TRIZ理論在提高胡蘿卜素提取率中的應(yīng)用

吳河龍，李嘉敏，張殿亮

（甘肅省輕工研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030）

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller在分析和總結(jié)了全世界數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的專利信息基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)歸納、演繹而提出的一種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)，該理論旨在為創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決提供系統(tǒng)性的理論和技術(shù)工具，從而快捷有效地解決問(wèn)題[1]。經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，覆蓋機(jī)械、電子、化工、建筑、管理等領(lǐng)域，為企業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)大的理論和方法支撐。國(guó)內(nèi)外關(guān)于TRIZ的研究主要有TRIZ理論體系及其工具的研究、TRIZ理論與其他創(chuàng)新方法的集成研究、TRIZ理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用研究等。

2 問(wèn)題描述

提取是天然胡蘿卜素獲取的核心工序，胡蘿卜中胡蘿卜素的提取率低一直是影響工業(yè)化提取的重要問(wèn)題。目前，類胡蘿卜素提取的方法仍采用簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的溶劑（乙醇）提取法。但該方法對(duì)于具有熱敏性高附加值的脂溶性成分（胡蘿卜素） 提取效果較差，屬于行業(yè)重要難題，嚴(yán)重制約了天然胡蘿卜素的工業(yè)化高效生產(chǎn)。

胡蘿卜素提取設(shè)備由進(jìn)料口、罐體、出渣口、支架、控制器、攪拌器、測(cè)溫探頭、加熱保溫裝置、濾網(wǎng)和出液口組成[2]。設(shè)備工作原理如下：提取原料（粉碎胡蘿卜）中加入到提取溶劑中，在攪拌器攪拌下，溶劑充分浸潤(rùn)物料，溶劑滲入植物組織和細(xì)胞中，溶劑溶解組織中的目標(biāo)成分（胡蘿卜素），使其游離于組織或細(xì)胞。然后利用細(xì)胞內(nèi)外有效成分存在的濃度差，形成內(nèi)高外低的滲透壓，使有效成分向組織或細(xì)胞外擴(kuò)散，進(jìn)入到提取液。提取一段時(shí)間后，殘?jiān)?jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾，濾液由出料口流出得到粗提液。

胡蘿卜素提取工作原理見(jiàn)圖1。

該系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題有：①胡蘿卜素未充分進(jìn)入提取液，殘?jiān)袣埩?；②目?biāo)產(chǎn)物的熱敏性導(dǎo)致提取過(guò)程中揮發(fā)損失；③有其他脂溶性、水溶性成分進(jìn)入提取液；④對(duì)殘?jiān)^(guò)濾不充分，部分固形物也進(jìn)入提取液，導(dǎo)致目標(biāo)粗提液純度不夠。

3 運(yùn)用TRIZ解決問(wèn)題

3.1 TRIZ矛盾分析

3.1.1 技術(shù)矛盾

應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論的“技術(shù)矛盾”分析方法，分析該系統(tǒng)存在的技術(shù)矛盾，并得到以下解決方案：減小平面過(guò)濾網(wǎng)孔徑會(huì)使提取液過(guò)濾更充分，但會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾流量變小、生產(chǎn)率降低。

根據(jù)空間緯度變化原理，把平面過(guò)濾網(wǎng)改為球冠形過(guò)濾網(wǎng)，增大了過(guò)濾面積，在過(guò)濾更充分的同時(shí)不損失生產(chǎn)率，使顆粒物與提取液進(jìn)行有效的固液分離，提高過(guò)濾效率。該方案現(xiàn)場(chǎng)改造方便、成本低，具有很高的可行性。

把平面過(guò)濾網(wǎng)改為球冠形過(guò)濾網(wǎng)見(jiàn)圖2。

攪拌速度是影響溶解度的重要因素，增加攪拌速度會(huì)提高溶劑的溶解度，但會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)溶劑揮發(fā)嚴(yán)重、能量消耗增加等問(wèn)題[3]。

