автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему: Комплексная переработка древесных отходов пихты с использованием сжиженной углекислоты
Автореферат диссертации по теме «Комплексная переработка древесных отходов пихты с использованием сжиженной углекислоты»
УШАНОВА Валентина Михайловна
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ ПИХТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЖИЖЕННОЙ УГЛЕКИСЛОТЫ
05. 21. 03 — Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Красноярской государствеиной технологической академии на кафедре «Химической технологии древесины».
доктор химических наук, профессор, РЕПЯХ С.А1. Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, с.н.с. СТЕПЕНЬ P.A.
кандидат химических наук, доцент ГОРНОСТАЕВА Л.И.
Защита диссертации состоится «• /г > ОЛхр^лДдЯ-_1995 г.
в часов на заседании диссертационного совета Д 063. 83. 01 Кра-
сноярской государственной технологической академии по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.
Автореферат разослан « «^О » 1995 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Комплексное использование лесных ресурсов предусматривает утилизацию всей органической массы дерева, включая древесные отходы, которые служат сырьем для производства многих ценных веществ. Такими многотоннакными отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской. Наличие в этом сырье ценных биологически активных веществ (БАВ) и возможность получения при утилизации ДЗ и коры лечебных препаратов, пищевых и кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве, создает предпосылки для их комплексной переработки.
Количество и качество веществ, извлекаемых из растительного сырья, зависит от вида экстрагента. Поэтому для извлечения экстрактивных веществ из ДЗ и коры следует применять такой растворитель, который бы извлекал одновременно жиро- и водорастворимые компоненты. В последнее время для извлечения экстрактивных веществ из растительного материала в качестве растворителя применяют сжиженную углекислоту. Этот экстрагент при снятии давления полностью улетучивается, оставляя в нативном виде сумму экстрактивных веществ. Полученные углекислотные экстракты по составу и потребительским свойствам по ряду показателей превосходят традиционные экстракты. Обработка сырья сжиженной углекислотой в связи с извлечением нативных продуктов относится к высокоэффективным технологическим процессам. Она обеспечивает снижение трудовых затрат, улучшает качество продукции и способствует комплексному использованию сырьевых ресурсов.
Двуокись углерода селективна к определенным компонентам растительного сырья. Оставшийся после экстракции остаток является источником многих биологически активных веществ.
Для более полного извлечения водо- и жирорастворимых веществ, содержащихся в ДЗ и коре пихты, проводилась последующая экстракция водой и 96Ж-ным этиловым спиртом. Это особенно важно в целях рационального использования природных растительных ресурсов, что является в настоящее время актуальной общегосударственной задачей
Цель работы заключалась в разработке способа комплексной переработки древесной зелени и коры пихты с выделением БАВ при пос-
ледовательной экстракции сырья сжиженной углекислотой, водой и этиловым спиртом. Решение этой задачи включало исследование методами математического моделирования влияния способа подготовки сырья на выход продуктов экстракции; определение кинетики извлечения экстрактивных веществ из коры пихты и проведение фармакоки-нетических исследований полученных продуктов.
Научная новизна работы. Определена кинетика извлечения экстрактивных веществ из коры пихты сжиженной углекислотой. Проведена идентификация параметров математической модели процесса экстракции. Установлен групповой и индивидуальный состав углекислотных экстрактов из ДЗ и коры пихты. Выделено и идентифицированно душистое вещество — мальтол. По результатам исследований получено решение ВШИГПЭ о выдаче трех патентов на изобретения.
Практическая значимость работы. Разработана технология комплексной переработки древесных отходов пихты с использованием сжиженных газов и получением ценных продуктов с высоким содержанием БАВ, что позволяет использовать их в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве. Проведены фармакокинетические исследования полученных продуктов. Разработаны технические условия на полученные продукты и регламент на технологический процесс. С целью повышения питательной ценности послеэкстракционного остатка проведена его ферментативная обработка грибом Pleurotvs osireatua.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзной научно-технической конференции «Химия и использование экстрактивных веществ дерева» (Горький, 1990), на научно-технической конференции «Научно-технический и социальный прогресс лесопромышленного-комплекса Восточно-сибирского региона» (Красноярск,1990), на III региональном совещании республик Средней Азии и Казахстана по химическим реактивам (Ташкент,1990),на Всесоюзной научно- практической конференции «Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона» (Красноярск, Лесосибирск, 1991 ), на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивные и безотходные технологии и оборудование» (Волгоград,1991), на Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск,1993), на научно-практической конференции по итогам НИР Красноярской государственной технологичес-
кой академии (Красноярск,1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в которых изложено основное содержание выполненных исследований.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 2.02. страницах машинописного текста, содержит г5 рисунков и ъв таблиц. Работа состоит из введения, 4 разделов, общих выводов по работе, списка литературы и приложений, в которых приведены документы, подтверждающие полезность выполненной работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
При разработке безотходной технологии переработки древесной зелени и коры пихты сибирской (АЫез з1ЫПса ЪебЬ.), исследовались углекислотные, водные и спиртовые экстракты и послеэкст-ракционные остатки, полученные на лабораторных и промышленных установках. С целью более полного изучения состава осуществлялось фракционирование экстрактов.
