CC BY
74
УДК 66.061.3
ВОДНО-ЩЕЛОЧНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ.
2. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЩЕЛОЧИ И ВРЕМЕНИ ЭКСТРАКЦИИ В РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ АППАРАТЕ НА ВЫХОД ЭКСТРАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
© С.Ю. Анашенков, В.И. Рощин
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия,
Институтский пер., 5, Санкт-Петербург, 194021 (Россия)
E-mail: kaf.chemdrev@mail.ru
Приведены данные по влиянию расхода щелочи и продолжительности или кратности обработки на качество воднощелочной обработки древесной зелени ели европейской Picea abies (L.) Karst в роторно-пульсационном аппарате. Проведена оптимизация процесса экстракции по плану Бокса-Уилсона.
Ключевые слова: древесная зелень, экстракция, роторно-пульсационный аппарат, водно-щелочной экстрагент. Введение
В предыдущей статье [1] была обоснована актуальность проведенной работы путем сравнения различных методов экстракционной переработки древесной зелени (ДЗ) и теоретического обоснования предлагаемого способа экстракции растительного сырья.
Исследовательская часть предшествующей работы посвящена поиску оптимальных значений таких важнейших параметров водно-щелочной обработки ДЗ в роторно-пульсационном аппарате (РПА), как ширина прорезей в роторе и гидромодуль процесса.
Ниже представлены результаты исследования влияния следующих параметров процесса на выход экстрактивных веществ: расход щелочи (г/100 г а.с.ДЗ) и продолжительность экстракции (мин) или кратность обработки.
Экспериментальная часть
Для исследования использовали ДЗ ели европейской Picea abies (L.) Karst, заготовленную в Лисинском учебно-опытном лесхозе Ленинградской области в июле 2007 г. Отбор, хранение и характеристика заготавливаемой ДЗ, а также условия водно-щелочной обработки, промывки и сушки твердого остатка, определение органических и минеральных веществ в получаемых мисцеллах приведены в предыдущей статье [1].
Обсуждение результатов
С целью определения влияния расхода щелочи процесс проводили при следующих параметрах: гидромодуль (в пересчете на а.с.ДЗ) - 12, продолжительность экстракции - 2 мин, ширина прорезей ротора - 10 мм, ширина прорезей статора - 10 мм, зазор между ротором и статором - 2 мм.
В результате исследования (табл. 1) установлено, что увеличение расхода щелочи с 2 до 9 г/100г а.с.Д.З. приводит к снижению выхода твердого остатка с 70 до 54%. Что касается фракционного состава отработан-
* Автор, с котороым следует вести переписку.
ной ДЗ, то здесь наблюдается снижение выхода наиболее крупной фракции >1,0 мм - с 59 до 38% и увеличение выхода фракции 0,5-1,0 мм - с 18 до 35%. У фракций с геометрическими размерами меньше 0,5 мм наблюдается следующее: при повышении расхода щелочи с 3 до 6 г/100 г а.с.ДЗ выход фракции 0-0,125 мм с увеличением расхода щелочи растет с 1,6 до 3,0%, выходы фракций 0,125-0,25 мм и 0,25-0,5 мм увеличиваются с 7,0 до 10,2% и с 10,2 до 16,5% соответственно. При последующем увеличении расхода реагента происходит незначительное снижение выхода последних двух перечисленных фракций до 8,6 и 14,8% соответственно. Следует отметить, что при расходе щелочи 2 г/100г а.с.ДЗ выход фракций с размерами менее
0,5 мм выше, чем при более высоком расходе - 3 г/100г а.с.ДЗ, рН мисцеллы при этом возрастает с 6 до 7,5.
На рисунке 1 показана зависимость выхода органических веществ в получаемых водно-щелочных мисцел-лах от расхода щелочи. Как следует из данных эксперимента, повышение расхода щелочи приводит к увеличению выхода органических веществ. Можно отметить три области извлечения органических веществ: 1 - при расходе щелочи от 2 до 4 г/100г а.с.ДЗ, 2 - при расходе щелочи от 4 до 7 г/100г а.с. ДЗ, 3 - при расходе щелочи от 7 г/100г а.с.ДЗ и выше. В первой области наблюдается резкое повышение выхода органических веществ с 12,1 до 15,5%, вероятно, связанное с воздействием щелочной среды и нейтрализацией кислот и фенольных соединений экстрактивных веществ с последующим переводом их в раствор. Следует отметить, что при расходе щелочи 3 г/100г а.с.ДЗ рН получаемых водно-щелочных растворов был близок к нейтральному, а при расходе щелочи 2 г/100г а.с.ДЗ рН растворов и вовсе был близок к 6. Во второй области выход органических веществ несколько стабилизируется на уровне 15,5-16,5%. В третьей области происходит увеличение выхода органических веществ с 17 до 19%. Данное явление может быть связано с повышением воздействия щелочи на обрабатываемое сырье, выражающееся, вероятно, в переходе структурных компонентов в водно-щелочную фазу и, возможно, с щелочным гидролизом сложных эфиров и жиров.
