Научная статья на тему 'Сушка с тепловым насосом термолабильных материалов (на примере лекарственного растительного сырья)'

Сушка с тепловым насосом термолабильных материалов (на примере лекарственного растительного сырья) Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
275
78
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СУШКА / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / ТЕПЛОВОЙ НАСОС / ЛЕКАРСТВЕННОЕ РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ / КОРНЕВИЩА С КОРНЯМИ ПОДОФИЛЛА ГИМАЛАЙСКОГО / RHIZOMES AND ROOTS OF PODOPHYLLUM EMODI (PODOPHYLLUM HEXANDRUM ROYLE) / DRYING / ENERGY SAVINGS / HEAT PUMP / MEDICINAL PLANT

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Романова Елена Васильевна, Колиух Александр Николаевич, Оробинская Валерия Николаевна

Сушка лекарственных растений является одной из наиболее важных технологических операций, существенным образом определяющих качество готовой продукции. Объектом сушки выступали корневища с корнями подофилла гималайского, являющиеся источником подофиллотоксина. Подофиллотоксин используется в качестве исходного вещества при синтезе противоопухолевых препаратов. Экспериментальные исследования по сушке проводились в диапазоне температур от 40 до 70 ºС и скорости сушильного агента от 2 до 5 м/с. Создана экспериментальная установка с рециркуляцией сушильного агента, для исследования процесса сушки с тепловым насосом. Полученные данные планируется использовать для дальнейших исследований: обоснования технологических параметров процесса сушки с тепловым насосом и выработки практических рекомендаций для применения в промышленности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Романова Елена Васильевна, Колиух Александр Николаевич, Оробинская Валерия Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

HEAT PUMP DRYING OF THERMOLABILE MATERIALS (MEDICINAL PLANTS)

Drying of medicinal plant is one of the most important processing steps, scientifically defining the quality of a finished product. The object of drying were rhizomes and roots of Podophyllum emodi, being a source podophyllotoxin. Podophyllotoxin is used as starting material in the synthesis of anticancer drugs. Experimental studies on drying were conducted in the range temperatures from 40 up to 70 °С and velocity of drying air from 2 up to 5 m/s. To study the process of heat pump drying we used an experimental setup with recirculation drying agent. The obtained data will be used for further studies: selecting process parameters of heat pump drying and working out practical recommendations for application in the industry.

Текст научной работы на тему «Сушка с тепловым насосом термолабильных материалов (на примере лекарственного растительного сырья)»

yflK 66.047

DOI: 10.17277/vestnik.2015.01 .pp.090-096

HEAT PUMP DRYING OF THERMOLABILE MATERIALS (MEDICINAL PLANTS)

E. V. Romanova1, A. N. Koliukh1, V. N. Orobinskaya2

Department «TechnologicalProcesses, Devices and Technosphere Safety», TSTU; [email protected] (1); Department «Environmentalprotection», North-Caucasian Federal University, branch in Pyatigorsk (2)

Keywords: drying; energy savings; heat pump; medicinal plant; rhizomes and roots of Podophyllum emodi (Podophyllum hexandrum Royle).

Abstract: Drying of medicinal plant is one of the most important processing steps, scientifically defining the quality of a finished product. The object of drying were rhizomes and roots of Podophyllum emodi, being a source podophyllotoxin. Podophyllotoxin is used as starting material in the synthesis of anticancer drugs. Experimental studies on drying were conducted in the range temperatures from 40 up to 70 °C and velocity of drying air from 2 up to 5 m/s. To study the process of heat pump drying we used an experimental setup with recirculation drying agent. The obtained data will be used for further studies: selecting process parameters of heat pump drying and working out practical recommendations for application in the industry.

Medicinal plants are sources biologically active substances. Some substances obtained from plants are not used immediately with the medical purpose, but serve as initial products for a synthesis of effective medicinal substances. In Russia, significant amounts of wild-growing and cultivated medicinal plants are prepared. Goodness of medicinal plants largely depends on observance of periods of preparation, straightening technology of gathering and a condition of drying. Biochemical processes in the collected medicinal plants in the first time proceed as in a live plant, i.e. the synthesis of biologically active substances predominates. Then, on a measure of dehydration, in connection with termination of moisture and nutrients production, the processes of interchanging are shifted aside disintegration that results in the decrease in the contents of biologically active substances in raw material. However, in some cases the processes proceeding in drying raw material, result, on the contrary, in the increase in the contents of working substances [1].

Drying of medicinal plants is one of the most important processing steps, significantly defining the quality of a finished product. Methods of drying of medicinal plants can be divided into two groups:

- Natural drying, including air-shade and solar drying. Natural drying is possible in summertime or in the regions with hot arid climate.

