CC BY
74
Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 49-52.
УДК 66.021.3;66.081.6
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ КОРЫ СОСНЫ ВОДНО-ЩЕЛОЧНЫМ РАСТВОРОМ
© Т.В. Рязанова , Ю.А. Тюлькова
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира,
660049, Красноярск (Россия), e-mail: [email protected]
В настоящей работе изучены параметры процесса экстракции коры сосны водно-щелочным раствором, необходимые для принятия технологических решений в дубильно-экстрактовом производстве. Показано, что концентрация экстрагента и температура экстракции существенно влияют на выход экстрактивных веществ.
Ключевые слова: экстракция, кора сосны, водно-щелочная экстракция, дубильный экстракт, раствор гидроксида натрия, дубильно-экстрактовое производство,
Введение
В России лес занимает около 70% от всей территории. Это составляет приблизительно пятую часть всех лесов и половину хвойных лесов мира. В нашей стране очень развита лесоперерабатывающая промышленность, но до настоящего времени переработка древесины крайне нерациональна. Огромное количество коры, ветвей, древесной зелени вывозится в отвал, сжигается, загрязняя окружающую среду. Поэтому необходимо искать пути разумного, бережного и полного использования богатства нашей страны -леса.
Кора древесины составляет около 7-15% объема стволовой древесины. Изучая химический состав коры, можно сказать, что она является ценным сырьем для получения многих полезных продуктов. В коре хвойных пород содержатся такие ценные компоненты, как целлюлоза, лигнин, красящие, пектиновые, дубильные вещества, суберин, жиры, воск, биоактивные вещества [1].
Важное значение среди экстрактивных веществ коры хвойных имеют дубильные вещества. Основными компонентами дубильных веществ являются танниды. Под таннидами понимают группу веществ, неодинаковых по химическому составу и строению, но обладающих общими свойствами, из которых главное - способность связываться с волокнами шкуры, превращая ее в кожу.
Трудности изучения химического строения таннидов заключаются в том, что им всегда сопутствуют различные вещества нетаннидного характера, освободиться от которых очень сложно. Характеристикой таннидов является их легкая изменчивость. Физические и химические воздействия на танниды влекут за собой или расщепление молекул, или их уплотнение. Извлеченные танниды по своему химическому составу и строению отличаются от таннидов, находящихся в растениях.
Одним из наиболее широко используемых видов древесного сырья является сосна обыкновенная, занимающая второе место после лиственницы по распространенности в России. Особенность сосны обыкновенной - сильно различающееся соотношение корки и луба в разных частях ствола [2], что, вероятно, может быть причиной существенных отличий их по химическому составу. Групповой химический состав отдельных частей коры нижней (1) и средней (2) частей ствола представлен в таблице 1.
Как видно из результатов таблицы по выходу извлекаемых веществ, экстракцию коры сосны целесообразно проводить водным раствором щелочи. Поэтому целью работы было оптимизировать процесс водно-щелочной экстракции коры сосны.
* Автор, с которым следует вести переписку,
Таблица 1. Групповой химический состав отдельных частей коры нижней (1) и средней (2) частей ствола, % от а.с.о. коры
Компоненты Луб Корка
1л 2л 1к 2к
Эфирорастворимые вещества 8,3±0,7 6,1±0,3 4,5±0,5 3,53±0,14
Водорастворимые вещества 28,3±3,5 26,6±0,6 5,0±0,2 8,3±0,9
Танниды 11,9 9,3±0,5 1,25±0,05 3,56±0,9
РВ после гидролиза - 9,23 3,0±0,8 4,1±0,4
Щелочерастворимые вещества 33,4±2,2 36,8±0,1 45,7±3,0 32,1±0,5
Целлюлоза 18,8 17,6±0,8 17,5 26,1±0,2
Лигнин 2,90±0,09 3,2±0,6 21,6 24,4±4,6
Экспериментальная часть
В работе использовали кору сосны, которая является отходом ЛДК и соответствует ТУ 50326067-012002.
