|
Модель |
Загрузка сырья, кг |
Объем экстрактора, л |
Рабочее давление, МПа |
Рабочая темп-ра, °C |
Мощность, кВт |
Особенности |
|
УЭ-1-1 |
1 - 2 |
2 - 3 |
до 50 |
до 80 |
5 - 8 |
Настольное исполнение, 1-2 сепаратора, ручное/полуавтомат. управление. |
|
УЭ-1-5 |
5 - 8 |
10 - 15 |
до 50 |
до 85 |
12 - 15 |
Напольное исполнение, 2-3 сепаратора, автоматизация на базе ПЛК, система рециклинга CO₂. |
|
УЭ-1-10 |
10 - 12 |
20 - 25 |
40 - 50 |
до 85 |
18 - 22 |
Промышленный дизайн, высокоточное поддержание параметров, возможность подачи со-растворителя. |
Производственные установки среднего класса (10 – 50 кг загрузки)
Для малого и среднего бизнеса, производственных цехов.
|
Модель |
Загрузка сырья, кг |
Объем экстрактора, л |
Давление, МПа |
Темп-ра, °C |
Мощность, кВт |
Особенности |
|
УЭ-1-25 |
25 - 30 |
50 - 60 |
до 50 |
до 85 |
25 - 35 |
Один экстрактор, высокая степень автоматизации, система рециклинга, соответствует HACCP. |
|
УЭ-2-50 |
45 - 55 |
2x50 |
до 50 |
до 85 |
45 - 60 |
Два экстрактора, работающих поочередно (полу непрерывный режим): пока в одном идет экстракция, второй перезагружается. Повышение производительности. |
Промышленные установки (50 – 100 кг и выше загрузки)
Для крупнотоннажного производства в пищевой и фармацевтической промышленности.
|
Модель |
Загрузка сырья, кг |
Объем экстрактора, л |
Давление, МПа |
Темп-ра, °C |
Мощность, кВт |
Особенности |
|
УЭ-2-100 |
90 - 110 |
2x100 |
30 - 50 |
до 85 |
70 - 90 |
Два экстрактора с независимыми циклами. Высокоэффективный рециклинг, минимальный расход CO₂, возможность фракционирования в нескольких сепараторах. |
|
УЭ-3-100 |
100 - 150 |
3x80 |
30 - 50 |
до 85 |
90 - 120 |
Три экстрактора, работающие в режиме противоточного каскада или полунепрерывно. Максимальная эффективность и производительность. Полная автоматизация, удаленный мониторинг. |
Сводная таблица технических характеристик
|
Параметр |
Лабораторные (1-10 кг) |
Промышленные средние (10-50 кг) |
Промышленные крупные (50-100+ кг) |
|
Диапазон рабочего давления |
до 50 МПа |
до 50 МПа |
30 - 50 МПа |
|
Диапазон рабочих температур |
20 - 80°C |
20 - 85°C |
20 - 85°C |
|
Материал контактных частей |
Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т / AISI 316) |
Нержавеющая сталь (AISI 316/304) |
Нержавеющая сталь (AISI 316L) |
|
Тип управления |
Полуавтоматическое / ПЛК |
ПЛК, сенсорная панель |
Промышленный компьютер, SCADA |
|
Рециклинг CO₂ |
Да (частичный или полный) |
Да (полный) |
Да (полный, энергоэффективный) |
|
Система безопасности |
Механические предохранительные клапаны |
Электроконтактные манометры, ППК |
Многоканальная система аварийной защиты, ППК |
|
Срок службы |
10-15 лет |
15 лет |
более 15 лет |
Области применения установок УЭ-
Установки серии УЭ- могут использоваться для получения широкого спектра продуктов:
- Пищевая промышленность: Получение растительных масел (из семян винограда, расторопши, тыквы, облепихи), экстрактов пряностей (перца, гвоздики, корицы), ароматизаторов для напитков, декофеинизация кофе и чая, экстракты хмеля для пивоварения.
- Фармацевтика и нутрицевтики: Извлечение биологически активных веществ (алкалоидов, флавоноидов, каротиноидов) из лекарственного сырья (ромашка, календула, зверобой, тысячелистник), получение каннабиноидов (CBD) из технической конопли.
- Косметическая промышленность: Производство высокоочищенных эфирных и жирных масел для косметики, экстрактов для парфюмерии.
- Химическая промышленность: Очистка веществ, фракционирование смесей.
Критерии выбора установки УЭ-ХХХ
При выборе конкретной модели необходимо учитывать:
1. Объем переработки: Планируемый тоннаж сырья в год.
2. Тип сырья: от структуры сырья (плотное, рыхлое) зависит необходимый объем экстрактора.
3. Целевые компоненты: для извлечения разных веществ (например, масел и терпенов) могут требоваться разные давления и температуры, а также возможность фракционирования.
4. Бюджет: Стоимость установки растет с увеличением объема, давления, степени автоматизации и количества экстракторов.
5. Уровень автоматизации: для производства критически важна полная автоматизация с системой регистрации параметров. Для лаборатории достаточно полуавтоматического режима.
