空氣能植物活性物提取系統的設計及應用

曹小勇

（上海依肯機械設備有限公司，上海 201601）

植物活性物提取行業是一個技術依賴型行業。食品工業“十三五”發展規劃明確表示，鼓勵天然提取物、天然色素、天然防腐劑、天然抗氧化劑以及功能性食品配料實現工業化[1]。隨著植物活性物提取行業競爭的不斷加劇，產業技術裝備水平參差不齊[2]。與此同時，國內外諸多優秀的植物活性物提取企業越來越重視產品質量、產品生產效率、設備穩定性、投資回收期以及環境保護等問題。因此，探索先進的提取工藝和開發高效率的植物提取設備，是研究植物有效成分提取的關鍵所在[3]。

空氣能植物活性物提取系統極大程度上提高了生產效率和系統集成度，降低了設備能耗、設備場地要求、設備的采購投入、設備操作難度以及維護成本，避免了廢氣排放污染環境，為企業在日益激烈的行業競爭中提供了先進的技術支持，形成競爭優勢。

1 空氣能植物活性物提取系統的結構設計

空氣能植物活性物提取系統[4]由提取罐、真空濃縮器、冷凝器、第一換熱器、第二換熱器以及制冷劑循環的循環回路組成，如圖1所示。

如圖2所示，空氣能植物活性物提取系統采用回流萃取法，即采用揮發性有機溶劑提取植物成分，再對濃縮器進行加熱蒸餾，使溶劑蒸發后在冷凝器中冷凝，最終回流到系統設備。

1.1 空氣能植物活性物提取罐的設計

根據植物提取的批產量及分配系數，將需要提取的植物和相應溶劑混合，并加入到金屬提取罐，密閉提取罐，確認提取罐的容積。為了使提取罐內的植物與溶劑充分融合，罐體長徑比為系數K，通常選取1≤K≤1.3，并對整個系統進行自動抽空，使罐內壓力達到-90 kPa以下，確保活性物提取的整個過程都是在真空環境下進行。根據植物萃取物的含量差異選取S31603不銹鋼作為主要承壓材質，選取Q235B為夾套材質。外表采用304不銹鋼進行保溫包裹，如圖3所示。

圖1 空氣能植物活性物提取系統原理圖

圖2 空氣能植物活性物提取系統結構圖

圖3 提取罐結構圖

計算提取罐的容器壁厚：

式中：pc是空氣能提取系統的提取罐計算壓力；Di為空氣能提取罐的內膽直徑；σt為空氣能提取罐的材料S31603的許用應力；φ為空氣能提取罐的焊縫接頭焊接系數。提取罐的夾套為植物活性物提取提供輔助熱量并加速提取效率。

根據比熱容公式計算比熱：

式中：Q1為提取罐所需能量；c為植物混合物比熱容；m為植物混合物質量；?t為夾套與罐體的溫度變化量值。經過計算，可以獲得提取罐所需的理論熱量Q1。

1.2 空氣能植物活性物提取系統真空系統的設計

真空濃縮器（如圖4所示）的作用是濃縮提取出來的植物活性物，并同時分離溶劑。

圖4 真空濃縮器結構圖

根據真空泵抽氣速率方程，計算系統真空泵的功率及性能：

式中：St為水環式真空泵對空氣能系統的抽氣速率；V為空氣能系統及對應管路的容積；t為系統的抽氣時間；P1為整個系統開始時的壓力；P2為空氣能系統經過抽氣時間t后的壓力。根據計算結果，能夠確認該套空氣能植物活性物提取系統真空泵的功率及性能。在植物溶劑混合物加注至真空濃縮器一定液位（一般為2/3濃縮器容積）后，加熱真空濃縮器到40～60 ℃使溶劑充分汽化，從而增加真空濃縮器中的活性物濃度。

1.3 空氣能植物活性物提取系統所需熱量的計算

再次重復式（1）和式（2），詳細計算真空濃縮器的容器厚度和真空濃縮器中的溶劑揮發所需熱量Q2，得出系統加熱所需的總體熱量，并以25%的散熱損失計算系統所需熱量Q：