- Thermal drying (artificial heating). Thermal drying ensures fast dehydration and can be used under any weather conditions and in any regions.

To save, and in some cases to improve the properties of medical products during drying is possible only if optimum process and operating conditions are observed.

Small volumes of production and a variety of dried materials create complexities for the safety of required process parameters of drying. Because of a deficiency of the special drying equipment many products are dried in dryers which do not correspond to all necessary demands, therefore the quality of a finished stock is reduced, power inputs are augmented.

Today, it is necessary to solve the existing technological problems, to develop the new special equipment for drying of thermolabile medicinal herbs in production of medical specimens. Thus, we need to achieve the following goals: simplification of a manufacturing method, maintenance of the required quality of the dried up product, reduction of power inputs. These goals completely match up with the government policies: implementation of the program of technological re-equipment of the Russian pharmaceutical industry as a strategic problem of the national security of the country in the future [2]. Also, the Order of the Government of the Russian Federation authorizes the government program "Energy conservation and increase in power efficiency for the period till 2020", which basic purpose is intelligent use of fuel and energy resources at the expense of energy conservation, increased energy efficiency of different branches of economy, expansion of renewed energy sources [3].

The energy savings in drying installations have a significant potential, in connection with wide abundance of drying processes, high power consumption and insufficient engineering perfection of the used drying installations. With this purpose it is offered to use heat pumps for drying agent heat disposal [4]. Heat pump technologies are successfully applied to drying food, pharmaceutical products, biological products and others thermolabile materials [5 - 8].

The object of drying was rhizomes and roots of Podophyllum emodi, which is the source of podophyllotoxin. Podophyllotoxin is used as an initial substance during the synthesis of anticancer drugs. In the literature, very few ways of deriving podophyllotoxin have been described. Medicinal plants remain the main source of podophyllotoxin substance for the pharmaceutical industry as biotechnological and chemical ways of its production have a much lower yield of the target product and are more costly. The medical products made abroad are produced from podophyllotoxin, or its semisynthetic derivatives. In the last years, the necessity of the world pharmaceutical industry in podophyllotoxin has appreciably increased. It is connected with the growth of a number of tumoral diseases and scientific studies aimed at the creation of new semisynthetic medical products based on podophyllotoxin. Now, Russia buys specimens of podophyllotoxin manufactured in the countries of Europe, the USA, India and China [9].

Drying of rhizomes and roots of Podophyllum emodi was carried out on the convective dryer with the drying agent recirculation up to final moisture content of 4 - 15 %. Drying parameters ranges as follows: temperature (40, 50, 60 and 70 °C) and air velocity (between 2 and 5 m/s). The results of the experiments of drying of rhizomes and roots of Podophyllum emodi at velocity of drying air of 2 m/s are presented in Fig. 1 and in Table.

From the reduced data it is seen, that the increase in the temperature of drying agent considerably (by several times) decreases the time of drying, but the contents of podophyllotoxin insignificantly decreases. The smaller contents of podophyllotoxin under the increase in the temperature is the more likely it is connected with its oxidation.

The increase in the velocity of drying air practically did not influence the period of drying, for example, the increase in the velocity up to 5 m/s reduced the time of drying by no more than 5 % from the reduced one that is explained y almost complete degeneration of 1 drying period.

U, % 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0

/, °С 60 50 40 30 20

4

4 3 / 2 1

3000 6000 9000

а)

12000

т, с

4

3000

6000

b)

9000

12000

т, с

Fig. 1. Dependence of the moisture content (a) and temperatures (b) of rhizomes and roots of Podophyllum emodi from the drying time at temperature of drying air, °C:

1 - 40; 2 - 50; 3 - 60; 4 - 70

0

Results of experiments

Temperature of drying air, °С Initial moisture content, % Final moisture content, % Time before reaching of moisture content, s Time before reaching moisture content of 10 %, s Podophyllotoxin content, %

40 100 8.0 14985 12600 3.28

50 116 8.6 12600 9000 3.24

60 108 4.2 12600 5400 3.17

70 108 4.3 7290 3600 3.13

1 - fan; 2 - recuperative heat exchanger; 3 - drying chamber; 4 - balance;

5 - dried sample; 6 - hot-air heater; 7 - evaporator; 8 - compressor;

9 - filter-drier; 10 - condenser; 11 - additional fan

To determine the effect of the type of drying agent on the final content of podophyllotoxin we used nitrogen instead of air for drying of similar roots. Drying was conducted at 70 °C. The concentration of podophyllotoxin in roots reached 3.44%, which was higher than during drying in air even at 40 °C. Drying time in nitrogen did not differ from the drying time in the air at the same 70 °C, which may be due to identical kinetics of drying.

