Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАФИНАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к масложировой промышленности и может быть использовано для очистки растительных масел.

Природные масла представляют собой сложную многокомпонентную систему, состоящую в основном из триацилглицеринов (триглицеридов) различного состава, строения и степени непредельности, из разнообразных сопутствующих веществ, молекулярно- и коллоидно-растворимых в глицеридах. Для повышения пищевого достоинства и технологических свойств масел их подвергают различной степени очистки - рафинации.

В настоящее время технология рафинации растительных масел в отечественной и зарубежной практике реализуется путем удаления из масел сопутствующих им веществ. Существуют различные способы очистки или рафинирования масла: физические (отстаивание, центрифугирование, фильтрование), химические (гидратация, щелочная рафинация и др.) и физико-химические (отбеливание, дезодорация и др.). При этом с целью удаления фосфолипидов применяется процесс гидратации, осуществляемый путем взаимодействия масел с водой, а процесс нейтрализации свободных жирных кислот осуществляется путем воздействия на них водного раствора едкого натра. Для удаления красящих веществ (пигментов) растительных масел применяются твердые активированные адсорбенты. Эти процессы проводятся раздельно с использованием многочисленных аппаратов, обеспечивающих указанные технологические процессы, при которых образуются большие отходы и потери растительного масла. Кроме того, отработанный адсорбент отправляется в отвал.

Известен способ дистилляционной или физической рафинации масел, включающий две основные стадии. Первая заключается в подготовке масел к дистилляционной рафинации путем максимального извлечения из них фосфолипидов, пигментов, металлов, а вторая представляет собой собственно отгонку свободных жирных кислот острым паром, совмещенную с процессом удаления одорирующих веществ в условиях глубокого вакуума и высокой температуры. Этот способ рафинации является комплексным и состоит из следующих модулей: гидратация (удаление фосфолипидов путем кислотной гидратации); адсорбционная рафинация (удаление пигментов, остатков фосфатидов, кислоты); винтеризация (удаление восковых веществ); дезодорация (удаление свободных жирных кислот, одорирующих веществ и продуктов окисления) (см. Технология переработки жиров. Под ред. С.Арутюняна и др. М.: Пищепромиздат, 1998, стр.123-134).

Недостатками данного способа являются многостадийность процесса, недостаточно высокое качество получаемых масел вследствие накопления значительного количества первичных продуктов окисления (перекисей) на стадии первой кислотной обработки, а также уменьшение выхода масел и увеличение их себестоимости.

Известен способ очистки жидких масел, включающий смешивание масла с водой, перемешивание его с химическими и нейтрализующими агентами и последующее отделение продуктов взаимодействия от масла, при этом при смешивании масла с водой, химическим и нейтрализующим агентами получают реакционную смесь, а в качестве химического агента используют флокулянт типа поликатионита (см. RU 2144561 С1, С11В 3/00, 20.01.2000).

Недостатками данного способа являются сложность процесса очистки масел и использование поликатионита в качестве флокулянта, который при взаимодействии с нейтрализующими агентами, маслом и водой образует хлопья, которые содержат в своем составе большое количество растительного масла, а также при одновременном воздействии химическим и нейтрализующим агентами на масло не происходит полная нейтрализация жирных кислот.

Известен способ рафинации жиров и масел, включающий обработку жиров и масел концентрированной фосфорной кислотой для удаления фосфоросодержащих веществ в количестве 0,05-0,1% от массы жира, нейтрализацию жирных кислот водным раствором щелочи (едкого натра) и промывку нейтрализованных жиров и масел водным раствором с кислотными свойствами (раствором лимонной кислоты) (Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. ВНИИЖ, т.II, 1973, с.68-89).

Недостатком известного способа является то, что для проведения процесса очистки масел и жиров требуется использование фосфорной кислоты и дополнительный расход избытка щелочи на нейтрализацию остатков ее в жирах и маслах после обработки, на связывание фосфатидов, обладающих кислотными свойствами, и последующее их удаление с соапстоком. При этом имеются потери нейтральных жиров в соапсток за счет омыления их щелочью. Кроме того, после отделения соапстока дважды проводимая промывка жиров большим количеством воды увеличивает потери жиров в отходы, а также для удаления из жиров остатков мыла требуется расход дорогой лимонной кислоты.

