CN109045750A - 一种高效节能浸提罐 - Google Patents

Abstract

一种高效节能浸提罐，由罐体和罐壁上的微波超声波发生器、注液溢流机构、罐内的固液料可分合环流通道、及罐下的过滤式螺旋输料机共同构成。该罐运转时，改罐内浆料平转循环流动、为固液料上合下分循环升降流动，由此微波超声波可针对固料靶向辐射而不波及液料，该罐特殊的构造允许注液溢流复提，且出料时能同步完成排液和出渣双重作业。因此该罐节能省时效果明显，运行成本低且效率高，为企业生产提供了新的设备选型。

Description

一种高效节能浸提罐

技术领域

本发明属于植物功效成分提取范畴，具体涉及一种具多种功能耦合效应的高效率且大幅节能的浸提方法及装置。

背景技术

植物是人类社会赖以生存的重要可再生资源，也是工业生产基础性原料，对其所蕴含的功效成分进行提取利用，是食品、制药、保健、生化等行业的基本生产模式。目前浸渍、渗塶、煎煮等传统萃取方法仍在广泛延用，虽然新兴的如微波法、超声法等一些新技术方法，在植物提取方面显示出广泛的应用前景和优越性，但由于受各种技术本身固有特性的制约，新方法目前大多属实验室小批量处理用途，并不适应规模生产的需要，如某项微波浸提技术，磁控管置于容器壁上，其发射的微波可透入植物组织，引发容器内浆料迅速生成大量热能涨破细胞壁，导致植物组织内部的功效成分得以释放被溶剂溶解，但由于微波只能穿透伸入约50mm的浆料，能量即衰减殆尽，因此作用范围有限，故器具容量较小；又如另项超声波浸提技术，其超声振子置于容器底部，发射的超声波可振动容器内的浆料产生“空化”和破壁作用，从而强化溶质的扩散和传递，但由于超声波在浆料中随传播距离成三次方急剧锐减，因此作用范围也有限，故器具容量也较小。

现今企业中普遍使用的提取罐，是沿袭多年的平转搅拌式大容器，其在罐内底部设有蒸汽环管以供热，设在罐体中间的搅拌器，可以搅动浆料在罐内水平持续旋转，以均匀接受从罐底部升至罐顶的蒸汽的加热，却无法驱使浆料由罐中间向四周横向循环运动，以均匀接受罐壁四周的能量波作用，如果象某些技术方案那样，只是简单的在该种罐体上设置微波或超声波发生器，其处理的浆料必然呈生熟不均现象；尤其该种方案运行时对浆料中占绝对大比例的、本无需辐射的溶剂也统统加以处理，白白耗费了大量能源和工时；再者该方案出料时，先经罐底出口处滤网过滤收集溶液，然后再从该出口出渣，耗时长效率低。综上可见，对传统的平转搅拌罐实现改进提升，从而提供新的设备选型意义重大。

发明内容

按照微波和超声波馈能的特性，本发明对传统的平转搅拌罐进行改进，在罐内设置了多条上下升降通道，使浆料的运行从水平旋转循环流动变为上下升降且固液分合的循环流动，并在罐筒的圆周壁上设置微波磁控管，又在罐底的锥形壁上设置超声振子，共同对分流的固料进行辐射。还针对传统浸提方式的不足，在罐体上设置了注液溢流机构，并在罐下设置了具固液分离功能的螺旋输料机，由此形成了有别于传统浸提罐的、具多功能耦合效应的新型浸提罐，从而提高了提取的速率和得率，达至省时节能高效的目的。

本发明技术方案是：由设有附件的罐盖、布有微波磁控管的罐筒、布有超声振子的罐底、和罐内的辐射筒、固液分合环流通道、及罐体上的注液溢流机构、罐下的过滤式螺旋输料机，共同构成本浸提罐的主体结构，由此可实现，罐内浆料固液分合上下环流、罐壁微波超声波靶向馈能、罐体注液溢流复提、罐下渣液同步出料的耦合浸提效应。

所述罐盖（1）为圆拱形，其壁外侧上部，中心位设有支承座（101），侧位设有入料口（102），另一侧设有调压阀（103）和温度、压力、液位等传感器组合（104），环罐盖内侧设有喷淋环（105）与罐外水源连通。