Данные, показанные в таблице 1 и на рисунке 1 по влиянию расхода щелочи на процесс водно-щелочной обработки ДЗ в РПА, свидетельствуют о том, что повышение расхода щелочи ведет к увеличению эффективности изучаемого процесса. Об этом говорит снижение выхода твердого остатка и его наиболее крупной фракции, увеличение выхода остальных фракций, имеющих меньшие геометрические размеры и повышение выхода органических веществ. В области расхода щелочи от 2 до 4 и от 7 до 9 г/100г а.с.ДЗ наблюдается возрастание воздействия щелочной среды на обрабатываемый материал. При расходе реагента 2 г/100г а.с. ДЗ получен более высокий выход отработанной ДЗ и низкий органических веществ в мисцелле, а также повышенное содержание мелких фракций в твердом остатке, при сравнении с другими концентрациями щелочи. Это можно объяснить тем, что данный расход щелочи не обеспечивает эффективность экстракции из-за, вероятно, недостатка щелочи на проведение процессов гидролиза сложных эфиров, нейтрализации и эмульгирования липо-фильных веществ, содержащихся в ДЗ ели. Данные малополярные соединения препятствуют проникновению водной фазы внутрь экстрагируемого материала, что снижает выход органических веществ в мисцелле и, соответственно, увеличивает выход твердого остатка.
Далее были проведены исследования с целью определения влияния продолжительности проведения процесса водно-щелочной обработки ДЗ в РПА на выход твердого остатка и извлекаемых веществ из ДЗ. Процесс проводили при следующих параметрах: гидромодуль (в пересчете на а.с.ДЗ) - 12, расход щелочи - 9 г/100г а.с. ДЗ (концентрация щелочи в растворе - 0,81%), ширина прорезей ротора - 10 мм, ширина прорезей статора - 10 мм, зазор между ротором и статором - 2 мм. Продолжительность обработки находилась в интервале от 2 до 10 мин, что соответствовало кратности прохождения суспензии через прерыватель от 8 до 40 раз.
Таблица 1. Влияние расхода щелочи на выход и фракционный состав отработанной ДЗ
Расход щелочи, г/100г а.с.ДЗ Выход отраб. ДЗ, к а.с. Д3% Выход фракций остатка, % к а.с.отраб. Д.3.
>1,0 мм >0,5 мм >0,25 мм >0,125 мм <0,125 мм
2 69,8 59,0 17,8 11,9 8,5 2,8
3 59,2 57,0 24,1 10,2 7,1 1,6
4 57,0 52,2 24,5 13,4 7,8 2,1
5 55,9 47,6 25,4 15,2 9,5 2,3
6 55,5 41,6 29,4 16,5 10,2 2,3
7 54,9 42,0 31,2 14,5 9,6 2,7
8 54,4 40,6 32,7 14,5 9,3 2,9
9 54,1 38,4 35,2 14,8 8,6 3,0
Повышение продолжительности обработки от 2 до 10 мин приводит к снижению выхода твердого остатка с 57,6 до 49,8%. Фракционный состав отработанной ДЗ изменяется следующим образом: удельный выход наиболее крупной фракции с геометрическими размерами более 1,0 мм при увеличении продолжительности экстракции снижается с 57,2 до 35,0%, при том, что выход остальных непрерывно возрастает. Так, удельный выход фракции 0,5—1,0 мм при увеличении продолжительности экстракции растет на 12%, с 24 до 36%, выход фракции 0,25-0,5 мм увеличивается с 11,8 до 17,4%. Что касается наименьших фракций, то здесь наблюдается аналогичная картина. Так, удельный выход фракции 0,125-0,25 мм повышается более чем на 3%, с 5 до 8%, а выход наименьшей фракции - менее 0,125 мм увеличивается на 1,7%, с 1,3 до 3,0% (табл. 2).
На рисунке 2 показана зависимость выхода органических веществ в получаемых водно-щелочных мис-целлах от продолжительности процесса экстракции в РПА. Данная зависимость носит затухающий характер и достаточно хорошо описывается уравнением третьего порядка. По графику видно, что в течение первых 8 минут водно-щелочной обработки ДЗ ели в РПА в раствор переходит порядка 99% веществ, извлекаемых из данного сырья за 10 мин экстракции. Вышесказанное говорит о том, что оптимальным временем проведения в условиях остальных показателей данного процесса является 6-8 мин. В пользу указанного временного интервала говорит также и то, что выход и фракционный состав отработанной ДЗ при дальнейшем повышении кратности обработки изменяются в меньшей степени, чем в других временных интервалах.
Рис. 1. Влияние расхода щелочи на выход органических веществ
Расход щелочи, г/100 г а.с.Д.З.
