Экстракция коры хвойных водноорганическими экстр агентами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 630*866+581.821.2:526.426.2

ЭКСТРАКЦИЯ КОРЫ ХВОЙНЫХ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИМИ ЭКСТРАГЕНТАМИ

© Г.В. Пермякова , С.Р. Лоскутов, А.В. Семенович

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: aniskina_a@ksc.krasn.ru

Исследованы новые варианты извлечения экстрактивных веществ с помощью бинарных и трехкомпонентых водноорганических систем экстрагентов. Показано, что предлагаемые варианты имеют ряд преимуществ: по суммарному выходу экстрактивных веществ, качественному составу экстрактов и «технологичности» процесса экстрагирования.

Ключевые слова: экстрактивные вещества, лиственница, пихта, сосна, кора.

Введение

Первостепенное значение при постановке задачи экстракционной переработки коры имеет выбор типа экстрагента, обеспечивающего высокую степень извлечения целевых компонентов.

Основные требования, предъявляемые к растворителю (и/или к бинарным и тройным системам) заключаются в следующем. Экстрагент должен обладать высокой экстрагирующей способностью, быть химически индифферентным по отношению к целевым компонентам, стабильным к температурным и химическим воздействиям при условиях проведения экстракции. Важным условием использования данного растворителя в производстве являются его малотоксичность, регенерируемость, пониженная взрыво- и пожароопасность, недефицитность, приемлемая цена.

В контексте этих требований в качестве добавок к основному экстрагенту (воде) нами были выбраны моноэтаноламин (МЭА) [1], метилцеллозольв (МЦ) и диметилформамид (ДМФА). По растворяющей способности по отношению к экстрактивным веществам (ЭВ) фенольной природы МЦ и ДМФА занимают одно из первых мест. Эти жидкости, в частности, являются прямыми растворителями лигнина и должны способствовать извлечению ЭВ, вызывая набухание ее ароматической части. (Прямое экспериментальное определение разбухания древесины лиственницы в МЦ, ДМФА и других органических растворителях, выполненное нами, подтвердило это положение [2]). Кроме того, МЦ, как эфир, обладает присущими эфирам свойствами в отношении растворяющей способности, что также должно приводить к увеличению выхода ЭВ при использовании МЦ в бинарных и тройных системах экстрагентов.

Таким образом, обладая высокой растворяющей способностью по отношению к ЭВ коры, являясь сильными агентами набухания углеводной (МЭА) и ароматической (МЦ, ДМФА) частей лигноцеллюлозных материалов, эти растворители, с нашей точки зрения, весьма перспективны для их использования в экстракционной переработке коры.

Экспериментальная часть

Объектом исследования были отходы окорки (кора) Larix sibirica, Pinus sylvestris и Abies sibirica, являющиеся основными лесообразующими хвойными породами Сибири и заготавливаемыми на территории Красноярского края.

Цель исследования - разработка новых вариантов извлечения комплекса экстрактивных веществ из коры с помощью бинарных и трехкомпонентных водно-органических систем экстрагентов: вода-моноэтаноламин, во-

* Автор, с которым следует вести переписку.

да-ацетон, вода-этанол, вода-метилцеллозольв, вода-метилцеллозольв-диметилформамид. В задачи исследования входило определение влияния основных параметров экстрагирования на выход и групповой состав экстрактов.

За методическую основу принята традиционно используемая в химии древесины техника экстракционного эксперимента (опубликованная ранее [1]), включая соответствующее оборудование и приборы.

Для проведения экстракции готовили следующие системы экстрагентов:

1) Вода-МЭА. Содержание МЭА в системе: 1,0; 1,5; 2,0; 3,5 и 5,0%.

2) Вода-МЦ. Содержание МЦ в системе: 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 и 10,0%.

3) (Вода-МЦ)-ДМФА. Содержание ДМФА в системах (вода-МЦ) 2,5%.

Экстрагирование осуществляли в двух сериях экспериментов: при температуре 50 и 80 °С. Продолжительность экстрагирования 6 ч, жидкостный модуль - 1 : 10.

Обсуждение результатов

Результаты исследования представлены на рисунках 1-4. Установлена общая для всех способов экстрагирования тенденция относительно суммарного выхода ЭВ. При увеличении массовой доли органического растворителя в экстрагенте и повышении температуры, при которой осуществлялась экстракция, наблюдается возрастание выхода ЭВ (рис. 1, 2). При этом темпы роста количества экстрагируемых веществ существенно различаются при переходе от одного способа к другому. Так, для системы вода-МЭА прирост выхода ЭВ составляет от 5,1 до 7,5% на 1% увеличения органического растворителя в экстрагенте [1], в то время как для систем вода-МЦ и вода-МЦ-ДМФА этот показатель изменяется в пределах 0,4-0,6 и 0,2-0,4% соответственно. Повышение температуры экстрагирования коры последними двумя системами от 50 до 80 °С приводит лишь к незначительному увеличению темпа роста выхода ЭВ (на 0,2-0,3%) при возрастании массовой доли МЦ (МЦ-ДМФА) в экстрагенте на 1%.

