CC BY
141
Анатолий Атаманов Иван Карпунин
Эдуард Подлозный
заместитель главного инженера по техническому развитию производства ОАО «Коммунарка»
старший научный сотрудник Института механизации сельского хозяйства НАН Беларуси, доктор технических наук
доцент кафедры экономико-математических дисциплин Белорусского института правоведения, кандидат технических наук
ЩЕДРОСТЬ КАКАО-БОБОВ
На кондитерских предприятиях, которые имеют оборудование по переработке какао-бобов, 9—10 % составляют отходы в виде какао-веллы. Они представляют собой сырье для получения таких ценных продуктов, как теобромин и кофеин, которые можно использовать в медицине. Их структурные формулы имеют следующий вид:
Теобромин
Кофеин
Как известно, теобромин и кофеин обладают физиологическим воздействием на организм человека. Они применяются как диуретики и способствуют возбуждению деятельности сердца, что позволяет выдерживать повышенные нагрузки при занятиях спортом. Теобромин (производные ксантина) — характерная составляющая какао-бобов, достигающая от 1,5 до 1,7 % от их веса. Он относится к группе соединений, известных в химии под названием алкалоидов.
Теобромин был впервые открыт в 1842 г. русским ученым, профессором А. Воскресенским. Для получения теобромина он подвергал обыкновенные какао-бобы длительной экстракции горячей водой. Отфильтрованный водный экстракт теобромина обрабатывался уксуснокислым свинцом для очистки от посторонних примесей. Фильтр освобождали от избытка свинца и подвергали повторной фильтрации. Последующее выпаривание фильтрата давало в остатке белое вещество с незначительным цветовым оттенком. В результате повторной кристаллизации был получен чистый белый порошок, названный А. Воскресенским теобромином [1].
Исходя из литературных источников [2—4], медицинский препарат, содержащий в качестве основного продукта теобромин, можно получить, используя следующие химические соединения: раствор питьевой соды, растворенный СО2 (углекислый газ) и растительные масла (например рапсовое или подсолнечное). В качестве основного сырья для получения такого продукта предлагается использовать какао-веллу, оболочку, возникшую в дробильно-сортировочных машинах в результате перера-
ботки какао-бобов на кондитерских фабриках. При влаге 7,0—9,0 % ка-као-велла и ее пыль содержат в себе остаточное количество жиров— от 3 до 5 %, клетчатки — 13—18 %, золы — 6,5—9,0 %. Для производства кофеина и теобромина на ОАО «Коммунарка» разработаны оборудование и режим переработки отходов какао-бобов.
Согласно схеме, представленной на рис. 1, технологический режим выделения производных ксантина из отходов переработки какао-бобов заключается в следующем: какао-веллу вместе с полученной пылью какао-крупки и какао-веллы на транспортере (1) подают в верхнюю часть автоклава (2), давление которого рассчитано на 10— 12 атм., а затем из емкости (3) добавляют горячий насыщенный водный раствор соды с температурой 70—80 оС. Туда же (в верхнюю часть автоклава 2) добавляют из емкости (4) жидкое очищенное растительное масло (рапсовое или подсолнечное из расчета —
Рис. 1. Схема технологического оборудования для получения производных ксантина из отходов переработки какао-бобов (какао-веллы):
1 — транспортер; 2 — автоклав, 3 — емкость водного насыщенного раствора соды; 4 — емкость с растительным маслом; 5 — баллон с углекислым газом, 6 — емкость после слива автоклава смеси жидкости (водный раствор соды и растительного масла); 7 — водный раствор соды после отделения растительного масла с производными ксантина; 8 — емкость этилацетатного раствора после экстракции водного раствора соды; 9 — перегонный аппарат; 10 — емкость отогнанного этилацетата; 11 — емкость отогнанного растительного масла; 12 — емкость отогнанного эфира
№4(38)_2006 НАУКА И ИННОВАЦИИ
53
1 часть масла + 3 части водного раствора питьевой соды). Расход соды должен составлять 12—18 % от навески взятого исходного сырья (отходов какао-бобов). Закрывают верхнюю крышку автоклава и под давлением 4—5 атм. смесь в течение 40—50 минут насыщается углекислым газом (через вентиль автоклава снизу). По истечении указанного времени прекращают насыщение смеси, закрывают вентиль автоклава подачи углекислого газа и верхний вентиль баллона (5) с углекислым газом. Поднимают температуру смеси в автоклаве (2) путем его нагрева до 135—140 оС в течение часа и выдерживают при указанной температуре 1 час 20 минут. После этого полностью снижают давление, постепенно открывая верхний вентиль автоклава (2), предварительно выключив его нагрев. После снятия верхней крышки автоклава (2) открывают его нижний вентиль и забирают жидкость в емкость (6), а затем промывают автоклав (2) горячей водой (70—80 оС), спуская эту воду туда же (6). Количество промывной воды составляет 14:1 из расчета взятого сырья. Емкость (6) с одной из сторон должна иметь прозрачную стенку, чтобы видеть отделение раствора соды в воде от растительного масла. Эта операция проделывается через вентиль, встроенный в дно емкости (6), в которой остается раствор растительного масла с производными ксантина.
