Разработка путей повышения эффективности процесса экстрагирования и качества красящих веществ из растительного сырья тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Разработка путей повышения эффективности процесса экстрагирования и качества красящих веществ из растительного сырья"

РГо ОД

I I ДиЛ 71Г)

На правах рукописи

Бадалова Эврика Кадыровна

РАЗРАБОТКА ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ »ФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И КАЧЕСТВА КРАСЯЩИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 08.00.20 - «Экономика стандартизации и управления качеством продукции»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре «Экология» Объсд; ценного института высоких температур РАН и во Всероссийском научи исследовательском институте сертификации.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Дадашев М.Н.,

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Иванов Евгений Григорьевич,

доктор технических наук,

профессор Григорьев Борис Афанасьевич

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский центр МСВ

Защита состоится 06 декабря 2000 г. в 15 час. на заседании диссертационн

го Совета Д 041.06.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте се тификации по адресу: 123557, Москва, Электрический пер., дом 3/10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИС.

Автореферат разослан 03 ноября 2000 г.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенных печатью, проа направлять по вышеуказанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат экономических наук, с.н.с.

Л ¿С О ОО гП

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время использование целого ряда синте-1еских красящих добавок в различных отраслях промышленности (пищевой, фар-цевтической, парфюмерно-косметической, ликеро-водочной, пивобезалкогольной, $ро-красильной и т, д.) запрещено органами здравоохранения в связи с нежеланными фактами их терапевтического действия. Пищевые красители должны лппать не только органолептические свойства продукции, но и обладать положи-[ьным терапевтическим эффектом, что позволит снизить частоту различных аллер-(еских и других заболеваний.

Для удовлетворения потребностей страны в высококачественных отечест-шых экологически чистых красителях растительного происхождения одной из кнейших задач, стоящих как перед исследователями, так и перед производствен-тга в XXI веке является рациональное использование первичных сырьевых ре->сов, комплексная переработка вторичных сырьевых ресурсов (различные отходы »срабатывающих предприятий агропромышленного комплекса) и безопасная их шизация.

Бурное развитие промышленного производства привело к резкому ухудше-•о экологической обстановки. Это «болезнь цивилизации» и ее необходимо не 1ько лечить, но и своевременно предотвращать. Это возможно путем внедрения зых экологически чистых энергосберегающих технологий, создаваемых на основе ;ледних достижений науки и техники. Хорошо известно, что значительное загряз-ще воздушной среды - это следствие несовершенства технологий производства.

Поэтому поиск новых путей, обеспечивающих высокий уровень комплекс-го безотходного использования ценного растительного сырья для получения натужных экстрактов красящих веществ с максимальным сохранением природного бака, а также использование их в качестве цветовых оснастителей различной проищи, является важной научно-практической проблемой, решению которой и полцены исследования автора.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование процесса сверхкритической экстракции красителей из сырья растительного происхождения и разработка путей повышения результативности технологической системы (ТС) экстрагирования на основе процесса сквозного интегрированного управления качеством продукции.

Согласно этой цели, в работе решались следующие задачи:

> провести анализ современного состояния процесса извлечения красителей из • растительного сырья;

> принять участие в создании и совершенствовании экспериментальной установки для сверхкритического экстрагирования красящих веществ из растительного сырья;

> выполнить экспериментальное исследование процесса экстрагирования красящих веществ из растительного сырья с использованием в качестве растворителя сверхкритических флюидов;

> оценить влияние термодинамических параметров растворителя на скорость и глубину извлечения и на качественный состав красящих веществ;

> исследовать влияние технологических факторов на эффективность процесса экстрагирования красящих веществ; * ■

> разработать предложения по созданию результативного экологически чистого производства красящих веществ;

> исследовать возможности оптимизации показателей ценности экстрактов, получаемых из каждого конкретного вида сырья;

> исследовать и выбрать методы математического моделирования технологических процессов и критерии оценки результативности ТС экстрагирования;

> определить пути получения экономической эффективности предприятия-изготовителя от внедрения новой технологии СКЭ.

Методы исследования. В соответствии с решаемыми задачами в работе использованы существующие методики, а также методики, разработанные в соавторстве. При оценке качества продукции и результативности технологических систем использованы труды как отечественных, так и зарубежных ученых. Методы оценки

|)фективности технологической системы экстрагирования изучались в полупроиз-)дственных условиях.

Научная новизиа:

впервые проведено исследование в выборе методов и критериев оценки результативности ТС экстрагирования красящих веществ при интегрированном сквозном управлении качеством продукции;

впервые установлена возможность получения натурального экологически чистого антоцианового красителя из травы кукурузы.

установлено, что сахароза и этиловый спирт в концентрации 20-30% являются хорошими стабилизаторами; их присутствие способствует повышению устойчивости антоцианового красителя;

установлена зависимость скорости и глубины извлечения красящих веществ из сырья растительного происхождения от параметров давления Р и температуры Т; установлены основные факторы, влияющие на эффективность извлечения красящих веществ из различного растительного сырья;

показано, что различные добавки к растворителю повышают его растворяющую способность;

установлено, что различные способы подготовки исходного сырья к экстрагированию существенно влияют на качественный и количественный состав целевого продукта;

показано, что использование принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции позволяет существенно повысить результативность ТС экстрагирования.

Практическая ценность работы.

На основе полученных результатов показаны перспективы процесса СКЭ в получении натуральных красящих веществ из различного сырья растительного происхождения.

На созданной экспериментальной установке можно получить надежные экспериментальные данные, что является основой при разработке и создании новых про-

грессивных технолог™ при промышленном производстве красящих веществ.

3. В процессе экспериментов установлен механизм влияния различных факторов на интенсификацию процесса экстрагирования, а именно: влияние теплофизических свойств растворителя и технологических параметров на скорость и глубину извлечения и на количественный состав красящих веществ.

4. На основе полученных результатов предложен ряд принципиально новых технологических решений получения экстрактов красящих веществ из растительного сырья.

