CN110604310A - 一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法，提取方法包括以下步骤：将稻壳依次进行一级、二级干馏碳化；冷却经碳化后的稻壳，利用袋式除尘器收集高纯硅素和初级硅素；将初级硅素加入水中，在加压加热的条件下进行浸出，过滤除去不溶物得初级硅素溶液；初级硅素溶液依次经石英砂、锰砂、活性炭、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置进行过滤除杂，再杀菌，得食品级水溶性硅素。本发明的有益效果为：本发明所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统和方法，采取从碳化的稻壳中提取可供人体吸收的植物源食品级水溶性硅素，安全性高、杂质成分少、应用前景广，且有效地将稻壳变废为宝，减少了环境污染，提高了经济及社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及食品生产技术领域，具体涉及一种一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法。
背景技术
硅是生命元素也可以简易理解为细胞营养液，是地球地壳中含量最多的天然矿物质，仅次于氧的存在，是一种天然贵重的营养元素，在日本还被称为救命硅素，具有激活细胞线粒体的作用，也是结缔组织中的糖胺聚糖和相关的蛋白质复合物构成整体所需要的成分之一，主要存在细胞外间质中，参与人体内多种生理活动，硅不会被氧化又非常坚固，如果器官和脏器轻易被氧化，就容易生病老化，于是人体组织利用硅，形成不容易得病的体质，这是大自然的智慧对生命的恩惠。
大自然中硅以多种形式存在，却难以被人体直接吸收。因为饮食营养偏缺及环境污染等众所周知的原因，人们摄取的水、食物里含有的水溶性硅等微量元素越来越缺少，以往通过食物就可以摄取足够的硅元素的时代已经不复存在。
科学研究中解决的办法是将硅处理成可溶于水的形式，配合其他人体需要的成分，达到补硅的目的，保障人体健康。日本、德国等发达国家将“水溶性硅素”称为“再生医疗的革命性元素”，广泛应用于食品、保健、医疗、日用化工等行业。
我国是水稻生产大国，每年生产稻谷4亿多吨，可产稻壳8000多万吨，占世界总产量的30％以上，居世界第一位。稻壳中硅的含量比较高，具有多孔、低密度的特点。我国从八十年代起对稻壳的综合利用较为系统地开展了研究，取得了一定的进展，但利用领域比较窄，产品较低端和单调，目前尚没有成熟的工艺及方法从稻壳中提取“水溶性硅素”和“高纯度食品级水溶性硅粉”。
发明内容
本发明的目的是提供一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法。
一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，包括以下步骤：
(1)将稻壳依次进行一级、二级干馏碳化；
(2)冷却经碳化后的稻壳，并利用袋式除尘器收集高纯硅素和初级硅素；
(3)将初级硅素加入水中，在加压加热的条件下进行浸出，过滤除去不溶物得初级硅素溶液；
(4)初级硅素溶液依次经石英砂、锰砂、活性炭、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置进行过滤除杂，再杀菌，得食品级水溶性硅素。
进一步地，步骤(1)中，一级碳化的温度为250-350℃，在此温度下的碳化时间为3-5h；二级碳化的温度为600-800℃，在此温度下的碳化时间为3-5h。
碳化是指固体或有机物在隔绝空气条件下加热分解的反应过程或加热固体物质来制取液体或气体产物的一种方式。一级碳化温度控制在250-350℃，其主要目的是为了脱除稻壳中的焦油成分，得到的碳化稻壳活性最高，呈现多孔性的状态；二级碳化的主要目的是彻底脱除碳元素，同时得到活性及水溶性较好的植物性硅素。
进一步地，步骤(2)中，将经碳化后的稻壳冷却至40-60℃，再进行袋式除尘。将经碳化后的稻壳冷却后再进行袋式除尘，防止温度过高损害袋式除尘器。
进一步地，步骤(2)中，所述高纯硅素的细度≥300目、碳含量＜5％、二氧化硅含量≥90％，所述初级硅素的细度＜300目。所得高纯硅素可直接进行食用。因高纯硅素的活性较高，常温常压下在水中的溶解度可达到40％-50％，二级、三级硅素密度相对较高，活性降低，常温常压下的溶解度仅为10％左右，因需对二级、三级硅素进一步处理。
进一步地，步骤(3)中，初级硅素与水的重量比为1:8-10。为提高浸出率，也可添加少许食品级氢氧化钠或氢氧化钾将水溶液Ph值调制9-11。
