基于TRIZ理論提高閃式提取器的過濾效率

馬文錦，劉曉風，李梅林，王 博，周彥兵

（1.甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學 生命科學與工程學院，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，依靠高速機械剪切力和超動分子滲濾技術(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、果實等物料破碎至細微顆粒，并使有效成分迅速達到組織內(nèi)外平衡，通過過濾達到提取目的[1-3]。該儀器能最大限度地保留植物有效成分，不會受熱破壞，具有溶劑用量小、提取時間短、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用安全可靠等優(yōu)點。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[4]。選擇TRIZ理論解決閃式提取器存在過濾效果不好的問題，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，為TRIZ理論解決機電產(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)定好提取時間（一般在10 min之內(nèi)），啟動控制器、高速電機帶動閃提系統(tǒng)開始提取；在設(shè)定時間內(nèi)提取完畢，閃提器自動進入低速攪拌狀態(tài)；開啟排液閥門，提取液在重力作用下自動排出。當液面低于閃提刀頭時，閃提系統(tǒng)自動關(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），對濾網(wǎng)上的提取物殘渣進行加熱、烘干，蒸發(fā)的溶劑氣體進入溶劑回收系統(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 利用矛盾對閃式提取器進行過濾優(yōu)化

2.1 TRIZ理論及矛盾

TRIZ是專門研究創(chuàng)新設(shè)計的理論，作為解決技術(shù)問題或發(fā)明問題的一種強有力方法，并不是針對某個具體的機構(gòu)、機械或過程，而是要建立解決問題的模型，指明問題解決對策的探索方向。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個創(chuàng)新原理[8]。管理矛盾一般不被視為矛盾，因為其中不存在參數(shù)或需求上的矛盾，但是它指示了存在于達到期望目標和可用于應(yīng)對它的手段之間的矛盾。技術(shù)矛盾設(shè)計的是一個系統(tǒng)，物理矛盾涉及的是一個組件，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，對提取液與廢渣進行過濾分離，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采用分級過濾方法對不同粒度物料進行逐漸分離，截留不同尺寸的懸浮物，減少顆粒物對過濾網(wǎng)的堵塞時間，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加入機械場（壓縮空氣） 或者加入機械場（振動篩）。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)上裝置機械能，使過濾網(wǎng)不規(guī)則擺動，防止顆粒靜置堵塞過濾孔，從而達到快速過濾的目的。②加入電場。提取完成后，在電場的作用下，金屬電極產(chǎn)生陽離子在進入水體時發(fā)生物理化學反應(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)對懸浮顆粒進行絮凝沉淀，達到快速過濾的目的。

加入機械場見圖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，對閃式提取器過濾進行了多方面改進及創(chuàng)新，對解決過濾效率低下，問題有較好的幫助，對閃式提取器技術(shù)突破起到了很大作用，同時對閃式提取器生產(chǎn)技術(shù)指明了發(fā)展方向。