В сверхкритическом состоянии В процессах экстракции В традиционных методах экстракции растительного и животного сырья применяются различного рода органические растворители, которые узко специфичны и редко обеспечивают извлечение из сырья полного комплекса биологически активных соединений. Более того, при этом всегда возникает проблема отделения от экстракта остатков растворителя, причем технологические параметры этого процесса могут привести к частичному или даже полному разрушению некоторых компонентов экстракта, что обуславливает изменение не только состава, но свойств выделенного экстракта. По сравнению с традиционными методами, процессы экстракции (а также фракционирования и импрегнации) с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии имеет целый ряд преимуществ: · энергосберегающий характер процесса; · высокая массообменная характеристика процесса благодаря низкой вязкости и высокой проникающей способности растворителя; · высокая степень извлечения соответствующих компонентов и высокое качество получаемого продукта; · практическое отсутствие СО2 в готовой продукции; · используется инертная растворяющая среда при температурном режиме, не грозящем термической деградацией материалов; · процесс не дает сточных вод и отработанных растворителей, после декомпрессии СО2 может быть собран и повторно использован; · обеспечивается уникальная микробиологическая чистота получаемой продукции; · отсутствие сложного оборудования и многостадийного процесса; · используется дешёвый, нетоксичный и негорючий растворитель. Селективные и экстракционные свойства диоксида углерода могут меняться в широких пределах при изменении температуры и давления, что обуславливают возможность извлечения при низкой температуре из растительного сырья большей части спектра известных на сегодняшний день биологически активных соединений. 1. Для получения ценных натуральных продуктов – СО2-экстрактов пряновкусовых веществ, эфирных масел и биологически активных веществ. Экстракт практически копирует исходное растительное сырье, что же касается концентрации входящих в него веществ, то можно заявить об отсутствии аналогов среди классических экстрактов. Данные хроматографического анализа показывают, что содержание ценных веществ превосходит классические экстракты в десятки раз. Освоено получение в промышленных масштабах: · экстрактов из пряностей и лекарственных трав; · фруктовых ароматов; · α и β-кислот из хмеля; · антиоксидантов, каротиноидов и ликопенов (в том числе из томатного сырья); · натуральных красящих веществ (из плодов красного перца и других); · ланолина из шерсти; · натуральных растительных восков; · масла из облепихи. 2. Для выделения высокоочищенных эфирных масел, в частности из цитрусовых. При экстракции сверхкритическим СО2 эфирных масел успешно экстрагируются и легколетучие фракции, которые придают этим маслам фиксирующие свойства, а также более полный аромат. 3. Для удаления кофеина из чая и кофе, никотина из табака. 4. Для удаления холестерина из продуктов питания (мясо, молочные продукты и яйца). 5. Для изготовления обезжиренных картофельных чипсов и соевых продуктов; 6. Для производства высококачественного табака с заданными технологическими свойствами. 7. Для химической чистки одежды. 8. Для удаления соединений урана и трансурановых элементов из радиоактивно заражённых почв и с поверхностей металлических тел. При этом в сотни раз сокращаются объёмы водных отходов, и нет необходимости в использовании агрессивных органических растворителей. 9. Для экологически чистой технологии травления печатных плат для микроэлектроники, без образования ядовитых жидких отходов. В процессах фракционирования Выделение жидкого вещества из раствора, либо разделение смеси жидких веществ носит название фракционирования. Эти процессы являются непрерывными и поэтому значительно более эффективны, чем выделение веществ из твёрдых субстратов. 10. Для рафинации и дезодорации масел и жиров. Для получения товарного масла необходимо провести целый комплекс мероприятий, таких как удаление лецитина, слизи, кислоты, произвести отбеливание, дезодорацию и прочие. При экстракции сверхкритическим СО2 эти процессы осуществляются в течение одного технологического цикла, причем качество получаемого в этом случае масла значительно лучше, поскольку процесс протекает при относительно низких температурах. 11. Для уменьшения содержания алкоголя в напитках. Изготовление безалкогольных традиционных напитков (вино, пиво, сидр) имеет увеличивающийся спрос по этическим, религиозным или диетическим соображениям. Даже если эти напитки с низким содержанием алкоголя зачастую имеют более низкое качество, их рынок значителен и быстро растет, так что улучшение подобной технологии представляет собой очень привлекательный вопрос. 