进一步地，步骤(3)中，浸出压力为0.5-0.7MPa，浸出温度为140-160℃，在此条件下的浸出时间为3-5h。过滤所得不溶物因其主要成分为活性炭基，清洗晾干后可作为农业碳肥使用。
进一步地，步骤(4)中，所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器。
超滤膜为用于超滤过程中的人工滤膜，在超滤过程中能将一定大小的高分子胶体或悬浮颗粒从溶液中分离出来的高分子半透膜。
钛棒过滤器是采用粉末冶金方法将钛金属粉末未通过高温烧结的方法加工制成的空心滤管，具有精度高、耐高温、耐腐蚀、机械强度高等优点。
进一步地，步骤(4)中，所述杀菌为臭氧杀菌。利用臭氧的强氧化性杀灭溶液中的细菌，确保溶液符合相关国家食品安全标准。
所述食品级水溶性硅素的提取系统，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、除杂装置、脱色装置、精滤装置、钠离子交换器、超滤装置和臭氧杀菌器；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述除杂装置为石英砂过滤器、锰砂过滤器；
所述脱色装置为活性炭过滤器；
所述精滤装置为PP棉过滤器；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器；
石英砂过滤器主要除去不溶于水的悬浮物颗粒；
锰砂过滤器主要用于除去水溶液中离子态的铁、锰、砷等杂质成分；
活性炭过滤器主要用于脱色及吸附溶液中的有机质；
PP棉过滤器主要用于除去溶液中粒径大于0.5nm的物理颗粒；
钠离子交换器是用于去除水中钙离子、镁离子，制取软化水的离子交换器，组成水中硬度的钙、镁离子与软化器中的离子交换树脂进行交换，水中的钙、镁离子被钠离子交换，使水中不易形成碳酸盐垢及硫酸盐垢，从而获得软化水。
超滤装置主要用于除去溶液中粒径大于0.001nm的物理颗粒。
进一步地，所述食品级水溶性硅素的提取系统还包括用于储存高纯硅素的储存罐。
本发明的有益效果为：本发明所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统和方法，采取从碳化的稻壳中分离和提取可供人体吸收的植物源食品级水溶性硅素，安全性高、杂质成分少、应用前景较广，且有效地将稻壳变废为宝，减少了环境污染，提高了经济及社会效益。
制备本发明所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，是一种高效经济的集成化、模块化工艺，不仅设备占地面积小，可模块化分段整合、投资运行费用低、分离过程简单，无污染物排放，可使所得物充分被应用。
附图说明
图1是本发明所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统流程图；
图中：1、一级碳化炉；2、二级碳化炉；3、冷却塔；4、袋式除尘器；5、高压反应釜；6、布袋过滤器；7、石英砂过滤器；8、锰砂过滤器；9、活性炭过滤器；10、PP棉过滤器；11、钠离子交换器；12、超滤装置；13、臭氧杀菌器；14、储存罐。
具体实施方式
实施例1
一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法：
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、除杂装置、脱色装置、精滤装置、钠离子交换器、超滤装置和臭氧杀菌器；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述除杂装置为石英砂过滤器、锰砂过滤器；
所述脱色装置为活性炭过滤器；
所述精滤装置为PP棉过滤器；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器。
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，包括以下步骤：
(1)将稻壳依次进行一级、二级干馏碳化；
(2)冷却经碳化后的稻壳，并利用袋式除尘器收集高纯硅素和初级硅素；
(3)将初级硅素加入水中，在加压加热的条件下进行浸出，过滤除去不溶物得初级硅素溶液；
(4)初级硅素溶液依次经石英砂、锰砂、活性炭、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置进行过滤除杂，再杀菌，得食品级水溶性硅素。
实施例2
一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法：
