基于TRIZ理论提高闪式提取器的过滤效率

2020-04-24马文锦刘晓风李梅林周彦兵

农产品加工 2020年6期

马文锦，刘晓风，李梅林，王博，周彦兵

（1.甘肃省轻工研究院有限责任公司，甘肃兰州 730030；2.兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州 730050）

闪式提取器是一种用于植物软、硬组织破碎的新型提取器，依靠高速机械剪切力和超动分子渗滤技术，在室温及溶剂存在条件下，数秒钟内把植物的根、茎、叶、花、果实等物料破碎至细微颗粒，并使有效成分迅速达到组织内外平衡，通过过滤达到提取目的[1-3]。该仪器能最大限度地保留植物有效成分，不会受热破坏，具有溶剂用量小、提取时间短、效率高、结构紧凑、使用安全可靠等优点。但是在使用过程中，由于密封圈、闪提刀头、控制系统和过滤孔径不完善，造成物料有效成分提取率较低，无法发挥闪提器的工作效率优势[4]。选择TRIZ理论解决闪式提取器存在过滤效果不好的问题，对其结构进行优化设计，为TRIZ理论解决机电产品中的不足提供了一种有效方法。

1 闪式提取器工作原理及系统存在问题分析

闪式提取器工作原理见图1。

由图1可知，从投料口投入提取物料，从溶剂管道中加入提取溶剂，调节至需要的温度，设定好提取时间（一般在10 min之内），启动控制器、高速电机带动闪提系统开始提取；在设定时间内提取完毕，闪提器自动进入低速搅拌状态；开启排液阀门，提取液在重力作用下自动排出。当液面低于闪提刀头时，闪提系统自动关闭；继续排液，直至完全排出。关闭排液阀门，开启加热系统（用蒸汽加热），对滤网上的提取物残渣进行加热、烘干，蒸发的溶剂气体进入溶剂回收系统。

系统主要存在以下问题：①密封圈气密性差；②闪提刀头易腐蚀磨损；③控制系统不智能、不完善；④过滤效率低下（滤网孔径）。其中，过滤是影响闪式提取器工作效率高低的最主要原因。

2 利用矛盾对闪式提取器进行过滤优化

2.1 TRIZ理论及矛盾

TRIZ是专门研究创新设计的理论，作为解决技术问题或发明问题的一种强有力方法，并不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决问题的模型，指明问题解决对策的探索方向。TRIZ理论将工程矛盾分为3类：即物理矛盾、技术矛盾和管理矛盾[5-6]。物理矛盾通常利用4大分离原理，包括空间分离、时间分离、条件分离、整体与部分分离[7]。技术矛盾解决原理包括分割、抽取、局部质量等在内的40个创新原理[8]。管理矛盾一般不被视为矛盾，因为其中不存在参数或需求上的矛盾，但是它指示了存在于达到期望目标和可用于应对它的手段之间的矛盾。技术矛盾设计的是一个系统，物理矛盾涉及的是一个组件，更能体现核心矛盾[9]。

2.2 过滤优化

以物料的粒度尺寸为研究对象定义物理矛盾：在提取过程中，物料粒度越小越易于有效成分的提取，提取完成后，对提取液与废渣进行过滤分离，粒度小，孔径容易堵塞。设置物料的粒度尺寸为参数。

应用TRIZ创新理论的“物理矛盾”分析方法[10]，获得的解决方案为：①在提取后向提取液中添加絮凝剂，小颗粒物絮凝成大颗粒物质，使废渣颗粒物与提取液进行有效的固液分离，滤网不容易堵塞，提高过滤效率。该方案现场改造方便，改造成本不高，具有很高的可行性。②采用分级过滤方法对不同粒度物料进行逐渐分离，截留不同尺寸的悬浮物，减少颗粒物对过滤网的堵塞时间，提高过滤效率。

应用TRIZ创新理论的“物场模型”分析方法，获得的解决方案为：①加入机械场（压缩空气）或者加入机械场（振动筛）。在过滤网底部通入压缩空气，使悬浮物无法截留于过滤网，防止悬浮物堵塞过滤孔，提高过滤效果；在过滤网上装置机械能，使过滤网不规则摆动，防止颗粒静置堵塞过滤孔，从而达到快速过滤的目的。②加入电场。提取完成后，在电场的作用下，金属电极产生阳离子在进入水体时发生物理化学反应，阳极产生电子形成“微絮凝剂”，使溶液中的悬浮颗粒在微絮凝剂的作用下失去稳定性，和絮凝剂之间相互碰撞，结合成肉眼可见的大颗粒，这样就使悬浮物无法堵塞过滤孔，从而提高溶液的过滤效果。③加入磁场。在电絮凝的基础上把磁场效应引入溶液中，借助磁场效应对悬浮颗粒进行絮凝沉淀，达到快速过滤的目的。

加入机械场见图2，加入电场见图3。