Следует отметить, что при экстрагировании коры Abies sibirica системами вода-МЦ и вода-МЦ-ДМФА (при концентрации МЭА более 6%) наблюдалось образование студнеобразной массы, что делало практически невозможным отделение раствора экстрактивных веществ фильтрованием.

При сравнении группового состава экстрактов коры сосны и лиственницы (рис. 3) выявляются существенные различия массовой доли катехинов и лейкоантоцианов, а также конденсированных фенольных веществ. В частности, в экстракте коры лиственницы содержится около 35% этилацетатной фракции и 22,2% -ацетоновой, в то время как экстракт коры сосны содержит 17,2 и 31,3% веществ этих групп соответственно. При добавлении в экстрагент ДМФА эти различия становятся еще более выраженными (рис. 3).

О селективности экстрагентов по отношению к той или иной группе соединений можно судить по диаграммам, представленным на рисунке 4, где на примере коры лиственницы и сосны представлен групповой состав экстрактов, полученных с помощью различных экстрагентов.

Рис. 1. Зависимость выхода извлекаемых веществ от концентрации МЦ в бинарном экстрагенте при экстрагировании коры лиственницы (1) и сосны (2). По оси абсцисс: 1 - 2,0; 2 - 4,0; 3 - 6,0; 4 - 8,0; 5 - 10,0% МЦ в экстрагенте; а) 1 = 50 °С; б) 1 = 80 °С

Рис. 2. Зависимость выхода извлекаемых веществ от концентрации МЦ в экстрагенте вода-МЦ-ДМФА при экстрагировании коры лиственницы (1) и сосны (2). По оси абсцисс: 1 - 1,95; 2 - 3,90; 3 - 5,85; 4 - 7,80;

5 - 9,75% МЦ в экстрагенте. Массовая доля ДМФА во всех случаях равна 2,5%; а) t = 50 °C; б) t = 80 °C

40

30

20

10

О

ЗІ

П і D2

МП

2

сі r-і гч

ГЧ г* —

40

зо

л

20

10

■і о

1 J___________U________I____L_

ТГ

■Я СЧ

12 3 4 5

1 2 3 4 5

Извлечение

Рис. 3. Групповой состав экстрактов коры сосны (1) и лиственницы (2), установленный путем последовательных извлечений из исходных экстрактов веществ, растворимых в гексане (1), диэтиловом эфире (2), этилацетате (3), ацетоне (4) и воде (5); 6 - нерастворимый остаток. а) экстрагент вода-МЦ (10%); б) экстрагент вода-МЦ (10%)-ДМФА (2,5%)

Рис. 4. Групповой состав экстрактов коры лиственницы (а) и коры сосны (б), полученных с помощью различных экстрагентов: вода-МЦ (10 %); вода-МЦ (10%)-ДМФА (2,5%); вода-МЭА (5%). Обозначения извлечений те же, что на рисунке 3

Выводы

В результате проведенных исследований установлена эффективность новых систем экстрагентов в отношении выхода экстрактивных веществ коры лиственницы, сосны и пихты. Изучен групповой состав экстрактов путем последовательной обработки (исчерпывающих извлечений) гексаном, этанолом, диэтиловым эфиром, этилацетатом, ацетоном и водой. Сравнение полученных нами результатов с имеющимися в литературе сведениями об экстрагировании коры (в частности, коры лиственницы) горячей водой, водноспиртовым раствором щелочи и дробной экстракции коры после ее активации по методу изобарного паро-крекинга различными по полярности растворителями показало, что предлагаемые нами варианты имеют ряд преимуществ: по суммарному выходу экстрактивных веществ, качественному составу экстрактов и «технологичности» процесса экстрагирования.

Список литературы

1. Лоскутов С.Р., Пермякова Г.В., Анискина А.А., Перышкина Г.И. Влияние добавок моноэтаноламина на экстракцию коры Larix sibirica Lеdeb. // Растительные ресурсы. 1997. Т. 33, №2. С. 74-78.

2. Попова О.А., Лоскутов С.Р. Влияние физико-химических свойств низкомолекулярных веществ на сорбционные характеристики системы древесина-НМВ // Вестник СибГТУ. 1999. Вып. 1. С. 105-111.

Поступило в редакцию 10 июня 2007 г.