Экстракция масла
Извлечения масла производится тремя основными способами: прессованием, центрифугированием и экстракцией органическими растворителями.
Получение масла методом прессования. Прессование — это механический отжим масла из предварительно измельченного масличного сырья (мятки) на специальных шнековых прессах.
При переработке высокомасличных семян применяется двукратное прессование. Этот процесс включает в себя предварительный съем
основного количества масла на шнековых прессах и окончательное извлечение масла на прессах высокого давления. Предварительному извлечению масла предшествует стадия влаготермической обработки мятки.
Влаготермическая обработка мятки способствует ослаблению связей масла с частицами мятки, что облегчает отделение масла при прессовании. Обработанная мятка называется мезгой и имеет другую структуру. Влаготермическая обработка заключается в жарении мятки и проходит в два этапа. На первом этапе доводят влажность мятки из семян подсолнечника до 8-9% и температуру — до 60 СС. При этом происходит поглощение воды частицами мятки, что вызывает их набухание и увеличение пластичности. Связь масла с набухшими частицами мятки ослабевает, масло вытесняется на поверхность мятки, его вязкость заметно снижается. На втором этапе мятку высушивают при температуре 105 °С и доводят влажность мезги из семян подсолнечника до 5-6%. На этой стадии происходит денатурация белковых веществ, снижаются пластические свойства мезги, она приобретает более жесткую структуру, обеспечивающую оптимальный отжим масла. Мезга, поступающая на прессование, должна иметь определенные упругопластичные свойства, температуру и влажность. Как понижение, так и превышение влажности мезги по сравнению с оптимальной приводит к уменьшению съема масла и повышает содержание масла в жмыхе.
При влаготермической обработке мятки из семян хлопчатника создают условия для перевода ядовитого пигмента госсипола в физиологически неактивную форму. Этому способствуют повышенная влажность и температура мятки, а также продолжительность жарения. Режим жарения мятки из семян хлопчатника следующий: на первом этапе доводят влажность до 11,5-13,5% при температуре до 70-80 °С, на втором — высушивают до влажности 4,5-5,5% при температуре 105-110 °С.
Предварительное извлечение масла. Для предварительного отжима масла применяют шнековые прессы, называемые форпрессами. Рабочими органами шнекового пресса являются разъемный ступенчатый цилиндр и расположенный внутри него шнековый вал. Поверхность цилиндра состоит из стальных пластин и имеет продольные щели для стока масла, в которые не проходят частички мезги.
Подготовленная мезга поступает в ступенчатый барабан пресса, захватывается витками шнекового вала и перемещается к выходу из пресса. При движении по барабану пресса происходит сжатие мезги, от нее отделяется масло, а твердые частицы мезги спрессовываются и образуют жмых. Давлецие на масличный материал возрастает при его продвижении вдоль оси вала за счет уменьшения шага витков шнекового вала и сужения свободного пространства между телом шнекового вала и внутренней поверхностью ступенчатого барабана. На форпрессах можно отделить 60-85% масла. Масличность шмыха, выходящего из форпресса, составляет до 18%.
Подготовка масличного материала к окончательному прессованию. Окончательное извлечение масла прессовым способом осуществляют из мезги, которую получают из форпрессового жмыха. Форпрессовый жмых измельчают и проводят его влаготермическую обработку.
Грубое измельчение форпрессового жмыха вначале проводят на дисковых или молотковых дробилках. После грубого помола жмых подвергается тонкому однородному измельчению на вальцовых станках. Проход частиц жмыха через сито с размером ячеек 1 мм должен быть не менее 80%.
Влаготермическую обработку жмыха осуществляют в более жестком режиме, чтобы получить мезгу с хорошими пластическими свойствами, обеспечивающими эффективное отделение масла при окончательном прессовании. Измельченный жмых увлажняют до 8-9%, затем пропаривают до температуры 115-120 °С и влажности 2,5-3,2%. Мезга из семян хлопчатника высушивается до влажности 3-4% и при температуре 1.10-115 СС.
Мезга из форпрессового жмыха подается для окончательного извлечения масла на шнековые прессы. Прессы глубокого съема масла (экспеллеры) характеризуются меньшей производительностью, чем форпрессы, но степень сжатия масличного материала в них значительно выше. Получаемый экспеллерный жмых должен содержать не более 6% масла. Оставшееся в жмыхе масло находится в неразрушенных клетках масличного материала, а также удерживается на поверхности частиц жмыха.