12. Для энергосберегающего получения глицерина высокой чистоты. 13. Для энергосберегающего получения лецетина из соевого масла (с содержанием фосфатидил холина порядка 95%). 14. Для проточной очистки промышленных сточных вод от углеводородных загрязнителей. В процессах импрегнации Процесс импрегнации – внедрение новых веществ, в сущности, является обратным процессом экстракции. Нужное вещество растворяется в суперкритическом СО2, затем раствор проникает в твердый субстрат, при сбросе давления углекислый газ моментально улетучивается, а вещество остаётся в субстрате. 15. Для экологически чистой технологии крашения волокон, тканей и текстильных аксессуаров. Окрашивание является частным случаем применения импрегнации. Красители обычно растворены в токсичном органическом растворителе, поэтому окрашенные материалы приходится тщательно промывать, в результате чего растворитель либо испаряются в атмосферу, либо оказываются в сточных водах. При сверхкритическом окрашивании вода и растворители не используется, краситель растворён в сверхкритическом СО2. Этот метод дает интересную возможность окрашивать различные типы синтетических материалов одновременно, например, пластиковые зубцы и тканевую подкладку застежки-молнии. 16. Для экологически чистой технологии нанесение красок. Сухой краситель растворяется в потоке сверхкритического СО2, и вместе с ним вылетает из сопла специального пистолета. Углекислый газ сразу же улетучивается, а краска оседает на поверхности. Эта технология особенно перспективна для окраски автомобилей и крупногабаритной техники. 17. Для гомогенизированного пропитывания полимерных структур лекарственными препаратами, обеспечивая тем самым постоянное и длительное высвобождение лекарства в организме. Эта технология основана на способности сверхкритического СО2 легко проникать во многие полимеры, насыщать их, вызывая раскрытие в нём микропор и набухание. В технологических процессах 18. Замена высокотемпературного водяного пара сверхкритическим СО2 в процессах экструзии, при переработке зерноподобного сырья, позволяет использовать относительно низкие температуры, вводить в рецептуру молочные ингредиенты и любые термочувствительные добавки. Сверхкритическая флюидная экструзия позволяет создавать новые продукты с ультрапористой внутренней структурой и гладкой плотной поверхностью. 19. Для получения порошков полимеров и жиров. Струя сверхкритического СО2 с растворёнными в нём некоторыми полимерами или жирами инжектируются в камеру с более низким давлением, где они «конденсируются» в виде совершенно однородного мелко дисперсного порошка, тончайших волокон или плёнок. 20. Для подготовки к сушке зелени и плодов путём удаления кутикулярного воскового слоя струёй сверхкритического СО2. В процессах проведения химических реакций 21. Перспективным направлением применения сверхкритического СО2 является использование его в качестве инертной среды в ходе химических реакций полимеризации и синтеза. В сверхкритической среде синтез может проходить в тысячу раз быстрее по сравнению с синтезом тех же веществ в традиционных реакторах. Для промышленности очень важно, что столь значительное ускорение скорости реакций, обусловленное высокими концентрациями реагентов в сверхкритической среде с её низкой вязкостью и высокой диффузионной способностью, позволяет соответственно сократить время контакта реагентов. В технологическом плане это дает возможность заменить статические замкнутые реакторы проточными, принципиально меньшего размера, более дешёвыми и безопасными. В тепловых процессах 22. В качестве рабочего тела для современных энергетических установок. 23. В качестве рабочего тела газовых тепловых насосов, производящих высокотемпературное тепло для систем горячего водоснабжения. В твёрдом состоянии (сухой лёд и снег) В пищевой промышленности 1. Для контактного замораживания мяса и рыбы. 2. Для контактного быстрого замораживания ягод (красной и чёрной смородины, крыжовника, малины, черноплодной рябины и других) 3. При хранении, транспортировке и реализации замороженных и охлаждённых пищевых продуктов. Развивается производство брикетированного и гранулированного сухого льда для покупателей и продавцов скоропортящихся продуктов. Сухой лёд очень удобен для транспортировки и при реализации в жаркую погоду мяса, рыбы, мороженого – продукты остаются замороженными весьма продолжительное время. Поскольку сухой лёд только испаряется (сублимируется), растаявшей жидкости не бывает, и транспортные ёмкости остаются всегда чистыми. Авторефрежираторы могут оборудоваться малогабаритной сухолёдной системой охлаждения, которая характеризуются предельной простотой устройства и высокой надёжностью в работе; её стоимость во много раз ниже стоимости любой классической холодильной установки. При перевозках на короткие расстояния подобная система охлаждения является наиболее экономичной. 