Моделирование рабочих параметров пилотной установки по получению микрокапсул

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ  ПАРАМЕТРОВ ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПОЛУЧЕНИЮ  МИКРОКАПСУЛ

Баерле А., Гуранда А., Граждян К., Де…..

Резюме: Исследовалась лабораторная пилотная установка для получения микрокапсул. Моделировались процессы нагревания и остужения реактора, а также влияние скорости перемешивания на стабильность получаемой эмульсии. Полученные данные позволяют эффективнее использовать установку для получения микрокапсул методом простой или сложной коацервации.

Ключевые слова: Пилотная установка, микрокапсулирование, кинетика, нагревание, перемешивание, устойчивость эмульсии.

5

3

2

4

6

1

7

 Микрокапсулирование – заключение небольшого количества вещества в оболочку пленкообразующего материала[1].Содержимое микрокапсул может иметь различное состояние, твердое, жидкое, газообразное. Капсулированное вещество может быть как индивидуальное вещество, так и смесь различных веществ. В качестве материалов для оболочки капсул используют высокомолекулярные соединения. Таковыми служат белки (желатин, альбумин, казеин), десстраны, производственные целлюлозы, природные смолы, синтетические полимеры и др.[2]. Технологические приемы микрокапсулирования основаны на процессах пленкообразования на границах раздела фаз, таких как жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело, газ-жидкость, газ-твердое тело. Получают микрокапсулы методами простой или сложной коацервации.[3]. Коацервация – выделение в растворе капель, обогащенных растворенным веществом.[1]. Исследуемые нами пищевые микрокапсулы состоят из β-каротина в качестве капсулируемого вещества и желатина в качестве пленкообразующего материала. Капсулируемый β-каротин диспергирует в растворе желатина. Пленкообразование в этом случае происходит из раствора пленкообразующего вещества. Микрокапсулы позволяют длительно сохранять реакционноспособные, неустойчивые или быстро портящиеся вещества, придавать жидким веществам сыпучий вид, осуществлять регулируемые введения реагентов в химические реакции. Микрокапсулы широко распространены в производстве строительных материалов, но также встречаются в фармацевтической и косметологической промышленности. В виде микрокапсул производят клеи, герметики, лаки, красители, растворители, щелочи, косметические средства, кремы для обуви, ароматические добавки к пищевым продуктам и др. На данный момент в пищевой промышленности микрокапсулы не получили столь широкого распространения, но получение пищевых микрокапсул являются приоритетными задачами многих лаборатории мира.

Рис. 1 Cхема установкиновки

Рассматриваемая установка состоит  из реактора (1), подающих градуированных емкостей с нижними отводами (2), магнитной мешалки с функцией нагревания (3), кранов (4), трубок (5), пробки (6) и прорезиненной мешалки (7). В подающие сосуды заливаются необходимые реагенты, с помощью кранов моделируется скорость подачи в реактор, с помощью шкал наблюдают объемы подающих жидкостей. Реактор устанавливают на магнитную мешалку, на дно опускается прорезиненная мешалка, которая вращаясь под действием магнетизма, создает в реакторе механическое перемешивание, интенсивность которого регулируют с помощью тумблера. Рассматриваемая модель магнитной мешалки имеет функцию нагревания, которая позволяет моделировать температурные режимы коацервации. Данная пилотная установка позволяет гибко моделировать рабочие параметры в лабораторных условиях.

Мы определили выход на стационарный температурный режим установки  следующим методом. Замерили температуру  воздуха в лаборатории, залили в  реактор 500 мл. воды а также зафиксировали начальную температуру воды (t =18 C).Попутно определили с помощью электронного хронографа время полной гомогенизации концентрированного раствора красителя ponsoe (t=2,1 sec.).На магнитной мешалке установили интенсивность перемешивания на 50% и включили нагрев, установили термометр в реактор и каждые 5 минут фиксировали изменения температуры воды в реакторе. Нашли точку выхода на стационарный режим, выключили установку и фиксировали температуру каждые 20 Рис.2. график нагревания/остывания

минут в течении часа. С помощью полученных данных построили совмещенный график нагрева/остывания.

Первые 7 минут нагревание происходило  медленно в связи с разогревом нагревателя. Далее 45 минут наблюдали  линейный рост температуры. Последние 3 замера показали очень близкие значения. В течение ____ установка вышла на стационарный температурный режим. При выключении нагрева температура понизилась линейно на 15 С за 1час.

Во втором опыте мы определили скорость расслоения фаз эмульсии при различной интенсивности механического перемешивания. Для этого залили в реактор 900 мл. воды, довели до стационарного температурного режима (t=67C) с интенсивностью перемешивания 50%. Приготовили 5% раствор желатина в объеме 100 мл. На водяной бане установили мерный стаканчик с водой,  после закипания внесли предварительно взвешенные 5 грамм желатина и кипятили несколько минут. Полученный раствор внесли в реактор. После перемешивания в реактор единовременно внесли 100 мл. подсолнечного масла “Floris” а также β-каротин к количестве 10 мл. Сразу после внесения масла засекли время и каждые 5 минут сливали пробу из реактора. С помощью электронного хронометра засекали время полного расслоения фаз. Маркером отмечали объем масляной фазы на каждой пробирке. Благодаря цвету β-каротина, выделить границу расслоения было гораздо проще.     

Рис. 3. Гистограмма скорости расслоения фаз

при различной интенсивности перемешивания.

При 50%  интенсивности перемешивания  скорость расслоения фаз менялась незначительно, что говорило об уже достигнутом стационарном режиме разделения фаз. Мы повторили опыт при 75% интенсивности перемешивания мешалки и получили другие значения. В отличие от первого опыта время расслоения фаз значительно увеличилось. Полученные данные представлены в совмещенной гистограмме. По окончанию опыта все пробирки совместили и установили                                                                                                       общий объем (V = 150 ml.). Расслоившиеся фаза масла имела объем  (V = 20 ml.). В реакторе осталось 950 ml. эмульсии.

В ходе этих двух опытов мы установили скорость полной гомогенизации концентрированного раствора красителя ponsoe, рабочий стационарный температурный режим, стационарный режим расслоения фаз эмульсии при 50% и 75% интенсивности перемешивания пилотной установки для получения микрокапсул. Эти данные позволят эффективнее использовать пилотную установку в процессе моделирования технологии получения микрокапсул. Пищевые микрокапсулы могут сыграть одну из ключевых ролей в развитие отрасли пищевой промышленности. Эти уникальные методы помогут разработать продукты питания с повышенной биологической ценностью. Микрокапсула позволяет защитить неустойчивые химические соединения от разрушения. В нашем случае капсулируемым веществом является β-каротин. Этот непредельный углеводород в основном содержится в некоторых овощах, потребление которых в будущем может существенно сократиться из-за истощаемых аграрных ресурсов. β-каротин является провитамином-А,  мощнейшим антиоксидантом, обладает иммуностимулирующим и адаптогенным действием, блокирует атомарный кислород, и недостаток его в организме повлечет серьезные заболевания. Технологии обогащения некоторых пищевых продуктов нестабильными нутриентами, необходимымыми для человека могут гарантировать стабильное будущее нашим потомкам.

Библиография

 

 

 

Abstract: We investigated the laboratory pilot plant to produce microcapsules. Model the processes of heating and cooling reactor and the effect of stirring speed on the stability of an emulsion. The data obtained for the installation of more efficient use of the preparation of microcapsules by simple or complex coacervation.

 

5

3

2

4

6

1

7