5. Показано, что использование принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции в системе «разработчик - изготовитель - поставщик - потребитель» позволит создать высокорезультативную технологическую систему экстрагирования с экологически чистым безотходным производством.

Достоверность полученных результатов обеспечена многочисленными экспериментальными данными автора, а также использованием при анализе и оценке результативности технологической системы экстрагирования современных методов и критериев.

Основные направления и результаты экспериментальных исследований подтверждены независимыми опытными данными различных авторов.

Личный вклад автора. Участие в разработке и создании экспериментальной установки; проведение экспериментов, обработка, анализ, научное обобщение результатов исследований; разработка новых технологических решений; разработка предложений по повышению эффективности управления качеством, результативностью ТС, выводы, рекомендации.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, научных совещаниях и семинарах, в том числе на международной конференции «Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых» (Одесса, 1998), на научных семинарах в НИЦ «Экология» Объединенного института высоких температур РАН, на кафедре физической и коллоидной химии Академии им. Губкина И.М., во Всероссийском научно-

наРоднойМо.

•Ях&Штпш ги

>Лодежной

конфс-

с°жржание

тс^т,он„ой

т°ТЫ изложено

В 8

-^е «Соето.

Д'1ССеРПЩпоНиь1х

йсследоВаНйй

га кРагкая ,уа.

'льшои обьел» отечеств/»

да

В

Стоящее

ГСвой> ведите,

время

' Рассмотрен

Г"— « аеиесг;,;"°" " -

ДИСГИЛЛЯЦЩ,.

Д } ЩиР°ко при

^сгракцид.

3УЮгся

спосо-

^Идкими1

. катком " ЙХЛ,СГ0^ Кзова„йй не _ способов Экспм

/Г<огда

качестве

Растворителя

Экстрагируед}

«СПОлЬ,УЮГс .

7 Л"во^ороды

•«'СЛОТ;

Ч СЩгг,.

[ и т.д.

то ДД»

остатка ну«»0 ___,.ЛК,Ш011НОГО 0е 'а

использован*»^

При

вопросам

вотв"' «„ых сырьем КУРСОВ,

листья,

рсосбсрсгаю^их

—— ^«.кгкнссом сооо»- » подачасми„„

стве Ра<

традада0

Работа

1СГворигеля дпя

го, в сверху* экстрактами,

горюч, воздействиям

металлы, I»

тремя

тстои

ГГСГсс- Р фазе», Р.,-1

давлением Р, уНКе 1 ПР№ сверхкрн-

паоамстрами- Д*»> Г0сгояния. № ; /^ава) выделена ^

1идая<6мсг,,а'к- 8

ТЙг«

ри изменении температуры и давления. СО? можно использовать для экстракции месей растворимых веществ, изменяя растворяющую способность растворителя по-тедовательными изменениями Т и/или Р. С02 дешев в производстве, инертен, легко ггенерирует благодаря высокой летучести.

а,к,б - область сверхкритической экстракции, где растворимость наиболее чувствительна к изменениям Р и Т.

Рк=73.8 бар (1бар=106Па), ТУ=31.1°С.

-50 О Тк 50 100 Т[°С]

Рис.1. Фазовая диаграмма для СОг

Несмотря на то, что в последние два десятилетия проведены большие работы о исследованию и применению сверхкритической технологии за рубежом и в нашей фане, существует потребность в вдеях и теориях нового типа, а также в новой тех-ологии и новом оборудовании, которые способствовали бы лучшему пониманию зерхкритического процесса.

При реализации принципа сквозного интегрированного управления качесг-ом продукции, требований МС ИСО серии 9000 и 1400 и положений Всеобщего 'правления Качеством (TQM) приняты семь критериев результативности R:

R=foq,3,K,n,7c,:>K,i) (i)

зе Д=К-У - действенность (качество К, объем выпуска продукции V в срок);

Р

Э =—- экономичность (Р„

3

ресурсы, подлежащие потреблению; 3

ресурсы, использованные в производстве);

K=f (Р,), (Р„ i=l,...I - показатели качества продукции) - качество продукции,

услуги, элементов ТС организационной системы в целом и т.д.: П - прибыльность (Д - валовый доход, 3 - суммарные затраты); V

к =—^ - производительность (V - количество продукции, произведенное

ТС за данный период времени, 3 - затраты на производство); Ж=[ (Т^, 1,.. .1 - качество трудовой жизни (Т; - множество факторов, влияющих на качество трудовой жизни); I - внедрение новшеств - решающий фактор результативности.

По критериям результативности формировалась целевая функция ТС Ц которая является произведением двух целевых функций Ц) и Цг

„ К¥

ц, —г и

Эта функция устанавливает необходимый объем V выпускаемой продукции требуемого качества Кис возможно малыми затратами 3.

Для конкурентоспособности продукции формируется вторая целевая функция

V

где ц>3. Здесь цена на новую продукцию устанавливается максимально невысокой -Цор(, то есть соблюдается принцип: высокое качество К - низкая цена ц. Общая целевая функция -

3 3, " 3

Здесь 3=31 'V (3] - цена единицы продукции).

Целью серийного производства является повышение качества продукции К1\ увеличение объема производства УТ и снижение себестоимости продукции 31:

тг кТ-УТ

Структура системы интегрированного управления качеством предполагает

10

Цг . (3)

Ци = Цх ■ Ц2 -I , Ци = У-% (4)

функционирование двух взаимосвязанных подсистем:

) композиционного проектирования новых видов продукции и композиционного

совершенствования технологической системы предприятия-изготовителя; :) взаимодействия комплексов «разработчик (Р) -> изготовитель (И) ~> поставщик (По)» и «изготовитель (И) Орган сертификации систем качеств и производств (ОССКП) -> Центр стандартизации и метрологии (ЦСМ)».

На рис.2.и 3 представлены структурные схемы этих подсистем.

