Способ экстракции натурального продукта из биологического материала - RU2115700C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к экстракции натуральных продуктов, содержащихся в биологических материалах, и в особенности, но не исключительно, имеет отношение к экстракции таких продуктов из растений.

Экстракция натуральных продуктов из биологических материалов может быть осуществлена в соответствии с множеством способов, с использованием одного или нескольких растворителей или без них, в зависимости от природы использованного биологического материала, продукта или продуктов, которые хотят извлечь из этого материала. По этому поводу можно отметить, что название, которое присваивают экстракту, часто является функцией технологии, использованной для его получения. Так, например, известны конкреты, резиноиды, олеосмолы, являющиеся экстрактами, образованными летучими компонентами или восковыми, жирными и нелетучими продуктами, которые классически получают в присутствии по меньшей мере одного органического растворителя. Что касается эфирных масел, которые в основном образованы летучими пахучими составляющими, то их получают главным образом дистилляцией с водяным паром (гидродистилляцией) и/или при помощи механических способов.

В качестве примера можно указать, что экстракция олеажинов, эфирных масел цитрусовых корочек, рыбьего жира классически осуществляется при помощи физических способов, таких как измельчение и/или прессование, в отсутствии растворителя или за счет гидродистилляции. Кроме того, такие технологии дешевы в осуществлении, они позволяют получать продукты экстракции (и биологический материал после экстракции), которые не имеют остатков растворителя и, следовательно, не требуют последующей обработки по удалению таких остатков.

Однако существуют многочисленные продукты, которые не могут быть экстрагированы из содержащего их природного (естественного) материала в соответствии с такими методами и для которых необходимо применять технологию экстракции с использованием органических растворителей. В соответствии с такими технологиями подлежащий экстракции продукт диффундирует в растворитель и растворяется в нем. Однако затем необходимо произвести отделение продукта экстракции от растворителя для повышения его концентрации. Ряд параметров влияет на выход продукта экстракции в присутствии растворителя, среди которых можно указать:
- растворимость продукта экстракции в выбранном растворителе,
- диффузию продукта экстракции в объеме твердой матрицы использованного биологического материала.

Имеется возможность воздействия на первый параметр, в частности, изменяя рабочую температуру или концентрацию использованного растворителя.

С другой стороны, можно также воздействовать и на второй параметр либо преимущественно на этапе экстракции, либо вслед за ним. Например, диффузия извлеченного (экстрагированного) продукта может быть в значительной степени улучшена, если производить предварительную обработку биологического материала, которая в особенности может представлять собой измельчение, ферментную переработку или сушку. Можно также воздействовать на биологический материал во время самой операции экстракции, например, нагревая или перемешивая этот материал. В данной области техники известны также способы, в соответствии с которыми ультразвук воздействует на смесь, образованную биологическим материалом и растворителем, для способствования переходу экстракта в растворитель. Механические волны, образованные ультразвуком, позволяют создавать в биологическом материале локальную кавитацию, сопровождающуюся нагреванием, в результате чего облегчается освобождение экстракта.

В данной области техники также уже было предложено использование облучения микроволнами (СВЧ-волнами) биологического материала для усиления экстракции из него определенного продукта. Механизм действия микроволн на биологические материалы в настоящее время хорошо известен. Известно, что электромагнитные волны избирательно поглощаются средами, обладающими повышенной диэлектрической постоянной, а именно в случае биологического материала, в основном водой, то есть главным образом сосудистыми и железистыми тканями, а более конкретно вакуолями, в случае материала растительного происхождения. При таком поглощении энергия излучения преобразуется в тепловую энергию, что позволяет осуществлять избирательное нагревание частей биологического материала, поглощающего микроволны.