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、石英砂过滤器、锰砂过滤器、活性炭过滤器、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置、臭氧杀菌器和储存罐；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器；
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，包括以下步骤：
将稻壳依次经一级碳化炉、二级碳化炉进行干馏碳化，且控制一级碳化炉的碳化温度为250℃、一级碳化的时间为5h，二级碳化炉的碳化温度为600℃，二级碳化的时间为5h；
经碳化后的稻壳经冷却塔冷却至40℃，送入袋式除尘器，收集细度≥300 目、碳含量＜5％、二氧化硅含量≥90％的颗粒，可储存在储存罐中作为可直接食用的高纯硅素，细度＜300目的颗粒作为初级硅素；
将初级硅素与水按照重量比为1:8的比例置入高压反应釜中，在浸出压力为0.5MPa，浸出温度为160℃的条件下浸出3h，待浸出完成后经过滤装置布袋过滤器实现固液分离，因所得固体的主要成分为活性炭基，清洗晾干后作为农业碳肥使用，所得液体为初级硅素溶液；
初级硅素溶液依次经石英砂过滤器除去不溶于水的悬浮物颗粒、经锰砂过滤器除去水溶液中离子态的铁、锰、砷等杂质成分、经活性炭过滤器脱色并除去溶液中的有机质、经PP棉过滤器除去溶液中粒径大于0.5nm的物理颗粒、经钠离子交换器除去水溶液中的钙离子、镁离子，经超滤膜或钛棒过滤器除去溶液中粒径大于0.001nm的物理颗粒，再进行臭氧杀菌得食品级水溶性硅素。
实施例3
一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法：
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、石英砂过滤器、锰砂过滤器、活性炭过滤器、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置、臭氧杀菌器和储存罐；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器；
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，包括以下步骤：
将稻壳依次经一级碳化炉、二级碳化炉进行干馏碳化，且控制一级碳化炉的碳化温度为300℃、一级碳化的时间为4h，二级碳化炉的碳化温度为700℃，二级碳化的时间为4h；
经碳化后的稻壳经冷却塔冷却至50℃，送入袋式除尘器，收集细度≥300 目、碳含量＜5％、二氧化硅含量≥90％的颗粒，可储存在储存罐中作为可直接食用的高纯硅素，细度＜300目的颗粒作为初级硅素；
将初级硅素与水按照重量比为1:9的比例置入高压反应釜中，在浸出压力为0.6MPa，浸出温度为150℃的条件下浸出4h，待浸出完成后经过滤装置布袋过滤器实现固液分离，因所得固体的主要成分为活性炭基，清洗晾干后作为农业碳肥使用，所得液体为初级硅素溶液；
初级硅素溶液依次经石英砂过滤器除去不溶于水的悬浮物颗粒、经锰砂过滤器除去水溶液中离子态的铁、锰、砷等杂质成分、经活性炭过滤器脱色并除去溶液中的有机质、经PP棉过滤器除去溶液中粒径大于0.5nm的物理颗粒、经钠离子交换器除去水溶液中的钙离子、镁离子，经超滤膜或钛棒过滤器除去溶液中粒径大于0.001nm的物理颗粒，再进行臭氧杀菌得食品级水溶性硅素。
实施例4
一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法：
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、石英砂过滤器、锰砂过滤器、活性炭过滤器、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置、臭氧杀菌器和储存罐；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器；
所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，包括以下步骤：
将稻壳依次经一级碳化炉、二级碳化炉进行干馏碳化，且控制一级碳化炉的碳化温度为350℃、一级碳化的时间为3h，二级碳化炉的碳化温度为800℃，二级碳化的时间为3h；
经碳化后的稻壳经冷却塔冷却至60℃，送入袋式除尘器，收集细度≥300 目、碳含量＜5％、二氧化硅含量≥90％的颗粒，可储存在储存罐中作为可直接食用的高纯硅素，细度＜300目的颗粒作为初级硅素；
将初级硅素与水按照重量比为1:10的比例置入高压反应釜中，在浸出压力为0.7MPa，浸出温度为140℃的条件下浸出5h，待浸出完成后经过滤装置布袋过滤器实现固液分离，因所得固体的主要成分为活性炭基，清洗晾干后作为农业碳肥使用，所得液体为初级硅素溶液；