^ Продукция ' а»

с э

П

Я

ЯЧ Д

к

ж

I

-Ц=У

кд

Технологическая система (ТС)

'ис. 2. Динамическая модель композиционного проектирования продукции и композиционного совершенствования ТС

Здесь:

Пр - продукция;

С - сырье;

М - материалы;

И - информация;

Т - технологические процессы;

О - оборудование;

Сн - снабжение;

ИО - информационно-организационная система;

Ка - кадры.

Чр+Г„

ЦСМ

ОССКП

Л', щ(рг+Ъ;га2р+а>\) opt У (р+АХр2 + 2qcop+co2

А (О (Ог

(часы, дни, месяцы, годы и т.д.)

'ис.З. Модель функционирования системы «И —» ЦСМ —> ОССКП» 1ри сквозном интегрированном управлении качеством продукции

Коэффициенты а„ и а у на дугах характеризуют работу, которая должна быть выполнена при функционировании системы. Коэффициенты охватывающие существенные точки и = 11,22,33,и т.д. могут быть постоянными, переменными или нелинейными. Они могут быть представлены дифференциальными уравнениями. Так, если учитываются скорости заготовки сырья поставщиком По, темп разработки варианта продукции или срок ее изготовления, параметр а„ может быть ац=р+ги] где

р ^ - оператор дифференцирования. По структурным схемам, исходя из вероятен

гостей выполнения работ по дугам, можно оценивать динамические свойства систем.

В диссертации указывается, что для разработки высококачественной конкурентоспособной продукции необходимо формировать показатели его качества по результатам маркетинговых исследований, реализуя принцип противозатратное™.

Имеется много способов оценки качества, но, на наш взгляд, использование энтропийных алгоритмов позволяет более точно оценить физический смысл происходящих процессов.

Удобно использовать два алгоритма оценки качества продукции:

/ '^¡—Рк^Р.форщиК.Шмкш

1. Я^-^а^Хоъ^щРц)

(4)

1 3

.=1 я-1

0.37 0.3

_ р

Здесь рц (X = , X, = >

л ,=1

где: 1 - номер строки матрицы, т.е. номер показателя качества;

j - номер столбца матрицы О показателей, соответствующий ^му образцу продукции, взятых для сравнения с оцениваемым образцом; а, - коэффициент весомости показателя р; качества продукции (0<а,<1) Алгоритм (4) удобно использовать при ограниченном количестве оценивае-

мых показателей (1=5-^7), когда а1 •—1 находится в пределах 0.05 < СС1р, < 0.37 .

X

2. В случае, когда оцениваемых показателей р;, 1=1,...,! более семи, используется алгоритм

0.53

^ ■ !082(К^Р,) (5)

' /=1

при 0<рц<1, 0<а,<1.

Алгоритм (5) обеспечивает изменение энтропийной функции в пределах

В диссертационной работе использован алгоритм нормирования и приведения к безразмерным показателям качества продукции (здесь предельные значения токазателей ¡=п; j=í):

<2

№ по Варианты продукции

ка за! 1 ... 1 ... {

1 411 Ч1|

4.1 Чу я*

1 • • •

! п Пп! Чп <ь

Варианты продукции

1 Ли % ... ] 1 ... {

1 ч'л —{ ч'л

1 1 <?„! % 1

Варианты продукции

1 ... ] ... \ Р.

Р| 1

1 ... р, ... Р,.

...

р0 Рп 1

Здесь: q"il - наилучшие показатели, имеющие большие численные значения; Я*пг- наилучший показатель, имеющий меньшее числовое значение. Для удобства качество продукции услуги, блоки ТС и т.д. оцениваются по формуле

К

(6)

где S max - максимальное значение энтропийной функции, подсчитанное, когда во Ри=тах= 1 (при заданных а, для j-ro образца продукции).

Целью разработки и внедрения новой технологии сверхкритического экстра гирования является выпуск высококачественной конкурентоспособной продукции i на этой основе - обеспечение для ТС изготовителя реализации целевой функцш

K-Y Ц „ •

Ци =- — —► max и валового дохода Д = I цор1 ■ Vat —> max., т.е. реализа

3 0

ция принципа «высокое качество - низкая себестоимость» и, как следствие, - «высо кое качество - низкая цена».

Во второй главе «Экспериментальное исследование процесса извлечения кра сящих веществ из сырья растительного происхождения» особое внимание уделяета новым разработкам технологий с высокими технико-экономическими и экологиче скими показателями.

Серьезное отставание отечественных технологий переработки ценного, ши ровд доступного растительного сырья для получения натуральных качественны] экологически чистых красящих веществ с максимальным сохранением природноп баланса биологически активных составляющих связано не только с материальными i финансовыми проблемами отрасли, но и с отсутствием должного внимания со сторо ны исследователей и технологов к новейшим эффективным направлениям, разви вающимся в мировой практике и способным коренным образом изменить основ; многих известных технологических процессов.

Одним из приоритетных направлений, привлекших внимание зарубежных i отечественных ученых, является экстракция с использованием в качестве раствори теля сверхкритических флюидов.

Целью эксперимента явилось изучение различных способов повышения эф фективности сверхкритического экстрагирования экстрактов го сырья растительноп происхождения.

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 4. Установи

спроектирована и создана научным руководителем диссертанта д.т.н. проф. Дадаше

вым М.Н. при активном участии автора данной диссертационной работы.

14

л/К

Рис. 4. Схема экспериментальной установки.

1 - измерительно-

регулирующая аппаратура;

2 - нагревательные элементы;

3 - экстрактор;

4 - измерительно-

регулирующая арматура;

5,6 - сепараторы; 7 - сборник газов; X - вакуумный насос;

9 - емкость с газом;

10 - цилиндр высокого

давления с разделительным поршнем;

11 - водяной насос

высокого давления;

12 - емкость для воды.

В качестве растворителя используется двуокись углерода С02. После вакуу-1ирования всей установки в экстрактор и сепараторы из сборной емкости подается истворитель. С помощью нагревательных элементов и насоса высокого давления :оздается необходимый режим экстрагирования Т и Р.