For the investigation of the kinetics of drying by using a drying agent, which differs in composition from air (nitrogen, carbon dioxide, etc.), we used an experimental installation with recirculation of the drying agent comprised of the following elements: a heat pump; a drying chamber; a heater for additional heating; a recuperative heat exchanger (Fig. 2). The possibility of varying the speed of the drying agent ranged from 0.5 to 10 m/s, the heater power was in the range from 0.1 to 1 kW [10].

The installation operates as follows. Wet warm drying agent goes out of the drying chamber 3, passes through the heat exchanger 2 where it gives off a part of the heat, and acts in the heat exchanger-evaporator 7. Dehumidification occurs at the expense of downturn of the temperature of drying agent below the temperature of a dew-point because of evaporation of a refrigerant in the intertube space. The drained cold drying agent passes in succession through the heat exchangers 2 and 10. Heating of drying agent to the temperature close to reference temperature of drying, occurs in the heat exchanger 10 at the expense of condensation of a refrigerant in the tube space. Constant temperature drying agent at the entrance to the drying chamber is ensured by the heat supply of hot-air through the heater 6. Circulation of drying agent occurs at the expense of the fan 1 and the additional fan 11.

The described installation will allow obtaining data on the kinetics of drying, selecting process parameters of heat pump drying, and working out practical recommendations for the application in the industry.

References

1. Grishina E.I., Pogodin I.S., Luksha E.A., Omskaya gosudarstvennaya meditsinskaya akademiya,, 2008, available at: http://www.studmed.ru/docs/document 3832/content (accessed 31 March 2014).

2. http://www.pharma2020.ru/ (accessed 31 March 2014)

3. http://www.rusecounion.ru/doc_rf_energysave2020 (accessed 31 March 2014).

4. Konovalov V.I., Gatapova N.Z. Transactions of the Tambov State Technical University, 2008, vol 14, no. 4, pp. 796-811.

5. Phaphuangwittayakul W., Changrue V., Siriplabpla P., Raghavan G.S.V. 16th International Drying Symposium (IDS 2008), Hyderabad, India 9-12 November 2008, pp. 1040-1043.

6. Chin Siew Kian, Law Chung Lim. Drying Technologies, 2010, vol. 28, pp. 1457-1465.

7. Konovalov V.I., Romanova E.V., Gatapova N.Z. Transactions of the Tambov State Technical University, 2011, vol. 17, no. 1, pp. 153-178.

8. Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Kudra T. Energy Saving Technologies for Drying and Hygrothermal Processing (DHTP-2011), Moscow, 20-23 sept. 2011, vol. 1, p. 36-40.

9. Muradkhanov, R.R. PhD Dissertation (Pharmacology), Pyatigorsk, 2013, 121 p.

10. Romanova E.V., Koliukh A.N. Nauka i obrazovanie dlya ustoichivogo razvitiya ekonomiki, prirody i obshchestva (Science and education for sustainable development of the economy, nature and society), Proceedings of the International scientific and practical conference , Tambov, 2013, vol. 4 of 4, pp. 231-232.

Сушка с тепловым насосом термолабильных материалов (на примере лекарственного растительного сырья)

Е. В. Романова1, А. Н. Колиух1, В. Н. Оробинская2

Кафедра «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; [email protected] (1);

Кафедра «Охрана окружающей среды», ФГАОУВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», филиал в г. Пятигорске (2)

Ключевые слова: корневища с корнями подофилла гималайского; лекарственное растительное сырье; сушка; тепловой насос; энергосбережение.

Аннотация: Сушка лекарственных растений является одной из наиболее важных технологических операций, существенным образом определяющих качество готовой продукции. Объектом сушки выступали корневища с корнями подофилла гималайского, являющиеся источником подофиллотоксина. Подофилло-токсин используется в качестве исходного вещества при синтезе противоопухолевых препаратов. Экспериментальные исследования по сушке проводились в диапазоне температур от 40 до 70 °С и скорости сушильного агента от 2 до 5 м/с. Создана экспериментальная установка с рециркуляцией сушильного агента, для исследования процесса сушки с тепловым насосом. Полученные данные планируется использовать для дальнейших исследований: обоснования технологических параметров процесса сушки с тепловым насосом и выработки практических рекомендаций для применения в промышленности.

Список литературы

1. Гришина, Е. И. Фармакогнозия [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Е. И. Гришина, И. С. Погодин, Е. А. Лукша ; Омская гос. мед. акад. -2008. - Режим доступа : http://www.studmed.ru/docs/document3832/content (дата обращения: 31.03.2014).

