CN1357096A - 从木本植物材料提取天然汁液的方法,实施该方法的装置以及该方法在生产干燥木本植物或汁液中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提取木本植物材料的天然汁液的方法,实施所述方法的装置以及所述方法在生产干木本植物材料中的应用。所述提取木本植物材料的天然汁液的方法包括如下步骤:一个加压步骤,其中,对密闭室内盛放的植物材料加压,于是它的压力大于大气压;一个产生或喷射饱和水蒸气的步骤;一个通过电磁波将植物材料加热至中心的步骤;一个重力回收来自所述植物材料的液体渗出物的步骤。
Description
本发明涉及从木本植物材料提取天然汁液的方法，实施该方法的装置以及该方法在生产干燥木本植物或汁液中的应用。
术语“锯木”应理解为直接来源于初始加工(锯开)的木材。
从专利申请WO82/01766已知一种干燥木材的方法，即，以915MHz的频率对需要干燥的木块应用微波处理以便升高它们的内部温度并使它们排出水。通过风扇产生的低速空气循环使以这种方式排出的水在木材表面挥发。使具有约80％湿度的空气通过冷凝器从而排出该水分。
在文献WO82/01411中应用了相同的原理，但在后者中，另外注意到，空气温度必须总是低于木材的内部温度。此文献作为缺点引述了这一事实：在材料的内部被加热之前，材料的表面被微波加热了。因而，在此文献中提出了对转化电磁能为热能的过程加以控制以便将波集中在材料内的水上。此外，它还启示了作用于室内的气氛，即，通过保持足够高的空气湿度百分含量使产品表面不至于在木材中心中的水分被引出之前干透。为此，在干燥过程的初始阶段过程中，将呈雾化形式的水引入室内以保持高含湿量。
同样，在1995年由Springer-Verlag出版的综述“Holz als rohund werkstoff”，pp333～338中出现的标题为“松树和云杉的微波干燥”(A.L.ANTTI)中的论文对微波干燥木材给予了指示，即，在915或2450MHz的频率和25～78kW/m3范围内的功率密度下操作而使木材内部温度达到约140℃并使木材内部蒸气压达到25KPa。这样实现的内部压力太高而不能很迅速排出水。该方法的缺点是，在纤维中产生裂缝。上述干燥方法始于约70℃的迅速微波干燥，然后，在干燥过程中断续暴露于微波中，最后，通过控制木材温度低于纤维饱和度(保持在110℃的最高温度以内)而进行干燥操作。
在各种假设情况下，显然是利用空气作为载体而除去木材排出的水分。为此，空气含湿量必须保持低于水蒸气中的空气饱和值。所以，在已知装置中需要将空气除湿以便能干透木材。此外，需要使空气温度低于木材的温度以便能蒸发。所有这些装置的缺点在于，引起大的能量损耗并且能量消耗不是最优化的。确实，木材温度越高，微波发生器的功率就必须相应地越大，所以它们使持续数小时的干燥操作费用越高，消耗的能量越大。确实，从上文引述的文献可见，根据木材厚度和设备的功率决定干燥时间是3～5小时。此外，已知方法中都没有设法使干燥后的木材达到低于30％水分。
最后，还从法国专利申请2 763 795和2 705 035得知，利用微波从生物材料提取天然产品，即，使生物材料在没有任何溶剂存在下经历微波辐射以便引起至少一部分含于所述材料中的水蒸发和细胞结构破裂。上述方法包括，在密闭室内断续应用低压以便促进这种破裂。微波的应用实际上起补偿因水蒸发引起的温度降低的作用。无论情况怎样，应用的温度都保持低于100℃，而压力则低于大气压(1巴)。按所述方法，应用了约100毫巴的压力和约70℃的温度。
本发明的目的是提供一种方法，它能使汁液生产中(对一定量加工的纤维植物材料来说)达到能量最优化和产率最大。
通过这一事实实现了该目的，即，从木本植物材料提取天然汁液的方法包括：
-在高于大气压下对盛有所述材料的密闭室加压的步骤；
-产生或喷射饱和水蒸气的步骤；
-通过电磁波加热植物材料中心的步骤；
-重力回收从加工的植物材料排出的液体渗出物的步骤。
按另一个细节，所述回收步骤可在产生或喷射饱和水蒸气的步骤中至少部分地实施。