В Европейском патенте EP 0398798 описана технология экстракции продукта из биологического материала с помощью микроволн, которая содержит следующие этапы:
- разделение (размельчение) биологического материала (перечной мяты, любистика шотландского, цедры или чеснока), обладающего диспергированной составляющей, поглощающей микроволны;
- помещение размельченного материала в растворитель, прозрачный или частично прозрачный для микроволн и поглощающий микроволны в меньшей степени, чем диспергированная составляющая, такой как гексан, этанол или дихлорметан;
- воздействие микроволн на смесь, образованную измельченным материалом и растворителем, для экстракции растворенных продуктов за счет нагрева измельченного материала, находящегося преимущественно в растворителе;
- выделение остаточного биологического материала из растворителя;
- извлечение экстрагированного продукта.

Несмотря на то, что описанная в патенте EP 0398798 технология позволяет увеличить выход экстрагируемого продукта, она не позволяет устранить указанные ранее недостатки, связанные с наличием растворителя в полученном экстракте.

Следует также отметить, что в данной области техники уже предложено осуществление экстракции эфирных масел из биологического материала за счет облучения микроволнами при отсутствии растворителя.

В статье " СВЧ-печь для экстракции эфирных масел" в периодическом издании "Журнал ароматизаторов и душистых веществ", т.4, с. 43-44 описана технология экстракции эфирного масла из Lippia sidoides за счет нагрева микроволнами, в соответствии с которой образцы растений массой от 30 до 40 г помещались при полном отсутствии растворителя в колбе в СВЧ-печь и подвергались воздействию микроволн в течение 5 мин. Использованная колба устроена таким образом, что позволяет увлекать эфирное масло потоком поступающего снаружи воздуха.

Несмотря на то, что данный способ позволяет производить экстракцию в течение значительно более короткого времени, чем время, необходимое для осуществления операций экстракции за счет гидродистилляции, подобный способ обладает основным недостатком, связанным с необходимостью ввода для осуществления экстракции весьма значительной энергии, что делает такой способ экономически невыгодным.

Все описанные в литературе способы экстракции натуральных продуктов при использовании микроволн могут быть осуществлены только для масс обрабатываемого биологического материала, которые малы по отношению к мощности прикладываемых микроволн. Обычно эта мощность колеблется от 10000 до 20000 Вт/кг биологического материала. Максимальная мощность имеющихся в продаже излучателей микроволн, которые работают на частоте 2450 МГц, составляет 6 кВт. Следовательно, эти способы экстракции, чтобы их можно было осуществить в промышленном масштабе, должны быть адаптированы к непрерывному функционированию, чтобы иметь малую частичную ("точную") массу напротив источника микроволн разумной мощности.

Задачей настоящего изобретения является создание способа экстракции натуральных продуктов при помощи микроволн, лишенного недостатков известных способов.

В частности, одной из задач изобретения является создание такого способа, который позволяет производить экстракцию в отсутствии растворителя и, следовательно, позволяет получать экстракт, лишенный любых остатков растворителя.

Другой задачей изобретения является создание способа экстракции, не требующего чрезмерного ввода энергии для данного количества обрабатываемого биологического материала.

Еще одной задачей изобретения является создание установки для осуществления такого способа экстракции.

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа экстракции при помощи микроволн по меньшей мере одного натурального продукта из биологического материала, который включает в себя следующие операции:
- помещение указанного биологического материала в камеру (оболочку) при полном отсутствии растворителя;
- воздействие микроволнами на указанный биологический материал, имеющийся в камере, для вызывания испарения по меньшей мере части воды, содержащейся в указанном биологическом материале, в результате чего происходит разрушение целостности (растрескивание) клеточных структур указанного биологического материала, что позволяет освободить по меньшей мере одну часть указанного натурального продукта;
- выделение остаточного биологического материала из экстрагированного натурального продукта.

Указанный способ отличается тем, что он содержит следующие дополнительные операции:
- создание прерывистым образом пониженного давления внутри указанной камеры в течение указанного этапа приложения микроволн для содействия разрушению клеточных структур указанного биологического материала, вызываемому приложением микроволн;
- нагрев по меньшей мере главной части указанного этапа приложения микроволн указанной камеры, чтобы компенсировать падение температуры, вызванное испарением воды биологического материала.