Рис. 2. Влияние продолжительности обработки ДЗ в РПА на выход органических веществ
5 20,5
. 21 54
''213
■20,8 у = 0,00! 1х3 - 0,19 И2 56х2 + 1 = 0,998! 7407х + 16,475
^0,21
/
• 19,21
3 4 5 6 7 8 9
Продолжительность экстракции, мин
10
22,5
22
21,5
21
20
19,5
19
Таблица 2. Влияние продолжительности процесса водно-щелочной обработки на выход и фракционный состав отработанной ДЗ
Продолжительность обработки, мин Выход отраб. Выход фракций остатка, % к а.с.отраб. ДЗ
ДЗ, к а.с.ДЗ% > 1,0мм >0,5мм >0,25мм >0,125мм <0,125мм
2 57,6 57,2 24,5 11,8 5,2 1,3
3 56,6 52,0 27,8 11,8 6,7 1,7
4 54,9 45,7 30,4 15,4 6,9 1,6
5 54,3 44,5 31,2 15,6 7,0 1,7
6 53,2 42,8 32,6 15,8 7,0 1,8
8 50,6 37,0 34,7 17,6 8,3 2,4
10 49,8 35,0 36,3 17,4 8,3 3,0
Экспериментальные данные, характеризующие влияние продолжительности процесса водно-щелочной обработки ДЗ ели в РПА, говорят о том, что при увеличении времени экстракции происходит повышение эффективности данного процесса. На это указывает снижение выхода отработанной ДЗ и увеличение в последней доли наименьших фракций, а также и то, что при повышении времени обработки увеличивается содержание органических веществ в получаемых мисцеллах.
Можно предположить, что повышение эффективности проводимого процесса связано с увеличением кратности прохождения суспензии ДЗ через прерыватель. Следовательно повышение показателей проводимой экстракции происходит как за счет увеличения времени диффузии растворителя с извлекаемыми компонентами из ДЗ, так и за счет увеличения поверхности контакта двух фаз.
С целью установления оптимальных значений параметров водно-щелочной обработки ДЗ ели в РПА была произведена серия экспериментов, в которых факторы Х1 и Х2 изменяли в соответствии с планом Бокса-Уилсона. Х1 - расход щелочи варьировалась в пределах - 6,6-11,4 г/100г а.с.ДЗ, Х2 - продолжительность процесса экстракции - 3,6-8,4 мин. В качестве выходных параметров были выбраны: выход органических веществ в мисцелле, процент к а.с. ДЗ и количество воды, необходимое для промывки твердого остатка до нейтральной реакции. Задача оптимизации сводилась к определению значений параметров обработки, обеспечивающих максимальный выход органических веществ в получаемых мисцеллах. При этом количество промывных вод должно быть минимальным.
В результате оптимизации процесса водно-щелочной обработки ДЗ ели в РПА было получено уравнение регрессии: у = -1,007х2 + 12,27x1 + 7,802х22 - 2,487х12 - 6,902х1х2 + 14,80. Данное уравнение является адекватным описываемому процессу, так как расчетный критерий Фишера (3,16) меньше табличного значения (19,0). на основании полученного уравнения регрессии были определены оптимальные условия процесса: расход щелочи - 9 г/100г а.с. ДЗ (концентрация щелочи в растворе - 0,81%); продолжительность обработки
- 8,4 мин.
Выводы
1. Установлено, что при увеличении расхода щелочи с 2 до 9 г/100г а.с.ДЗ снижается выход отработанной ДЗ и наиболее крупной фракции остатка, наблюдается рост более мелких фракций твердого остатка за исключением расхода щелочи 2 г/100г а.с.ДЗ.
2. Показано, что повышение продолжительности экстракции приводит к снижению выхода твердого остатка и его наиболее крупной фракции и увеличению выхода органических веществ ДЗ в получаемых мисцеллах.
3. Исходя из полученных экспериментальных данных, характеризующих влияние расхода щелочи и продолжительности процесса экстракции на водно-щелочную обработку ДЗ в РПА, были выбраны оптимальные для рассматриваемого диапазона значений факторов условия процесса экстрагирования: расход щелочи
- 9 г/100г а.с.ДЗ (концентрация щелочи в растворе - 0,81 %), гидромодуль (в пересчете на а.с.ДЗ) - 12, продолжительность - 8,4 мин, ширина прорезей ротора - 10 мм, ширина прорезей статора - 10 мм, зазор между ротором и статором - 2 мм.
Список литературы
1. Анашенков С.Ю., Рощин В.И. Водно-щелочная экстракция древесной зелени. Влияние конструктивных особенностей экстрактора роторно-пульсационного типа (РПА) и гидромодуля на выход экстрактивных веществ // Химия растительного сырья. 2008. №3. С. 65-70.
Поступило в редакцию 29 августа 2008 г.