1.4 空氣能植物活性物提取系統換熱系統的設計

由系統所需熱量對換熱器熱負載進行理論計算，計算方式為：

式中：Q換1為系統熱負載；qv1為換熱系統的熱介質總流量；qv2為換熱系統冷介質的總流量；ρ1為系統熱介質的密度；ρ2為系統冷介質的密度；Cp1為熱流體的比熱容；Cp2為冷流體的比熱容；T1為熱流體的進口溫度；T2為熱流體出口溫度；t1為冷流體進口的溫度；t2為冷流體出口的溫度。根據如上信息，選擇換熱器的大小及其型號。換熱器結構如圖5所示。

圖5 換熱器結構圖

1.5 空氣能植物活性物提取系統冷凝系統的設計

冷凝器（如圖6所示）用于將汽化后的溶劑輸送至冷凝器進行降溫處理，待液化后由溶劑管路輸送至提取罐，以便下次植物活性物提取時再次使用。根據式（2）和式（5），計算第二換熱器向冷凝器提供的冷量Q換2，確保溶劑冷卻所需的冷量。

制冷劑循環的循環回路由兩個換熱器內的制冷劑換熱管、制冷劑管路、循環泵（如圖7所示）及壓縮機連接，從而組成空氣能植物活性物提取系統的制冷系統[5]。

圖6 冷凝器結構圖

圖7 循環泵結構圖

根據閉式循環泵揚程計算公式計算循環泵揚程Hp：

式中：hf、hd是循環系統沿程管道阻力和局部阻力的總體損失；hm為系統的阻力損失。對汽化后的溶劑輸送至冷凝器進行降溫處理，待液化后由溶劑管路輸送至提取罐并進行下一個提取循環。

由計算的Q換2取1.3倍安全系數，得到壓縮機冷量Q壓：

式中：h2、h1分別為制冷壓縮機的進氣口吸入氣體的焓值、蒸發器的進口吸入的混合物的整體焓值；v為制冷壓縮機的吸氣口吸入氣體的比容；Q排為壓縮機排量，有Q排=60nv，其中v容為壓縮機吸氣容積，n為壓縮機轉速。壓縮機機構圖，如圖8所示。根據參數計算得到整個制冷系統的能耗，并選取相應的零部件，完成整個系統的整體設計。

圖8 壓縮機機構圖

2 空氣能植物活性物提取系統的應用優勢

傳統的植物活性物提取系統（如圖9所示）在非真空環境下提取植物活性物，是在真空環境下濃縮植物活性物。兩個系統之間有多個閥門隔斷，使整個混合液和溶劑都由儲罐進行儲存，需要兩個單元同步工作。傳統的提取系統結構極其復雜，系統內部的閥門的控制邏輯及閥門開關順序要求相當嚴格，且提取物提取單元和相應的濃縮單元獨立運行，導致系統的生產效率低下，且員工對設備的操作難度極大。

圖9 傳統的植物活性物提取系統

和傳統提取系統相比（如表1所示），空氣能植物活性物提取系統把生物活性物的提取單元結構和系統的真空濃縮單元結合設計為一個整體系統，可最大程度降低對車間空間的要求。空氣能植物活性物提取系統的加熱單元和冷卻單元的集成式設計不但提高了整體系統的集成度，而且充分利用了加熱冷卻系統熱能，通過空氣能的加熱和冷卻實現植物活性物最終的連續提取，提高了系統的效能利用率和生產效率，真正意義上解決了傳統活性提取物系統的復雜程度，降低了能源消耗、維護困難以及操作難度高等問題。

表1 空氣能提取系統與傳統提取系統對比

3 結語

本文通過設計及分析空氣能植物活性物提取系統的結構，介紹了整個系統的運行工藝，并與傳統的植物活性物提取系統進行了對比。傳統系統存在結構復雜、控制難度高、生產效率低以及員工操作難度大等缺點，而本文設計的空氣能植物活性物提取系統不僅結構設計合理，系統集成程度高，而且具有可連續提取和生產效率高等特點。該空氣能植物活性物提取系統在系統能耗、場地要求、前期資本投入、操作和維護成本及環境保護等方面具有較大優勢。