4. Для предварительного охлаждения контейнеров перед загрузкой продукции. Обдувание струей сухого снега в холодном углекислом газе является одним из самых эффективных способов предварительного охлаждения любых контейнеров. 5. При авиационных перевозках в качестве первичного хладагента в изотермических контейнерах с автономной двухступенчатой холодильной системой (гранулированный сухой лёд – фреон). При работах по очистке поверхностей 6. Для очистки поверхностей узлов и деталей от эксплуатационных загрязнений. В последнее время возник большой спрос на безабразивную экспресс-очистку материалов, сухих и влажных поверхностей струей мелко гранулированного сухого льда (бластинг). Без разбора агрегатов можно успешно осуществлять: · очистку линий сварки; · удаление старой краски; · очистку литейных форм; · очистку узлов типографских машин; · очистку оборудования для пищевой промышленности; · очистку форм для производства пенополиуретановых изделий. · очистку пресс-форм для производства автомобильных шин и других резинотехнических изделий; · очистку форм для производства пластмассовых изделий, в том числе очистку форм для производства ПЭТ бутылок; Когда гранулы сухого льда ударяются о поверхность, они мгновенно испаряются, создавая микровзрыв, который снимает загрязнение с поверхности. При удалении хрупкого материала, такого как краска, процесс создает волну давления между покрытием и основой. Эта волна достаточно сильная для того, чтобы снять покрытие, приподняв его изнутри. При удалении тягучих или вязких материалов, таких как масло или грязь, процесс очистки подобен смыву сильной струей воды. 7. Для очистки от заусенцев штампованных изделий из резины и пластика (галтовка). При строительных работах 8. В процессе изготовления пористых строительных материалов с одинаковым размером пузырьков углекислого газа, равномерно распределённых по всему объёму материала. 9. Для замораживания грунтов при строительстве. 10. Для очистки артезианских колодцев. 11. При снятии асфальтовых покрытий в жаркую погоду. В прочих отраслях промышленности 12. Для холодной посадки деталей в машиностроении. 13. При изготовлении пластичных сортов легированных и нержавеющих сталей, отожжённых алюминиевых сплавов. 14. При дроблении, помоле и консервации карбида кальция. 15. Для создания искусственного дождя и разгона облаков. 16. Для образования безвредного дыма при проведении спектаклей и концертов. В медицине 17. В медицине для лечения некоторых кожных заболеваний (криотерапия). Подкормка углекислым газом растений
в защищённом грунте Значение подкормки растений На сегодняшний день в овощеводческих и цветоводческих хозяйствах России остро стоит вопрос об осуществлении подкормок углекислым газом растений в защищённом грунте. Низкое содержание углекислого газа сейчас является фактором, ограничивающим урожайность (в первую очередь при малообъёмной культуре). В воздухе теплицы площадью 1 га содержится около 20 кг СО2. При максимальных же уровнях ФАР в весенние и летние месяцы потребление СО2 растениями огурца в процессе фотосинтеза может приближаться к 50 кг·ч/га (т.е. до 700 кг/га СО2 за световой день). Образующийся дефицит лишь частично покрывается за счёт притока атмосферного воздуха через фрамуги и неплотности ограждающих конструкций, а также за счёт ночного дыхания растений. В грунтовых теплицах дополнительным источником углекислого газа является грунт, заправленный навозом, торфом, соломой или опилками. Эффект обогащения воздуха теплицы углекислым газом зависит от количества и вида этих органических веществ, подвергающихся микробиологическому разложению. Например, при внесении опилок, смоченными минеральными удобрениями, уровень углекислого газа в первое время может достигать высоких значений ночью, и днём при закрытых фрамугах. Однако в целом этот эффект недостаточно велик и удовлетворяет лишь часть потребности растений. Основным недостатком биологических источников является кратковременность повышения концентрации углекислого газа до желаемого уровня, а также невозможность регулирования процесса подкормки. Нередко в грунтовых теплицах в солнечные дни при недостаточном воздухообмене содержание СО2 в результате интенсивного поглощения растениями может упасть ниже 0,01% и фотосинтез практически прекращается! Недостаток СО2 становится основным из факторов, ограничивающих ассимиляцию углеводов и соответственно рост и развитие растений. Полностью покрыть дефицит возможно только за счёт использования технических источников углекислого газа (табл. 2). Таблица 2 Источники углекислого газа для тепличных растений №ГруппаИсточник
IЕстественные источники1. атмосферный воздух
