CN115869651B - 一种基于射频波的固液提取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固液提取技术领域，公开了一种基于射频波的固液提取系统，包括加热腔体模块、射频加热模块和控制系统模块，所述加热腔体模块包括加热腔体、聚四氟乙烯隔板、聚四氟乙烯台、提取容器、安装缺口、正反螺牙滑台、右弧形极板、左平直极板等部件；所述加热腔体模块还设有光纤测温系统和吹气式搅拌系统，本发明可监测提取过程中料液的温度变化，确保工艺过程的准确性。具体来讲，射频提取系统配有光纤测温系统，监测射频提取容器内容物的温度是否达到加热目标温度，此外，通过气动式搅拌器实现料液的混合搅拌以提高传热传质，具有较高的搅拌效果，保证加热的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及固液提取技术领域，具体为一种基于射频波的固液提取系统。
背景技术
天然产物提取是以动、植物体及其加工副产物为原料，采用物理或化学手段，定向获取原料中的某一种或多种有效成分，且不改变其主要物化特性的操作。主要涉及蛋白质、酶、多糖、脂质、色素等物质。
传统的天然产物提取方法，主要是将原料与提取溶剂在特制容器中混合，利用热水或蒸汽进行加热，提高传质速率实现目标物质的快速溶出。该过程虽已成熟，但以传统加热技术为热源，热量由容器表面传导至料液内部，普遍存在加热速度慢，时间长，提取效率低且产品品质易受损等问题。
新型提取技术中微波提取是研究的热点，它利用微波体积加热，穿透至物料内部，迅速提高温度增加传质速率。此外，还利用微波选择性加热，对特定物料优先加热，使胞内压力迅速提高并破裂，产生温度诱导扩散效应，加速目标物质的溶出与扩散。但微波波长较短，如常用2450MHz微波在真空中波长仅为12厘米，受料液介电特性影响实际穿透深度仅为几厘米，针对体积较大的样品极易产生加热不均匀现象。
综上，现有的天然产物固液提取存在的主要问题有：1、传统提取加热速度慢、提取效率低；2、微波提取，热穿透深度浅，不利于大规模工业化应用。3.传统射频系统中极板布局不合理，不适用于天然产物固液提取，因此，研发一种加热速度快、热穿透深度大的新型提取装置是有必要的。
综上，现有的天然产物固液提取存在的问题还有：由于提取容器内料液温度变化大，无法保证料液温度差异在0.5℃范围内，影响固液提取的精准性和工艺过程的准确性，同时在利用射频波加热时，由于料液量较大，加热不均匀现象任然有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于射频波的固液提取系统,以解决上述现有技术中提出的问题。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于射频波的固液提取系统，包括加热腔体模块、射频加热模块和控制系统模块，所述加热腔体模块包括加热腔体，所述加热腔体内设有聚四氟乙烯隔板,所述聚四氟乙烯隔板上设有聚四氟乙烯台，所述聚四氟乙烯台上设有提取容器，所述聚四氟乙烯隔板上设有安装缺口，所述加热腔体内设有伸入安装缺口的正反螺牙滑台，所述正反螺牙滑台上设有围绕提取容器的右弧形极板、左平直极板；
所述加热腔体模块还设有光纤测温系统和吹气式搅拌系统，所述光纤测温系统包括设于提取容器内的测温光纤探头，所述测温光纤探头连接有光纤数据采集器，所述吹气式搅拌系统包括设于提取容器内的气吹式搅拌器气管，所述气吹式搅拌器气管连接有气泵。
优选的，所述射频加热模块包括射频发生器和与射频发生器连接的阻抗匹配器，所述阻抗匹配器通过传输铜带与右弧形极板连接，左平直极板通过同轴线缆接地。
优选的，所述控制系统模块包括控制腔体、所述控制腔体内设有主控制器，所述控制腔体上设有与主控制器连接的触摸显示屏，所述射频发生器、正反螺牙滑台的电机与主控制器连接。
优选的，所述加热腔体为长方形结构，由304不锈钢焊接而成的，所述提取容器为圆柱形结构，由聚四氟乙烯制成，所述提取容器上端开口设置。
优选的，所述加热腔体顶部装有排风扇，所述排风扇与主控制器连接。
优选的，所述正反螺牙滑台为双向螺牙滑台，所述左平直极板和右弧形极板均通过聚四氟乙烯支脚分别固定于正反螺牙滑台上的两个滑台面上。
优选的，所述左平直极板和右弧形极板均竖直放置，其中左平直极板为平板，右弧形极板为弧形板，左平直极板和右弧形极板均由铝材制成。