Экстрагирование растительного сырья не подчиняется общим закономерностям процесса массопе-редачи, поэтому их применение к исследованию не дает должного результата вследствие того, что условия процесса меняются. Ввиду этого возникает необходимость проводить исследования процесса с целью определения оптимальных условий.
На процесс влияют многие факторы, поэтому задача оптимизации становится многофакторной, решать ее приходится при неполном знании механизмов рассматриваемых явлений, не описываемых аналитическими методами. Успешное решение подобных задач может быть найдено простым способом при выборе заданного критерия оптимальности и наложении ограничений на другие [3].
В качестве основного параметра оптимизации выбран максимальный выход экстрактивных веществ, извлекаемых из коры слабощелочными растворами.
Отработку оптимальных режимов экстрагирования проводили на лабораторной установке в термо-статируемом режиме.
Среди технологических параметров, влияющих на выход и состав экстрактивных веществ, важнейшими являются концентрация экстрагента, температура, жидкостный модуль, продолжительность экстрагирования, крупность сырья, влажность сырья [3].
Введение в экстрагент едкого натра позволяет значительно увеличить выход экстрактивных веществ и доброкачественность экстракта. На основе литературных данных и предварительных исследований концентрация гидроксида натрия варьировалась в пределах от 0,5 до 2%.
Одним из основных факторов является температура. Согласно кинетической теории повышение температуры ведет к увеличению скорости движения частиц растворенного вещества, к уменьшению вязкости растворителя, вместе это способствует возрастанию скорости диффузии. Однако повышение температуры более 90 °С приводит к деструкции веществ, обладающих дубящими свойствами. На основе этого температура варьировалась от 30 до 90 °С.
Жидкостный модуль оказывает существенное влияние на выход экстрактивных веществ. Величина жидкостного модуля должна быть такой, чтобы обеспечить высокую скорость процесса экстрагирования одновременно учитывалась экономическая целесообразность этой величины. Исходя из этого соотношение растворителя и экстрагируемого сырья в работе варьировалось (экстрагент : кора): 6 : 1, 9 : 1, 12 : 1.
Продолжительность экстрагирования также должна быть обоснована как технологически, так и экономически. Предварительные исследования показали, что при экстракции коры с размером частиц до 1 мм практически полное извлечение экстрактивных веществ достигается через 60 мин. С учетом этого в работе продолжительность экстракции изменяли в интервале от 10 до 60 мин.
Зависимость выхода экстрактивных веществ от размера сырья подробно описана в литературе [3]. Была использована дезинтеграторная установка, которая позволяет измельчать сырье до однородной массы с размером частиц от 0,5 до 1 мм. Поэтому данный показатель был застабилизирован на размере частиц 1 мм.
Влажность сырья также существенно влияет на процесс экстракции. В работе использовалось естественно-сухое сырье с влажностью 8%. Таким образом, этот параметр также был застабелизирован.
Оптимизацию проводили методом нелинейного программирования. Задача оптимизации сводилась к определению значений технологических параметров, обеспечивающих максимальный выход суммарных экстрактивных веществ. При этом также максимизировался показатель доброкачественности экстракта.
В качестве параметра оптимизации был взят У - содержание сухих веществ в экстракте, % от а.с.к.
На основании предварительных опытов в качестве независимых переменных выбраны следующие факторы, влияющие на выход экстрактивных веществ: Х1 - концентрация экстрагента, %; Х2 - температура процесса, °С; Х3 - жидкостный модуль; Х4 - продолжительность экстракции, мин.
Для получения регрессионных зависимостей был реализован регулярный равномерный план главных эффектов мощности 2 (45//9), предложенный В.З. Бродским [4].
Для компенсации систематических ошибок, вызванных внешними условиями, опыты рандомизированы во времени.
Соответствие факторов Б1 натуральным значениям переменных Х1 показано в таблице 2.