2. Стратегия развития фармацевтической промышленности Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс] // Фарма2020.т : сайт. -Режим доступа : http://www.pharma2020.ru/ (дата обращения: 31.03.2014).

3. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года [Электронный ресурс] // Российский Социально-экологический Союз : офиц. сайт. - 2010. - 28 дек. - Режим доступа : http://www.rusecounion.ru/ doc_rf_energysave2020 (дата обращения: 31.03.2014)

4. Коновалов, В. И. Основные пути энергосбережения и оптимизации в тепло-и массообменных процессах и оборудовании / В. И. Коновалов, Н. Ц. Гатапова // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 14, № 4. - С. 796 - 811.

5. Simultaneous Heating and Cooling for Thai Herb by Heat Pump Technique / W. Phaphuangwittayakul [et al.] // 16th International Drying Symposium (IDS 2008), Hyderabad, India, 9 - 12 November 2008. - P. 1040 - 1043.

6. Chin, S. K. Product Quality and Drying Characteristics of Intermittent Heat Pump Drying of Ganoderma Tsugae Murrill / Siew Kian Chin, Chung Lim Law // Drying Technologies. - 2010. - Vol. 28. - P. 1457 - 1465.

7. Коновалов, В. И. Сушка с тепловыми насосами в химической промышленности: возможности и экспериментальная техника / В. И. Коновалов, Е. В. Романова, Н. Ц. Гатапова // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2011. - Т. 17, № 1. -С. 153 - 178.

8. Konovalov, V. I. Heat Pump and Vortex Tube Drying in Chemical and Related Technology / V. I. Konovalov, N. Z. Gatapova, T. Kudra // Energy Saving Technologies for Drying and Hygrothermal Processing (DHTP - 2011), 20 - 23 sept. / MGAU. -M., 2011. - Vol. 1. - P. 36 - 40.

9. Мурадханов, Р. Р. Фармакогностическое изучение некоторых видов растительного сырья, содержащих подофиллотоксин : дис. ... канд. фарм. наук : 14.04.02 / Мурадханов Руслан Раджабалиевич. - Пятигорск, 2013. - 121 с.

10. Романова, Е. В. Энергосберегающая сушильная установка с тепловым насосом / Е. В. Романова, А. Н. Колиух // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. : в 4 т. / под науч. ред. Н. С. Попова ; Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2013. - Т. 4. -С. 231 - 232.

Trocknen mit der thermischen Pumpe der thermolabilen Materialien (am Beispiel des medikamentösen Pflanzenrohstoffs)

Zusammenfassung: Das Trocknen der Arzneipflanzen ist eine der wichtigsten technologischen Operationen, die wesentlich die Qualität der Fertigware bestimmen. Als Objekt des Trocknens wurden die Wurzelstöcke mit den Wurzeln des Himalayapodophyls, der die Quelle des Podophyllotoxines ist, genommen. Das Podophyllotoxin wird als Ausgangsstoff bei der Synthese der antineoplastischen Präparate verwendet. Die experimentalen Forschungen nach dem Trocknen wurden im Umfang der Temperaturen von 40 bis zu 70 °С und bei der Geschwindigkeit des Trockenagenten von 2 bis zu 5 m/S durchgeführt. Es ist die experimentale Anlage mit der Rezirkulation des Trockenagenten für die Forschung des Prozesses des Trocknens

mit der thermischen Pumpe geschaffen. Die bekommenen Daten wird es geplant, für die weiteren Forschungen zu verwenden: die Begründungen der technologischen Parameter des Prozesses des Trocknens mit der thermischen Pumpe und der Leistung der praktischen Empfehlungen für die Anwendung in der Industrie.

Séchage avec la pompe thermique des matériaux thermolabiles (à l'exemple de la matière végétale médicinale)

Résumé: Le séchage des plantes médicinales est une importante opération technologique qui définit la qualité des produits. En qualité de l'objet du séchage sont pris les rhizomes avec les racines de Podophyllum d'Himalaya, source de Podophyllotoxin qui est utilisé comme source initiale lors de la synthès des appareils antitumorales. Les études expérimentales s'effectuaient dans une gamme de température de 40 jusqu'à 70 С et la vitesse de l'agent de séchage de 2 à 5 m/s. Est créée une installation expérimentale avec le recyclage de l'agent de séchage avec une pompe thermique. Les données reçus peuvent être utilisées pour les études ultérieurs.

Авторы: Романова Елена Васильевна - ведущий инженер кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Колиух Александр Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; Оробинская Валерия Николаевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Охрана окружающей среды», ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», филиал в г. Пятигорске.

Рецензент: Брянкин Константин Вячеславович - доктор технических наук, профессор кафедры «Химия и химические технологии», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.