所述罐筒（2），上下端口分别经法兰与罐盖、罐底成垂直同心圆密封连接。微波磁控管（201）为多只均布于该罐筒外侧壁上，可单个或多只同时向罐内馈能。所述辐射筒（202）材质对微波透明，直径略小于罐筒，成同心圆置于罐筒内，并与罐筒间形成密闭的微波馈能谐振腔（203）。在谐振腔一半高度的位置，环绕并紧贴辐射筒设有蒸汽环管（205），该环管朝内均布一圈穿越辐射筒壁的气孔，从而与罐内连通与谐振腔密封，并经穿罐筒壁的蒸汽阀（204）与罐外的蒸汽源连通。

所述罐底（3）为漏斗形，其壁上均布多只超声振子（301），可单个或多只同时向罐内馈能。该罐底的下端口经出料阀（302）与过滤式螺旋输料机（5）连接，在罐底下端口的短管壁上、侧向设有注液阀（303）与外设的溶剂罐连通。

上述罐盖和罐筒及罐底，源自罐体的基础性框架结构，本方案囿于罐体的基本客观规律，故与传统浸提罐几近相同，而在此之后的改进和提升部分，才与传统浸提罐有实质性或根本性的区别。

所述罐内固液分合环流通道（4）的特征是：传动轴（401）的上端，经轴承与罐盖上的支承座定位连接，并与另设的电机连接，该轴上相应高度固定有刮板（402），该轴下端与浆泵（403）连接，由此可驱动该泵正反向旋转；该泵下部与吸程管（404）固定连接，该吸程管下端口伸至罐底中心区域，该泵上部与扬程管（405）固定连接，该扬程管的壁上密布网孔实为“筛管”，其上端口略低于罐筒上沿高度，并与斗笠状筛板（406）的内径固定连接，该筛板外径又与隔离筒（407）的上端口固定连接，该隔离筒上大下小，其下端口高于罐筒的下沿，这样上述浆泵、吸程管、扬程管、斗笠状筛板、隔离筒就连接固定成了一体结构，并通过上、下部计六根支撑杆与罐筒成同心圆支撑固定；由此在罐内形成了三条作用不同的通道，一是由吸程管、浆泵、扬程管所构成的浆料上行通道（出料时临时成下行通道），二是由隔离筒及筒下延伸至罐底区域所构成的溶液下行通道，三是由辐射筒与隔离筒之间的同心圆夹道（408）及夹道下延伸至贴近罐底壁的区域、所构成的固料下行通道；其中隔离筒下端口至罐底区域，为上述固、液二通道的交汇重合区，而固料通道中的夹道部分与微波辐射区重合、贴近罐底壁的部分与超声波辐射区重合；当浆泵正旋时，可驱动罐内浆料经吸程管、浆泵、扬程管上行，持续上行的浆料，在扬程管中受下部来料的挤压出管口散向斗笠状筛板之上，此时浆料中的溶液从扬程管和筛板的网孔中滤出，反向从隔离筒中向罐底下行，固料则被筛板上不断旋转的刮板、驱入隔离筒外围的夹道中向罐底下行，行至隔离筒下端口时固液交汇混合并继续下行，接近漏斗形罐底的最下部时，又重被浆泵吸入吸程管继续上行，如此上下往复、固液料之间不断分合循环流动。

所述靶向馈能的特征是：一直沿用的传统浸提方式，其浆料固液比视所用材料的不同，基本在1﹕5至1﹕30之间，浆料入罐后，视溶解程度一般会被反复提取多次，假定某浆料以1﹕15的固液比提取三次，则液体溶剂是固体材料的45倍之多，如果能够只向其中的一份固料馈能，而不是象传统方式那样，不分固、液体各自是否需要，对罐内所有浆料都进行同等辐射处理，那么将是何等高的浸提效率，节能省时的效果又是何等显著。循此思路本方案设定为，在浆泵驱动浆料上下往复、固液不断分合环流时，既是固料通道又是微波辐射区的夹道中充满固料，该固料边下行边被微波透过辐射筒馈能而升温破壁释放溶质，余量微波经隔离筒反射又折向作用于固料，而溶液总是在隔离筒及以下区域中流动则不被辐射波及，并在罐体下部、与破壁后出夹道的固料混合相溶并继续前行，其中的固料因比重大易下沉而贴近罐底壁的超声波辐射区，被超声波震荡再次破壁，溶质得以进一步释放，且被震碎的固料颗粒受冲击作用，与附近溶液混合更加均匀，强化了传质扩散溶解，而稍离罐底辐射区的大部分溶液则不被波及，（因超声能量在浆料中的传播距离有限）。上述固液分合环流并经历不同辐射的过程中，只有固料和极少量溶液经受辐射，绝大部分溶液则不被辐射，针对固料的靶向馈能得以实现。

