Кинетические закономерности СВЧ-экстрагирования бересты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СВЧ-ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БЕРЕСТЫ

Коптелова Елена Николаевна

Канд. техн. наук, ст. преп. кафедры химии и химических технологий Северного (Арктического) федерального университета имени М.В Ломоносова, г. Архангельск;

Третьяков Сергей Иванович Канд. техн. наук, проф. кафедры химии и химических технологий, г. Архангельск;

Кутакова Наталья Алексеевна Канд. техн. наук, проф. кафедры химии и химических технологий, г. Архангельск

В составе березовой коры (бересты) содержится бе-тулин - ценное биологически активное вещество, которое находит самое разнообразное применение. На его основе синтезируют перспективные фармацевтические препараты с противоопухолевой и антивирусной активностями [1, с. 3], [2, с. 1]

Одним из эффективных способов экстракции бересты с целью выделения бетулина и других экстрактивных веществ (ЭВ) является микроволновая обработка в сверхвысокочастотном (СВЧ) поле. В результате данного процесса скорость экстрагирования повышается в 10-15 раз [3, с. 23].

Береста имеет сложную анизотропную структуру -разветвленную сеть сообщающихся друг с другом капилляров и пор. СВЧ-экстракция бересты является массооб-менным процессом, протекающим по механизму молекулярной диффузии, термо - и бародиффузии.

Для исследования кинетических закономерностей СВЧ-экстрагирования бересты использован вычислительный алгоритм расчета кинетики процессов массообмена в системе твердое тело-жидкость в материалах с капиллярно-пористой структурой [4, с. 112]. Кинетику переноса

вещества в системе твердое тело - жидкость описывают следующим уравнением

(Хн - Х)/(Хн - Уо) = / (ГОд, В^ Г, Ъ), (1)

где Хн, Х, у о - концентрация распределяемого вещества начальная и текущая в твердом теле и жидкой фазе; Foд = .От//2 - диффузионный критерий Фурье; Bi = р//О - критерий Био; Г - симплекс геометрического подобия, характеризующий форму и размеры частиц; Ъ - отношение суммарного объема твердых частиц к объему жидкой фазы; в - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; / - определяющий линейный размер (для пластины - половина толщины, для шара и цилиндра - радиус Я); О - коэффициент внутренней диффузии (массопроводности); т - продолжительность процесса экстрагирования.

Наиболее доступным способом экспериментального исследования кинетики процесса массообмена в системе «твердое тело - жидкость» является проведение периодического процесса, в котором определенные количества твердого вещества и жидкости загружаются в аппарат с мешалкой и прослеживается изменение концентрации раствора во времени. Уравнение (1) имеет вид

X н - Х

1

Хн - Уо 1 + b

4(v + 1)exp(-^ П Foa )

1+ Bi f ^ - 2(v +1)

Bi

- 2(v + 1)b

+

Bi

- 2(v + 1)b

(2)

где V = 'У (Г - 1), для пластины V = -'У, для цилиндра V = 0 и для сферы V = 'У; п - числа натурального ряда; ци - корни характеристического уравнения.

Кинетику процесса, если лимитирующей стадией является внутренняя диффузия (Ш ^ да), можно выразить следующим уравнением:

X - Х

1

Уо

1 + b

-Z AneXP(П F0 ) •

n=1

(3)

Кинетическое уравнение может быть без большой потери точности представлено в удобном для анализа виде:

Ур - У

Xн - Уо

или при его логарифмировании

ln

Ур - У

хн - Уо

= ln B1 -

2 DT l2

(4)

линия, которая характеризует область регулярного режима извлечения. Экстраполяцией прямой линии 1п [(ур -у)/(Хн - уо)] = /(т) до т = 0 определяли значение В1 в уравнении (4), а по тангенсу угла наклона прямой tg а находили величину коэффициента внутренней диффузии

/ ^ а

D = --

где В1 = ЪА\; ур, уо, у - средняя, начальная и текущая концентрация раствора.

В соответствии с уравнением (4) строится графическая зависимость логарифма симплекса концентрации от продолжительности экстракции т. Так как условия, при которых выведено данное уравнение, соблюдались, то при не очень малых значениях т на графике получается прямая

Экспериментально установили, что ц1 и A1 соответствуют теоретическим значениям для шара (ц1= п и A1 = 6/ п2).

Опыты по исследованию кинетических закономерностей СВЧ-экстрагирования бересты проводили в СВЧ-экстракторе, описание которого приведено в работе [5, с. 159]. Модельные образцы готовили из технической бересты, полученной при окорке фанерного кряжа на Архангельском фанерном заводе. После отделения луба бересту размалывали на лабораторной дробилке истирающего (лущильного) действия типа dr. Koerner, mode II и на мельнице роторной ножевой РМ 120 режущего действия.

Геометрические характеристики бересты и экспериментальные значения коэффициентов внутренней диффузии приведены в таблице.