Одной из задач являлось выделение мальтола из водной части углекислотных экстрактов пихты, которая до настоящего времени являлась отходом углекислотного производства. Идентификация выделенного соединения проводилась с применением ГЖХ, УФ-, ИК-, ПМР-спектроскопии и дериватографии.
При проведении работы исследовались: влияние вида экстрагента и технологических факторов на процесс экстракции; кинетика извлечения экстрактивных веществ из коры пихты; токсичность полученных продуктов.
I. Влияние вида экстрагента на выход экстрактивных веществ
Углекислотный экстракт пихты сибирской получают из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. Он представляет собой сложный комплекс, содержащий летучие и воскообразные вещества, витамины, провитамины и другие полезные компоненты.
Экстракция пихты жидкой двуокисью углерода позволяет извлекать из сырья летучие вещества практически полностью.
Оставшийся после экстракции остаток является источником БАВ.
Это вакно с точки зрения комплексного использования сырья и охраны природных растительных ресурсов Выход экстрактивных веществ увеличивается при использовании последовательной экстракции, поэтому при проведении эксперимента в качестве экстрагентов использовались сжиженная углекислота, вода и этиловый спирт. Полученные результаты представлены в табл.1
Влияние полярности растворителя на выход экстрактивных веществ из древесной зелени (ДЗ) и коры пихты
Наименование показателя Исходное сырье Остаток сырья после экстракции
сжиженной углекислотой водой этиловым спиртом
ДЗ кора ДЗ кора да кора да кора
Выход экстрактивных веществ, % а. с. с Витамин С,мг% 181.9 48.4 5.0 157.2 6.5 12.8 8.4 58.4 2.1 19.7 8.2 16.4
Из табл. I видно, что последовательный способ экстракции, позволяет повысить выход экстрактивных веществ с 5% до 33.1% для ДЗ и с 6.5% до 25.1% для коры пихты. Основная доля экстрактивных веществ, как для да — 19.7%, так и для коры пихты — 16.4%, приходится на спиртовый экстракт.
2. Влияние технологических факторов и условий подготовки древесной зелени и коры пихты на процесс экстракции
Решающее значение для экстракции растительного сырья сжиженными газами имеет его предварительная подготовка (дробление и вальцевание). При измельчении сырью придается структура, необходимая для быстрейшего извлечения из него веществ. Исходную ДЗ измельчали до размеров с эквивалентным диаметром от 0.5 до
2.2 мм. Наибольший выход суммарных экстрактивных веществ наблюдался при размере частиц 0.8 — 0.9 мм.
Выход экстрактивных веществ повышается при обработке ДЗ на вальцах. При этом разрушается макро- и микроструктура клетки, они вскрываются и вещества, находящиеся во вскрытых клетках, легко вымываются экстрагентом. Такое воздействие приводит к разрушению покровной ткани оболочки и полупроницаемых мембран. Предлагаемая подготовка сырья позволяет повысить выход экстрактивных веществ до 10-13%, что соответствует удельной поверхности 1200 м2/кг.
При извлечении БАВ из растительного сырья нагрев должен быть ограничен температурой, при которой не будет происходить деструкция этих веществ. Наиболее высокий выход экстрактивных веществ получен при температуре углекислотной экстракции древесной зелени пихты 20-22°С, влажности 20% и размере частиц 0.8 мм.
Влияние размера коры пихты на степень извлечения экстрактивных веществ при заданной продолжительности экстракции представлено на рис. I. Анализ полученных результатов показывает, что при среднем размере сырья 2.5 мм и степени извлечения летучих компонентов 0.9, продолжительности экстракции равна пяти часам.
3. Кинетика извлечения экстрактивных веществ из коры пихты
Изучение кинетики извлечения экстрактивных веществ из коры пихты проводилось при получении углекислотных экстрактов. Проведенные исследования показали (рис.2,3), что основной фракцией летучих компонентов являются монотерпеновые углеводороды. При увеличении продолжительности экстракции с двух до пяти часов, количество их, относительно других компонентов, уменьшается с 65.8% до 60%. Основная доля монотерпеновых углеводородов приходится на ос- пинен (25.2 и 20.2 % соответственно). Продолжительность извлечения сесквитерпеновнх углеводородов — четыре часа. В составе сесквитерпенов обнаружены моноциклические, бициклические и трициклические углеводороды, относящиеся к различным структурным типам. Кариофиллен является основным компонентом сесквитерпеновой
миянн* размера коры пихты на (ыход пмучих компонентов
КИНЕТИКА ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ УГПЕКИСПОТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ КОРЫ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ
Источник