所述注液溢流复提的特征是：传统浸提罐在提取过程中，因搅拌器始终不停驱动浆料平转，使固液料之间保持均匀混合状态，所以无法产生上清液，故复提时需先停机过滤排液、再注入新溶剂、然后继续开机复提。本方案中因罐体构造因素，以及固液过滤分流、固料下沉、溶液平缓下行等因素，该罐隔离筒内上部的浆液，成为无混杂的饱和上清液，故可实行溢流提取。本浸提罐在罐筒三分之二高的位置，贴隔离筒内壁面设有网罩（409），该网罩后面穿隔离筒和辐射筒及罐筒壁侧向设有短管和浓度仪（410）及溢流阀（411），与外设的中储罐连通，而且在罐底下端短管上设有注液阀（303）与另设的溶剂罐连通。当溶解达一定程度时停止驱料和辐射，然后经注液阀向罐底部注入新的溶剂，导致饱和上清液从罐体上部的溢流阀排向另设的中储罐，溶解力强的新溶剂对溶质继续进一步溶解，这样边注液边溶解边溢流，当该上清液浓度值低于设定标准时，再停止注液并开机复提，这与传统浸提方式相比，明显缩短了浸提时间。该溢流提取以上清液浓度值为准可重复进行多次，直至视为基本提尽时为止。

所述过滤式螺旋输料机（5），是在现有且常用的螺旋输送机的基础上，改原来的输料套管为遍布网孔的筛管（501），又增加了一层外围套管（502），使该套管与该筛管间形成两端密封的夹层（503），该机以一定倾斜度与罐底出料阀连接，在该机朝下的一面，低位点处穿套管壁设有排液阀（504）与夹层连通，高位点处设有与夹层密封与筛管连通的出渣口（505）；由此该机运转时，在螺旋叶片（506）的驱动下，并经筛管大面积网孔的过滤作用，可同时快速完成排液和出渣双重作业；比先过滤排液、再冲洗出渣的传统方式，既节约了时间又降低了劳动强度；该机斜置利于浆料的固液分离及溶液的汇集，还加大了对浆料的挤压作用，有助提高溶液的收获率。

所述耦合浸提效应的特征是：1、本浸提罐中建有固液分合环流的上下通道，且固料通道的不同区段分别与微波和超声波的辐射区重合，促成微波和超声波只向流经的固料靶向性馈能，而不波及辐射区以外的大量溶液，这种构造及运行方式，形成了本方案中最基本的也是最大的耦合浸提效应，其节能省时的效果视溶剂占比的多寡，是传统浸提罐的数倍乃至几十倍；2、微波辐射不仅使固料升温破壁释放溶质，还促进了植物细胞组织的膨松软化，在此基础上超声波易以较小能量、实现震荡破壁而进一步释放溶质，（超声波功率越大噪音越大，故发生器功率不可过大），在持续的运转中，后者借助前者实现了耦合效应的节能；3、微波辐射使固料迅速升温，该固料又不断下行冷却于低温的溶液中，冷热骤变不仅加大了固料破壁效果，还带动溶液的逐渐升温，而随溶液的升温又强化了传质扩散溶解；4、超声波辐射时的震荡冲击作用，不仅使固料破壁，还取代了搅拌器，使被震碎的固料与周边的溶液在罐底部混合更加均匀，加速了传质扩散溶解；5、因本罐的特殊构造及运转方式，导致隔离筒内上部产生无混杂的饱和上清液，故可实行溢流提取，而从罐底注入的新溶剂，具较强溶解力，其不仅对罐下部固料中溶质有进一步溶解作用，还有导致隔离筒上部饱和上清液溢流外排的作用，此过程中注液、溶解、溢流同时进行节约了相应时间；6、过滤式螺旋输料机，以螺旋叶片驱动作用和筛管网孔过滤作用及斜置加大浆料重力作用，快速同步完成了排液和出渣的双重作业，既节约了相应时间还因耦合挤压效应提高了提取液得率。

本发明有益效果是：集多种功能的耦合效应，显著提高了浸提的效率，降低了运行成本。

固、液浆料上下分合环流，确保了固料均匀一致接受能量辐射而不波及液料。

微波和超声波靶向馈能，显著节约了宝贵的能源及工时。

采用注液溢流和渣液同步出料的方法，省时效果明显，并且提高了浸提得率。

附图说明

图1为本装置结构示意图。

图中标号：1上端盖、101支承座、102入料口、103调压阀、104监控组合、105喷淋环、2罐筒、201磁控管、202辐射筒、203谐振腔、204蒸汽阀、205蒸汽环管、3罐底、301超声振子、302出料阀、303注液阀、4环流通道、401传动轴、402刮板、403浆泵、404吸程管、405扬程管、406筛板、407隔离筒、408夹道、409网罩、410浓度仪、411溢流阀、5过滤式螺旋输料机、501筛管、502套管、503夹层、504排液阀、505出渣口、506螺旋叶片。