Комбинация указанных этапов воздействия микроволнами, создания пониженного давления внутри камеры и нагрева камеры позволяет осуществить гидродистилляцию указанного натурального продукта за счет увлечения его парами воды, выделяющимися из указанного биологического материала.

Указанный способ может быть с успехом осуществлен для всех натуральных биологических материалов, которые могут иметь животное, растительное или микробиологическое происхождение, при содержании в них по меньшей мере около 30% воды. Этот способ может быть также использован для экстракции эфирных масел из растений, тканей животного происхождения, в том числе из рыбы, а также из водорослей, микроводорослей и даже, в случае необходимости, из микроорганизмов. Естественно, этот биологический материал в зависимости от его природы, может быть размельчен перед его вводом в камеру, чтобы увеличить степень воздействия на него микроволн.

Способ в соответствии с изобретением позволяет осуществить гидродистилляцию продукта, который желают извлечь, не за счет ввода воды снаружи в ходе процесса, а благодаря воде, которая содержится в обрабатываемом биологическом материале. Относительно этого следует отметить, что в рамках данного описания указанная вода будет именоваться конституционной (химически связанной) водой, в то время как она может быть преимущественно привнесена в биологический материал, когда последний имеется в дегидратированной (обезвоженной) форме, в ходе этапа повторного смачивания (увлажнения).

Таким образом, способ в соответствии с изобретением состоит в приложении к биологическому обрабатываемому материалу микроволнового излучения при отсутствии экстрагирующего растворителя, причем имеется возможность непрерывного вывода (выбрасывания) клеток этого материала наружу. Для благоприятствования этому явлению и с целью осуществления азеотропного увлечения извлеченного продукта давление в камере понижено. Это уменьшение давления позволяет, с одной стороны, увеличить механическую нагрузку, оказываемую на стенки клеток биологического материала, и, с другой стороны, увеличить летучесть азеотропной смеси, образованной продуктом, который желают экстрагировать, и водяным паром. В соответствии с изобретением сопутствующий нагрев камеры позволяет компенсировать очень быстрое уменьшение температуры, вызванное испарением конституционной воды за счет понижения давления в камере. Следует указать, что такое уменьшение температуры способно полностью маскировать действие микроволн.

Способ в соответствии с изобретением обладает множеством преимуществ.

Кроме того, что он позволяет получить экстракты без остаточного растворителя, этот способ в сравнении с классической гидродистилляцией позволяет получать экстракт с эквивалентным составом и при эквивалентном выходе в течение существенно меньшего времени. В то время как классическое время гидродистилляции обычно составляет несколько часов, время гидродистилляции при пониженном давлении в соответствии с изобретением составляет всего только несколько минут. Для определенных продуктов возможно получение заданных количеств экстракта в десять раз быстрее, чем при классической дистилляции с водяным паром.

Кроме того, способ в соответствии с изобретением связан со значительно меньшим потреблением энергии, чем другие известные способы экстракции с использованием микроволн. Для такого же количества обработанного биологического материала в рамках использования изобретения требуется также меньшая энергия, чем в случае гидродистилляции, так как при использовании гидродистилляции необходимо нагревать биологический материал и добавляемую воду, масса которой может в 10 раз превышать массу биологического материала.

Наконец, следует отметить, что остаточный биологический материал, получаемый на выходе процесса, представлен в сухом виде, так как конституционная вода, которую он содержал, была использована для увлечения экстрагированного продукта, причем в способе не использована внешняя добавка воды. Следовательно, этот остаточный материал легко может быть переработан термическим образом и, в случае необходимости, использован в качестве топлива.

Преимущественно, этап способа в соответствии с изобретением, который заключается в прерывистом приложении пониженного давления, состоит в создании внутри указанной камеры циклов разрежения.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения этап разделения остаточного биологического материала от экстракта содержит операции:
- охлаждение водяного пара, в котором содержится экстрагированный натуральный продукт,
- декантация жидкой смеси, получаемой при таком охлаждении,
- разделение извлеченного натурального продукта и воды, полученной при декантации.

