Повышение конкурентоспособности и безопасности целевого продукта на основе новой технологии экстрагирования: На примере сверхкритической экстракции

Современный этап экономического развития страны требует как широкого использования достижений отечественной и мировой науки и техники, так и проведения реформы в сфере технического регулирования, согласно ФЗ «О техническом регулировании» .

Под техническим регулированием понимается весь комплекс вопросов формирования отношений между сферами производства и потребления, связанных с установлением требований к продукции, процессам производства, хранения, транспортирования, реализации, работам (услугам) и иным объектам, а также проверкой соблюдения этих требований.

Реформа в сфере технического регулирования направлена на установление минимально допустимых требований к продукции, что позволяет с одной стороны, снизить давление на товаропроизводителей, а с другой — повысить эффективность защиты рынка от некачественной и опасной продукции. При этом, государство провозглашает приоритет защиты жизни, здоровья и имущества граждан, охраны окружающей среды путем установления требований безопасности в специальных документах, технических регламентах, которые принимаются в виде Федеральных законов, постановлений Правительства РФ, а в отдельных случаях — в виде Указа Президента Российской Федерации, [5].

Все возрастающая угроза глобального экологического кризиса требует незамедлительного пересмотра сложившейся на практике техногенных концепций развития всех отраслей промышленности, как в России, так и в странах дальнего и ближнего зарубежья. При этом, главным принципом должна стать экологизация всего комплекса.

Генеральный секретарь ООН Кофи Анан в своем докладе на сессии Генеральной ассамблеи, посвященной проблемам XXI века, обращает внимание на то, что за прошлое столетие на природу легла нагрузка, вызванная четырехкратным увеличением численности населения и 18-ти кратным ростом объема мирового производства. При этом окружающей природной среде нанесен непоправимый ущерб.

Наша цель должна заключаться в том, чтобы удовлетворить социально-экономические потребности нашего поколения, не ставя под угрозу способность планеты удовлетворять потребности будущих поколений". Поэтому современный уровень развития пищевой и перерабатывающей промышленности страны, а также состояние ее сырьевой базы требует принципиально нового подхода. Сущность этого подхода состоит в разработке, создании и внедрении новых прогрессивных, экологически чистых технологий, позволяющих рационально использовать первичные сырьевые ресурсы, комплексно переработать и безопасно утилизировать вторичные сырьевые ресурсы (отходы и побочные продукты основного производства) перерабатывающих предприятий агропромышленного комплекса [21, 84−89 ].

Важной характеристикой любого предприятия является его результативность. Основное содержание результативности — выпуск высококачественной конкурентоспособной продукции. Рыночная система развития экономики базируется на принципе экономической целесообразности, т. е. ан стремлении достичь как можно большего результата при минимальных затратах. К этому подталкивают условия конкуренции, стремление обойти соперника, предложив на рынке товар более высокого качества и по более низкой цене. Здесь заложены мощные стимулы к обновлению производства и всех элементов технологической системы (ТС): продукции, технологии, оборудования, организационной f-L. структуры, энерго-, материало-, информационного обеспечения, кадров [10−15].

Рыночная экономика — качественный скачок в экономической истории человечества: это «рынок покупателя», в котором производитель утрачивает диктаторский статус. Рыночный механизм ориентирует экономику на постоянно возрастающий платежеспособный спрос. В работе мы будем касаться лишь положительных сторон рыночного механизма: требования выпуска высококачественной продукции оптимального объема и в срок. Это обстоятельство обусловливает необходимость интеграционного подхода к л. управлению качеством продукции, усиления взаимосвязей между отдельными элементами системы управления с целью обеспечения высокой эффективности управления качеством на всех стадиях жизненного цикла продукции [ 15,36].

С целью создания высококачественной конкурентоспособной продукции необходимо реализовать процесс композиционного проектирования ее новых видов, а также процесс композиционного совершенствования технологической системы (ТС) предприятия — изготовителя [4,63] Кроме того, требуемая эффективность функционирования интегрированной системы управления качеством продукции может быть достигнута на основе реализации принципа комплексности, высокоэффективного взаимодействия основных составляющих комплекса: поставщика По, разработчика Р и изготовителя И.

Успешное решение проблемы максимизации результативности ТС может осуществляться на основе экономного использования имеющихся материальных, энергетических, трудовых ресурсов, а также поиска оптимальных инженерноэкономических и организационных решений.

Известно, что при рыночных условиях хозяйствования необходимо реализовать основополагающий принцип конкурентоспособности продукции: «высокое качество — низкая цена». Этого можно достигнуть, обеспечив высокую результативность ТС и реализовав другой принцип: «высокое качество — низкая себестоимость». Кроме того, эффективное функционирование интегрированной системы управления качеством в условиях конкуренции может быть только на основе внедрения противозатратной системы хозяйствования, основанной на реализации маркетинговых исследований [ 49, 50, 61- 65].