优选的，所述光纤数据采集器与主控制器相连以向主控制器传输温度信息使其调节射频发生器的功率。
优选的，所述气泵与主控制器相连以控制电机转速来调节吹气量，所述气吹式搅拌器气管由PVC材料制成。
优选的，进行固液提取时按照如下步骤进行：
S1)将经过酸碱或酶预处理后的介质放入提取容器10中，在提取容器10内插入气吹式搅拌器气管9，然后按动触摸显示屏5打开气泵18，气体通过气吹式搅拌器气管9进入提取容器10对介质进行搅拌，调整气泵18的电机转速来改变吹气量，预搅拌后进入步骤S2；
S3)按动触摸显示屏5打开排风扇8；
S4)启动射频发生器1与阻抗匹配器2对提取容器10中的介质进行射频加热，根据温光纤探头6所监测的温度调节主控制器20的按钮实现关闭或打开射频发生器1，从而控制加热温度；
S5)加热实验中，使用带有4厘米针头的1毫升注射器从提取容器10中采集提取溶液样品，对其成分进行试验分析。
本发明的有益效果集中体现在：本发明可监测提取过程中料液的温度变化，确保工艺过程的准确性。具体来讲，射频提取系统配有光纤测温系统，监测射频提取容器内容物的温度是否达到加热目标温度，此外，通过气动式搅拌器实现料液的混合搅拌以提高传热传质，具有较高的搅拌效果，保证加热的均匀性。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的加热腔体模块立体图；
图3为本发明的聚四氟乙烯支脚立体图；
图4为本发明的排风扇俯视图；
其中，1、射频发生器；2、阻抗匹配器；3、传输铜带；4、控制腔体；5、触摸显示屏；6、测温光纤探头；7、右弧形极板；8、排风扇；9、气吹式搅拌器气管；10、提取容器；11、加热腔体；12、左平直极板；13、聚四氟乙烯支脚；14、正反螺牙滑台；15、同轴线缆；16、聚四氟乙烯隔板；17、聚四氟乙烯台；18、气泵；19、光纤数据采集器；20、主控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参阅图1-图4，一种基于射频波的固液提取系统，在本实施例中，包括加热腔体模块、射频加热模块和控制系统模块，所述加热腔体模块包括加热腔体11，所述加热腔体11内设有聚四氟乙烯隔板16,所述聚四氟乙烯隔板16上设有聚四氟乙烯台17，所述聚四氟乙烯台17上设有提取容器10，所述聚四氟乙烯隔板16上设有安装缺口，所述加热腔体11内设有伸入安装缺口的正反螺牙滑台14，所述正反螺牙滑台14上设有围绕提取容器10的右弧形极板7、左平直极板12。射频提取时，将装有介质的提取容器10置于左平直极板12与右弧形极板7之间的聚四氟乙烯台17上，通过右弧形极板7、左平直极板12对介质进行射频加热，最后从提取容器10中采集提取溶液样品。
作为本实施更进一步的方案，所述射频加热模块包括射频发生器1和与射频发生器1连接的阻抗匹配器2，射频发生器1采用RFG-2710型号，使其输出阻抗为50Ω。阻抗匹配器2由两个可变电容器和一个固定电阻线圈组成，所述阻抗匹配器2通过传输铜带3与右弧形极板7连接，左平直极板12通过同轴线缆15接地。系统通过自动反馈控制调节可变电容，可使终端负载阻抗与射频发生器1的阻抗匹配达到最佳，由于制造商已将射频发生器1的输出阻抗设置为50Ω，因此当加热腔11的匹配阻抗调节为50Ω时可以确保最大限度地将能量从射频发生器1传输到加热腔11，从而使反射功率最小化，对物料实现高效加热。
作为本实施更进一步的方案，所述控制系统模块包括控制腔体4、所述控制腔体4内设有主控制器20，所述控制腔体4上设有与主控制器20连接的触摸显示屏5，所述射频发生器1、正反螺牙滑台14的电机与主控制器20连接。主控制器20选用stm32芯片，通过脉冲宽度调制技术输出0-3.3v的模拟信号以此控制射频发生器1的功率大小。制腔体4设计为长方形金属箱，箱体用4mm厚304不锈钢制成，内腔长宽高尺寸为208×408×308mm3。控制腔体4还设有与主控制器20连接的按钮，人机交互功能则由触摸显示屏5与按钮共同实现，按钮可以调节功率档位。触摸显示屏5则可以显示射频入射功率、电极电压等重要参数。箱体配有金属门，箱体正面设有一个190×100mm的开口，以便安装7寸的触摸显示屏5。
具体来讲，所述加热腔体11为长方形结构，由304不锈钢焊接而成的，从而形成长方形金属箱，长方形金属箱配有金属门，加热腔体11内腔长宽高尺寸为354×408×308mm3。所述提取容器10为圆柱形结构，由聚四氟乙烯制成，所述提取容器10上端开口设置。
