基于TRIZ理論提高閃式提取器的過濾效率

馬文錦，劉曉風，李梅林，王 博，周彥兵

（1.甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050）

閃式提取器是一種用于植物軟、硬組織破碎的新型提取器，依靠高速機械剪切力和超動分子滲濾技術，在室溫及溶劑存在條件下，數秒鐘內把植物的根、莖、葉、花、果實等物料破碎至細微顆粒，并使有效成分迅速達到組織內外平衡，通過過濾達到提取目的[1-3]。該儀器能最大限度地保留植物有效成分，不會受熱破壞，具有溶劑用量小、提取時間短、效率高、結構緊湊、使用安全可靠等優點。但是在使用過程中，由于密封圈、閃提刀頭、控制系統和過濾孔徑不完善，造成物料有效成分提取率較低，無法發揮閃提器的工作效率優勢[4]。選擇TRIZ理論解決閃式提取器存在過濾效果不好的問題，對其結構進行優化設計，為TRIZ理論解決機電產品中的不足提供了一種有效方法。

1 閃式提取器工作原理及系統存在問題分析

閃式提取器工作原理見圖1。

由圖1可知，從投料口投入提取物料，從溶劑管道中加入提取溶劑，調節至需要的溫度，設定好提取時間（一般在10 min之內），啟動控制器、高速電機帶動閃提系統開始提取；在設定時間內提取完畢，閃提器自動進入低速攪拌狀態；開啟排液閥門，提取液在重力作用下自動排出。當液面低于閃提刀頭時，閃提系統自動關閉；繼續排液，直至完全排出。關閉排液閥門，開啟加熱系統（用蒸汽加熱），對濾網上的提取物殘渣進行加熱、烘干，蒸發的溶劑氣體進入溶劑回收系統。

系統主要存在以下問題：①密封圈氣密性差；②閃提刀頭易腐蝕磨損；③控制系統不智能、不完善；④過濾效率低下（濾網孔徑）。其中，過濾是影響閃式提取器工作效率高低的最主要原因。

2 利用矛盾對閃式提取器進行過濾優化

2.1 TRIZ理論及矛盾

TRIZ是專門研究創新設計的理論，作為解決技術問題或發明問題的一種強有力方法，并不是針對某個具體的機構、機械或過程，而是要建立解決問題的模型，指明問題解決對策的探索方向。TRIZ理論將工程矛盾分為3類：即物理矛盾、技術矛盾和管理矛盾[5-6]。物理矛盾通常利用4大分離原理，包括空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離[7]。技術矛盾解決原理包括分割、抽取、局部質量等在內的40個創新原理[8]。管理矛盾一般不被視為矛盾，因為其中不存在參數或需求上的矛盾，但是它指示了存在于達到期望目標和可用于應對它的手段之間的矛盾。技術矛盾設計的是一個系統，物理矛盾涉及的是一個組件，更能體現核心矛盾[9]。

2.2 過濾優化

以物料的粒度尺寸為研究對象定義物理矛盾：在提取過程中，物料粒度越小越易于有效成分的提取，提取完成后，對提取液與廢渣進行過濾分離，粒度小，孔徑容易堵塞。設置物料的粒度尺寸為參數。

應用TRIZ創新理論的“物理矛盾”分析方法[10]，獲得的解決方案為：①在提取后向提取液中添加絮凝劑，小顆粒物絮凝成大顆粒物質，使廢渣顆粒物與提取液進行有效的固液分離，濾網不容易堵塞，提高過濾效率。該方案現場改造方便，改造成本不高，具有很高的可行性。②采用分級過濾方法對不同粒度物料進行逐漸分離，截留不同尺寸的懸浮物，減少顆粒物對過濾網的堵塞時間，提高過濾效率。

應用TRIZ創新理論的“物場模型”分析方法，獲得的解決方案為：①加入機械場（壓縮空氣） 或者加入機械場（振動篩）。在過濾網底部通入壓縮空氣，使懸浮物無法截留于過濾網，防止懸浮物堵塞過濾孔，提高過濾效果；在過濾網上裝置機械能，使過濾網不規則擺動，防止顆粒靜置堵塞過濾孔，從而達到快速過濾的目的。②加入電場。提取完成后，在電場的作用下，金屬電極產生陽離子在進入水體時發生物理化學反應，陽極產生電子形成“微絮凝劑”，使溶液中的懸浮顆粒在微絮凝劑的作用下失去穩定性，和絮凝劑之間相互碰撞，結合成肉眼可見的大顆粒，這樣就使懸浮物無法堵塞過濾孔，從而提高溶液的過濾效果。③加入磁場。在電絮凝的基礎上把磁場效應引入溶液中，借助磁場效應對懸浮顆粒進行絮凝沉淀，達到快速過濾的目的。

加入機械場見圖2，加入電場見圖3。

3 結論

通過TRIZ創新理論方法的應用，對閃式提取器過濾進行了多方面改進及創新，對解決過濾效率低下，問題有較好的幫助，對閃式提取器技術突破起到了很大作用，同時對閃式提取器生產技術指明了發展方向。