按又一个细节，总压力在1.5～9.6巴之间。
按又一个细节，采用的总压力作为加工的植物材料和围绕该材料的蒸气温度的函数。
按又一个细节，调节波功率使所述材料被加热至中心，它比选定的总压力产生的蒸气温度高零点几度至数度。
按又一个细节，在大气压和外部环境温度下水的体积等于相同条件下含于密闭室内的空气体积的二到四倍。
按又一个细节，对于选定的操作温度来说，饱和蒸气压所需的体积约为环境温度下含于密闭室内的空气容积的三倍。
按又一个细节，使微波频率适合要在密闭室内加工的植物材料物料的尺寸，从而使微波正好透入要加工的植物材料中心。
按又一个细节，微波频率在13MHz～2450MHz之间。
按又一个细节，本方法包括这一步骤，即，在提取操作期间或在提取操作过程中，在压力下从密闭室排放出汁液。
按又一个细节，本方法包括这一步骤，即，在排出汁液后，调节总压力、温度和波控制功率的条件而促进喷射入密闭室内的添加产品渗入木材。
本发明的另一个目的是提供一种能实施本方法的装置。
通过这一事实实现了该目的，即，所述装置包括下列单元：一个耐压的密闭室，很多由石英或适合波的任何其它材料制成的窗，在每个窗的附近放置一台电磁波发生器，以便对置于密闭室内的植物材料物料横向发射波，一个在高于大气压的压力下产生饱和水蒸气的装置，以便在作为要加工的植物的函数确定的蒸气温度和总压力下产生或喷射饱和水蒸气压。
按另一个细节，所述装置包括压缩空气循环设备。
按又一个细节，蒸气发生器装置能使在预定的蒸气温度和总压力下喷射压力下的蒸气。
按又一个细节，蒸气发生器装置包括：处于密闭室内的一个接收器(用来接收相当于在外部环境温度下含于密闭室内的空气质量的二到四倍量的水)和将该水加热成蒸气状态的装置。
按又一个细节，所述加热装置由一个设备控制，该设备测定密闭室内占优势的总压力，当达到所需压力时能中断对水的加热。
按又一个细节，所述密闭室包括一个回收汁液的设备，它通过从植物材料提取的汁液的流出和/或重力而回收汁液。
按又一个细节，所述汁液回收设备通过一个闸门(sluice)与密闭室的外部连通，控制所述闸门以便在机器操作时进行汁液的部分排放。
按又一个细节，汁液提取操作中加工的植物材料物料由一类植物构成，并且压力和温度条件是作为植物油类别的函数确定的，以便在最佳条件下提取值得提取的活性组分。
按又一个细节，加工直接来自采伐场的有树皮或无树皮的木材。
按又一个细节，所述植物是修剪时得到的枝条和叶。
最终目的是获得一种天然汁液。
通过这一事实实现了该目的，即，所述天然汁液是从加工木本植物材料获得的。
通过参照附图阅读下列描述将更清楚地显现本发明的其它细节和优点，其中：
-图1A示出了本发明装置的横截面；
-图1B示出了本发明装置的纵断面俯视图；
-图2示出了安装的装置侧视图；
-图3示出了本发明第二个变化形式的装置的纵断面俯视图。
如图1A所示，所述装置由一个优选是金属材料制造的圆柱形密闭室(1)构成，所述金属材料一方面提供良好的绝热性和受压不透气性，另一方面提供不透波性。所述密闭室的一端通过一扇门(16，图1B)或两扇门开启。密闭室中备有窗口(14)而构成由气密性材料制作的窗，但允许电磁波(例如微波)辐射透过。这些加压窗(14)由这种材料制作，即，它能经受密闭室内产生的压力，能使波向密闭室内部和所述发射窗传播。这些窗(14)具有一定尺寸并且处于这样的位置，即，能使电磁波传送到放入密闭室中的全部植物物料而且恰好传送到它的中心。通过导向波(14)将电磁波导引到很多窗，这些窗纵向排列并且在每侧沿木材堆(3)以有规则的或不规则的间隔排列而达到可能的最均匀的波分布。导向波(40)通过阻抗校正器(41)和3分贝分配器(42)与绝缘体(43)和频率在1MHz～16GHz频率范围内的电磁波发生器(44)连通。在每个发射窗(14)之间或者在末端发射窗和每个密闭室底之间优选排列很多通道(12)使通过通风机V驱动的空气循环。这些通道(12)在大致相当于木材堆(3)的高度通过隔栅(13)与盛放木材堆(3)的密闭室内部区连通，利用运输工具输送木材堆(3)，例如，具有安装在承载板(31)上的车轮(32)的货车。