具体实施方式

下面结合附图和优选例做进一步说明，不限制本发明。

例1，利用微波和超声波提取板栗苞棕色素。

板栗苞破碎至60目，按固液比1: 10（质量计）与去离子水共入罐，启动浆泵403正旋，罐中固液混合的浆料被吸入吸程管404的下端口中上行，继而出扬程管405的上端口四散漫入斗笠状筛板406之上，其间浆料中的液体溶剂从扬程管和筛板的大量网孔中滤出，反向顺隔离筒407中下行，而固体物料则被筛板上面不断旋转的刮板402、驱入隔离筒外围的夹道408中下行，行至隔离筒下端口时与下行的溶剂交汇混合，同向罐底继续下行，接近罐底下部的吸程管口时，又被吸入通道中再次上行，并经过滤分离后固、液体重又分道下行，如此循环升降分合流动15min后，充分浸润的固料流动着占据了整个夹道及夹道以下贴罐壁四周区域，而溶剂只能在罐体中间区域流动难以从下部侵入夹道，第一步润料和布料作业完成。

启动微波和超声波发生器，磁控管201透过辐射筒202，向既是固料通道又是微波辐射区的夹道408中馈能，挤满夹道的固料边下行边接受微波能量，迅速升温破壁，细胞内部的溶质得以释放，该高温破壁的固料出夹道下端口时，与常温的溶剂交汇混合溶质得以溶解，而固液交汇冷热骤变加大了破壁效果，还抬升了溶液温度，从而加强了传质扩散。持续下行的浆料中，升温软化的固料下沉而贴近罐底壁的超声波辐射区，被超声振子301所发射的超声波震荡再次破壁，溶质得以进一步释放，且震荡冲击使辐射区内、被震碎的固料与周边的溶液混合更加均匀，加速了均质溶解。该混合浆料下行接近吸程管口时，再次被吸入通道上行，重又进行循环辐射提取，至浆液浓度≥1%时，第二步初提作业完成。

关闭浆泵和微波及超声波，同时开启溢流阀411和注液阀303，新的常温去离子水从罐底部注入罐中进一步溶解溶质，并由下向上逐渐拱顶隔离筒内上部的饱和上清液、从溢流阀排向另设的中储罐，形成首次取液；当浓度仪410显示浆液浓度降至0 .6%时，关闭注液阀和溢流阀，启动浆泵和微波及超声波进行二次复提，侯浆液浓度≥0 .8%时，重复上述注液溢流过程，形成再次取液；当浆液浓度降至0 .4%时，停止注液溢流，启动浆泵和微波及超声波第三次复提，侯浆液浓度≥0.6%时，关闭浆泵和微波及超声波，第三步注液溢流复提作业完成。

调整浆泵慢速反旋，同时开启出料阀302和过滤式螺旋输料机5，混合浆料由此持续进入该斜置的螺旋机的低点端，旋转的螺旋叶片506驱动浆料沿筛管501斜向上行，其中的浆液透过该筛管大面积的网孔进入夹层503之中，并顺套管502下行经排液阀504流向中储罐，形成第三次取液，而浆渣则从出渣口505外排，至此第四步排液、出渣作业同时完成。关闭浆泵和出料阀及螺旋机，即可重新入料连续生产。

上述提取过程总用了120min，比传统浸提罐节省了270min，所得提取液经后道工序脱溶干燥后得棕色素干粉34Kg，比传统浸提方式多了2Kg。

例2，利用蒸汽和超声波提取板栗苞单宁。

第一步润料和布料与例1完全相同，第二步初提时因制药行业不许用微波加热药材，故弃微波不用，改用蒸汽为热源对固料进行加热破壁，具体为调整罐盖上的调压阀103，控制罐内气压在0.04Mpa以下，开启蒸汽阀204和超声波发生器，蒸汽环管205内的压力蒸汽、经该环管上均布的气孔进入充满固料的夹道内，持续熏蒸下行的固料使之受热膨胀破壁，其间该蒸汽因气压而挤开固料之间的间隙、不断上升至罐顶，经调压阀调控外排，而受热膨胀破壁的固料，行至夹道下端口时与下行的溶剂交汇混合并持续下行，其中的固料下沉而贴近罐底的超声波辐射区，超声波馈能及之后情形与例1完全相同不再赘述，第二步初提过程完成。第三步注夜溢流复提过程，除启闭微波改为启闭蒸汽阀之外，皆与例1相同。第四步排液出渣过程，完全与例1相同。