При экстрагировании биологически активных веществ рабочая температура ! экстракторе 3 и сепараторе 5 не должна превышать 40°С, а в сепараторе б должна >ыть от -10°С до -50°С.

Давление определенного значения Р устанавливается в экстракторе в сверх критической области (см. рис.1). Характерной особенностью сверхкригической об ласти является значительное изменение плотности р при незначительном измененю давления Р и температуры Т (на этом основан метод экстрагирования с использова нием в качестве растворителя сверхкритических флюидов).

При переходе смеси (растворитель с растворенными частицами) из экстрак тора в сепараторы происходит резкое снижение давления смеси, что, в свою очередь приводит к резкому снижению плотности растворителя, в результате чего и происхо дат отделение растворителя от растворенных частиц: частички осаждаются в сепара торах, а двуокись углерода, благодаря своей высокой летучести, поступает в сборнуи емкость для газа (7).

В качестве объектов исследования были взяты шестнадцать различных видо) растительного сырья (крапива двудомная, душица обыкновенная, полынь горькая рябина обыкновенная, зверобой продырявленный, боярышник кроваво-красный, де вясил высокий, мята перечная, марена красильная, солодка голая, ель европейская гранат, облепиха, калина, шиповник, кукуруза), рациональное и комплексное исполь зование которых имеет большие перспективы для получения экологически чистых качественных, биологически ценных красящих веществ для различных отрасли промышленности, в частности, пищевой и медицинской. Красители из сырья расти тельного происхождения ценны высоким содержанием питательных и биологичесю активных веществ, имеют широкий спектр фармакологического действия с практиче ским отсутствием противопоказаний. Почти все красящие вещества растительного происхождения хорошо растворимы в воде, а при нагревании до 150-200°С разруша ются. Как показали маркетинговые исследования, на международном рынке пользу ются спросом и наиболее высоко ценятся ковры ручной работы, окрашенные нату ральными красителями растительного происхождения. Такие красители, помимо свс ей безвредности, отличаются богатством цветовой гаммы. Они устойчивы к внешни) воздействиям - солнечной радиации, влажности, загазованности воздуха и др.

В пищевой промышленности их используют для подкрашивания вин, лике ров, прохладительно-минеральных напитков, конфет, сиропов, теста, тортов, пирож ных и т.д. Широкое применение органические красители находят при производств

зрфюмсрно-косметических изделий.

В процессе эксперимента исследовались различные условия экстрагирова-

яя.

Зависимость выхода красящих веществ от времени (на рис. 5 представлены графики этих зависимостей).

Сырье:

1. кожура граната;

2. жом боярышника;

3. крапива.

Т. сулеи

ю. 5. Зависимости выхода красящих веществ от времени (растворитель - спирт)

Как видно из графиков, максимум выхода красящих веществ происходит за первые сутки.

Глу бина выхода красящих веществ при использовании различных растворителей (на рис. 6 представлены графические зависимости величины выхода красящих веществ при использовании различных растворителей).

I

Д q

' ч

* SN

IV

ij

ш

I - эфир;

II - спирт;

III - вода;

IV - сверхкритический

диоксид углерода.

1С. 6. Величины выхода красящих веществ при использовании различных растворителей для: а) девясила; б) солодки; в) марены; г) крапивы.

3. Оптимальные сроки заготовки сырья. В таблице 1 представлены зависимости ко личества хлорофиллов А и Б в молодой хвое по месяцам. Максимальное накоп ление достигается в конце августа - начале сентября.

Таблица

г~

Пигмент

Хлорофилл А (зеленый пигмент)

0.71

VI

0.66

месяцы

уц Тх

0.99 Г Ш 1-16

0.98

XI

0.8

XII

Хлорофилл В (желто- или коричнево-зеленоватый пигмент)

0.19

0.32

0.35 \'&М\ 0.51

0.3

0.27

4. Термодинамические параметры процесса экстрагирования Т=уаг, Р=соп51. Из ри сунка 7 следует, что температура Т в экстракторе и сепараторах должна быть Н1 более +40°С. Оптимальное давление - Р=25 МПа.

А :5.о м|>

1. 2 .0 МП.

Рис. 7. Зависимость выхода экстрактивных веществ из хвои ели от температуры для различных изобар

5. Зависимость относительного содержания красящих веществ Е в траве душицы о времени т при Т=32°С=соп51 при разном давлении Р. При этом Рор(=18,0 МП (См. рис 8).

16« 200

5. 14 0 М!7а

6. 18.0 МПл

9.0 МПа

4.0 М11«

8.0 МП»

2.0 МП»

8. График изменения относительного содержания красящих веществ Е в траве душицы в зависимости от времени т при Т~32'"С- соп,^ (оранжево-красный цвет)

Оптимальные способы хранения антоциановых красителей. Исследовались различные способы сушки красителей: сушка при атмосферном давлении, сушка в вакууме, распылительная сушка и лиофильная сушка. Выбран способ распылительной сушки. Схема сушки: экстракт —* вакуумное выпаривание —+ фильтрация —» очищенная вытяжка сушка распылением —> расфасовка готовой продукции.

Пути повышения сроков хранения экстрактов. Как видим из рис. 9, подбирая оптимальный раствор веществ, можно добиться хорошего стабилизирующего эффекта, т.е. времени сохранения свойств красителя.

80 -

1. 20% этиловый спирт;

2. 1 % лимонная кислота;

3. 30% сахароза;

4. 5% лимонная кислота;

5. 20% этиловый спирт +

+ 10% сахароза.