木材或木本植物堆优选由呈枝条、未规定的厚度和宽度的板条或木板或桁条(修剪或锯开时得到的)的碎片(30)构成，以及关于板条、木板或桁条沿它们的长度方向邻接地排列，或者关于枝条沿纵向成捆排列而形成一层。每一层木材或植物通过以不邻接的方式直立地放置的板条或棒(33)与下一层隔开以便在邻接层之间或成捆的植物之间提供空气、波和水循环的通道。还通过促进波向密闭室内侧和木材反射的材料构成空气的循环回路。由通道(15)将密闭室与蒸气发生器系统(2)和可能的空气压缩机(20)连接。水分从蒸气发生器经由扩散格栅(13)到达，格栅能使它在密闭室内均匀地扩散而没有引起对木材的正面侵蚀的危险。应用空气压缩机(20)产生压缩空气以加速木材中的水分循环并且当蒸气发生器系统(2)不能产生足够压力的蒸气时升高到所需的温度或者伴随温度的升高和加速木材中的水分循环。另一方面，当在足够压力下应用发生器系统而达到所需的温度和压力时，就可省去空气压缩机。密闭室包括装载和卸下成堆的待加工植物的装置和回收从植物提取的汁液或液体渗出物的装置。在示出的实施例中，货车车轮行驶在与槽(1)的底部构成一体的轨道(10A，10B)上，为它们提供电弧消除装置。格栅(19)使得有可能防止波向液体渗出物或收集在槽底部的溢出水传播。通过由闸门(17)控制的通道(18)排放这些溢出水。该通道(18)呈现在可移动的或可排泄的、用于盛来自干燥过程的液体渗出物的回收容器中。在一个变化形式中，持久地或间歇地开启所述通道。最后，槽的上部包括一个安全阀(11)，它使槽保持在所需的压力，如果压力太高，就解除压力，最后，一旦完成干燥过程，就使槽处于常压。
在图2的装置图中，槽(1)被封装在密闭室(5)中，它通过最后被自动控制而在开始则由电子控制系统控制的门锁(16)流通。预装载区(50)使货车被带到一对轨道(10C，10D)上，它们与密闭室(1)中的轨道(10A，10B)没有电联系。汽化装置(52)在波应用过程中使水喷射而防止任何向外辐射泄漏。通过通道(18)将一个可移动的和可排泄的储槽(未示出)与密闭室(1)连接并且使来自干燥木材的液体渗出物被收集。为了减少渗漏，像埋藏储槽(6)那样埋藏电磁波发生器(44)并通过导向波(40)将电磁波发生器与干燥密闭室(1)连通。
图3示出了密闭室的第二个实施方案变化形式，其中，在密闭室的任一侧都安装了三个窗(141)，每个窗处于与功率为例如约1000瓦的微波发生器(43)相对的位置，该功率由控制系统(48)通过各自的中继线(431)控制，所述控制系统使功率适合每种波，作为需要通过波在植物内产生的热的函数。密闭室还包括一个接收器(45)，它具有足够尺寸而容纳相当于外界空气的大气压和环境温度时密闭室内所含空气质量的大约四倍的水质量。接收器(45)内放置了加热电阻器(46)使水物质的温度升高并且在升高密闭室内的压力时使它逐渐变成蒸气状态。将电阻器(46)与控制电路(47)连接，无论控制电路是否与控制系统(48)连接成一体，它都控制对电阻器的电力供应(作为加工材料所需的饱和蒸气温度和由压力检测器(未示出)提供的压力信号的函数)，使信号提供给控制电路(47)，反映密闭室内占优势的总压力和该密闭室内由加热的水产生的饱和蒸气温度之间的关系。
达到饱和蒸气状态所需的水量很显然取决于加工植物物质所需的温度，不过可以认为，在90～170℃的饱和蒸气温度范围内，相对于最初含于密闭室内的干空气质量所需的质量大约是空气质量的二至四倍。显然，如果放入太多的水，它将停留在接收器底部并且将不会转化为蒸气状态，除非进一步升高温度于是升高压力。应当记住，在饱和蒸气条件下，90℃的温度相应于密闭室内占优势的1.5巴总压力。“总压力”应理解为空气压力加饱和蒸气压力。100℃的饱和蒸气温度相应于2巴的总压力，而170℃相应于9.6巴的总压力。
通过试验观察到，提取汁液所需的条件是：高于大气压的总压力，并且密闭室内的环境温度约为100℃。只要环境温度低于100℃，汁液就包含很少对化学工业有意义的分子。一旦达到100℃的环境温度，木质材料堆的温度就升高了，从而可回收汁液，如果超过170℃(于是超过9.6巴的压力)，分子不是被改变了，就是被破坏了。
