TRIZ理论在提高胡萝卜素提取率中的应用

吴河龙，李嘉敏，张殿亮

（甘肃省轻工研究院有限责任公司，甘肃兰州 730030）

1 TRIZ理论介绍

TRIZ理论是由前苏联科学家G.S.Altshuller在分析和总结了全世界数以百万计的专利信息基础上，经过归纳、演绎而提出的一种产品创新设计方法学，该理论旨在为创新设计问题的解决提供系统性的理论和技术工具，从而快捷有效地解决问题[1]。经过70多年的发展，TRIZ理论已经被广泛应用于工程实践中，覆盖机械、电子、化工、建筑、管理等领域，为企业的产品和技术创新提供了强大的理论和方法支撑。国内外关于TRIZ的研究主要有TRIZ理论体系及其工具的研究、TRIZ理论与其他创新方法的集成研究、TRIZ理论在工程实践中的应用研究等。

2 问题描述

提取是天然胡萝卜素获取的核心工序，胡萝卜中胡萝卜素的提取率低一直是影响工业化提取的重要问题。目前，类胡萝卜素提取的方法仍采用简便经济的溶剂（乙醇）提取法。但该方法对于具有热敏性高附加值的脂溶性成分（胡萝卜素） 提取效果较差，属于行业重要难题，严重制约了天然胡萝卜素的工业化高效生产。

胡萝卜素提取设备由进料口、罐体、出渣口、支架、控制器、搅拌器、测温探头、加热保温装置、滤网和出液口组成[2]。设备工作原理如下：提取原料（粉碎胡萝卜）中加入到提取溶剂中，在搅拌器搅拌下，溶剂充分浸润物料，溶剂渗入植物组织和细胞中，溶剂溶解组织中的目标成分（胡萝卜素），使其游离于组织或细胞。然后利用细胞内外有效成分存在的浓度差，形成内高外低的渗透压，使有效成分向组织或细胞外扩散，进入到提取液。提取一段时间后，残渣经过滤网过滤，滤液由出料口流出得到粗提液。

胡萝卜素提取工作原理见图1。

该系统主要存在的问题有：①胡萝卜素未充分进入提取液，残渣有残留；②目标产物的热敏性导致提取过程中挥发损失；③有其他脂溶性、水溶性成分进入提取液；④对残渣过滤不充分，部分固形物也进入提取液，导致目标粗提液纯度不够。

3 运用TRIZ解决问题

3.1 TRIZ矛盾分析

3.1.1 技术矛盾

应用TRIZ创新理论的“技术矛盾”分析方法，分析该系统存在的技术矛盾，并得到以下解决方案：减小平面过滤网孔径会使提取液过滤更充分，但会导致过滤流量变小、生产率降低。

根据空间纬度变化原理，把平面过滤网改为球冠形过滤网，增大了过滤面积，在过滤更充分的同时不损失生产率，使颗粒物与提取液进行有效的固液分离，提高过滤效率。该方案现场改造方便、成本低，具有很高的可行性。

把平面过滤网改为球冠形过滤网见图2。

搅拌速度是影响溶解度的重要因素，增加搅拌速度会提高溶剂的溶解度，但会导致出现溶剂挥发严重、能量消耗增加等问题[3]。

根据机械系统替代创新理论，利用超声波产生的空化、振动、搅拌等综合效应替代搅拌不足，不需要过高的搅拌速度，使物料充分混合，提高溶剂的溶解度。

使用超声波设备见图3。

将探头位置调整到罐体中心区域可提高溶液温度的测量精度，但会出现成本增加、制造难度增加、影响搅拌、温度探头易碎等问题。

借助中介物创新理论，使温度探头处于罐体内部侧面，在提取液中添加氧化铜纳米粒子，形成的纳米流体导热系数可提高60%以上，使温度测量更加准确。由于提取后分离工序是通过胡萝卜素的脂溶性原理进行分离，纳米粒子和其他非脂溶性物质较轻易分离掉[4-5]。

添加氧化铜纳米粒子见图4。

3.1.2 物理矛盾

应用TRIZ创新理论的“物理矛盾”分析方法，获得以下解决方案：提高过滤效率需减小过滤网孔径，减少杂质堵塞滤网需增大滤网孔径。

在过滤进行中，如果小于孔径的杂质不接触滤网就不会堵塞滤网[6]，采用同质性原理，可以利用“纳米效应”（特异的表面效应），在滤网的表面覆盖一层纳米薄膜，根据纳米薄膜材料特性，使滤网表面足够“光滑”，使杂质在滤膜表面的附着力减小，实现持续过滤。

在滤网的表面覆盖一层纳米薄膜见图5。

加快溶解提取速率需要提高提取液温度，减少胡萝卜素挥发需要降低提取液温度。

根据相变原理，提取罐上部增加一组冷凝盘管，将高温挥发的胡萝卜素由气态变成液态，滴回提取液，既能提高提取速率，又能降低胡萝卜素挥发。

提取罐上部增加一组冷凝盘管见图6。

3.2 物场分析

应用TRIZ创新理论的“物场模型”分析方法，获得的解决方案如下：

提取过程引入微波辐射。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中；同时，微波产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率[7]。

引入微波辐射见图7。

将单层过滤网改成多层过滤网，增加过滤效果。

单层过滤网改成多层过滤网见图8。

4 结语

方案实施前，传统提取罐对胡萝卜素的提取率为60%～65%，改进方案实施后，预计提取率可达到80%以上，大幅度提升胡萝卜素的提取率。同时，方案对提取后过滤系统进行了优化，提升了过滤效率，降低了固形杂质残留，有利于提取液后续的分离纯化。通过TRIZ创新理论方法的应用，对胡萝卜素提取系统进行了多方面改进及创新，对解决过滤效率低下问题有较好的帮助，对胡萝卜素提取技术突破起到了很大作用，同时为提高胡萝卜素提取率的生产技术指明了发展方向。