с.9. Стабилизирующее действие растворов на антоцианы красящего препарата

8. Пути повышения эффективности процесса сверхкритического экстрагирования < целью снижения себестоимости продукции. Произведен подбор оптимальноп соотношения массы растворителя Мр и массы твердых частиц Мт - гидромодул;

процесса экстрагирования: q , где Мр - масса растворителя, Мт - масс;

Мт

твердых частиц. На рис. 10 показана зависимость МТ=Г(МР). Оптимальньми тер модинамическими параметрами будут Р=30 МПа и (=32°С=соп$(; при этом полу чается минимальный расход С02

Сьфье: кожура граната

л. 20 МП»

1. М1>

СМ,

5 Мр. кг

Растворитель ш,%

эфир 1.2

спирт 61

вода 65.7

сверхкрит. С02 80

Оптимальный режим:

Рис. 10. Зависимость выхода растворимых веществ из кожуры граната от расхода растворителя С02

Р=30МПа Т=32°С=соп51

9. Варианты подготовки сырья для экстрагирования. Как видно из графика 11, оп тимальным вариантом для выхода экстракта т% из сырья является плющение д< £=0,35-0,4 мм.

неизмельченнос сырье; ударное измельчение (г<р"0.9 мм); ударное измельчение (гср=0.3 мм); плющение сырья (1-1.2 мм); плющение сырья (1=1 мм); плющение сырья (1=0.9 мм); плющение сырья (1- 0.6 мм); плющение сырья (1-^0.3 мм).

Рис. 11. Изменение содержания экстрактивных веществ т в траве полыни от времени т

В процессе теоретических и экспериментальных исследований определены птимальные термодинамические и временные параметры сверхкритического экст-агировання растворителем С02, установлены оптимальные способы хранения экс-эактов. Это позволит получать высококачественную конкурентоспособную продукте.

В третьей главе «Пути повышения результативности технологической сис-:мы за счегг внедрения новых технологий сверхкритического экстрагирования» по-шно, что конкурентоспособность продукции - основа повышения результативно-ги технологической системы.

1. Нововведения - основа конкурентоспособного качества продукции. По-эебительские свойства экстрактов оценивались с учетом некоторых показателей, из эторых основные: Р - красящие; Р2 - лекарственные; Р3 - ароматические; Р4 - пря-ые. Комплексный показатель качества получаемого экстракта оценивается функци-1, которую можно формулировать как функцию ценности:

Кц= «Р,; Р2; Р3; Р.,;) (7)

В зависимости от потребностей конкретного покупателя, анализа химического эстава и области применения устанавливается необходимый вариант экстракта.

Функции ценности К„ определялись для экстрактов, получаемых из шестна-цати видов сырья растительного происхождения (названные ранее), таблице 2 приведены результаты эксперимента, сравниваются два экстракта души-ы, получаемые экстрагированием водой и двуокисью углерода в сверхкритическом >стоянии.

Таблица 2

№ л/п Показатели качества Экстрагирование водой Сверхкритическан экстракция СО,

Наименование показателя Р баллы Г* отн. ед. Выход экстракта, % 6 баллы 7 отн. ед. Выход экстракта, %

1 2 3 4 5 8 9

1 Красящие Р, 3 0.6 25.0 5 1 98.0

2 Лекарственные р? 4 0.8 5 1

3 Ароматические 3 0.6 5 1

4 Пряные р< 3 0.6 5 1

5 Удельные, приведенные затраты, 3 1 0.85

6 Показатель качества Р' Г) J 711)0 Р, Р5 0.85 1

^-9У0.371.Р,1о§2(0.37-1.Рц);

8,

} _

= к

_)тах

^,=0.936: ^=1:

о,=1

Как видно, качество К2= Sj=2 почти на 10% выше, а выход экстракта почти в 4 раза превышает процент выхода экстракта, получаемого традиционным способом экстрагирования водой. У«,=4 УЭВОд. Это значит, что уменьшается необходимость в эольших заготовках сырья.

Аналогичные результаты получены и для других видов сырья. Это одна из со-л~авляющих уменьшения удельных затрат, или себестоимости продукции.

2. Формирование конкурентоспособного качества продукции и оценка технологической возможности ее изготовления.

Композиционное проектирование продукции осуществляется на основе маркетинговых исследований и оценки возможности ТС по ее реализации.

На рис. 2 и 3 показаны структурные схемы формирования информации для принятия решений по новой продукции и по совершенствованию всех составляющих ГС.

Динамику композиционного проектирования продукции и композиционного :овершенствования ТС можно оценить, анализируя свойства передаточных функций

X X

гр) =—1 и уу (р\ ^—2 (рис.3). В главе 1 диссертации приведен алгоритм форми-у 7 у у

ания знаменателя и числителей передаточных функций, анализируются динами-кие характеристики системы «разработчик Р —+ изготовитель И» в процессе соз-ия новых видов продукции.

3. Формирование качества продукции как межотраслевой интеграционный цесс.

При сквозном интегрированном управлении качеством задаваемые требования ребителя реализуются на ТС всех составляющих системы «разработчик Р —> изго-итель И —► поставщик По» (см рис. 3).

4. Формирование составляющих результативности К. 3).

При исследовании основное внимание уделялось показателям действенности

К • V

КУ и затратам 3, т.е. реализации целевой функции ц =- • На рис 12 показана

1 3

уктурная схема формирования функции Ц,

1 ^К±ГиК+а,2У+а,зЗ=п, У ^ц, - 2. а2)К+У+гг2У+а233=п2У

3. аз1К+аз2У±3+тлЗ=ПзУ

Ограничение: 3<30.

12. Формирование составляющих результативности

--¡— -> тах и Ц2 =——, -> тахрр! •

3 ♦ 3 *

о

5. В работе указывается на необходимость взаимодействия изготовителя с ор-ами ЦСМ и ОССКП (структурная схема взаимодействия приведена на рис. 3).

I гаком взаимодействии существенно повышается вероятность реализации цсле-

ВОЙ функции Л тах И Ци> Цкф.

3

В процессе экспериментальных и теоретических исследований изучень свойства многих видов сырья. Получили оценку комплексные свойства экстрактов пс основным показателям (Р) - красящие, Р2 - лекарственные, Рз - ароматические, Р4 -пряные), что позволяет оптимизировать область их применения. Установлен режим экстрагирования, соответствующий минимальной себестоимости при оптимальны* выходных параметрах - качества экстракта Кэ и рационального объема выпуска Уэ Оптимизированы и входные термодинамические воздействия Рэ=уаг и Тэ=32-г38°С Эти рекомендации представлены в качестве входной управляющей информации да совершенствования всех составляющих технологической системы предприятия-изготовителя.

