基于TRIZ理論提高閃式提取器的過濾效率

馬文錦，劉曉風(fēng)，李梅林，王 博，周彥兵

（1.甘肅省輕工研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

閃式提取器是一種用于植物軟、硬組織破碎的新型提取器，依靠高速機(jī)械剪切力和超動(dòng)分子滲濾技術(shù)，在室溫及溶劑存在條件下，數(shù)秒鐘內(nèi)把植物的根、莖、葉、花、果實(shí)等物料破碎至細(xì)微顆粒，并使有效成分迅速達(dá)到組織內(nèi)外平衡，通過過濾達(dá)到提取目的[1-3]。該儀器能最大限度地保留植物有效成分，不會(huì)受熱破壞，具有溶劑用量小、提取時(shí)間短、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是在使用過程中，由于密封圈、閃提刀頭、控制系統(tǒng)和過濾孔徑不完善，造成物料有效成分提取率較低，無法發(fā)揮閃提器的工作效率優(yōu)勢(shì)[4]。選擇TRIZ理論解決閃式提取器存在過濾效果不好的問題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為TRIZ理論解決機(jī)電產(chǎn)品中的不足提供了一種有效方法。

1 閃式提取器工作原理及系統(tǒng)存在問題分析

閃式提取器工作原理見圖1。

由圖1可知，從投料口投入提取物料，從溶劑管道中加入提取溶劑，調(diào)節(jié)至需要的溫度，設(shè)定好提取時(shí)間（一般在10 min之內(nèi)），啟動(dòng)控制器、高速電機(jī)帶動(dòng)閃提系統(tǒng)開始提?。辉谠O(shè)定時(shí)間內(nèi)提取完畢，閃提器自動(dòng)進(jìn)入低速攪拌狀態(tài)；開啟排液閥門，提取液在重力作用下自動(dòng)排出。當(dāng)液面低于閃提刀頭時(shí)，閃提系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉；繼續(xù)排液，直至完全排出。關(guān)閉排液閥門，開啟加熱系統(tǒng)（用蒸汽加熱），對(duì)濾網(wǎng)上的提取物殘?jiān)M(jìn)行加熱、烘干，蒸發(fā)的溶劑氣體進(jìn)入溶劑回收系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要存在以下問題：①密封圈氣密性差；②閃提刀頭易腐蝕磨損；③控制系統(tǒng)不智能、不完善；④過濾效率低下（濾網(wǎng)孔徑）。其中，過濾是影響閃式提取器工作效率高低的最主要原因。

2 利用矛盾對(duì)閃式提取器進(jìn)行過濾優(yōu)化

2.1 TRIZ理論及矛盾

TRIZ是專門研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論，作為解決技術(shù)問題或發(fā)明問題的一種強(qiáng)有力方法，并不是針對(duì)某個(gè)具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過程，而是要建立解決問題的模型，指明問題解決對(duì)策的探索方向。TRIZ理論將工程矛盾分為3類：即物理矛盾、技術(shù)矛盾和管理矛盾[5-6]。物理矛盾通常利用4大分離原理，包括空間分離、時(shí)間分離、條件分離、整體與部分分離[7]。技術(shù)矛盾解決原理包括分割、抽取、局部質(zhì)量等在內(nèi)的40個(gè)創(chuàng)新原理[8]。管理矛盾一般不被視為矛盾，因?yàn)槠渲胁淮嬖趨?shù)或需求上的矛盾，但是它指示了存在于達(dá)到期望目標(biāo)和可用于應(yīng)對(duì)它的手段之間的矛盾。技術(shù)矛盾設(shè)計(jì)的是一個(gè)系統(tǒng)，物理矛盾涉及的是一個(gè)組件，更能體現(xiàn)核心矛盾[9]。

2.2 過濾優(yōu)化

以物料的粒度尺寸為研究對(duì)象定義物理矛盾：在提取過程中，物料粒度越小越易于有效成分的提取，提取完成后，對(duì)提取液與廢渣進(jìn)行過濾分離，粒度小，孔徑容易堵塞。設(shè)置物料的粒度尺寸為參數(shù)。

應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論的“物理矛盾”分析方法[10]，獲得的解決方案為：①在提取后向提取液中添加絮凝劑，小顆粒物絮凝成大顆粒物質(zhì)，使廢渣顆粒物與提取液進(jìn)行有效的固液分離，濾網(wǎng)不容易堵塞，提高過濾效率。該方案現(xiàn)場改造方便，改造成本不高，具有很高的可行性。②采用分級(jí)過濾方法對(duì)不同粒度物料進(jìn)行逐漸分離，截留不同尺寸的懸浮物，減少顆粒物對(duì)過濾網(wǎng)的堵塞時(shí)間，提高過濾效率。

應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論的“物場模型”分析方法，獲得的解決方案為：①加入機(jī)械場（壓縮空氣） 或者加入機(jī)械場（振動(dòng)篩）。在過濾網(wǎng)底部通入壓縮空氣，使懸浮物無法截留于過濾網(wǎng)，防止懸浮物堵塞過濾孔，提高過濾效果；在過濾網(wǎng)上裝置機(jī)械能，使過濾網(wǎng)不規(guī)則擺動(dòng)，防止顆粒靜置堵塞過濾孔，從而達(dá)到快速過濾的目的。②加入電場。提取完成后，在電場的作用下，金屬電極產(chǎn)生陽離子在進(jìn)入水體時(shí)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，陽極產(chǎn)生電子形成“微絮凝劑”，使溶液中的懸浮顆粒在微絮凝劑的作用下失去穩(wěn)定性，和絮凝劑之間相互碰撞，結(jié)合成肉眼可見的大顆粒，這樣就使懸浮物無法堵塞過濾孔，從而提高溶液的過濾效果。③加入磁場。在電絮凝的基礎(chǔ)上把磁場效應(yīng)引入溶液中，借助磁場效應(yīng)對(duì)懸浮顆粒進(jìn)行絮凝沉淀，達(dá)到快速過濾的目的。

加入機(jī)械場見圖2，加入電場見圖3。

3 結(jié)論

通過TRIZ創(chuàng)新理論方法的應(yīng)用，對(duì)閃式提取器過濾進(jìn)行了多方面改進(jìn)及創(chuàng)新，對(duì)解決過濾效率低下，問題有較好的幫助，對(duì)閃式提取器技術(shù)突破起到了很大作用，同時(shí)對(duì)閃式提取器生產(chǎn)技術(shù)指明了發(fā)展方向。