CC BY
150
УДК 691-419.8
Р. Р. Сафин, А. Е. Воронин, Ф. В. Назипова, Л. В. Ахунова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСТРАКЦИИ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ВОДЯНЫМ ПАРОМ
Ключевые слова: экстрагирование, экстрагент, эфирное масло, водяной пар, древесная зелень.
В статье рассматривается оптимизация процесса переработки древесной зелени водяным паром. Описываются технологические параметры, при которых повышается качество эфирного масла. Рассмотрена кинетика выхода эфирного масла при различных температурах среды, а так же изменения показателя преломления проб эфирного масла при различных температурах процесса.
Keywords: extraction, extractant, essential oil, steam, wood green.
The article consider optimization ofprocess of wood greens by water vapor. In the article are described technological parameters at which quality of essential oil increases. The kinetics of an exit of essential oil is considered at various temperatures of the environment, and also changes of index of refraction of tests of essential oil at various temperatures of process.
Введение
Хвойные леса России составляют половину мировых запасов, а их общая фитомасса достигает 56 млрд. т, в том числе до 3 млрд. т древесной зелени. Однако при традиционных способах заготовки и переработки уровень использования древесного сырья составляет 25-30 % от всей биомассы дерева. В связи с этим, проблема полного и рационального использования лесной биомассы ставит задачу вовлечения в переработку сырьевых ресурсов, которые до последнего времени относились к древесным отходам и, в первую очередь, это касается такого биологически ценного сырья как хвойная древесная зелень [1-2].
Древесная зелень - специфический вид лесного сырья, в составе которого преобладают живые клетки хвои, молодых побегов и коры. Как известно, в живых растительных клетках содержатся белки, углеводы, витамины, ферменты, желтые и зеленые пигменты, стерины, микроэлементы и другие вещества, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности растений, животных и человека. В последние годы в пищевой, парфюмерно-косметической промышленности, бытовой химии и сельском хозяйстве резко возрос спрос на натуральные биологически активные добавки. Большое значение в решении этого вопроса может иметь использование древесной зелени, богатой биологически активными веществами [3].
К настоящему времени разработаны и реализованы различные схемы переработки древесного сырья. Среди них есть и весьма эффективные, базирующиеся на глубокой химической переработке древесной зелени, коры, опилок, стружек хвойных и лиственных пород. Однако, внедрение этих производств хотя и предполагает значительный экономический эффект, но требует больших капитальных и эксплуатационных затрат, квалифицированных кадров, сложного оборудования. Обеспечение этих условий для многих лесопромышленных хозяйств пока затруднено. Доступнее организация
производств, вырабатывающих продукцию с использованием сравнительно простых средств и с привлечением незначительных вложений, как в частности, переработка древесной зелени водяным паром.
Применяемые для этих целей в настоящее время установки характеризуются эффективностью извлечения целевого продукта не более 65 % при продолжительности процесса не менее 5 часов. В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования процесса переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды [4-7].
Методы и материалы
Одной из важнейших характеристик процесса переработки древесной зелени является кинетика выделения эфирного масла из древесной зелени и его компонентный состав. Обладая этими данными можно сделать выводы о необходимой продолжительности отгонки, рациональной температуре водяного пара и их влиянии на компонентный состав эфирного масла. Это открывает перспективы планирования
необходимого состава готового продукта. Для проведения экспериментов была разработана установка для исследования переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром при повышенном давлении среды [6 - 10].
Эксперименты проводились следующим образом. Установка состоит из парогенератора и экстракционной камеры, работающей под избыточным давлением. Экстрагирование осуществляется подачей водяного пара в экстракционную камеру, куда предварительно загружается древесная зелень. Для проведения экспериментов использовалась хвоя пихты, произрастающей на территории центральной части России. Температура, давление и расход пара в экстракторе регулируются с помощью вентилей на входе и выводе из камеры. Водорастворимые вещества из древесной зелени диффундируют в паровой поток, а эфирные масла, как легколетучие
соединения, уносятся вместе с паром в холодильник-конденсатор. В нем паровой поток конденсируется и насыщенный биологически активными веществами конденсат сливается во флорентину. Там происходит ее отстаивание и разделение на хвойный экстракт и эфирное масло. Отбор эфирного масла производился в следующие моменты времени: 10, 20, 30, 60, 90 и 150 мин c момента подачи первой порции пара. Эксперименты проводились в интервале температур 100 - 140оС. Нижняя граница исследуемого диапазона температур объясняется тем, что процессы экстракции древесной зелени при температуре ниже 100оС, достаточно хорошо изучены. Превышение верхней границы в 140оС вызывает тепловое разрушение ценных микроэлементов, содержащихся в древесной зелени.