最后，为节省能量起见，希望优化该方法，应用足够的微波功率在植物物质内产生稍高于密闭室内占优势的温度的温度。该温度的目的是促进从木本植物材料提取汁液。显然，在这些范围内选定温度和压力作为加工的油和植物材料的函数或者作为需要提取的分子的函数。还注意到，压力愈高，促进汁液运动愈剧烈，但是必须在汁液的提取与分子的保持或者所需分子的质量和性能之间建立一个折衷方案。
所以，通过该方法，有可能从木材提取不同的天然分子而在不同商业领域应用它们，例如，药物、化妆品、食品工业、精细化学等。这些汁液能通过后续的加工提取苯酚、多酚、单宁、萜、维生素、乙酸、水杨酸、调味剂等。
对于100℃的饱和蒸气温度可应用2巴的压力，2.7巴对应于130℃的温度，3巴对应于140℃的温度，3.5巴对应于150℃的温度，至多9.6巴对应于170℃的温度。可在继续阶段中或者逐渐地或者根据使所需结果最佳化(即，汁液的生产或木质材料的干燥)的循环再次地出现温度和压力升高。还将以这种方式控制电磁波功率，以致从材料堆的中心向外实现轻微的温度梯度(于是实现压力梯度)，处于材料堆末端区附近的发生器发射略低的功率。使电磁波的频率适合要在密闭室内加工的植物材料堆的尺寸，从而使波正好透入加工的植物材料堆的中心并且可在1MHz～16GHz频率范围内选择。可在400MHz～2450MHz的微波范围内或关于需要更大的波透入的应用选择波频率。有可能应用13或17MHz或者甚至17～400MHz之间的数量级的频率。将作为所要求结果的功能选择油。例如，当加工山毛榉、有花梗的栎木或无花梗的栎木时，获得高calcious叶面指数，它是对化学工业有意义的分子的存在迹象。由甲酸和乙酸构成的pH也高于通过传统提取方法获得的汁液。还值得注意的是单宁、wyskilin、愈创木酚、苯酚和多酚的强烈存在。酚是用于生产热固性聚合物和热塑性聚合物的基本产品。多酚可供生产抗自由基产品(抗老化产品)之用。通过加工松柏科树，可提取萜或者还可提取杀虫剂。通过加工柳木和杨木，可提取水杨酸。加工欧洲赤松(Scots pine)能生产杀虫剂。同样，从杨木可提取水杨酸。通过加工水松(yew wood)，可提取去乙酰浆果赤霉素3(也称为“紫杉酚”)。例如，澳松(Corsican pine)生产萜和/或挥发性萜烯醇，例如，作为生产精油(香料)的基本产品的异冰片或甲基香兰素(天然香子兰提取物)；非挥发性树脂酸，例如，异构体或脱氢枞酸。
本方法还可用于任何其它油，例如，桉树(eucalyptus)油、云杉(spruce)油或预定的油掺合物或者还可加工修剪后的枝和叶。
显然，还可按本方法加工其它植物材料而不会偏离本发明。
除了汁液生产之外，本方法还可获得用于其它用途的干燥植物材料，例如，柱、干木栅栏的生产或者其它干燥植物部分作为添加剂在例如生产绝缘材料中的应用。
本领域技术人员能做到的其它修饰也是本发明实质的一部分。例如，可应用任何运输机械代替轨行货车。同样，控制和调节装置将能触发该方法与有些复杂的自动过程相关的连续阶段。同样，密闭室包括安全阀(11)，它在操作结束时或者在通过控制系统检测到过高压力时使密闭室向外界敞开。
此外，在汁液提取操作结束时，在已收集并倒空密闭室内大部分汁液之后而不引起压力显著下降，可以喷射加工植物的另外产品，例如，就木材加工来说，喷射抗真菌剂或聚合材料。至于聚合材料，可在此阶段中升高温度和压力至总压下的最大值或者甚至高于170℃和升高到200℃，调节由材料中心处微波产生的中心温度而促进聚合材料的渗透。
Claims (22)
1.一种从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，它包括：
-在高于大气压下对盛装所述材料的密闭室加压的步骤；
-产生或喷射饱和水蒸气的步骤；
-通过电磁波加热到植物材料中心的步骤；
-重力回收从加工的植物材料排出的液体渗出物的步骤。
2.权利要求1的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，所述回收步骤可在产生或喷射饱和水蒸气的步骤过程中至少部分地实施。