Получение масла методом центрифугирования. Наиболее распространенной технологией получения оливковых масел является непрерывное центрифугирование и сепарирование. В 1960-х гг. фирма Alfa-Laval (Швеция) разработала способ получения оливковых масел — «centriolrve», который взят за основу производителями оливковых масел во всем мире. По этой технологии плоды ленточным конвейером подаются в устройство для их промывки и удаления листьев и сорной примеси. Промытые оливки поступают на измельчение и далее в аппарат для приготовления из них пасты, ее гомогенизации и темперирования. При переработке сухих плодов в пасту добавляется теплая вода. Подготовленная паста поступает в центробежный экстрактор, где разделяется на три фракции: масляную (с незначительным содержанием влаги), водную (с некоторым содержанием масла) и выжимки. Масляная и водная фазы поступают на фильтрующие вибросита, где освобождаются от посторонних взвесей. Затем на сепараторах выделяют масло, которое имеет влажность около 0,2%. Производство масла закачивают в емкости, где оно хранится 2-3 мес. За это время остатки влаги под действием гравитационных сил оседают на дно. Отстоянное масло пропускают через фильтровальный картон фильтр-пресса и расфасовывают.
Получение масел методом экстрагирования. Экстракционный способ извлечения масел является наиболее экономичным, обеспечивает максимальное обезжиривание масличного сырья, позволяет получить высокое качество масла и обезжиренного остатка — шрота.
При переработке низкомасличного сырья (семян сои и других) применяют прямую экстракцию масла, для обезжиривания большинства высокомасличных семян масло предварительно выделяют прессованием, а затем направляют на последующее, окончательное извлечение его путем экстракции. Так перерабатывают семена подсолнечника, хлопчатника, льна, арахиса и др.
В основе процесса экстракции лежит способность растительных масел растворяться в органических растворителях. В нашей стране в качестве растворителей для извлечения масла из растительного сырья применяют экстракционный бензин марки «А» и нефракс. Экстракционные бензины относятся к алифатическим углеводородам и представляют собой смесь предельных, непредельных и небольшого количества ароматических углеводородов. Они имеют температуру кипения 63-95 °С. Бензины, содержащие ароматические углеводороды, хорошо растворяют не только масло, но и жироподобные вещества (фос-фолипиды, пигменты, воски), которые ухудшают качество масла. Кроме того, применение бензина с интервалом температур кипения 70-95 °С вызывает необходимость поддерживать высокую температуру при отгонке растворителя из мисцеллы и шрота, что несколько снижает качество получаемого масла и шрота.
Обычно применяют бензин с низкой температурой кипения (63-75 °С), содержащий значительно меньшее количество ароматических углеводородов, что улучшает качество готового масла, снижает в нем содержание сопутствующих примесей.
Оливковое масло из выжимок и косточек экстрагируют галогени-рованными растворителями (перхлорэтиленом, трихлорэтиленом и хлороформом). Кроме того, экстракцию оливкового масла можно осуществлять с помощью сверхкритического диоксида углерода и ферментных комплексов.
Экстракция масла из масличного материала растворителем происходит посредством молекулярной и конвективной диффузии, движущей силой диффузии является разность концентраций масла внутри масличного материала и вне его. При смешивании экстрагируемого материала с растворителем происходит смачивание растворителем поверхности частиц материала, заполнение всех пор структуры мезги. При этом растворяется масло, находящееся в свободном состоянии на поверхности разрушенных частиц масличного материала. Далее растворитель проникает через клеточные оболочки и растворяет масло в неразрушенных и деформированных клетках. Образующийся раствор масла в растворителе, называемый мисцеллой, под действием разности копцентраций движется к поверхности экстрагируемого материала, выходит на его поверхность и переходит в растворитель. Скорость экстракции зависит от состояния масличного материала, его температуры и влажности. Наиболее быстро проходит экстракция свободного масла, тогда как из неразрушенных клеток масло экстрагируется медленно. Поэтому при подготовке масличного материала следует максимально разрушить его клеточную структуру и высвободить масло. Для обеспечения хорошего продвижения растворителя через масличный материал необходимо, чтобы размер частиц разрушенных клеток составлял 0,5-1 мм и была определенная форма частиц — лепесток, крупка, гранулы.