Результаты
Кинетические данные по выходу эфирного масла с единицы объема сырья в зависимости при различных температурах экстракции представлены на рисунке 1. Результаты экспериментов убедительно доказывают, что температурный диапазон переработки древесной зелени от 110°С до 130°С обеспечивает наилучшие показатели по выходу эфирного масла. Это подтверждает низкую эффективность существующих установок по переработке древесной зелени водяным паром, работающих при атмосферном давлении (кривая при 100°С), так как в этом случае более 50% целевого продукта остается в отработанной зелени. При этом следует отметить, что при температурах 120°С и 130°С, кривые извлечения целевого продукта имеют схожий характер. Дальнейшее повышение температуры переработки хвои не продуктивно, так как наряду с увеличением интенсивности диффузионных процессов происходит термическое разложение основных компонентов эфирного масла.
у, кг/кг
0,018
100 110 120 130 140
0,004 0,002 0
Рис. 1 - Кинетика выхода эфирного масла при различных температурах среды
Выход эфирного масла также зависит от количества подаваемого экстрагента,
приходящегося на единицу объема загруженного в аппарат сырья. С возрастанием расхода экстрагента возрастает и выход эфирного масла. Это происходит до значения расхода пара 550-600 кг/час*м3. При дальнейшем возрастании количества подаваемого
экстрагента существенного изменения выхода получаемого эфирного масла не наблюдается.
Однако в эфиромасличном производстве приоритетными являются не количественные, а качественные показатели. Только удовлетворяющий соответствующим требованиям продукт может стать конкурентоспособным на рынке данной продукции, поэтому было проанализировано качество получаемых эфирных масел.
Одним из важных показателей является плотность эфирного масла. На рис. 2 представлены зависимости плотности масла от температуры обработки. Отчетливо видно, что плотность целевого продукта, полученного при стандартных методах обработки при температуре 100°С значительно ниже, нежели у продуктов, полученных при более высоких температурах. Согласно международным стандартам плотность не должна быть ниже 0,894 г/см3. У эфирного масла, полученного уже при температуре 110°С, лишь самая первая фракция лежит ниже данного требования. При дальнейшем повышении температуры плотность продукта, равно как и содержание в нем борнилацетата увеличивается. При температуре 140° С начинает сказываться негативное воздействие термического разложения компонентов эфирного масла, в том числе и на количественное содержание борнилацетата, поэтому график круче спускает вниз. По результатам экспериментальных исследований выявлены пути интенсификации процесса извлечения эфирных масел и повышения их качества при экстракции водяным паром.
Рис. 2 - Изменение плотности проб эфирного масла в процессе обработки
Данные полученные путем химического анализа проб эфирного масла на содержание главного компонента, определяющего качество этого продукта - борнилацетата, убедительно доказывают прямую закономерность между его количеством в пробе и плотностью эфирного масла, так как графики их изменения имеют идентичный характер с кривыми, представленными на рис. 2 [9]. На рис. 3 представлена кинетика изменения показателя преломления проб эфирного масла, при различных температурах процесса. Как видно, четкой закономерности между ними не прослеживается, однако в сравнении с аналогичным
г
графиком изменения плотности эфирного масла (рис. 3) можно заметить обратный характер их динамического изменения. Следовательно, при наиболее низких показателях преломления эфирное масло имеет более высокое качество и экономическую ценность. [11-13]. Лишь при температуре 140оС данного соответствия не наблюдается, так как в пробах увеличивается присутствие продуктов термического разложения эфирного масла, что, следовательно, не только снижает его выход, но и ухудшает чистоту и качество готового продукта.
Г. М11Н
Рис. 3 - Изменение показателя преломления проб эфирного масла в процессе обработки
Характер изменения числа омыления и эфирного числа носит практически идентичный характер и разница их числовых значений составляет не больше ± 0,5 мг/г.
Следовательно, чтобы проанализировать закономерности их изменения, достаточно рассмотреть такую наиболее значимую с точки зрения потребительского применения
характеристику, как эфирное число, так как именно этот параметр является наиболее значимым при использовании данного продукта в парфюмерной промышленности [14].
Зависимость эфирного числа фракций от температуры экстракции представлена графически на рис. 4, из которого видно, что за первые 30 минут с начала процесса эфирное число в пробах всех температурных режимов увеличивается примерно в два раза, после чего сохраняется приблизительно на том же уровне либо незначительно снижается [15-17].
Это говорит о том, что в начале процесса извлечения эфирных масел водяным паром ароматические качества получаемого продукта имеют неудовлетворительные показатели, особенно это касается первых десяти минут процесса, поскольку именно этот промежуток времени характеризуется наибольшим выходом целевого продукта.
Вследствие этого, отбор первых порций эфирного масла позволит повысить показатель эфирного числа в итоговой наработке эфирного масла на 30%, что может быть весьма существенно при дальнейшем его использовании в ароматических целях [18].