考虑到金属材料在电磁场中易打火放电，整个提取容器10为圆柱形，由聚四氟乙烯制成，该提取容器10上端无密闭封盖，可保证加热后水蒸气从容器中散出。
此外，所述加热腔体11顶部装有排风扇8，所述排风扇8与主控制器20连接。可在加热腔体11中央位置开一个150×150mm的孔并选择安装型号为ACU-150的排气扇8，以保证射频加热时料液产生的水蒸气能够顺利排出。
具体来讲，所述正反螺牙滑台14为双向螺牙滑台，其单边调节距离为100mm，所述左平直极板12和右弧形极板7均通过聚四氟乙烯支脚13分别固定于正反螺牙滑台14上的两个滑台面上，从而起到稳定左平直极板12和右弧形极板7的作用。前述的传输铜带3一端与阻抗适配器2连接，另一端可通过螺栓固定在右弧形极板7与聚四氟乙烯支架13之间，将其与右弧形极板7导通，从而使阻抗适配器2通过传输铜带3与右弧形极板7相连。
所述左平直极板12和右弧形极板7均竖直放置，其中左平直极板12为平板，右弧形极板7为弧形板，左平直极板12和右弧形极板7均由铝材制成，相比于铜，铝制极板重量更轻，制造成本更低。左平直极板12和右弧形极板7厚度可均为2mm，其中，左平直极板12的尺寸高为140，长度为120mm，右弧形极板7的高为140mm，弧度为90°，直径为120mm。相比传统射频系统中极板水平布局，竖直布局有利于固液提取中机械搅拌装置的安装与水蒸气的消散。同时竖直布局可使整个提取系统占地面积最小，有利于工业化大规模应用。此外，极板竖直布局并采用适当大小的提取容器将有利于减小料液与极板的空气间隙，获得较好的射频加热均匀性。
为进一步提升基于射频波提取固液的效率，监测提取过程中料液温度变化以及实现料液的混合搅拌以提高传热传质，确保工艺过程的准确性。所述加热腔体模块还设有光纤测温系统和吹气式搅拌系统，
优选的，所述光纤测温系统包括设于提取容器10内的测温光纤探头6，测温光纤探头6插入提取容器10可直接测量料液的实时温度，所述测温光纤探头6连接有光纤数据采集器19，所述光纤数据采集器19与主控制器20相连以向主控制器20传输温度信息使其调节射频发生器1的功率。通过PID调节射频发生器1的工作状态，可使料液温度可在设定温度上下0.5℃范围内保温，若物料温度超过设定温度，则停止加热；反之，则继续加热。前述按钮还可以设定目标温度进行加热和定时保温，触摸显示屏5还可以显示加热产品温度变化曲线等重要参数。
所述吹气式搅拌系统包括设于提取容器10内的气吹式搅拌器气管9，气吹式搅拌器气管9可用耐热塑料制作，优选由PVC材料，所述气吹式搅拌器气管9连接有气泵18。耐热塑料气吹管9伸入提取容器底部，在气泵18的作用下吹气，具有较高的搅拌效果。所述气泵18与主控制器20相连以控制电机转速来调节吹气量。所述气吹式搅拌器气管9。
采用上述实施例所公开的基于射频波的固液提取系统进行固液提取时，可按照如下步骤进行：
S1)将经过一定酸碱或酶预处理后的介质放入提取容器10中，该提取容器10内插入气吹式搅拌器气管9，然后利用触摸显示屏5打开气泵18使气体通过气吹式搅拌器气管9进入提取容器10对介质进行搅拌，以保证其均匀性。以此种方式对介质进行搅拌，在不同的介质状态下，通过调整气泵18的电机转速来改变吹气量，从而调整气吹搅拌不同的搅拌速度。预搅拌后进入步骤S2；
S3)气泵18以适当速度通过气吹式搅拌器气管9吹入空气的同时，利用触摸显示屏5打开排风扇8，以便后续排出射频加热出现的水蒸气。
S4)气泵18以及排风扇8都已打开后，启动射频发生器1与阻抗匹配器2，依靠传输铜带3连接右弧形极板7以及接地的左平直极板12对提取容器10中的介质进行射频加热。通过测温光纤探头6监测射频提取容器10内容物的温度是否达到加热目标温度，为了保持工作温度相当恒定±0.5℃，使用主控制器20关闭或打开射频发生器1；
S5)加热实验中，使用带有4厘米针头的1毫升注射器从提取容器10中采集提取溶液样品，对其成分进行试验分析。
需要进行说明的是，本案中不同实施例中相同的技术名词的含义一致，对于技术名词的理解，本领域技术人员可在各个实施例之间相互参考。