上述提取过程总共用时150min，比传统浸提罐节省了240min，所得提取液经后道工序干燥后得单宁干粉33.5Kg，比传统浸提方式多了1.5kg。

Claims (5)

1.一种高效节能浸提罐，由设有附件的罐盖、布有微波磁控管的罐筒、布有超声振子的罐底、和罐内的辐射筒、固液分合环流通道、及罐体上的注液溢流机构、罐下的过滤式螺旋输料机、共同构成本浸提罐的主体结构，由此可实现，罐内浆料固液分合上下环流、罐壁微波超声波靶向馈能、罐体注液溢流复提、罐下渣液同步出料的耦合浸提效应。

2.根据权利要求1所述的一种高效节能浸提罐，其特征是：所述罐内固液分合环流通道，其传动轴的上端，经轴承与罐盖上的支承座定位连接，该轴下端与浆泵连接，由此可驱动该泵正反向旋转；该泵下部与吸程管固定连接，该吸程管下端口伸至罐底中心区域，该泵上部与扬程管固定连接，该扬程管的壁上密布网孔实为“筛管”，其上端口略低于罐筒上沿高度，并与斗笠状筛板的内径固定连接，该筛板外径又与隔离筒的上端口固定连接，该隔离筒上大下小，其下端口高于罐筒的下沿，这样上述浆泵、吸程管、扬程管、斗笠状筛板、隔离筒就连接固定成了一体结构，并与罐筒成同心圆支撑固定；由此在罐内形成了三条作用不同的通道，一是由吸程管、浆泵、扬程管所构成的浆料上行通道，二是由隔离筒及筒下延伸至罐底区域所构成的溶液下行通道，三是由辐射筒与隔离筒之间的同心圆夹道及道下延伸至贴近罐底壁的区域、所构成的固料下行通道；其中隔离筒下端口至罐底区域，为上述固、液二通道的交汇重合区，而固料通道中的夹道部分与微波辐射区重合、贴近罐底壁的部分与超声波辐射区重合。

3.根据权利要求1所述的一种高效节能浸提罐，其特征是：所述靶向馈能，是在浆料上下往复固液不断分合环流时，既是固料通道又是微波辐射区的夹道中充满固料，该固料边下行边被微波透过辐射筒馈能而升温破壁释放溶质，余量微波经隔离筒反射又折向作用于固料，而溶液总是在隔离筒及以下区域中流动则不被辐射波及，并在罐体下部、与破壁后出夹道的固料混合相溶并继续前行，其中的固料因比重大易下沉而贴近罐底壁的超声波辐射区，被超声波震荡再次破壁，溶质得以进一步释放，且被震碎的颗粒受冲击与周边溶液混合更加均匀，强化了传质扩散溶解，而稍离罐底辐射区的大部分溶液则不被波及。

4.根据权利要求1所述的一种高效节能浸提罐，其特征是：所述注液溢流机构，是在罐筒三分之二高的位置，贴隔离筒内壁面设有网罩，该网罩后面穿隔离筒和辐射筒及罐筒壁侧向设有短管和浓度仪及溢流阀，与外设的中储罐连通，并在罐底下端的短管上设有注液阀与外设的溶剂罐连通；所述注液溢流复提，是当溶解达一定程度时，经注液阀向罐底部注入新溶剂，导致饱和上清液从罐体上部的溢流阀外排，溶解力强的新溶剂对溶质继续进一步溶解，这样边注液边溶解边溢流可缩短浸提时间；该溢流提取以上清液浓度值为准可进行多次，直至视为基本提尽时为止。

5.根据权利要求1所述的一种高效节能浸提罐，其特征是：所述过滤式螺旋输料机，其输料套管为遍布网孔的筛管，该筛管外围设有套管，该套管与该筛管间形成两端密封的夹层，该机以一定倾斜度与罐底出料阀连接，该机朝下的一面，低位点处穿套管壁设有排液阀与夹层连通，高位点处设有与夹层密封与筛管连通的出渣口；由此该机运转时，在螺旋叶片的驱动下，并经筛管大面积网孔的过滤作用，可同步快速完成排液和出渣双重作业，还因耦合挤压效应提高了提取液得率。