14.
О 50 100 150 200 г. цщ
Рис. 4 - Изменение эфирного числа проб
Таким образом, переработка древесной зелени при температуре 120-130° C не только значительно интенсифицирует процесс, но и позволяет существенно повысить физико-химические свойства эфирного масла.
Заключение
Установлено, что процесс переработки древесной зелени водяным паром целесообразно проводить при температуре среды 120-130 оС. Рациональный расход пара составляет 550-650 килограмм пара на 1 кубический метр сырья. При этом выявлено, что качество получаемого эфирного масла, полученного при данных технологических параметрах превосходит известные аналоги, произведенные по традиционной технологии.
Литература
1. Воронин А.Е., Сафин Р.Р., Зигангараев А.Ф. Математическая модель технологического процесса переработки древесной зелени водным паром, Вестн. Казан. технол. ун-та 9, 505-511 (2010);
2. Р.Р. Сафин, А.Е., Воронин, Д.Ф. Зиатдинова, Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород, Лесн. вестн, Москов. госуниверситет леса, 4, 168-173 (2010);
3. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Д. А. Ахметова, Исследования термомодифицирования древесины сосны в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, журнал Дизайн и производство мебели, 2, 36-39 (2008);
4. Р.Р. Сафин, Е. Ю. Воронин, Е.Ю Разумов, А.Р. Зиатдинов, А.Т. Сабиров, Установка для переработки отходов древесных производств, Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского, 82-87(2009);
5. Р.Р.Сафин, А.Р. Шайхутдинова, Вакумн- конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара, Вестн. Казан. технол. унта, 2,6, 93-99, (2011)
6. Пат. RUS 2404238 (2009);
7. Пат. RUS 2351642 (2007);
8. Пат. RUS 2422266 (2009);
9. Пат. RUS 2422266 (2009);
10. N Yoswathana, Extraction of agarwood (Aquilaria crassna) oil by using supercritical carbon dioxide extraction and enzyme pretreatment on hydrodistillation (Article), Journal of Food, Agriculture and Environment, Thailand Department of Chemical Engineering, Mahidol, University, Nakornprathom Province, 2, 11, 1055-1059 (2013);
11. K. Zhu, S. Cao, K. Chen, Nongye Extraction of Chinese fir wood oil and refinement of pyroligneous oil (Article), Gongcheng Xuebao, Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering China College of Chemical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China Forestry Department of Dexing, Dexing, 9, 1 P. 282286 (2012);
12. Y. Jin, D. Han, M. Tian, K. Row, Supercritical CO2 extraction of essential oils from Chamaecyparis obtusa, Natural Product Communications China, 5, 3, 2010, P (461464)
13. D. Falconieri, B. Marongiu, A. Piras, S. Porcedda, E Tuveri, H. Marzouki, Supercritical extraction of essential oils from natural matrices (Article), Acta Horticulturae, Université de Tunis, Tunisia, 853, 28, P. 229-240 (2010)
14. D. Friso, S. Grigolato, Energetic and exergetic analysis of steam production for the extraction of coniferous essential oils, Cavalli, R.Biomass and Bioenergy Legnaro, Padova, Italy, 35, 9, P. 4045-4056 (2011),
15. J. S. Wang, K. Chiu, Extraction of chromated copper arsenate from wood wastes using green solvent supercritical
carbon dioxide,Journal of Hazardous Materials, Taiwan, 158, 2-3, 30, P. 384-391, (2008)
16. X.L. Qi, X. Peng, Y. Huang, L. Li, Z. F.Wei, Y. G. Zu, Y.J. Fu, Green and efficient extraction of bioactive flavonoids from Equisetum palustre L. by deep eutectic solvents-based negative pressure cavitation method combined with macroporous resin enrichment, Industrial Crops and Products, Northeast Forestry University, Harbin, China, 70, P. 142-148 (2015)
17. J. Y. Xie, X. P. Chen, Z. R. Li, F. Chen, B.C. Su, Gao Xiao Hua Xue Gong Cheng Xue Bao/Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, Study on extraction of the volatile oil and shikimic acid from pinus elliottii engelm needles by steam distillation, China, 25, 5, P. 897-903(2011)
18. S. A. Rezzoug, Optimization of steam extraction of oil from maritime pine needles, Journal of Wood Chemistry and Technology, France, University of La Rochelle, La Rochelle, 29, 2, P. 87-100 (2009).
© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, cfaby@mail.ru; А. Е. Воронин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, alexov@list.ru; Ф. В. Назипова - асс. той же кафедры; Л. В. Ахунова - асс. той же кафедры.
© R. R. Safin, Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, cfaby@mail.ru; A. E. Voronin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, alexov@list.ru; F. V. Nazipova, assistant of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU; L. V. Akhunovа, assistant of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU.