Наиболее близким к предлагаемому является способ рафинации масел (патент №2145341, С11В 3/00, 10.02.2000 - прототип), включающий гидратацию раствором электролита, отделение фосфатидной эмульсии от масла, нейтрализацию и отделение нейтрализованного масла, гидратацию проводят путем перемешивания с образованием центробежных потоков с завихрениями внутри них, в качестве раствора электролита используют электролизат воды с рН<7, а нейтрализацию проводят электролизатом воды с рН>7. Перемешивание проводят до получения эмульсии с дисперсностью частиц 0,1-1,0 мкм, а масло перед гидратацией нагревают до температуры 45-90°С. Завихрения внутри потоков имеют вид затопленных вращающихся струй. Электролизат воды используют в количестве 1-10% от объема масла. Кроме того, электролизат воды дополнительно содержит хлористый натрий, и/или нитрат натрия, и/или сульфат натрия при следующем соотношении компонентов, вес.%: хлористый натрий, и/или нитрат натрия, и/или сульфат натрия - 0,7-1,0. Вода - остальное.

Недостатком данного способа является захват верхними слоями потока кислорода воздуха при завихрении затопленных вращающихся струй масла и его активное окисление, перемещение внутрь окисленных молекул и их замещение на поверхности более свежими неокисленными, т.е. значительно большая окисляемость всего объема масла, чем без вращения, и создаваемых завихренных потоков. Кроме того, используемый способ позволяет получать недостаточно высокую (0,1-1,0 мкм) степень дисперсности частиц.

Техническим результатом является создание высокотехнологичного способа рафинации, который позволяет получить продукт повышенного качества за счет уменьшения окисления масла в процессе его рафинации, увеличить его выход и снизить себестоимость.

Для достижения технического результата по варианту 1 в способе рафинации растительных масел, включающем гидратацию раствором электролита, отделение фосфатидной эмульсии от масла, нейтрализацию электролизатом воды с рН>7 с добавлением соли с получением активированного раствора соли с концентрацией 0,1-1% и отделение нейтрализованного масла, гидратацию путем перемешивания с образованием центробежных потоков с завихрениями внутри них, отстаивание, сушку и деаэрацию масла в вакууме при давлении 40-50 кПа, согласно изобретению масло заливают в реактор, добавляют анолит воды с рН<7 в количестве 1-8% от объема масла, нагревают смесь до температуры 65-80°C, вакуумируют реактор до давления 40-50 кПа и одновременно проводят смешивание воды и масла в вакуумированном реакторе ротором со скоростью вращения 2000-20000 об/мин и вибрационное воздействие на корпус реактора с частотой, формирующей четное число длин волн, укладывающихся по длине диаметра реактора для обеспечения создания дополнительных поперечных вихревому потоку колебаний смеси до образования ультрадисперсной эмульсии с частицами размером 0,1-0,5 мкм, по варианту 2 в способе рафинации растительных масел, включающем гидратацию раствором электролита, отделение фосфатидной эмульсии от масла, нейтрализацию электролизатом воды с рН>7 с добавлением соли с получением активированного раствора соли с концентрацией 0,1-1% и отделение нейтрализованного масла, гидратацию путем перемешивания с образованием центробежных потоков с завихрениями внутри них, отстаивание, сушку и деаэрацию масла в вакууме при давлении 40-50 кПа, согласно изобретению масло заливают в реактор, добавляют анолит воды с рН<7 в количестве 1-8% от объема масла, нагревают смесь до температуры 65-80°C, заполняют реактор инертным газом и одновременно проводят смешивание воды и масла в реакторе ротором со скоростью вращения 2000-20000 об/мин и вибрационное воздействие на корпус реактора с частотой, формирующей четное число длин волн, укладывающихся по длине диаметра реактора для обеспечения создания дополнительных поперечных вихревому потоку колебаний смеси до образования ультрадисперсной эмульсии с частицами размером 0,1-0,5 мкм.