Для дополнительного удаления продуктов производных ксантина (кофеина и теобромина) из смеси воды с растворенной содой и углекислого газа ее в емкости (7) обрабатывают уксусно-этиловым эфиром (этилацетатом), перемешивая содержимое мешалкой в закрытой емкости в течение 30 минут. затем этилацетатный раствор отделяют от смеси через вентиль, встроенный в дно емкости (7) и подают в емкость (8), потом его перегоняют в аппарате (9). Отогнанный этилацетат поступает в емкость (10).
для выделения самих продуктов (производных ксантина) отгоняют растительное масло (из емкости 6) и этилацетат (из емкости 7). Отогнанные растительное масло (в емкости 11) и этилацетат (в емкости 10) можно 2—3 раза повторно использовать для отделения производных ксантина. После отгонки указанных веществ получают остатки суммарных продуктов (кофеина и теобромина). для выделения кофеина после отгонки растительного масла и этилацетата остатки исчерпывающе экстрагируют серным эфиром в течение 1—2 часа, перемешивая содержимое. Путем перегонки в аппарате (9) отгоняют эфир и получают кофеин. Отогнанный эфир поступает в емкость 12.
После отгонки эфира остатки растворяют в кипящей уксусной кислоте (в закрытой емкости), отделяют уксусную кислоту (которую можно использовать повторно 2—3 раза) и получают предварительный теобромин. для очистки теобромина в закрытой емкости его нагревают до 360—370 оС в течение 1—1,5 часа. В результате он сублимируется на стенках емкости в виде чистого белого порошка-теобромина. Для получения чистого кофеина его остаток нагревают в закрытой емкости до 250 оС в течение 1—1,5 часа. После открытия крышки автоклава (2) остатки какао-веллы, из которой были выделены производные ксантина, выгружают и прессуют на комплекте оборудования, разработанного для получения топливных брикетов, используемых для отопления с целью сокращения расхода газа и мазута. Полученные отходы какао-веллы (после удаления производных ксантина)
представляют собой сырье, содержащее целлюлозу, которое может найти применение при капсулировании частиц отходов какао-веллы различными вяжущими материалами. По литературным данным [1, 2, 5], такие частицы являются более родственными компонентами соответствующих смесей с вяжущими веществами в процессе дальнейшего формирования строительных изделий, что позволяет увеличить количество заполнителя в общей массе на 15—20 %, и может благоприятно сказаться на объеме и стоимости изделий.
Для улучшения растворения производных ксантина предлагается трехбарабанная планетарная мельница (рис. 2) для обеспечения особо тонкого помола, достигающего размера частиц 1 мкм — 100 нм [6]. Это необходимо для эффективного извлечения органических веществ из какао-веллы. При работе на опытной планетарной мельнице производительностью 0,1 т/час для сухого тонкого помола кинематическое передаточное отношение к было увеличено и принято равным 1,9. При этом на футеровке мельницы создавался защитный слой из двух рядов мелющих тел.
Экспериментально доказано, что при определенных соотношениях угловых скоростей вращения барабана и водила, больших, чем 1,9, измельчение частиц происходит более эффективно в истирающем режиме. Поэтому указанную планетарную мельницу рекомендуется использовать в предложенной технологии для измельчения отходов при переработке какао-бобов (какао-веллы).
Таким образом, разработанная технология позволяет предложить предприятиям, перерабатывающим какао-бобы, использовать отходы для получения ценных лекарственных средств (производных ксантина), а также для производства топливных брикетов с целью сокращения сжигания газа и мазута на 15—20 % и строительных материалов, способных сохранить высокие прочностные показатели и обеспечить наиболее низкую стоимость по сравнению с аналогичными материалами. Использование отходов какао-бобов открывает широкие перспективы для реализации идей по получению совершенно новых оригинальных продуктов.
Литература_
1. Минифай Б.У. Шоколад, конфеты, карамель и другие кондитерские изделия / Перевод с англ. под научн. редакцией Т.В. Савенковой. — Спб.: Профессия, 2005. — 808 с.
2. Мурашкевич Т.В., Карпунин И.И., Мацкевич Д.В. и др. Способ получения целлюлозы. Авт. свид. 1305226. Опубл. 23.04.87. Бюл. изобр. № 15. — 3 с.
3. Капуцкий Ф.Н., Карпунин И.И., Гриншпан Д.Д. Способ получения сульфитной целлюлозы. А. с. 874809. Опубл. 23.104.81. Бюл. изобр. № 39. — 4 с.
4. Germant Patent D.E. 3125144C1 Швейцария, Feb.1983.
5. Олейник С.П. Анализ переработки древесных отходов // Промышленное и гражданское строительство, № 11, 2005. С. 55—57.
6. Подлозный Э.Д. Внедрение нанотехнологий — путь создания композиционных технологий // Информационная среда вуза / Материалы XI Международной научно-техн. конф. /Иванов. Гос. арх.-строит. академия. Иваново, 2004. С. 598—600.
Рис. 2. Мельница планетарная опытная
54
НАУКА И ИННОВАЦИИ №4(38)_2006