Необходимой составляющей эффективности ТС должна быть всеобъемлющая подготовка ее к внедрению комплексной системы управления качеством продукции согласно требованиям международных стандартов ИСО серии 9000 и выполнение требований ФЗ «О техническом регулировании». Внедрение системы управления качеством продукции обеспечит более высокую вероятность ее сертифицируемости.

В пищевой, винодельческой, ликероводочной, парфюмерной, фармацевтической, пивобезалкогольной, и других отраслях промышленности используется большое количество натурального растительного ароматического сырья, которое является сезонным. Сохранение первоначальных ароматических качеств в целевом продукте представляет собой важную научнопрактическую задачу. Потеря их приводит к снижению качества и органолептических показателей целевого продукта.

Для решения этой задачи используют в основном ароматические вещества, синтетического происхождения, а также получаемые вытяжкой из натурального растительного ароматического сырья. В коммерческих целях в настоящее время, в основном, используют три метода извлечения ароматических веществ.

1) дистилляция;

2) экстракция жидкими растворителями;

3) Различные вариации этих методов.

При дистилляции теряются наиболее ценные летучие компоненты и остается лишь небольшая часть от первоначального запаха. Кроме того, при дистилляции не возможно извлечь из исходного сырья средние и тяжелые фракции.

При использовании жидкостной экстракции можно в значительной степени избежать недостатков дистилляции, используя различные растворители, такие как гексан, толуол, ацетон, этанол, метилхлорид и т. д. Но при этом возникает другая сложная задача: очистка полученного экстракта и экстракционного остатка от растворителей, к содержанию которых со стороны потребителя предъявляются очень жесткие требования.

Мы предлагаем использовать для получения ценных экстрактов из ароматического растительного сырья новый, перспективный, экологически чистый, высокоэффективный метод сверхкритической экстракции с использованием в качестве растворителя углекислого газа.

Метод сверхкритической экстракции основан на высокой растворяющей способности растворителя при сверхкритических параметрах (давление и температура сверхкритические).

При сверхкритических параметрах растворитель обладает более высоким коэффициентом диффузии, низкой вязкостью, что определяет его существенное преимущество по сравнению с другими жидкими растворителями, используемыми при жидкостной экстракции. Это способствует быстрому и более глубокому экстрагированию веществ. Важно еще и то, что извлечение и последующую сепарацию целевого компонента можно провести ступенчато и при умеренных температурах, что особенно важно при извлечении термически неустойчивых компонентов из ароматического растительного сырья. Сам растворитель легко регенерируется из экстракта и экстракционного остатка благодаря его высокой летучести.

Сверхкритическая технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами экстрагирования, такими, например, как экологичность процесса, легкость регенерации растворителя и возможность его использования в цикле заново, максимальный выход и высокое качество целевого продукта [1]. Целью настоящей работы является исследование процесса экстрагирования ароматических веществ из возобновляемого растительного сырья и разработка путей повышения результативности технологической системы при интегрированном сквозном управлении качеством продукции.

Актуальность работы. Главной задачей для многих пищевых, ликероводочных, биотехнологических, фармацевтических и т. п. предприятий является производство и выпуск экологически чистого, конкурентоспособного недорогого целевого продукта высокого качества. Основными требованиями, предъявляемыми к получаемым продуктам, являются сохранение нативности, полнота выделения (извлечения) экстрактивных веществ из исходного сырья, отсутствие побочных продуктов разложения, остатков растворителя, высокая производительность процесса, минимизация загрязнения окружающей среды. Особое внимание должно быть сосредоточено на рациональном использовании особого ценных видов первичного сырья, комплексной переработке и безопасной утилизации вторичных сырьевых ресурсов (отходы и побочные продукты основного производства различных предприятий АПК).

Для многих видов вышеперечисленных производств характерны малоэффективные технологии, процессы и оборудование, применяются дорогостоящие, вредные и опасные для окружающей среды растворители.

Для решения важной научнопрактической задачи, связанной с обеспечением потребителя отечественными, высококачественными, экологически чистыми натуральными ароматическими экстрактами и маслами растительного происхождения, необходимо коренное изменение всего технологического процесса их получения.

Поэтому, развитие новых теоретических и экспериментально обоснованных представлений о влиянии теплофизических свойств растворителей и технологических факторов на интенсификацию процесса экстрагирования с использованием в качестве растворителя f-L. сверхкритических флюидов своевременно и актуально.