По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, позволяющая получить технический результат, который ранее не достигался известными средствами, что позволяет судить о соответствующем уровне заявляемого предложения. Предложенное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку воспроизводимо и в исполнении доступно и может быть использовано при рафинации растительного масла. Способ рафинации растительных масел осуществляется следующим образом.

По варианту 1 масло заливают в реактор, добавляют анолит воды с рН<7 в количестве 1-8%, нагревают смесь до температуры 65-80°С, вакуумируют реактор до давления 40-50 кПа и одновременно проводят смешивание воды и масла в вакуумированном реакторе ротором со скоростью вращения 2000-20000 об/мин и вибрационное воздействие на корпус реактора с частотой, формирующей четное число длин волн, укладывающихся по длине диаметра реактора для обеспечения создания дополнительных поперечных вихревому потоку колебаний смеси до образования ультрадисперсной эмульсии с частицами размером 0,1-0,5 мкм.

По варианту 2 масло заливают в реактор, добавляют анолит воды с рН<7 в количестве 1-8%, нагревают смесь до температуры 65-80°С, заполняют реактор инертным газом и одновременно проводят смешивание воды и масла в реакторе ротором со скоростью вращения 2000-20000 об/мин и вибрационное воздействие на корпус реактора с частотой, формирующей четное число длин волн, укладывающихся по длине диаметра реактора для обеспечения создания дополнительных поперечных вихревому потоку колебаний смеси до образования ультрадисперсной эмульсии с частицами размером 0,1-0,5 мкм.

Для повышения степени дисперсности частиц вибрационное воздействие на корпус реактора осуществляют посредством технического решения (а.с. №480898 - «Устройство для предотвращения образования накипи», опубликовано 15.08.1975, Бюллетень №30 от 22.10.75) с частотой, формирующей четное число длин волн, укладывающихся по длине диаметра реактора для обеспечения создания дополнительных колебаний, поперечных вихревому потоку и способствующих дополнительному диспергированию частиц до 0,1-0,5 мкм. Устройство состоит из обоймы, закрытой с двух сторон фланцами с отверстиями, которые скреплены между собой патрубком, имеющим канал для подачи сжатого воздуха при помощи впаянного в него в радиальном направлении изогнутого сопла. Сжатый воздух под давлением 2-5 атм подается по каналу в патрубок через сопло и приводит шарик в движение с возрастающей скоростью по дорожке обоймы. Скорость движения шарика в течение нескольких секунд достигает значительной величины. Упругие колебания, возникающие в обойме вследствие соударения шарика о беговую дорожку обоймы и при значительных скоростях, носящих ударный характер (процесс в каждой точке длится менее 0,001 с), передаются при помощи ножевого волновода, приваренного к внешней боковой поверхности реактора, на поверхность реактора. Упругие колебания металлической поверхности реактора передаются внутрь и, распространяясь через систему, отражаются от противоположной стенки реактора. Сложение встречных упругих колебаний в системе при определенных условиях может приводить к явлению интерференции и резкому возрастанию амплитуды колебаний. В результате циркуляционного воздействия вращающихся затопленных струй и вибрационных поперечных колебаний в обрабатываемой смеси масло-вода происходит интенсивное ее нагревание за счет трения частиц ультрадисперсной эмульсии, многократная сепарация ультрадисперсной эмульсии в вихревых вращающихся и колеблющихся затопленных струях, а также приобретение частицами эмульсии трибоэлектрического заряда, что приводит к процессу расслоения эмульсии на масло и коагуляты.

После 100-120 сек интенсивного воздействия происходящие при этом физико-химические процессы приводят к выделению фосфатидов, фосфатидопротеидов, а также белков, свободных жирных кислот, слизистых веществ и других примесей с образованием хлопьев осадка, который легко отделяется от масла. Вторичное воздействие на масло католитом воды, имеющим рН>7, вызывает связывание свободных жирных кислот, снижает кислотное число масла, способствует коагуляции оставшихся примесей в масле с образованием плотных хлопьев осадка, который легко удаляется из масла любым гравитационным способом. Использование в качестве рабочих растворов активированных растворов солей концентрации 0,1-1% приводит, кроме химического воздействия на комплексные вещества масла, к более быстрому осаждению хлопьев осадка за счет увеличения объемной массы коагулянта осадка по отношению к маслу.

