Процесс извлечения экстрактивных веществ из древесной зелени зависит от многих факторов. Основными из них являются измельчение, температура, гидродинамические условия. На современных производствах измельчение проводится на кормодробилках различных видов с предварительным пропусканием через вальцы или без них. Однако существующий способ измельчения не удовлетворяет полностью запросов производства. При одноразовом пропускании древесной зелени через дробилку степень измельчения недостаточна. При повторном измельчении появляется много мелких частиц, значительно увеличивающих гидравлическое сопротивление экстрактора (диффузора). За счет этого развивается «слеживание» массы и увеличивается оборот экстрактора. Все это говорит о том, что увеличение степени измельчения при периодическом способе экстракции не повышает интенсивность процесса.
Для успешного решения задач, связанных с интенсификацией процесса экстрагирования, последний следует проводить непрерывным способом, где отсутствовало бы «слеживание» сырья. Одновременно с экстрагированием целесообразно доизмельчение древесной зелени с целью повышения коэффициента вымывания.
Для нахождения оптимального режима экстракции важно определить критерий оптимизации. Целесообразно оптимизировать процесс по совокупности нескольких показателей, например по выходу экстрактивных веществ с учетом достижения определенных качественных показателей отдельных продуктов.
Следующим важным этапом оптимизации оказывается выбор независимых переменных. Для процесса экстрагирования древесной зелени в дисковом экстракторе можно назвать такие факторы, как зазор между дисками, концентрация древесной зелени (или гидромодуль), температура, продолжительность процесса и др. Однако температуру процесса экстрагирования необходимо поддерживать в пределах 36-39° С, так как при более высокой температуре разрушаются биологически активные вещества, а при более низкой - снижается скорость процесса и выход экстрактивных веществ.
Важен и выбор плана эксперимента. Дело в том, что принятый план при минимальном числе опытов должен обеспечивать нахождение искомого оптимума. Предложено несколько планов, которые по своим свойствам близки к Д-оптимальному и при их реализации требуется минимальное число опытов.
Приведем пример оптимизации процесса извлечения экстрактивных веществ из древесной зелени сосны в водной среде на дисковом экстракторе. При реализации эксперимента было применено статистическое планирование. В качестве плана был выбран полный факторный эксперимент (ПФЭ). Выбранный план ортогональный, когда опыты планируются симметрично относительно среднего значения независимой переменной. При этом значения независимых переменных удобно заменить на кодированные в интервале от -1 до +1.
Температура процесса поддерживалась в пределах 36-39° С.
Выходными параметрами явились: выход экстрактивных веществ, % абс. сух. древесной зелени; концентрация редуцирующих веществ в мисцелле, %; степень помола древесной зелени, °ШР; удельный расход электроэнергии, кBт • ч/кг извлекаемых веществ; выход протеина, % содержания в древесной зелени.
При реализации эксперимента проводилась рандомизация во времени для включения систематических ошибок, вызванных внешними условиями, в число случайных, к которым применимы законы теории вероятностей и положения математической статистики.
При факторном планировании уровни всех факторов изменяются последовательно в определенном порядке. Однако при изменении уровня одного фактора зависимость определяемого параметра от других факторов не сохраняется, как при классическом методе исследования, а изменяется. Тогда в уравнении регрессии взаимодействие факторов выражается в появлении дополнительных членов, содержащих произведение факторов.
Уравнение регрессии описывает поверхность отклика.
Уравнением регрессии могут быть описаны эксперименты с любой точностью. Безусловно, к точности описания должны быть предъявлены большие требования. Возможная неточность описания может вызываться или ошибками эксперимента, или невозможностью описания результатов эксперимента линейной моделью и необходимостью перехода к плану второго порядка.
Проверка уравнения регрессии на точность описания эксперимента называется адекватностью (соответствием).