Показано, что повысить результативность системы «разработчик Р изго' товитель И -> поставщик По» возможно при взаимодействии с органами ЦСМ 1 ОССКП.

При сверхкритической экстракции сырья (растворитель СОг) выход полезного продукта в 2-3 раза больше, чем при традиционных методах экстрагирования. Этс позволит существенно сэкономить количество используемого сырья и повысить качество экстрактов.

Основные выводы и рекомендации

1. Разработана и создана экспериментальная база для исследования влияния термо динамических параметров растворителя и технологических факторов на эффек тивность процесса экстракции и на качество целевого продукта.

2. Исследованы причины и факторы, влияющие на эффективность процесса и № качество целевого продукта при использовании в качестве растворителя сверх критических флюидов.

3. Проведено исследование по выбору математических моделей функционирование объектов, критериев оценки ТС изготовителя, методов формирования целевы: функций и их реализации при интегрированном сквозном управлении качество!* продукции.

Дана оценка комплексных свойств экстрактов, получаемых из различных видов растительного сырья (красящих, лекарственных, ароматических, пряных), показано, что использование таких экстрактов позволит существенно повысить конкурентоспособность продукции и результативность ТС изготовителя. Установлено, что изменение параметров растворителя Р и Т и использование со-растворителей с диоксидом углерода позволит селективно проводить экстракцию и получать целевой продукт требуемого состава и качества. Установлены и рекомендованы оптимальные термодинамические параметры экстрагирования красителей и условия проведения экстракции. Показано, что реализация принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции позволит существенно повысить качество продукции и результативность технологической системы предприятия-изготовителя. Внедрение новой технологии сверхкритического экстрагирования позволит реализовать высокоэффективное безотходное экологически чистое производство.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих статьях:

Исаева Э.К. Новые технологии в повышении качества продукции. Тезисы доклада на междунар. молодежной научной конференции. Апрель 1999. МАТИ. -М.: Изд. "ЛАТМЭС", т.1. 1999.

Бадалова Э.К. Пути повышения результативности технологических систем. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №2, 2001. (в печати).

Бадалова Э.К. Формирование функций ценности продукции с учетом различных свойств экстрактов. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №2, 2001. (в печати).

Дадашев М.Н., Исаева Э.К. Использование сорастворителсй с диоксидом углерода в процесса сверхкритической экстракции. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №1 - М.: ГУЛ "ВИМИ" МЭС. 1998. Дадашев М.Н., Абдулагатов А.И., Сагалаева Н.Ф., Исаева Э.К. Кинетика процесса сверхкритяческой экстракции. Ж. Оборонный комплекс - научно

техническому прогрессу России. №1 - М.: ГУЛ "ВИМИ" МЭС. 1998.

6. Дадашев М.Н., Абдулагатов А.И., Исаева Э.К. Основные факторы, влияющие на интенсификацию процесса экстракции с применением сверхкритического диоксида углерода. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №1-2 1998.

7. Дадашев М.Н., Федоренко Г.И., Степанов Г.В., Исаева Э.К., Могамедмирзаев А.М., Атуралиев Р.Н., Куликов С.Н. Оптимизация процесса сверхкритического экстрагирования растительного сырья. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №1 - М.: ГУЛ "ВИМИ" МЭС. 2001.

8. Дадашев М.Н., Федоренко Г.И., Бадалова Э.К. и др. Конкурентоспособность продукции - основа повышения результативности технологической системы. Ж. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №1 - М.: ГУП "ВИМИ" МЭС. 2000.

Диссертация: содержание автор диссертационного исследования: кандидата технических наук, Бадалова, Эврика Кадыровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Состояние вопроса и цель исследования.

1.1. Современные технологии процесса экстрагирования.

1.2. Цель исследования, решаемые задачи.

I.3 .Методы исследования.

Выводы по главе I.

ГЛАВА II. Экспериментальное исследование процесса извлечения красящих веществ из сырья растительного происхождения.

II. 1. Описание экспериментальной установки.

11.2. Методика проведения исследований.

11.3. Объекты исследования.

II.3.1. Характеристика объектов исследования.

И.4. Экспериментальное исследование процесса извлечения красящих веществ из сырья растительного происхождения.

Выводы по главе II.

ГЛАВА III. Пути повышения результативности технологической системы за счет внедрения новых технологий сверхкритического экстрагирования.

III. 1. Конкурентоспособность продукции - основа повышения результативности технологической системы.

III. 1.1. Нововведения - основа конкурентоспособного качества продукции.

III. 1.2. Формирование качества продукции как межотраслевой интеграционный процесс.

III.2. Оптимизация процесса сверхкритического экстрагирования растительного сырья.

III.2.1. Определение оптимального режима экстрагирования.

Ш.2.2. Определение оптимального режима работы технологи' ческой системы изготовителя по выпуску продукции необходимого объема Уи, конкурентоспособного качества К.

III.2.3. Повышение производительности /7=V/3 за счет составляющей Ж - качества трудовой жизни участников производства на ТС изготовителя.

111.3. Сертификация продукции и систем качества.

111.4. Экономическая эффективность производства экстрактов от внедрения новых технологий сверхкритического экстрагирования.

Выводы по главе III.

Диссертация: введение по экономике, на тему "Разработка путей повышения эффективности процесса экстрагирования и качества красящих веществ из растительного сырья"

Успешное развитие экономики страны основано, в первую очередь, на постоянном совершенствовании технологий производства новых видов высококачественной конкурентоспособной продукции и на внедрении высокоэффективных методов управления производством. В условиях рыночных отношений механизмом, обеспечивающим высокое качество производимой продукции, является требование самого производителя, а товарно-денежные отношения и конкуренция выступают основным средством координации труда и его результативности.