Повышение температуры процесса значительно ускоряет экстракцию. Увеличение влажности экстрагируемого материала замедляет процесс экстракции. Оптимальная влажность при переработке семян подсолнечника не более 8-10%, хлопчатника — не более 8%.
Форпрессовый жмых для окончательного извлечения масла экстракционным способом проходит специальную обработку. Первоначально жмых измельчают на молотковых или дисковых дробилках, разрушая целые клетки масличного материала и структуры, образовавшиеся в процессе прессования.
Затем проводят влаготепловую обработку жмыховой крупки в чанных жаровнях для увеличения пластичности масличного сырья. Влажность масличного материала из семян подсолнечника доводят до 8-9%, температуру — до 50 °С. Кондиционированная по влажности и температуре жмыховая крупка поступает на двухпарные плющильные вальцовые станки, где она приобретает форму лепестка толщиной 0,25-0,5 мм. Получение жмыхового лепестка применяют при подготовке к экстракции форпрессового жмыха из семян подсолнечника, льна, арахиса и др. Хлопковый жмых поступает на экстракцию в виде крупки, поэтому стадия его лепесткования исключается.
Семена сои относятся к низкомасличным культурам, поэтому более эффективно извлекать масло из них путем прямой экстракции. Семена сои очищают от посторонних примесей, проводят их влаготепловую обработку и дробят на однопарных рифленых вальцовых станках. Полученную дробленку сепарируют, и очищенные ядра подают в шнек-инактиватор, где влажность ядер доводится до 15%, а температура — до 80-90 °С. Затем в чанной жаровне происходит влаготепловая обработка дробленого ядра, его влажность снижается до 8-9,5%, температура — до 60-70 °С. Подготовленное ядро подается на двухпарные плющильные вальцовые станки, где формируется лепесток толщиной 0,3 мм.
Переработка семян сои с получением пищевого шрота требует тщательной очистки их от сорных и металлических примесей, а также удаления оболочки и зародыша, которые снижают пищевую ценность шрота.
Экстракцию масла из масличного сырья проводят двумя способами: погружением и ступенчатым орошением.
Экстракция погружением происходит в экстракторах в процессе непрерывного прохождения сырья через непрерывный поток растворителя в условиях противотока, когда растворитель и сырье продвигаются в противоположном направлении относительно друг друга. Такой экстрактор состоит из загрузочной колонны, горизонтального цилиндра и экстракционной колонны, внутри которых установлены шнеки. Сырье в виде лепестка или крупки поступает в загрузочную колонну, подхватывается витками шнека, перемещается в низ загрузочной колонны, проходит горизонтальный цилиндр и попадает в экстракционную колонну, где с помощью шнека поднимается в верхнюю ее часть. Одновременно с сырьем в экстрактор подается бензин температурой 55-60 °С. Бензин перемещается навстречу сырью и проходит последовательно экстрактор, горизонтальный цилиндр и загрузочную колонну. Концентрация мисцелы на выходе из экстрактора составляет 15-17%.
Обезжиренный остаток сырья — шрот выходит из экстрактора с высоким содержанием растворителя и влаги (25-40%), поэтому его направляют в шнековые или чанные (тостеры) испарители, где из него удаляют бензин.
К преимуществам экстракции погружением относятся: высокая скорость экстракции, простота конструкторского решения экстракционных аппаратов, безопасность их эксплуатации. Недостатками этого способа являются: низкие концентрации конечных мисцелл, высокое содержание примесей в мисцеллах, что осложняет их дальнейшую обработку.
Экстракция способом ступенчатого орошения. При этом способе непрерывно перемещается только растворитель, а сырье остается в покое в одной и той же перемещающейся емкости или движущейся ленте. Этот способ обеспечивает получение мисцеллы повышенной концентрации (25-30%), с меньшим количеством примесей. Недостатки этого способа — большая продолжительность экстракции, повышенная взрывоопасность производства.
Выходящая из экстрактора мисцелла может содержать от 15 до 35% масла, растворенного в экстрагенте, а также некоторые примеси. Обработку мисцеллы проводят в две стадии: очистка мисцеллы; отгонка растворителя — дистилляция мисцеллы.
Очистка мисцеллы. Экстракционная мисцелла содержит твердые частицы шрота в количестве 0,4-0,1%. Присутствие твердых примесей существенно осложняет процесс отгонки растворителя из мисцеллы и снижает качество готового масла. Для очистки мисцеллы используют отстаивание и фильтрование. Отстаивание мисцеллы проводят в декан-таторах некоторых вертикальных шнековых экстракторов.