IIБиологические источники1. тепличный грунт, разложение внесённых в грунт органических материалов 2. ночное дыхание растений 3. продукты спиртового и метанового брожения (очищенные)
IIIТехнические источники1. продукты сгорания углеводородного
топлива (очищенные) 2. сжатая и жидкая углекислота, сухой лёд
Дефицит СО2 является более серьёзной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания – в среднем, растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества, остальные 6% растение получает из минеральных удобрений! Наряду с режимом минерального питания, регулированием температуры и влажности, подкормки СО2 играют очень важную роль в управлении вегетативным и генеративным балансом растения. Повышение активности фотосинтеза увеличивает пул ассимилятов и стимулирует развитие растений в генеративном направлении. При этом до корневой системы доходит значительно больше питательных веществ, поэтому усиливается рост молодых корней, активизируется поглощение элементов минерального питания, повышается устойчивость растения к неблагоприятным факторам среды, в том числе к повышенной температуре воздуха. Европейские овощеводы рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего периода выращивания растений – от появления всходов до прекращения вегетации – как обязательный элемент современной интенсивной технологии выращивания томата, огурца и сладкого перца. Дозируя углекислый газ, можно эффективно добиться сокращения продолжительности вегетативной фазы развития растения, что обеспечит получение раннего, самого дорогого урожая овощей. При достаточной обеспеченности элементами минерального питания, эти подкормки всегда повышают общую урожайность этих культур на 15-40%, увеличивая количество и массу плодов, и ускоряют их созревание на 5-8 дней. Прирост биомассы зеленных культур при подкормках СО2 существенно увеличивается: к примеру, урожайность салата повышается на 40%, созревание ускоряется на 10-15 дней. Подкормка цветочных культур в теплицах также высокоэффективна, поскольку значительно повышает качество и выход продукции, по некоторым данным, до 20-30%. За счёт увеличения содержания углекислого газа в воздухе теплицы можно добиться снижения содержания нитратов в овощах, выращиваемых в зимнее время. Повышенная концентрация СО2 частично компенсирует недостаток освещённости зимой и при уменьшении светопропускания кровли теплицы, а также способствует более эффективному использованию света ранним утром. К примеру, недостаток солнечной радиации зимой, который часто приводит к потере первых соцветий у томата, возможно успешно компенсировать увеличением концентрации СО2 до 0,1%. Такой технологический приём увеличивает интенсивность фотосинтеза, способствует более высокой интенсивности выведения ассимилятов из листьев, тем самым восстанавливая завязывание плодов. В осеннем обороте подкормки углекислым газом в перспективе являются основным резервом повышения урожайности овощных культур, в первую очередь томата. Ведение светокультуры вообще немыслимо без постоянных подкормок углекислым газом. Подкормки СО2 в условиях холодного климата России особенно выгодны после нового строительства и реконструкции теплиц, поскольку такие теплицы герметичны, фрамугами теперь управляет современная система управления форточной вентиляцией, поэтому дозирование можно проводить продолжительное время с умеренными потерями. Технологии подкормки растений В настоящее время применяются три группы промышленных технологий подкормки растений в остеклённых и плёночных теплицах, использующие технические источники углекислого газа: прямая газация при помощи газогенераторов, нагнетание отходящих газов котельной, подача чистого углекислого газа. Для объективного сравнения этих технологий между собой, необходимо рассмотреть существующие инженерные решения агрономических задач по следующим параметрам: 1) сущность технологии; 2) химический состав газовой смеси, подаваемой в теплицу к растениям; 3) возможность подкармливать растения весь период выращивания (от появления всходов по прекращения вегетации); 4) возможность точно и экономично дозировать СО2 весь световой день: не допуская скачкообразного изменения концентрации, соответствуя как изменению факторов окружающей среды (освещённость, температура и влажность), так и биологической (сортовой) суточной динамике фотосинтеза; 5) возможность подачи СО2 по вертикальным зонам (к точкам роста, в зону активных листьев, в прикорневую зону); 6) возможность равномерного распределения СО2 по площади теплицы; 7) влияние данной технологии подкормки на температурно-влажностный режим в теплице; 8) возможность использования технологии при светокультуре; 9) безопасность технологии согласно требованиям охраны труда; 10) дополнительные хозяйственно-ценные функции оборудования для подкормки; 11) объём необходимых капитальных вложений при внедрении технологии; 12) эксплуатационные расходы, энергопотребление; 13) потребность в новых специалистах; 14) способы повышения эффективности подкормки; 15) направления будущего совершенствования данной технологии. Прямая газация при помощи газогенераторов 1. Прямая газация осуществляется путём использование газогенераторов – пламенных горелок на природном газе, которые стационарно размещают над уровнем шпалеры. 