Электролизат воды в необходимых объемах получают в блоке подготовки - промышленном активаторе (заявка на полезную модель «Промышленная установка для электрохимической активации воды», авторы Красавцев Б.Е., Цатурян А.С., Симкин В.Б., Александров А.Б., принята к рассмотрению 01.03.2012, входящий №011945. Регистрационный №2012107923), представляющем собой комплекс, состоящий из собственно реакторов по электрохимической активации воды (ЭХАВ), шкафа управления/силового электрического оборудования, системы подачи воды, сборных емкостей для активированной воды, насосного оборудования для ее транспортировки и системы вентиляции. Под действием электрического тока в активаторе происходит образование электролизатов воды: а) анолита с избытком протонов Н⁺ и рН<7; б) католита с избытком гидроксид-ионов ОН^- и pH>7. Далее масло поступает в термостат-реактор для экспозиции. Очищенное масло с хлопьями осадка направляется в гравитационный отстойник, где отделяется от осадка. После отстоя масло направляется в теплообменный аппарат, где оно сушится и деаэрируется в вакууме при давлении 40-50 кПа. В процессе очищения описанным способом масло не содержит мыла - трудноудаляемого технологического вещества, получаемого при рафинации известными способами. Указанная концентрация солей 0,1-1% и объем электролизата, составляющий 1-8% от объема масла, подобраны эмпирическим путем. При концентрации солей менее 0,1% уменьшается степень очистки масла, при концентрации 10% образуется мыло, которое требует дополнительной очистки масла.

Эффективность способа подтверждается данными, описанными в нижеследующих примерах.

Пример 1. В масло долили 3% анолита с рН 3,7, нагрели смесь до температуры 80°С, вакуумировали до давления 50 мПа, смешивали ротором со скоростью вращения 4000 об/мин при одновременном вибрационном воздействии в течение 100 сек, отделили масло от коагулянта, затем смешивали масло с католитом воды рН 9,7 (II стадия) в соотношении масло-элекртолизат 95:5 с добавлением 5 г/л хлористого натрия (NaCl), отстаивали, деаэрировали при разряжении 40 кПа. Полученное масло имело показатели, приведенные в таблице №1, опыт №1.

Пример 2. В масло долили 4% анолита с рН 4,2, нагрели смесь до температуры 75°С, вакуумировали до давления 45 кПф, смешивали ротором со скоростью вращения 10000 об/мин при одновременном вибрационном воздействии в течение 100 сек, отделили масло от коагулянта, затем смешивали масло с католитом воды (рН 9,7) в соотношении масло-электролизат 100:1 с добавлением 7 г/л азотнокислого натрия (NaNO₃), отстаивали, деаэрировали при разряжении 40 кПа. Полученное масло имело показатели, приведенные в таблице №1, опыт №2.

Пример 3. В масло долили 5% анолита с рН 4,5, нагрели смесь до температуры 70°С, вакуумировали до давления 40 мПа, смешивали ротором со скоростью вращения 10000 об/мин при одновременном вибрационном воздействии в течение 120 сек, отделили масло от коагулянта, затем с католитом воды (рН 10,4) в соотношении масло-электролизат 93:7 с добавлением 5 г/л хлористого натрия (NaCl), отстаивали, деаэрировали при разряжении 45 кПа. Полученное масло имело показатели, приведенные в таблице №1, опыт №3.

Пример 4. В масло долили 5,5% анолита с рН 4,9, нагрели смесь до температуры 65°С, вакуумировали до давления 40 кПа, смешивали ротором со скоростью вращения 15000 об/мин при одновременном вибрационном воздействии в течение 110 сек, отделили масло от коагулянта, затем с католитом воды (рН 11,3) в соотношении масло-электролизат 94:6 с добавлением 5 г/л сернокислого натрия (Na₂SO₄), отстаивали, деаэрировали при разряжении 40 кПа. Полученное масло имело показатели, приведенные в таблице №1, опыт 4.

Применение данного способа позволяет повысить эффективность рафинации масел, уменьшить энергозатраты, а также улучшить экологическую обстановку на производстве и в окружающей среде за счет исключения едких жидкостей.