Широко используется очистка мисцеллы от твердых примесей путем фильтрования. Слой осадка образуется на фильтрующей перегородке из бельтинга, капрона, нейлона. В начальный период фильтрования твердые частицы накапливаются на поверхности фильтрующей перегородки. Дальнейшее фильтрование мисцеллы проходит через слой осадка, который задерживает твердые примеси. Эти фильтры нуждаются в периодической очистке фильтрующей поверхности от слоя осадка. Очищенная мисцелла должна содержать не более 0,02% отстоя.
Разделение мисцеллы на масло и растворитель осуществляют путем отгонки легколетучего растворителя от нелетучего масла. При дистилляции необходимо достигнуть быстрого и полного удаления растворителя из масла при возможно более низких температурах.
Однако при отгонке растворителя возрастает температура кипения мисцеллы одновременно с увеличением ее концентрации. Поэтому вначале отгонку растворителя проводят путем выпаривания при атмосферном давлении, затем для снижения температуры дистилляции растворитель отгоняют под вакуумом. Но даже в условиях глубокого разрежения не удается полностью удалить растворитель из масла, так как для этого требуется поддерживать высокую температуру, что может привести к разложению масла. Существенное ускорение процесса дистилляции и снижение температуры происходит при применении отгонки растворителя острым водяным паром при атмосферном давлении или под вакуумом.
Дистилляция мисцеллы — это отгонка растворителя из мисцеллы. Наиболее распространены трехступенчатые схемы дистилляции.
На первых двух ступенях мисцелла обрабатывается в трубчатых пленочных дистилляторах. На первой происходит упаривание мисцеллы. На второй — мисцелла обрабатывается острым паром при температуре 180-220 °С и давлении 0,3 МПа, что вызывает кипение мисцеллы и образование паров растворителя. Пары растворителя направляются в конденсатор. На третьей ступени высококонцентрированная мисцелла поступает в распылительный вакуумный дистиллятор, где в результате барботации острым паром под давлением 0,3 МПа происходит окончательное удаление следов растворителя. После дистилляции масло направляют на рафинацию.
Обработка шрота. Обезжиренный в процессе экстракции шрот может содержать от 25 до 40% растворителя и воды. Растворитель находится в шроте в связанном состоянии, в виде мисцеллы. Его удаляют путем отгонки. Отгонка растворителя из шрота в перемешиваемом слое проводится в чанных испарителях (тостерах), в которых шрот обрабатывают острым паром при перемешивании. При необходимости шрот перед отгонкой растворителя увлажняют. В процессе пропаривания шрота можно создавать условия для влаготермической обработки, при которой обезвреживаются токсические вещества, содержащиеся в хлопковом, соевом и арахисовом шротах. В результате такой обработки повышается пищевая и кормовая ценность шротов. Продолжительность отгонки растворителя из шрота 55-60 мин. Температура шрота при выходе из испарителя 100-105 °С, влажность — 8-10%. Остаточное содержание растворителя в шроте не выше 0,05%.
После удаления растворителя в чанном испарителе шрот охлаждают до температуры не выше 40 °С. Для закладки на хранение шрот из семян подсолнечника должен иметь влажность не более 7-9%, температуру — не более 40 °С, содержание растворителя — не более 0,1%.
В маслодобывающей промышленности используют обогащение шрота липидами и его последующее гранулирование. При обогащении к шроту добавляют отходы рафинации масел — соапсток или гидратационный фуз, что значительно повышает кормовую ценность шрота. Затем обогащенный шрот гранулируют. Гранулированный шрот имеет целый ряд преимуществ: он не образует пыли при транспортировке, занимает меньший объем, имеет высокое содержание питательных веществ и усвояемость, удобен при составлении кормов для животных.
Обогащение шрота липидами и гранулирование заключается в подготовке эмульсии липидов с водой, смешивании шрота с эмульсией, прогревании, прессовании и охлаждении гранул. Шрот поступает в жаровню, где перемешивается с эмульсией, содержащей 35-40% липидов и 60-65% воды; температура липидной эмульсии 50-60 °С. В жаровне смесь подогревается до 80 °С и поступает в пресс-гранулятор. Гранулированный шрот проходит охладитель и направляется на хранение. После обработки подсолнечный гранулированный шрот должен содержать 3-3,5% липидов и 9-11% влаги.