Таблица 2. Соответствие факторов Fi натуральным значениям переменных Xi
i Наименование факторов Уровни (Fi) Уровни (Xi) Шаг варьирования
1 Концентрация экстрагента, X!, % 0 0,5
1 1,25 0,75
2 2,0
2 Температура процесса, Х2, °С 0 30
1 60 30
2 90
3 Жидкостный модуль, X 0 6
1 9 3
2 12
4 Продолжительность экстракции, Х4, ч 0 1 2 10 35 60 25
Обсуждениерезулътатов
Оптимальный режим получения экстрактивных веществ из коры сосны разрабатывали с использованием приведенных в таблице 2 основных факторов и уровней их варьирования. В качестве выходного параметра оптимизации выбран выход экстрактивных веществ.
Задача оптимизации сводилась к определению значений технологических параметров, обеспечивающих максимальный выход экстрактивных веществ. Результаты реализации матрицы планирования эксперимента приведены в таблице 3, где выходные параметры процесса являются средними величинами двух параллельных опытов.
В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии для сосны:
У=37,37+9,068-Х1+8,107-Х2-2,016-Х12+0,429-Х22.
Из уравнения регрессии видно, что на процесс водно-щелочной экстракции коры сосны наибольшее влияние оказывают изменение концентрации экстрагента и температура процесса.
Таблица 3. Матрица планирования эксперимента и результаты ее реализации
n F1 F2 F3 F4 Выход, %
1 0,5 30 6 10 19,2
2 1,25 30 9 35 32,9
3 2,0 30 12 60 40,6
4 0,5 60 9 60 25,2
5 1,25 60 12 10 39,5
6 2,0 60 6 35 44,8
7 0,5 90 12 35 34,4
8 1,25 90 6 60 51,8
9 2,0 90 9 10 51,5
На основе результатов решения регрессионного уравнения и рассмотрения влияния технологических параметров на процесс варки экстракта был предложен следующий оптимальный режим: концентрация NaOH в экстрагенте - 2,0%; температура процесса - 90 °С; жидкостный модуль - 1^9; продолжительность экстракции - 10 мин.
В оптимальном режиме был получен экстракт с содержанием сухих веществ, равным 20,0 г/л. Выход его от а.с.к. составил 48,8%. Доброкачественность экстракта - 79%. Таким образом, данный экстракт соответствует требованиям, предъявляемым к дубильным экстрактам. Поэтому его целесообразно использовать в качестве дубителя в кожевенной промышленности, не подвергая облагораживанию, как это делали с лиственничным экстрактом [5]. Таким образом, себестоимость дубильного экстракта значительно снижается.
Заключение
Изучен процесс получения дубильного экстракта водно-щелочной экстракцией коры сосны. Установлено, что наибольшее влияние на выход сухих веществ оказывают концентрация гидроксида натрия и температура процесса. Данная зависимость носит линейный характер. Увеличение концентрации NaOH от 0,5 до 2,0% и температуры от 30 до 90 °С повышает содержание сухих веществ с 7,5 до 20,3 г/л.
В результате оптимизации технологических режимов процесса экстракции установлено, что максимальное содержание сухих веществ (20,7 г/л) достигается при концентрации экстрагента 1,25%, температуре процесса 90 °С, гидромодуле 9 и продолжительности процесса 10 мин.
Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод о том, что кора сосны, как и кора других хвойных пород, может быть перспективным сырьем для дубильно-экстрактового производства даже без облагораживания экстракта, что существенно снижает его стоимость.
Список литературы
1. Лесное хозяйство России на рубеже XXI века / под ред. A.C. Исаева. М., 1991. Т. 1. 188 с.
2. Корбукова И.В. Особенности химического состава корки и луба Pinus sylvestris L. : дис. ... канд. хим. наук.
СПб., 1996. 160 с.
3. Михайлова Е.И. Облагораживание дубильных экстрактов из коры лиственницы и других хвойных пород ме-тодомультрафильтрации : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 1996. 24 с.
4. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М., 1967. 223 с.
5. Рязанова Т.В., Ток М.В., Еременко О.Н., Тюлькова Ю.А., Гончарова Н.В., Сячинова Н.В., Думнова Е.А. Оп-
тимизация процесса водно-щелочной экстракции коры лиственницы // Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование : матер. VI междунар. науч.-практ. конф. Улан-Удэ, 2010. С. 118-127.
Поступило вредакцию 7 сентября 2011 г.