Несмотря на то, что одним из других преимуществ данного способа является получение значительно меньшего количества остаточной воды по сравнению с классическими способами гидродистилляции, по меньшей мере часть указанной воды, полученной на этапе декантации, повторно вводится в камеру для осуществления гидродистилляции натурального продукта, еще остающегося в указанном остатке биологического материала.

Кроме того, этап нагревания преимущественно осуществляется при температуре менее 100^oC. Следует отметить, что способ может проводиться при температуре, преимущественно меньшей 75^oC, таким образом, чтобы позволить осуществить экстракцию продуктов, имеющих тенденцию к деградации (распаду) под действием теплоты.

Использованные на этапе облучения микроволны имеют частоту, преимущественно меньшую или равную 300 МГц. Однако следует указать, что во многих странах диапазон разрешенных к использованию частот строго регламентирован, причем, например, во Франции для промышленных установок СВЧ разрешено использование только частот 915 и 2450 МГц.

Кроме того, указанный этап облучения микроволнами преимущественно проводится при приложении мощностей в диапазоне приблизительно от 100 до 10000 Вт/кг обрабатываемого продукта.

В соответствии с вариантом реализации способа в соответствии с изобретением, указанный этап облучения микроволнами осуществляется при механическом перемешивании биологического материала. Такое перемешивание позволяет увеличить степень воздействия микроволн на биологический материал.

Изобретение касается также создания установки для осуществления способа в соответствии с изобретением, которая отличается тем, что содержит:
- камеру, снабженную средствами генерации микроволн внутри указанной камеры, имеющей двойную термостатированную стенку;
- средства нагрева, позволяющие регулировать температуру указанной термостатированной двойной стенки;
- средства, позволяющие понизить давление внутри камеры;
- средства рекуперации экстракта на выходе указанной камеры.

Преимущественно, указанные средства рекуперации экстракта содержат средства охлаждения водяного пара, содержащего экстракт.

Также указанная установка содержит средства управления циклическим образом указанными средствами уменьшения давления внутри камеры.

Указанная камера снабжена средствами перемешивания.

Наконец, указанная установка содержит средства для повторного направления остаточной воды, полученной на уровне средств рекуперации экстракта, внутрь указанной камеры.

Указанные ранее и другие преимущества и характеристики изобретения будут более ясны из последующего описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 схематически изображена установка в соответствии с изобретением.

На фиг. 2 иллюстрируется изменение давления в камере и температуры биологического материала в рамках первого примера осуществления способа в соответствии с изобретением с использованием показанной на фиг.1 установки при экстракции эфирного масла перечной мяты.

На фиг.3 показано изменение выхода эфирного масла перечной мяты, полученное в первом примере осуществления способа в соответствии с изобретением.

На фиг. 4 иллюстрируется изменение давления в камере и температуры биологического материала в рамках сравнительного примера экстракции эфирного масла перечной мяты.

На фиг.5 показано изменение выхода эфирного масла перечной мяты, полученное в сравнительном примере.

На фиг. 6 иллюстрируется изменение давления в камере и температуры биологического материала в рамках второго примера осуществления способа в соответствии с изобретением при экстракции эфирного масла шалфея лекарственного.

На фиг.7 показано изменение выхода эфирного масла шалфея лекарственного, полученное во втором примере осуществления способа в соответствии с изобретением.

Обратимся к рассмотрению фиг.1, на которой схематически показана установка для экстракции натуральных продуктов из биологического материала. Такая установка содержит камеру 1, оборудованную средствами 2 генерации микроволн во внутреннем объеме камеры. В соответствии с официальными ограничениями эти средства 2 излучают микроволны на частоте, равной 2450 МГц. (Следует указать, что возможно также использование микроволнового генератора, работающего на частоте 915 МГц, причем эта вторая частота также разрешена к использованию во Франции).