以上对本发明所提供的基于射频波的固液提取系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于射频波的固液提取系统，包括加热腔体模块、射频加热模块和控制系统模块，其特征在于，所述加热腔体模块包括加热腔体(11)，所述加热腔体(11)内设有聚四氟乙烯隔板(16),所述聚四氟乙烯隔板(16)上设有聚四氟乙烯台(17)，所述聚四氟乙烯台(17)上设有提取容器(10)，所述聚四氟乙烯隔板(16)上设有安装缺口，所述加热腔体(11)内设有伸入安装缺口的正反螺牙滑台(14)，所述正反螺牙滑台(14)上设有围绕提取容器(10)的右弧形极板(7)、左平直极板(12)；
所述加热腔体(11)模块还设有光纤测温系统和吹气式搅拌系统，所述光纤测温系统包括设于提取容器(10)内的测温光纤探头(6)，所述测温光纤探头(6)连接有光纤数据采集器(19)，所述吹气式搅拌系统包括设于提取容器(10)内的气吹式搅拌器气管(9)，所述气吹式搅拌器气管(9)连接有气泵(18)。
2.根据权利要求1所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述射频加热模块包括射频发生器(1)和与射频发生器(1)连接的阻抗匹配器(2)，所述阻抗匹配器(2)通过传输铜带(3)与右弧形极板(7)连接，左平直极板(12)通过同轴线缆(15)接地。
3.根据权利要求2所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述控制系统模块包括控制腔体(4)、所述控制腔体(4)内设有主控制器(20)，所述控制腔体(4)上设有与主控制器(20)连接的触摸显示屏(5)，所述射频发生器(1)、正反螺牙滑台(14)的电机与主控制器(20)连接。
4.根据权利要求3所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述加热腔体(11)为长方形结构，由304不锈钢焊接而成的，所述提取容器(10)为圆柱形结构，由聚四氟乙烯制成，所述提取容器(10)上端开口设置。
5.根据权利要求4所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述加热腔体(11)顶部装有排风扇(8)，所述排风扇(8)与主控制器(20)连接。
6.根据权利要求1所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述正反螺牙滑台(14)为双向螺牙滑台，所述左平直极板(12)和右弧形极板(7)均通过聚四氟乙烯支脚(13)分别固定于正反螺牙滑台(14)上的两个滑台面上。
7.根据权利要求6所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述左平直极板(12)和右弧形极板(7)均竖直放置，其中左平直极板(12)为平板，右弧形极板(7)为弧形板，左平直极板(12)和右弧形极板(7)均由铝材制成。
8.根据权利要求5所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述光纤数据采集器(19)与主控制器(20)相连以向主控制器(20)传输温度信息使其调节射频发生器(1)的功率。
9.根据权利要求8所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，所述气泵(18)与主控制器(20)相连以控制电机转速来调节吹气量，所述气吹式搅拌器气管(9)由PVC材料制成。
10.根据权利要求9所述一种基于射频波的固液提取系统，其特征在于，进行固液提取时按照如下步骤进行：
S1)将经过酸碱或酶预处理后的介质放入提取容器（10）中，在提取容器（10）内插入气吹式搅拌器气管（9），然后按动触摸显示屏（5）打开气泵（18），气体通过气吹式搅拌器气管（9）进入提取容器（10）对介质进行搅拌，调整气泵（18）的电机转速来改变吹气量，预搅拌后进入步骤S2；
S3)按动触摸显示屏（5）打开排风扇（8）；
S4)启动射频发生器（1）与阻抗匹配器（2）对提取容器（10）中的介质进行射频加热，根据温光纤探头（6）所监测的温度调节主控制器（20）的按钮实现关闭或打开射频发生器（1），从而控制加热温度；
S5)加热实验中，使用带有4厘米针头的1毫升注射器从提取容器（10）中采集提取溶液样品，对其成分进行试验分析。
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