2

n=1

ад

Таблица 1

Геометрические характеристики бересты и экспериментальные значения коэффициентов внутренней диффузии

Образец Средние размеры частиц бересты в тангенциальном, продольном и радиальном направлениях (из 100 замеров), мм Эквивалентный радиус частиц бересты, Я, м Коэффициент внутренней диффузии ЭВ Б. 1010, м2/с Коэффициент внутренней диффузии бе-тулин Б. 1010, м2/с

Б1 7,0x3,0x0,03 0,00024 0,29 0,49

Б2 1,5x1,0x0,5 0,00051 1,94 0,64

Б3 7,6x1,0x1,4 0,00 165 15,10 10,23

Б4 2,5x2,6x1,5 0,00087 3,42 1,74

Б5 5,1x2,5x1,6 0,00169 14,00 12,57

Б6 7,5x2,5x1,5 0,00233 34,10 24,10

Б7 10,0x2,6x1,5 0,00289 36,60 29,60

Б8 7,6x7,5x1,5 0,00259 24,20 26,12

Б9 5,1x7,5x1,6 0,00252 34,00 25,13

Геометрические характеристики бересты и экспериментальные значения коэффициентов внутренней диффузии

Модельные образцы бересты с фиксированными размерами в тангенциальном, продольном и радиальном направлениях путем разрезания - Б3-Б9. Образец Б1 - береста, размолотая на дробилке истирающего действия; Б2 - на измельчителе режущего действия. В качестве растворителя использовали 86 %-ный этиловый спирт - универсальный растворитель, широко применяемый в практике получения продуктов, содержащих биологически активные вещества. За нарастанием концентрации ЭВ следили с

содержание бетулина в экстракте определяли с помощью метода ВЭЖХ.

На представленных кривых (рис. 1) видно, что концентрация ЭВ в растворе при СВЧ-экстракции из бересты, размолотой на дробилке истирающего действия, выше, чем из бересты, размолотой на дробилке режущего действия и из модельных образцов с фиксированными размерами. С увеличением размеров бересты по длине и по ширине, происходит незначительное снижение скорости процесса экстракции и уменьшение степени извлечения ЭВ.

помощью весового метода, а

Рисунок 1. Изменение концентрации ЭВ в зависимости от степени и способа измельчения бересты

Логарифмическая зависимость симплекса концентрации ЭВ и бетулина от т при СВЧ-экстракции образца бересты Б1 этиловым спиртом показана на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость 1п[(ур - у)/ (Хн - уо)] = f (т) при извлечении ЭВ и бетулина для образца Б1

На основе экспериментальных данных и расчетных кривых построены корреляционные графики для ЭВ и бе-тулина для образцов Б1-Б9 (рис. 3).

30

£ 25

20

15

я

cd (D

Я

и

§ 10

к н

(D

о cd Рч

/L к

0

0 5 10 15 20 25 30 Экспериментальная концентрация ЭВ г/л

♦Б2 ■ Б3 АБ4 •Б5 ОБ6

□ Б7 ДБ1 ОБ8

□ Б9

3 ^ ае

атрн акте цен тра нц кст ок

й m

нн

етн нли

§ ^

14 12 10 8 6 4 2 0

0 2 4 6 8 10 12 14 Экспериментальная концентрация бетулина в экстракте, г/л

Рисунок 3. Корреляционные графики для ЭВ и бетулина

Анализируя полученные данные, можно отметить, что коэффициенты внутренней диффузии при СВЧ-экстрагировании бересты (Б = (0,3-34,1)10 -10, м2/с) на порядок выше, чем при экстрагировании без СВЧ-обработки (Б = (1,3-12,4). 10-11, м2/с) [3, с. 24].

Как видно из рисунка 3, расчетные концентрации ЭВ и бетулина в экстракте сопоставимы с экспериментальными данными, среднее квадратичное отклонение (СКО) не превышает 0,15 г/л, что подтверждает правильность выбора данного алгоритма для расчета кинетики процесса СВЧ-экстрагирования бересты этиловым спиртом.

На основе предложенного вычислительного алгоритма расчета кинетики процессов массообмена в системе твердое тело-жидкость в материалах с капиллярно-пористой структурой определены коэффициенты внутренней диффузии при СВЧ-экстрагировании бересты из измельченной березовой коры. Расчетные значения концентрации экстрактов достаточно близки к экспериментальным, что позволяет использовать полученные коэффициенты для расчета кинетики процесса СВЧ-экстрагирования бересты при получении бе-тулина.

Список литературы:

1. Кислицын А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, применение // Химия древесины. - 1994. - № 3. - 58 с.

2. Толстиков Г.А., Флехтер О.Б., Шульц Э.Э. Бетулин и его производные. Химия и биологическая активность // Химия в интересах устойчивого развития. - 2005. - №13. - 45 с.

3. Коптелова Е.Н., Кузнецова Л.Н., Кутакова Н.А., Третьяков С.И. Интенсификация процесса выделения бетулина из бересты с использованием СВЧ-поля // Лесной журнал. -2013. - № 5. - 56 с.

4. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой - М.: «Химия», 1980. - 248 с.

5. Коптелова Е.Н., Кутакова Н.А., Третьяков С.И. Извлечение экстрактивных веществ и бетулина из бересты при воздействии СВЧ-поля // Химия растительного сырья. - 2013. - № 4. - 62 с.

5

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ ДИСКОВОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА СИЛУ И ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ РАЗРУШЕНИИ ЛЬДА

Ковалевич Павел Васильевич Старший преподаватель кафедры ТОиГСМ ИНиГ СФУ, г. Красноярск

Ганжа Владимир Александрович Канд. техн. наук, доцент кафедры ТОиГСМ ИНиГ СФУ, г. Красноярск

Каптюк Иван Викторович Старший преподаватель кафедры ТОиГСМ ИНиГ СФУ, г. Красноярск

Наиболее ответственным и сложным этапом сезонной эксплуатации автомобильных дорог является зимнее содержание покрытий. Основные показатели качества различных дорожных покрытий - коэффициент сцепления, ровность, чистота и др. [1] оказывают решающее влияние на уровень безопасности дорожного движения, аварийности на автодорогах, качество обслуживания

пассажиров и травматизм участников дорожного движения.

Значительную трудоемкость работ зимнего содержания автомобильных дорог составляют мероприятия по предотвращению и устранению снежно-ледяных и гололедных образований, которые в настоящее время выпол-