Камера 1 в ее нижней части снабжена средствами перемешивания 9, образованными турбинкой с тремя лопастями, которые позволяют перемешивать биологический материал, находящийся в камере 1, когда он подвергается воздействию микроволн. Такое перемешивание позволяет увеличить воздействие микроволн на биологический материал и избежать недостатка воздействия микроволн на его определенные участки, что благоприятствует проведению операции экстракции.

В соответствии с настоящим изобретением камера 1 связана, с одной стороны, со средствами 5, позволяющими уменьшать давление внутри нее и, с другой стороны, со средствами рекуперации 6 натурального продукта, экстрагированного благодаря воздействию микроволн на биологический материал. Средства 5, позволяющие уменьшать давление в камере, могут быть образованы любыми классическими средствами, использованными для создания частичного разрежения внутри камеры, такими как, например, насос или водоструйный насос. В рамках данного примера средства 6 рекуперации извлеченного продукта содержат трубопровод 11, установленный в верхней части камеры 1, вокруг которого предусмотрены средства охлаждения 7, образованные змеевиком, в котором циркулирует охлаждающая жидкость.

Трубопровод 11 позволяет рекуперировать пары, возникающие в результате воздействия микроволн на биологический материал, в которых содержится эфирное масло. Благодаря наличию средства охлаждения 7 эти пары конденсируются. На выходе трубопровода 11 предусмотрен декантатор 12, который позволяет рекуперировать эти сконденсированные пары и отделить эфирное масло. Остающаяся остаточная вода после декантации преимущественно повторно направляется по трубопроводу 10 в камеру 1, где она рециркулируется для завершения процесса экстракции.

Для нагрева внутренней части камеры 1 с целью компенсации уменьшения температуры в результате снижения давления, создаваемого вакуумным насосом 5, камера 1 имеет двойную термостатированную стенку 3, связанную со средствами нагрева 4.

Описанная выше установка была использована для осуществления способа экстракции за счет микроволн в соответствии с настоящим изобретением для проведения экстракции эфирных масел перечной мяты (примеры 1 и 2) и шалфея лекарственного (пример 3).

Пример 1.

Один килограмм перечной мяты (Mentha piperita L., венгерская разновидность), имеющей 15% сухого вещества, был помещен внутрь камеры 1. Средства нагрева 4 были отрегулированы таким образом, что термостатированная стенка 3 получала температуру около 70^oC внутри камеры 1, а средства перемешивания 9 были включены для создания скорости (перемешивания) 40 об/мин.

Излучаемая средствами 2 генерации микроволн мощность составляла 1150 Вт, а отраженная мощность колебалась от 170 до 220 Вт. Следовательно, в ходе операции экстракции, которая продолжалась 15 мин, эффективная поглощенная мощность составляла от 930 до 980 Вт.

В ходе экстракции насос 5 был включен таким образом, чтобы понизить давление на 250 мбар. Это уменьшение давления было осуществлено по истечении 5, 10 и 15 мин.

Кроме того, температура охлаждающей среды, циркулирующей в змеевике 7, была установлена на 5^oC таким образом, чтобы вызвать конденсацию паров, возникающих под действием микроволн на перечную мяту, содержащих эфирное масло.

Изменение температуры, имеющейся в камере мяты и внутри камеры давления, показано на фиг.2. Под действием микроволн температура продукта быстро переходит от температуры окружающей среды до приблизительно 75^oC. Как только во внутреннем объеме камеры за счет насоса 5 устанавливается частичный вакуум (250 мбар), температура падает. Это уменьшение температуры быстро компенсируется благодаря нагреву камеры таким образом, чтобы не маскировать действие микроволн.

Если обратиться к фиг.3, то можно увидеть, что после 15 мин экстракции и 3 циклов снижения давления было рекуперировано 1,52 мл эфирного масла (что составляет выход 1,01 мл на 100 г сухого вещества).

Гидродистилляция остатка перечной мяты, полученного после такой операции экстракции при помощи микроволн, позволяет получить только 50 мг эфирного масла. Таким образом, способ в соответствии с изобретением позволяет получить выход эфирного масла, приближающийся к истощению биологического материала.