Разработка высокоинтенсивных, экологически чистых, энергосберегающих технологий, обеспечивающих высокий уровень комплексного, безотходного использования отходов различного эк’страктивного сырья, является важной научнопрактической проблемой, решению которой и посвящена работа автора.

В процессе выполнения данной работы основное внимание было уделено экспериментальному исследованию влияния теплофизических свойств растворителя и технологических факторов на процесс извлечения экстрактивных веществ из возобновляемого растительного сырья, а также разработке путей повышения результативности технологической системы получения целевого продукта высокого качества. Согласно этой цели в работе решались следующие задачи :

— изучение и анализ существующих технологий и техники производства ароматических экстрактов, выбор основных критериев результативности при реализации новых способов экстрагирования;

— усовершенствовать экспериментальную установку для исследования влияния различных факторов на интенсификацию процесса экстракции и на качественный состав целевого продукта;

— провести экспериментальные исследования процесса сверхкритической экстракции ароматических веществ из растительного сырья.

— разработать предложения по созданию высокоэффективного экологически чистого безотходного производства в соответствии с требованиями ФЗ" О техническом регулировании" :

— исследовать и выбрать критерии оценки результативности ТС экстрагирования.

Научная новизна ;

— впервые для технологической системы экстрагирования ароматических веществ проведено исследование в выборе методов и критериев оценки результативности при интегрированном, сквозном управлении качеством продукции;

— установлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса экстрагирования ароматических веществ из возобновляемого растительного сырья.

— установлено, что выход целевого продукта и глубина экстрагирования методом сверхкритической экстракции намного превосходит традиционные способы экстрагирования;

— установлено, что различные способы разрушения клеточной структуры исходного сырья по-разному влияют на интенсификацию процесса экстрагирования и на качественный состав ароматических веществ.

— показано, что использование принципа сквозного интегрированного управления качеством продукции позволяет существенно повысить результативность ТС экстрагирования.

Практическая ценность работы.

•& 1. Показано, что на созданной экспериментальной установке можно получить надежные экспериментальные данные, объем которых в литературе ограничен. Такие данные являются основополагающими при разработке и создании новых экологически чистых технологий получения отечественных натуральных экстрактов из возобновляемого растительного сырья.

2. Выявлен механизм влияния различных факторов на эффективность процесса экстрагирования, а именно: влияние теплофизических свойств растворителя и технологических факторов на скорость и глубину извлечения и на качественный состав целевого продукта.

3. На основе полученных результатов предложен ряд принципиально новых технологических решений получения ароматических экстрактов из возобновляемого растительного сырья на основе сверхкритической флюидной экстракции.

4. Установлено, что максимальное накопление кумаринов в полыни приходится на фазы массового цветения и плодоношения, что является важной информацией для организации правильного сбора этого вида сырья без потерь ароматических веществ.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием при анализе и теоретических расчетах современных, апробированных уравнений и методик. Основные результаты экспериментальных исследований подтверждены независимыми опытными данными различных авторов. Личный вклад автора — участие в усовершенствовании экспериментальной установки, проведение экспериментов, обработка, анализ и научное обобщение результатов исследований, разработка предложений по повышению результативности технологической системы экстрагирования, выводы и рекомендации.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, научных совещаниях и семинарах в том числе: на общероссийской научнопрактической конференции «Горные регионы России: стратегия устойчивого развития в XX I веке — повестка дня 21», (Махачкала, 2003 г), на третьем международном форуме «Создание и развитие сильных брендов» (Москва, 2004), на международном форуме «Проблемы науки, техники и образования» (Москва, декабрь 2004 г), на научно — практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004 г.), на научных семинарах НИЦ «Экология и промышленная энерготехнология» ИВТ РАН, на кафедре физической и коллоидной химии Российского Государственного Университета нефти и газа им. И. М. Губкина, на научнотехническом совете ФГУП «Биотехнологический завод» (Московская обл.), во Всероссийском научноисследовательском институте сертификации. Основные результаты работы отражены в публикациях автора.

Выводы по главе III.

1. Проведенные исследования показали, что новый метод сверхкритического экстрагирования позволяет увеличить скорость и глубину извлечения, а также качественный состав ароматических веществ, а это существенные преимущества перед традиционными способами экстрагирования.

2. Для стабильного производства высококачественной, конкурентоспособной продукции, обеспечения высокой эффективности предприятия — изготовителя необходимо создать систему сквозного интегрированного управления качеством продукции и результативностью ТС. В качестве объекта функционирования комплекса необходимо рассматривать составляющие его блоки:

— система менеджмента качества;

— композиционное проектирование продукции;

— композиционное совершенствование ТС изготовителя;

— комплекс «разработчик Р -» изготовитель И -" поставщик По";

— комплекс взаимодействия ТС изготовителя с органами стандартизации;

— экологический менеджмент.