初级硅素溶液依次经石英砂过滤器除去不溶于水的悬浮物颗粒、经锰砂过滤器除去水溶液中离子态的铁、锰、砷等杂质成分、经活性炭过滤器脱色并除去溶液中的有机质、经PP棉过滤器除去溶液中粒径大于0.5nm的物理颗粒、经钠离子交换器除去水溶液中的钙离子、镁离子，经超滤膜或钛棒过滤器除去溶液中粒径大于0.001nm的物理颗粒，再进行臭氧杀菌得食品级水溶性硅素。
对比例1
将稻壳在500℃的温度下进行碳化，其余操作步骤均与实施例3所述稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法相同。
对比例2
将稻壳在1200℃的温度下进行碳化，其余操作步骤均与实施例3所述稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法相同。
本发明实施例1-4所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法得到的食品级水溶性硅素与对比例1-2所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法所得食品级水溶性硅素在水溶性及质量方面的研究，结果如表 1所示：
表1
从表1可以看出，本发明所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统及提取方法所得食品级水溶性硅素在水中的溶解性较好，且活性比较高。碳化的温度过低不利于焦油等有机质的脱出，所得产品呈现块状，其活性及溶解度均有所降低；碳化的温度过高，会导致产品活性降低，密度增加，比表面积降低，溶解度也随之降低。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其细节上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将稻壳依次进行一级、二级干馏碳化；
(2)冷却经碳化后的稻壳，并利用袋式除尘器收集高纯硅素和初级硅素；
(3)将初级硅素加入水中，在加压加热的条件下进行浸出，过滤除去不溶物得初级硅素溶液；
(4)初级硅素溶液依次经石英砂、锰砂、活性炭、PP棉过滤器、钠离子交换器、超滤装置进行过滤除杂，再杀菌，得食品级水溶性硅素。
2.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(1)中，一级碳化的温度为250-350℃，在此温度下的碳化时间为3-5h；二级碳化的温度为600-800℃，在此温度下的碳化时间为3-5h。
3.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(2)中，将经碳化后的稻壳冷却至40-60℃，再进行袋式除尘。
4.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高纯硅素的细度≥300目、碳含量＜5％、二氧化硅含量≥90％，所述初级硅素的细度＜300目。
5.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(3)中，初级硅素与水的重量比为1:8-10。
6.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(3)中，浸出压力为0.5-0.7MPa，浸出温度为140-160℃，在此条件下的浸出时间为3-5h。
7.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器。
8.根据权利要求1所述一种从稻壳中提取食品级水溶性硅素的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述杀菌为臭氧杀菌。
9.权利要求1-8所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，其特征在于，包括一级碳化炉、二级碳化炉、冷却装置、袋式除尘器、高压反应釜、过滤装置、除杂装置、脱色装置、精滤装置、钠离子交换器、超滤装置和臭氧杀菌器；
所述冷却装置为将经碳化后的稻壳进行冷却的冷却塔；
所述除杂装置为石英砂过滤器、锰砂过滤器；
所述脱色装置为活性炭过滤器；
所述精滤装置为PP棉过滤器；
所述过滤装置为将固液进行分离的布袋过滤器；
所述超滤装置为超滤膜或钛棒过滤器。
10.根据权利要求9所述从稻壳中提取食品级水溶性硅素的系统，其特征在于，还包括用于储存高纯硅素的储存罐。
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