2. Подкормка производится непосредственно продуктами сгорания природного газа с основным химическим составом: 72.1% N2, 17.4% H2O, 8.7% CO2, 1.7% O2 (возможны незначительные изменения из-за состава топлива), причём состав газовой смеси не меняется во времени, поскольку должно всегда обеспечивается полное сгорание природного газа. Газогенераторы требует регулярного контроля и регулировки из-за естественного износа. Также, в природном газе на практике возможно присутствие микропримесей минеральной пыли, соединений серы и высших углеводородов. Поэтому, несмотря на высокое техническое совершенство современных моделей горелок, существует вероятность попадания в воздух теплицы сопутствующих продуктов сгорания – в первую очередь оксидов азота (NO, NO2, N2O) и диоксида серы (SO2), вредных для растений и человека. Молодые растения особенно чувствительны к содержанию в воздухе диоксида серы. Оксид углерода (CO), как правило, не наносит непосредственного вреда растениям, но очень опасен для человека. Этилен (C2H4) неопасен для человека, но значительно ускоряет старение растений. Овощные растения, особенно зарубежной селекции, чувствительны к этим фитотоксичным газам, количество которых в воздухе теплицы следует постоянно контролировать дорогими газоанализаторами. 3. Возможности подкармливать растения весь период выращивания эта технология не даёт: летом газогенераторы не используются из-за того, что они сильно нагревают воздух; при открытых фрамугах их использование бессмысленно, поскольку горячий углекислый газ сразу улетучивается из теплицы, не опускаясь вниз к растениям. 4. Возможность регулировки концентрации CO2 невысокая, так как его выработка регулируется только изменением количества подаваемого природного газа. 5. При работе газогенераторов углекислый газ подаются только сверху, к точкам роста. 6. Продукты сгорания (углекислый газ) недостаточно равномерно распределяется по площади теплицы, поскольку они выпускаются газогенераторами в форме факелов, не всегда успевающих перекрыться даже при незначительном вентилировании теплицы. 7. Данная технология подкормки сильнейшим образом влияет на температурно-влажностный режим в теплице, поскольку газогенераторы нагревают и дополнительно насыщают водяными парами воздух в теплице. Если обогрев теплицы осуществляется за счёт работы газогенераторов, фрамуги плотно закрыты и горелки работают на полную мощность, то в результате концентрация CO2 к утру увеличивается до предельных значений, что небезопасно для растений. Конвективная струя горячих продуктов сгорания может привести к температурным напряжениям в стеклянных ограждениях теплицы, что сказывается на их долговечности. 8. Подкормка прямой газацией при светокультуре огурца и томата применяться не может из-за сильного влияния на температурно-влажностный режим и вероятного присутствия фитотоксичных газов в продуктах сгорания. 9. По требованиям охраны труда, данная технология подкормки представляет значительную потенциальную опасность из-за разводки внутри теплицы взрывоопасного и ядовитого природного газа. При интенсивной работе горелок, выжигание кислорода из воздуха теплицы создает неудобства для работы персонала. Из-за этого часто приходится приобретать воздуховоды для подвода наружного воздуха, вытяжные вентиляторы и прочее дополнительное оборудование. 10. Дополнительной хозяйственно-ценной функцией газогенераторов является обогрев теплицы. 11. Капитальные вложения при внедрении этой системы подкормки умеренные, при условии, что непосредственно к тепличному комбинату уже подведена магистраль природного газа. Минимальный набор оборудования включает в себя: газогенераторы с системой разводки природного газа, датчик CO2 и обязательный набор датчиков токсичных газов, систему управления. 12. Оборудование характеризуется простотой устройства и лёгкостью в эксплуатации. Затраты на природный газ существенны. 13. Необходимы новые специалисты по газовому оборудованию. 14. Способы уменьшения потерь углекислого газа при применении этой технологии подкормки малоэффективны. 15. Технология прямой газации проста и отработана, современные импортные газогенераторы высокотехнологичны и отличаются минимальной выработкой фитотоксичных газов, так что вопрос о дальнейшем совершенствовании технологии не стоит.
|