3. Оптимизация процесса сверхкритической экстракции растительного сырья осуществлялась на основе исследования процесса функционирования объекта, оптимизации показателей по его модели функционирования. В качестве критериев принимались действенность (произведение качества экстракта на объем его выхода из исходного сырья) и себестоимость изготовления продукции — максимизировалась целевая функция.

Kt Vt.

Ц 1 =—> max.

3l.

Кроме того, оптимизировалась цена на новую продукцию.

Ц °Р1.

Ц 2 =—> max, в результате реализовалось кд соотношение Ц?/=-> ЦкФ.

З2.

4. С внедрением новой технологии сверхкритического экстрагирования растительного сырья будет достигнута высокая экономическая эффективность производства за счет повышения качества экстрактов, объемов его выхода и увеличение валового дохода от реализации продукции, что позволит реализовать принцип противозатратное&trade-: «высокое качество —> низкая себестоимость» и, как следствие, «высокое качество —» низкая цена".

Заключение

.

1. В работе проведен анализ существующих методов экстрагирования, используемых для извлечения ароматических веществ из растительного сырья. Показано, что существующие методы имеют недостаточную эффективность. Теряются наиболее ценные ароматические компоненты, не удается извлечь из исходного сырья средние и тяжелые фракции. При использовании жидкостной экстракции удается избежать некоторых недостатков дистилляции, но возникают трудности, связанные с очисткой экстракта от растворителя. Экстракты получаются невысокого качества, с остаточным содержанием следов растворителя.

Предлагается новый метод получения экстрактов из ароматического сырья с использованием в качестве растворителя углекислого газа при сверхкритических параметрах (давлении и температуре). Растворитель обладает высоким коэффициентом диффузии и низкой вязкостью, что способствует быстрому и более глубокому экстрагированию веществ. Новый, экологически чистый способ обеспечивает больший выход и более высокое качество целевого продукта, дает существенный экономический и экологический эффект.

2. Показано, что стабильный экономический эффект достигается при постоянном внедрении новых видов продукции, композиционном её проектировании одновременно с композиционным совершенствованием технологической системы изготовителя.

Оценки эффективности функционирования ТС изготовителя продукции необходимо осуществлять по критериям результативности R = /(D, Э, К, П, л, Ж, I), на основе которых формируются целевые функции управления производством.

KV ц КД.

Ц = ЦгЦ2 =—=-•.

3 3 З2.

Показано, что для устойчивого выпуска высококачественной конкурентоспособной продукции должна быть сформирована взаимоувязанная система взаимодействия «разработчик Р —> изготовитель И —> поставщик По», что позволит обеспечить высокую вероятность сертифицируемости продукции, улучшить систему менеджмента качества, согласно требованиям ИСО серии 9000.

При моделировании работы системы и её отдельных комплексов удобно использовать графовые модели, а для оценки эффективности и сравнительной оценки качества продукции целесообразно применить энтропийную функцию.

3. Установлены оптимальные параметры процесса сверхкритической экстракции ароматического растительного сырья. Оптимальным является режим, когда Т = 32−35°С = const, а давление Р= 15−25 МПа.

4. Для стабильного производства высококачественной конкурентоспособной продукции, и обеспечения экологической эффективности предприятия — изготовителя продукции необходимо создать систему сквозного интегрированного управления качеством продукции и результативностью ТС. В качестве объекта функционирования и управления необходимо рассматривать составляющие его блоки:

— система менеджмента качества;

— композиционное проектирование продукции;

— композиционное совершенствование ТС изготовителя;

— комплекс «разработчик Р —> изготовитель И —> поставщик По»;

— комплекс взаимодействия ТС изготовителя с органами стандартизации: «И -> ОССКП —» ЦСМ";

5. При моделировании системы сквозного интегрированного управления качеством за основные критерии принимались действенность D, себестоимость конечного продукта 3 и оптимальная цена на новую продукцию, т. е. максимизировалась целевая функция кТ vt.

Ц i =—> max.

3i и оптимизировалась цена на новую продукцию 2f—>ifoptв результате.

Ц opt максимизоровалась целевая функция Ц2=—> max и, как конечная.

31 КД цель, реализовывалось соотношение Цы=-> ЦкФ.

З2.

6. Широкое внедрение сверхкритических технологий для получения ароматических веществ из различного возобновляемого растительного сырья, является решением проблемы рационального использования первичных сырьевых ресурсов, комплексной переработки и безопасной утилизации вторичных сырьевых ресурсов (отходы и побочные продукты перерабатывающих предприятий), одновременно решая задачи экономического развития предприятий и охраны окружающей среды.