3.权利要求1或2的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，总压力在1.5～9.6巴之间。
4.权利要求1或2或3的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，采用总压力作为加工的植物材料和围绕该材料的蒸气温度的函数。
5.权利要求1～4任一项的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，调节微波功率使所述材料被加热至中心，它比选定的总压力产生的蒸气温度高零点几度至数度。
6.权利要求1～5任一项的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，在大气压和外部环境温度下水的体积等于相同条件下含于密闭室内的空气体积的二到四倍。
7.权利要求6的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，对于选定的操作温度来说，饱和蒸气压所需的体积约为环境温度下含于密闭室内的空气容积的三倍。
8.权利要求1～7任一项的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，使微波频率适合密闭室内待加工的植物材料物料的尺寸，从而使微波正好透入加工的植物材料中心。
9.前述权利要求任一项的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，微波频率在13MHz～2450MHz之间。
10.前述权利要求任一项的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，它包括这一步骤，即，在提取操作期间或在提取操作过程中，在压力下从密闭室排出汁液。
11.权利要求9的从木本植物材料提取天然汁液的方法，其特征在于，它包括这一步骤，即，在排出汁液后，调节总压力、温度和微波控制功率的条件而促进喷射入密闭室内的添加产品渗入木材。
12.一种实施本方法的装置，其特征在于，该装置包括下列单元：一个耐压的密闭室，很多由石英或适合波的任何其它材料构成的窗，在每个窗的附近放置一台电磁波发生器，以便对置于密闭室内的植物材料物料横向发射波，一个在高于大气压的压力下产生饱和水蒸气的装置，以便在作为要加工的植物的函数确定的蒸气温度和总压力下产生或喷射饱和水蒸气压。
13.权利要求12的装置，其特征在于，它包括压缩空气循环装置。
14.权利要求12或13之一的装置，其特征在于，蒸气发生器装置能使在预定的蒸气温度和总压力下喷射加压蒸气。
15.权利要求14的装置，其特征在于，蒸气发生器装置包括在密闭室内的一个接收器，用来接收相当于在外部环境温度下含于密闭室内的空气质量的二到四倍量的水，以及将该水加热到蒸气状态的装置。
16.权利要求15的装置，其特征在于，所述加热装置由一个装置控制，它测定密闭室内占优势的总压力，当达到所需压力时能中断水的加热。
17.权利要求12～16任一项的装置，其特征在于，所述密闭室包括一个回收装置，它通过从植物材料提取的汁液的流出和/或重力而回收汁液。
18.权利要求17的装置，其特征在于，所述汁液回收设备通过一个闸门与密闭室的外部连通，控制所述闸门以便在机器操作时进行汁液的部分排放。
19.权利要求12～18任一项的装置，其特征在于，汁液提取操作中加工的植物材料物料由一类植物油构成，并且压力和温度条件是作为植物油类别的函数确定的，以便在最佳条件下提取值得提取的活性组分。
20.权利要求19的装置，其特征在于，加工直接来自采伐场的有皮或无皮植物。
21.权利要求19的装置，其特征在于，所述植物是修剪时得到的枝条和叶。
22.通过权利要求1的方法获得的天然汁液，其特征在于，它是从木本植物材料的加工获得的。
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