Из данных требований рыночной экономики вытекают и основные принципы повышения результативности производства, положенные в основу данной диссертационной работы: конкурентоспособность продукции; высокое качество - низкая цена; новизна высококачественной продукции; новая экологически чистая технология производства; противозатратный принцип функционирования технологической системы (ТС); сквозное интегрированное управление качеством продукции в системе «разработчик Р -> изготовитель И —» поставщик По»; формирование ценности конечного продукта с определенными параметрами, объема выпуска и срока изготовления на основе маркетинговых исследований изучения и учета нужд потребителя; выбор технико-экономических критериев результативности ТС; композиционное проектирование продукции и композиционное совершенствование ТС; управление качеством продукции на основе требований международных стандартов ИСО серии 9000 и положений системы TQM (Всеобщего Управления Качеством).

Реализация указанных принципов позволит повысить вероятность сертифицируемое™ продукции.

Перерабатывающая промышленность агропромышленного комплекса является емким сырьевым источником получения ценных веществ для пищевой, винодельческой, ликеро-водочной, парфюмерной, фармацевтической промыш-ленностей. Получение ценных пряно-ароматических веществ и красителей из сырья растительного происхождения представляет собой важную коммерческую задачу. Существуют области использования экстрактивных веществ, где им нет равноценных. Например, натуральные красители могут найти широкое применение в бытовых условиях для окраски кухонной мебели, детской мебели, игрушек, ковров, тканей, обуви, обоев, линолеума и т.д., в пищевой, в фармацевтической, парфюмерно-косметической, химической и других отраслях промышленности.

В настоящее время традиционно для получения красящих веществ из сырья растительного происхождения используют, в основном, два метода:

1) метод дистилляции;

2) метод экстракции жидкими растворителями.

При дистилляции теряются наиболее летучие компоненты и остается лишь часть первоначального запаха, вкуса, цвета. Кроме того, дистилляция не дает возможности извлечь из исходного сырья средние и тяжелые фракции.

При использовании жидкостной экстракции удается избежать некоторых недостатков дистилляции, для чего используются растворители гексан, толуол, ацетон, этанол, метилхлорид и т.д. Но, наряду с преимуществом, имеет место и ряд существенных недостатков, связанных с очисткой полученного экстракта от самих растворителей, к содержанию которых в пищевой, винодельческой, фармацевтической, парфюмерной промышленностях предъявляются очень жесткие требования.

Диссертационная работа посвящена вопросу получения ценных экстрактов и красителей из сырья растительного происхождения на основе метода сверхкритической флюидной экстракции. Сверхкритическая технология получения экстрактов имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами экстрагирования. Метод сверхкритической экстракции основан на высокой растворяющей способности растворителя при сверхкритических параметрах - давлении Р и сверхкритической температуры Т. При сверхкритических параметрах растворитель обладает более высоким коэффициентом диффузии, низкой вязкостью, что способствует быстрому и более глубокому экстрагированию веществ. Важным является и то, что извлечение растворимых красящих веществ можно провести ступенчато, изменяя параметры Р или Т, что очень важно при извлечении термически неустойчивых компонентов из сырья растительного происхождения. Сам растворитель легко регенерируется из экстракта и экстракционного остатка. Благодаря его высокой летучести, растворитель можно использовать в цикле заново: он дает максимальный выход и высокое качество целевого продукта [1].

В качестве растворителя использовалась двуокись углерода (СОг).

Актуальность работы

Для удовлетворения потребности страны в высококачественных отечественных экологически чистых красителях растительного происхождения необходима разработка и создание новых технологий их получения.

Разработка и создание высокоинтенсивных экологически чистых технологий, обеспечивающих высокий уровень комплексного и безотходного использования экстрактивного сырья, является важной научно-практической проблемой, решению которой и посвящены теоретические и экспериментальные работы автора.

В процессе работы над этой проблемой решались следующие задачи: изучить существующие методы и технологии получения красящих веществ из сырья растительного происхождения; изучить результаты исследований и состояние проблемы по сверхкритическому экстрагированию, проводимому в нашей стране и за рубежом; провести экспериментальные исследования (на экспериментальной установке, сконструированной при участии диссертанта) по сверхкритическому экстрагированию красителей из различного сырья растительного происхождения (корни, жом, стебли, цветки и т.д.) с целью проведения сравнительного анализа качественных и количественных показателей экстрактов; разработать предложения по созданию высокорезультативного экологически чистого безотходного производства по реализации принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции; исследовать и выбрать критерии оценки результативности ТС экстрагирования.

Научная новизна

Впервые для технологической системы экстрагирования красящих веществ проведено исследование в выборе метода и критериев оценки результативности при интегрированном, сквозном управлении качеством продукции.

Впервые показана возможность получения натурального экологически чистого антс цианового красителя из травы кукурузы.

Установлено, что сахароза и этиловый спирт в концентрации 20-30% являются хорошими стабилизаторами; их присутствие способствует повышению устойчивости антицианового красителя;

Установлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса сверхкритической флюидной экстракции при извлечении красящих веществ из различных отходов растительного сырья.

Установлена зависимость скорости и глубины извлечения красящих веществ из сырья растительного происхождения от параметров давления Р и температуры Т.

Показана высокая эффективность процесса сверхкритической экстракции при извлечении красящих веществ и других биоактивных экстрактов.

Показано, что носители и различные добавки к растворителю повышают эффективность процесса экстракции, позволяют получить конечный продукт требуемого качественного и количественного состава.

Установлено, что различные способы разрушения и измельчения клеточной структуры исходного сырья по-разному влияют на интенсивность процесса экстракции и качественный состав целевого продукта.

Показано, что использование принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции позволяет существенно повысить результативность ТС экстрагирования.

Личный вклад автора

Участие в разработке и создании экспериментальной установки; проведение экспериментов, обработка, анализ, научное обобщение результатов исследований; разработка новых технологических решений; разработка предложений по повышению эффективности управления качеством, результативностью ТС, выводы, рекомендации.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, научных совещаниях и семинарах, в том числе на международной конференции «Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых» (Одесса, 1998), на научных семинарах в НИЦ «Экология» Объединенного института высоких температур РАН, на кафедре физической и коллоидной химии Академии им. Губкина И.М., во Всероссийском научно-исследовательском институте сертификации, на Международной Молодежной конференции (Апрель 1999, МАТИ).