Адекватность полученных моделей проверялась с помощью критерия Фишера - сравнением отношения средней ошибки описания результатов опытов уравнением регрессии к средней ошибке воспроизводимости опытных данных. Рассчитанное значение критерия Фишера сравнивается с табличным для соответствующего уровня значимости. В данном случае уровень 0,05 соответствует 5%-ной погрешности описания эксперимента уравнением регрессии. Если рассчитанное значение критерия Фишера меньше табличного, то уравнение регрессии адекватно.
При статистическом анализе уравнения регрессии кроме установления адекватности проверяется также значимость коэффициентов регрессии. Если численное значение какого-либо коэффициента меньше погрешности опытов, то этот коэффициент является незначимым. Гипотеза значимости коэффициентов регрессии проверяется с помощью критерия Стьюдента: если абсолютное значение коэффициента меньше доверительного интервала, принимается гипотеза о незначимости коэффициента уравнения регрессии. После исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии принимает окончательный вид.
Полученные уравнения в окончательном виде описывают процесс извлечения экстрактивных веществ из древесной зелени, т. е. влияние независимых переменных факторов на каждый из выходных факторов. Интересно оценить этот процесс в целом и найти лучшие условия его проведения, т. е. провести его оптимизацию. Методы оптимизации технологических процессов могут быть различными в зависимости от конкретной задачи, объема и качества исходной информации и выбранных критериев оптимизации.
Простейшим является вариант, когда результаты процесса оцениваются единственным выходным параметром, который в этом случае и будет параметром оптимизации. В этом случае могут быть использованы градиентные методы: крутого восхождения, симплексов. Более сложными являются случаи, когда процесс характеризуется несколькими выходными параметрами, величины которых должны учитываться при поиске оптимальных: условий. Такие задачи могут быть сведены к вариантам однопараметрических задач с помощью различных приемов. В данном случае рассматривается второй вариант. С этой целью был синтезирован обобщенный параметр оптимизации. Синтез проводился методом свертывания информации, и обобщенный параметр представлял собой взвешенную с весами сумму нормализованных параметров.
Оценка «весов» параметров оптимизации производилась субъективно в зависимости от значимости данного параметра в процессе и являлась средним пяти значений, полученных в результате опроса специалистов. По полученным данным была сформирована матрица планирования для обобщенного параметра: оптимизации и найдены коэффициенты регрессии. Полученное уравнение адекватно описывает результаты опытов.
Наиболее совершенными параметрами оптимизации технологических процессов можно считать экономические параметры, выражающие отношение стоимости затрат на выделение экстрактивных веществ к их стоимости. Этот параметр должен стремиться к минимуму.
Полученный в оптимальном режиме экстракт древесной зелени сосны имел следующий групповой состав, % абс. сух. древесной зелени:
содержание экстрактивных веществ в древесной зелени сосны - 25,74
выход сухого остатка фильтрата - 23,42
в том числе:
жирорастворимые вещества - 1,82
фенольные соединения - 2,39
из них танниды - 1,77
редуцирующие вещества до инверсии - 7,64
редуцирующие вещества после инверсии - 11,10
общий протеин - 7,36
В водном экстракте содержится аскорбиновая кислота (22,3 мг% абс. сух. остатка), а также витамины труппы В (8,18 мг%).
Из приведенных результатов видно, что большая часть извлеченных экстрактивных веществ приходится на протеин, моносахара и др. Значительную часть составляют олигосахариды. Почти 2,5% приходится на фенольные вещества. Кроме того, в экстракте обнаружена аскорбиновая кислота и витамины группы В. Исходя из состава, водные экстракты могут быть использованы как биологически активная добавка, стимулирующая рост.
Из полученного экстракта после выпаривания до 50%-ной концентрации и добавки эфирного масла был получен продукт, названный хвойным водно-щелочным экстрактом. При сравнении полученного экстракта с хвойно-натуральным экстрактом, полученным периодической экстракцией водой, оказалось, что они близки по своим свойствам.