Сравнение хроматографических профилей в газовой фазе двух эфирных масел, полученных способом экстракции в соответствии с изобретением и при помощи классической гидродистилляции, не выявило существенных различий состава.

Пример 2
Такое же количество перечной мяты, как и в примере 1, было обработано при тех же рабочих условиях, как и в примере 1, но при непрерывной работе насоса 5 таким образом, что давление внутри камеры 1 фиксировано на уровне 250 мбар в течение всей операции экстракции.

Изменение температуры мяты и давления в камере приведены на фиг.4.

Если обратиться к рассмотрению фиг.5, то можно увидеть, что выход эфирного масла составляет только 0,2 мл на 100 г, то есть в 5 раз меньше, чем в примере 1. После операции экстракции из остатка мяты были рекуперированы 1150 мг эфирного масла. Эти результаты показывают важность прерывистого характера, который должен быть придан в соответствии с изобретением снижению давления внутри камеры.

Пример 3
500 г шалфея лекарственного (Salvia officinalis L.,), имеющего 25% сухого вещества, были помещены внутрь камеры 1. Средства нагрева регулировались таким образом, чтобы термостатированная стенка имела температуру около 70^oC внутри камеры 1, а средства перемешивания 9 обеспечивали скорость перемешивания 40 об/мин.

Излучаемая средствами 2 генерации микроволн мощность составляла 1000 Вт, а отраженная мощность изменялась от 150 до 200 Вт. Следовательно, в ходе операции экстракции, которая продолжалась 10 мин, эффективная поглощенная мощность составляла от 800 до 850 Вт.

В ходе экстракции насос 5 работал таким образом, чтобы понизить давление на 250 мбар. Это понижение давления осуществлялось по истечении 3, 5 и 7 мин.

Кроме того, температура охлаждающей среды, циркулирующей в змеевике 7, была установлена на 5^oC таким образом, чтобы вызвать конденсацию паров, возникающих под действием микроволн на лекарственный шалфей, содержащих эфирное масло.

Изменение температуры имеющегося в камере шалфея и царящего внутри камеры давления показаны на фиг.6.

Если обратиться к фиг.7, то можно увидеть, что после 10 мин экстракции и 2 циклов снижения давления было рекуперировано 3,06 мл эфирного масла (что составляет выход 2,55 мл на 100 г сухого вещества).

Теоретический выход при классической гидродистилляции такого же количества шалфея равен 2,77 мл на 100 г, что показывает, что способ в соответствии с изобретением при его осуществлении позволяет рекуперировать более 90% эфирного масла обработанного лекарственного шалфея.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вид осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается только этим видом его реализации и что в него могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки приведенной далее формулы изобретения. В частности, можно предусмотреть более длительное или более короткое время воздействия микроволн, а также использование различных частот микроволн или выделение экстракта из водяного пара при помощи технологии, отличающейся от описанной, но не выходящей за рамки изобретения.

Реферат

Изобретение относится к экстракции натуральных продуктов, содержащихся в биологических материалах, и в особенности имеет отношение к экстракции таких продуктов из растений. Способ позволяет осуществлять экстракцию в отсутствии растворителя и позволяет получать экстракт, лишенный любых остатков растворителя. Биологический материал помещают в камеру при полном отсутствии растворителя. Снижают давление прерывистым образом. Одновременно воздействуют на биологический материал СВЧ-полем. Получают смесь паров экстрагента и экстрагируемого продукта. Камеру нагревают. Нагрев камеры, воздействие СВЧ-полем, понижение давления внутри камеры комбинируют таким образом, чтобы осуществить гидродистилляцию продукта парами воды из указанного биологического материала. Нагрев камеры проводят преимущественно при 100^oС. Воздействуют СВЧ-полем преимущественно с частотой 300 МГц. Мощность прикладывают в диапазоне преимущественно от 100 до 10000 Вт/кг обрабатываемого материала. 7 з.п.ф-лы, 7 ил.

Формула