TRIZ理論在提高胡蘿卜素提取率中的應用

吳河龍，李嘉敏，張殿亮

（甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅蘭州 730030）

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是由前蘇聯科學家G.S.Altshuller在分析和總結了全世界數以百萬計的專利信息基礎上，經過歸納、演繹而提出的一種產品創新設計方法學，該理論旨在為創新設計問題的解決提供系統性的理論和技術工具，從而快捷有效地解決問題[1]。經過70多年的發展，TRIZ理論已經被廣泛應用于工程實踐中，覆蓋機械、電子、化工、建筑、管理等領域，為企業的產品和技術創新提供了強大的理論和方法支撐。國內外關于TRIZ的研究主要有TRIZ理論體系及其工具的研究、TRIZ理論與其他創新方法的集成研究、TRIZ理論在工程實踐中的應用研究等。

2 問題描述

提取是天然胡蘿卜素獲取的核心工序，胡蘿卜中胡蘿卜素的提取率低一直是影響工業化提取的重要問題。目前，類胡蘿卜素提取的方法仍采用簡便經濟的溶劑（乙醇）提取法。但該方法對于具有熱敏性高附加值的脂溶性成分（胡蘿卜素） 提取效果較差，屬于行業重要難題，嚴重制約了天然胡蘿卜素的工業化高效生產。

胡蘿卜素提取設備由進料口、罐體、出渣口、支架、控制器、攪拌器、測溫探頭、加熱保溫裝置、濾網和出液口組成[2]。設備工作原理如下：提取原料（粉碎胡蘿卜）中加入到提取溶劑中，在攪拌器攪拌下，溶劑充分浸潤物料，溶劑滲入植物組織和細胞中，溶劑溶解組織中的目標成分（胡蘿卜素），使其游離于組織或細胞。然后利用細胞內外有效成分存在的濃度差，形成內高外低的滲透壓，使有效成分向組織或細胞外擴散，進入到提取液。提取一段時間后，殘渣經過濾網過濾，濾液由出料口流出得到粗提液。

胡蘿卜素提取工作原理見圖1。

該系統主要存在的問題有：①胡蘿卜素未充分進入提取液，殘渣有殘留；②目標產物的熱敏性導致提取過程中揮發損失；③有其他脂溶性、水溶性成分進入提取液；④對殘渣過濾不充分，部分固形物也進入提取液，導致目標粗提液純度不夠。

3 運用TRIZ解決問題

3.1 TRIZ矛盾分析

3.1.1 技術矛盾

應用TRIZ創新理論的“技術矛盾”分析方法，分析該系統存在的技術矛盾，并得到以下解決方案：減小平面過濾網孔徑會使提取液過濾更充分，但會導致過濾流量變小、生產率降低。

根據空間緯度變化原理，把平面過濾網改為球冠形過濾網，增大了過濾面積，在過濾更充分的同時不損失生產率，使顆粒物與提取液進行有效的固液分離，提高過濾效率。該方案現場改造方便、成本低，具有很高的可行性。

把平面過濾網改為球冠形過濾網見圖2。

攪拌速度是影響溶解度的重要因素，增加攪拌速度會提高溶劑的溶解度，但會導致出現溶劑揮發嚴重、能量消耗增加等問題[3]。

根據機械系統替代創新理論，利用超聲波產生的空化、振動、攪拌等綜合效應替代攪拌不足，不需要過高的攪拌速度，使物料充分混合，提高溶劑的溶解度。

使用超聲波設備見圖3。

將探頭位置調整到罐體中心區域可提高溶液溫度的測量精度，但會出現成本增加、制造難度增加、影響攪拌、溫度探頭易碎等問題。

借助中介物創新理論，使溫度探頭處于罐體內部側面，在提取液中添加氧化銅納米粒子，形成的納米流體導熱系數可提高60%以上，使溫度測量更加準確。由于提取后分離工序是通過胡蘿卜素的脂溶性原理進行分離，納米粒子和其他非脂溶性物質較輕易分離掉[4-5]。

添加氧化銅納米粒子見圖4。

3.1.2 物理矛盾

應用TRIZ創新理論的“物理矛盾”分析方法，獲得以下解決方案：提高過濾效率需減小過濾網孔徑，減少雜質堵塞濾網需增大濾網孔徑。

在過濾進行中，如果小于孔徑的雜質不接觸濾網就不會堵塞濾網[6]，采用同質性原理，可以利用“納米效應”（特異的表面效應），在濾網的表面覆蓋一層納米薄膜，根據納米薄膜材料特性，使濾網表面足夠“光滑”，使雜質在濾膜表面的附著力減小，實現持續過濾。

在濾網的表面覆蓋一層納米薄膜見圖5。

加快溶解提取速率需要提高提取液溫度，減少胡蘿卜素揮發需要降低提取液溫度。

根據相變原理，提取罐上部增加一組冷凝盤管，將高溫揮發的胡蘿卜素由氣態變成液態，滴回提取液，既能提高提取速率，又能降低胡蘿卜素揮發。

提取罐上部增加一組冷凝盤管見圖6。

3.2 物場分析

應用TRIZ創新理論的“物場模型”分析方法，獲得的解決方案如下：

提取過程引入微波輻射。由于吸收了微波能，細胞內部的溫度將迅速上升，從而使細胞內部的壓力超過細胞壁膨脹所能承受的能力，結果細胞破裂，其內的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質中；同時，微波產生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內部向固液界面擴散的速率[7]。

引入微波輻射見圖7。

將單層過濾網改成多層過濾網，增加過濾效果。

單層過濾網改成多層過濾網見圖8。

4 結語

方案實施前，傳統提取罐對胡蘿卜素的提取率為60%～65%，改進方案實施后，預計提取率可達到80%以上，大幅度提升胡蘿卜素的提取率。同時，方案對提取后過濾系統進行了優化，提升了過濾效率，降低了固形雜質殘留，有利于提取液后續的分離純化。通過TRIZ創新理論方法的應用，對胡蘿卜素提取系統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，對胡蘿卜素提取技術突破起到了很大作用，同時為提高胡蘿卜素提取率的生產技術指明了發展方向。