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)替代創(chuàng)新理論，利用超聲波產(chǎn)生的空化、振動(dòng)、攪拌等綜合效應(yīng)替代攪拌不足，不需要過(guò)高的攪拌速度，使物料充分混合，提高溶劑的溶解度。

使用超聲波設(shè)備見(jiàn)圖3。

將探頭位置調(diào)整到罐體中心區(qū)域可提高溶液溫度的測(cè)量精度，但會(huì)出現(xiàn)成本增加、制造難度增加、影響攪拌、溫度探頭易碎等問(wèn)題。

借助中介物創(chuàng)新理論，使溫度探頭處于罐體內(nèi)部側(cè)面，在提取液中添加氧化銅納米粒子，形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)可提高60%以上，使溫度測(cè)量更加準(zhǔn)確。由于提取后分離工序是通過(guò)胡蘿卜素的脂溶性原理進(jìn)行分離，納米粒子和其他非脂溶性物質(zhì)較輕易分離掉[4-5]。

添加氧化銅納米粒子見(jiàn)圖4。

3.1.2 物理矛盾

應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論的“物理矛盾”分析方法，獲得以下解決方案：提高過(guò)濾效率需減小過(guò)濾網(wǎng)孔徑，減少雜質(zhì)堵塞濾網(wǎng)需增大濾網(wǎng)孔徑。

在過(guò)濾進(jìn)行中，如果小于孔徑的雜質(zhì)不接觸濾網(wǎng)就不會(huì)堵塞濾網(wǎng)[6]，采用同質(zhì)性原理，可以利用“納米效應(yīng)”（特異的表面效應(yīng)），在濾網(wǎng)的表面覆蓋一層納米薄膜，根據(jù)納米薄膜材料特性，使濾網(wǎng)表面足夠“光滑”，使雜質(zhì)在濾膜表面的附著力減小，實(shí)現(xiàn)持續(xù)過(guò)濾。

在濾網(wǎng)的表面覆蓋一層納米薄膜見(jiàn)圖5。

加快溶解提取速率需要提高提取液溫度，減少胡蘿卜素?fù)]發(fā)需要降低提取液溫度。

根據(jù)相變?cè)恚崛」奚喜吭黾右唤M冷凝盤管，將高溫?fù)]發(fā)的胡蘿卜素由氣態(tài)變成液態(tài)，滴回提取液，既能提高提取速率，又能降低胡蘿卜素?fù)]發(fā)。

提取罐上部增加一組冷凝盤管見(jiàn)圖6。

3.2 物場(chǎng)分析

應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論的“物場(chǎng)模型”分析方法，獲得的解決方案如下：

提取過(guò)程引入微波輻射。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過(guò)細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中；同時(shí)，微波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率[7]。

引入微波輻射見(jiàn)圖7。

將單層過(guò)濾網(wǎng)改成多層過(guò)濾網(wǎng)，增加過(guò)濾效果。

單層過(guò)濾網(wǎng)改成多層過(guò)濾網(wǎng)見(jiàn)圖8。

4 結(jié)語(yǔ)

方案實(shí)施前，傳統(tǒng)提取罐對(duì)胡蘿卜素的提取率為60%～65%，改進(jìn)方案實(shí)施后，預(yù)計(jì)提取率可達(dá)到80%以上，大幅度提升胡蘿卜素的提取率。同時(shí)，方案對(duì)提取后過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了過(guò)濾效率，降低了固形雜質(zhì)殘留，有利于提取液后續(xù)的分離純化。通過(guò)TRIZ創(chuàng)新理論方法的應(yīng)用，對(duì)胡蘿卜素提取系統(tǒng)進(jìn)行了多方面改進(jìn)及創(chuàng)新，對(duì)解決過(guò)濾效率低下問(wèn)題有較好的幫助，對(duì)胡蘿卜素提取技術(shù)突破起到了很大作用，同時(shí)為提高胡蘿卜素提取率的生產(chǎn)技術(shù)指明了發(fā)展方向。