Основные результаты работы отражены в статьях автора.

Практическая ценность работы

1. На основе полученных результатов показаны перспективы процесса сверхкритической экстракции в получении натуральных красителей из различных отходов растительного сырья.

2. На созданной экспериментальной установке можно получить надежные экспериментальные данные, что является основой при разработке и создании новых перспективных технологий извлечения и разделения.

3. В процессе экспериментов установлен механизм влияния различных факторов на интенсификацию процесса экстрагирования, а именно: влияние тегь лофизических свойств растворителя и технологических факторов на скорость и глубину извлечения и на качественный состав целевого продукта.

4. На основе полученных результатов предложен ряд принципиально новых технологических решений получения экстрактов красящих веществ из растительного сырья на основе метода сверхкритической экстракции.

5. В работе показано, что использование принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции в системе «разработчик - изготовитель - поставщик - потребитель» позволит создать высокорезультативную технологическую систему экстрагирования с экологически чистым безотходным производством.

Диссертация: заключение по теме "Экономика стандартизации и управление качеством продукции", Бадалова, Эврика Кадыровна

Выводы по главе 3

1. Изучены свойства многих видов растительного сырья, как объекта для получения ценных экстрактов. Проведена комплексная оценка свойств полученных экстрактов по основным показателям (Р1 - красящие, Р2 -лекарственные, Рз - ароматические, Р4 - пряные), что в дальнейшем позволит оптимизировать области применения экстрактов.

2. Для повышения результативности технологической системы изготовителя намечены три пути оптимизации процессов.

- Определение оптимального режима экстрагирования. Предложена математическая модель функционирования объекта: входными оптимизируемыми параметрами являются параметры режима - давление Рэ и температура Тэ, а выходными - объем выхода полезного продукта Уэ и его качество Кэ. Установлен режим минимальной себестоимости Зэ. Целевой функцией явилась гг К Т -к Т ц =-—г--» шах.

3Э1

- Определение оптимального режима работы ТС: выпуск минимально необходимого, но достаточного для удовлетворения нужд потребителя объема продукции V конкурентоспособного качества К. Оценены пути снижения себестоимости продукта 3. Предложен принцип определения его цены Цор{. Составлена математическая модель оптимизации. В качестве критерия оптимизации выбрана максимизация прибыли П=Д-3—»тах.

- Повышение качества трудовой жизни Ж. В основу положен принцип зависимости производительности труда от распределения дополнительной заработанной прибыли АП цЭ.

3. Показана необходимость постоянного взаимодействия системы «Р—>И—»По» с органами стандартизации ЦСМ и ОССКП при композиционном проектировании продукции и композиционном совершенствовании ТС. Это позволит обеспечить высокую результативность предприятию-изготовителю.

4. Проанализированы пути возможного получения экономической эффективности от внедрения в промышленность новой технологии сверхкритического экстрагирования продукции из сырья растительного происхождения. Широкое промышленное внедрение данной технологии экстрагирования позволит реализовать основной принцип противозатратности в системе сквозного интегрированного управления качеством продукции - «высокое качество - низкая цена».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результаты исследований, проводимых за рубежом (Германия, Канада, Франция, Япония, США и др.) и в России за последние 20 лет, показывают, что сверхкритическому флюидному экстрагированию принадлежит будущее.

2. Цель данного исследования - разработка новых технологий экстрагирования для получения конкурентоспособной продукции, поиск путей повышения результативности системы «разработчик Р —* изготовитель И —> поставщик П0» при сквозном интегрированном управлении качеством продукции. В работе предложены методы исследования, формулируются критерии и целевые функции.

3. Показано, что новая технология сверхкритической флюидной экстракции позволит существенно повысить качество экстрактов из сырья растительного происхождения, получить выход полезного продукта в 2-3 раза больше, чем при традиционных методах экстрагирования, существенно сэкономит количество используемого сырья.

4. Установлены оптимальные параметры режима сверхкритического процесса - давление Рэ и температуры Тэ. Оптимальным является режим, когда Тэ=сош1 и находится в пределах 32-38°С<40°С. При увеличении давления до Рор(=18 МПа увеличивается скорость и процент выхода экстракта.

На интенсификацию процесса экстрагирования положительно влияют способы подготовки исходного сырья (сушка, измельчение, очистка).

5. Изучены свойства новых видов сырья. С целью оптимизации условий и областей использования экстрактов, кроме основного красящего показателя Р1 экстракта, предложено учитывать и другие важные свойства каждого экстракта: Р2 - лекарственные, Р3 - ароматические Р4 - пряные.

Выделены три области многокритериальной оптимизации нового технологического процесса сверхкритического экстрагирования:

119

1) определение оптимальных рабочих параметров процесса (Рэ и Тэ); выходными параметрами являются качество Кэ, объем Уэ выхода экстракта и минимальные затраты Зэ;

2) определение оптимального рабочего режима ТС изготовителя по выпуску продукции высокого качества К, необходимого объема V и с низкой себестоимостью 3 изготовления;

3) повышение результативности И. за счет повышения показателя качества трудовой жизни Ж, оптимального распределения дополнительной прибыли АГГцэ, получаемой от увеличения производительности труда.

6. При тесном взаимодействии системы «Р—►И—>По» с органами стандартизации ЦСМ И ОССКП в процессе композиционного проектирования новой продукции и композиционного совершенствования ТС сверхкритической экстракции удается максимизировать общую целевую функцию

Л К-У ц К-Д „К-Д тт тх

О = —■■ у = уу~ = тах И Ди Цкф в противозатратном процессе сквозного интегрированного управления качеством продукции, а также реализовать принцип «высокое качество - низкая цена на продукцию».

7.Внедрение новой технологии экстрагирования позволит реализовать принцип безотходности, получить экологически чистое производство.