СПОСОБ СОЗДАНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ГАЗО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ НАТУРАЛЬНОГО ТАБАЧНОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR CREATION OF MODEL GAS-AND-AIR MIXTURES BASED ON THERMAL EXTRACTION OF VOLATILE COMPONENTS FROM NATURAL TOBACCO RAW MATERIAL

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к области разработки биокатализаторов, предназначенных для использования в составе биологических фильтров для очистки газов, и может быть использовано для проведения лабораторных экспериментов с образцами биокатализаторов, осуществляющих удаление из воздуха летучих компонентов натурального табачного сырья, а также для создания селективных условий в процессе выделения и исследования микроорганизмов, составляющих биологически активную компоненту данного типа биокатализаторов.
Используемый в дальнейшем термин «модельные газовоздушные смеси» означает искусственно созданные газовые смеси, моделирующие состав газовоздушных смесей, соответствующих составу газовоздушных выбросов реального производства.
Известен (SU, авторское свидетельство 1575089) способ приготовления поверочных газовых смесей. Согласно известному способу герметично укупоренный сосуд с газопроницаемой трубкой помещают в термостатирующее устройство, продуваемое газом-носителем, в который через стенки газопроницаемой трубки диффундирует дозируемый газ, причем сосуд перед герметизацией заполняют химически инертной высокомолекулярной массой, не диффундирующей через стенки трубки, и насыщают эту массу дозируемым газом.
Известен (SU, авторское свидетельство 697922) способ приготовления парогазовых смесей, включающий насыщение газового потока до заданной концентрации парами летучего вещества путем контакта газового потока с раствором летучего вещества в малолетучем растворителе, причем после контакта газового потока с раствором летучего вещества обедненную летучим веществом часть раствора непрерывно отделяют от парогазового потока и исходного раствора.
Известно (RU, патент 2090246) использование консорциума адаптированных микроорганизмов для очистки газовоздушных выбросов производства. Адаптацию проводили известным путем с использованием естественных условий дальнейшего использования консорциума микроорганизмов (http://omop.su/portal/bme/3358-adaptaciya.html) без создания систем газовоздушных выбросов, моделирующих газовоздушные выбросы реального производства.
В ходе проведения патентного и научно-технического поиска не был выявлен источник информации, в котором был бы раскрыт прием приготовления газовоздушных модельных систем, применяемых для проведения лабораторных экспериментов с образцами биокатализатора, осуществляющего удаление из воздуха летучих компонентов перерабатываемых продуктов, в том числе и натурального табачного сырья, а также для создания селективных условий в процессе выделения и исследования микроорганизмов, составляющих биологически активную компоненту данного типа биокатализаторов.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в воспроизведении в лабораторных условиях основных параметров реального вентиляционного выброса предприятия по переработке табачного сырья в готовые курительные изделия, что обеспечивает получение в лабораторных условиях высокоэффективного биокатализатора для дезодорации газовоздушных выбросов предприятий по производству табачных изделий за счет адаптации консорциума микроорганизмов к условиям реального производства.
3
Для получения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ создания модельных газовоздушных смесей. Согласно разработанному способу для приготовления модельных газовоздушных смесей на основе тепловой экстракции летучих компонентов из натурального табачного сырья проводят увлажнение водой массы табачного сырья, помещенного в экстрактор, и нагревают экстрактор до температуры, превышающей температуру кипения воды с последующей продувкой очищенным воздухом с получением модельной газовоздушной смеси. В случае использования крупнолистового табачного сырья предпочтительно его измельчают до размера от 1 до 10 мм. Обычно объем воды при увлажнении, в зависимости от плотности упаковки табачного сырья, составляет от 1/3 до 1/2 объема табачного сырья. Увлажненную массу табачного сырья предпочтительно нагревают до температуры 103±2,5°С. Поскольку первые порции модельной газовоздушной смеси могут не полностью соответствовать составу газовоздушных выбросов табачного производства, желательно первые порции (примерно 1000-2000 см) отбросить.
Разработанный способ получения модельных газовоздушных смесей на основе тепловой экстракции летучих компонентов из натурального табачного сырья может быть также применен более широко - для получения газовоздушных смесей компонентов, экстрагированных из природного растительного сырья, а в более общем варианте - из любого исходного твердого материала, содержащего интересующие исследователя целевые летучие/экстрагируемые компоненты. Подобные модельные смеси могут быть использованы для проведения лабораторных экспериментов с образцами биокатализаторов, осуществляющих удаление из воздуха целевых летучих компонентов твердого сырья (в частности, летучих компонентов натурального табачного сырья), и для создания селективных условий роста в процессе выделения и исследования микроорганизмов, составляющих биологически активную компоненту соответствующих вариантов биокатализаторов.
Измельчение табачного сырья, а точнее пластинок табачных листьев, проводят только в случае использования крупнолистовых типов табачного сырья. В этом случае сырье механически размельчают до частиц размером от 1 до 10 мм. В случае использования в качестве сырья резаного табака, приготовленного для набивки курительных изделий, его используют без дополнительного измельчения, поскольку размеры его волокон укладываются в указанный диапазон.
3
При увлажнении табака водой предпочтительно используют воду в количестве ≈ 1/3 свободного (без трубок, термодатчика и отводящей горловины) объема экстрактора; измельченными табачными листьями или волокнами резаного табака заполняют весь объем экстрактора. При этом эмпирический удельный вес набивки из табачного сырья при оптимальной ее плотности составляет примерно 170 г/дм. Таким образом, оптимальное весовое соотношение растительного сырья и воды в случае табака составляет примерно 1:2.
Нагрев увлажненной табачной массы осуществляют предпочтительно до температуры 103±2,5°С (чуть выше температуры кипения воды, что обеспечивает нормальные условия со-дистилляции летучих компонентов твердого сырья с водяным паром, но без излишне быстрого расходования воды.
3
Модельные газовоздушные смеси на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья представляют собой продукт со-дистилляции с водяным паром летучих органических веществ, содержащихся в целлюлозном матриксе табачных листьев и готового табачного волокна и участвующих в образовании специфического запаха, характерного для вентиляционных выбросов предприятий, осуществляющих переработку натурального табачного сырья и производство готовых курительных изделий. Их основу составляет воздух, содержащий в небольших концентрациях (на уровне от единиц до сотен микрограмм на 1 м воздуха) пары большого количества различных летучих органических веществ и пары воды в насыщающей концентрации.
Состав смесей на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья не является строго постоянным и в значительной степени зависит от типа и свойств используемого натурального табачного сырья, а также от условий экстрагирования и общей продолжительности экстракции каждой очередной партии сырья.
Поэтому для приготовления модельных газовоздушных смесей на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья желательно использовать стандартные условия экстракции, смешанные партии и марки натурального табачного сырья и регулярную и частую его замену при необходимости продолжительного осуществления процесса получения относительно постоянной по составу модельной газовоздушной смеси.
Технологическим процессом приготовления модельных газовоздушных смесей, создаваемых на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья, не предусмотрено никаких специальных химических превращений. Более того, химическое взаимодействие экстрагируемых летучих компонентов натурального табачного сырья между собой, с парами воды или с кислородом воздуха является крайне нежелательным, поскольку может привести к существенному искажению количественных и качественных характеристик полученной модельной смеси.
В связи с этим требуется точное соблюдение рекомендаций по подготовке сырья и температурного режима экстракции и максимальное сокращение пути транспортировки модельных смесей от места их получения до места их использования в экспериментальных целях.
Рабочие смеси натурального табачного сырья составляют путем смешивания в пластиковой емкости прессованного табачного листа различных торговых марок либо табачных волокон, подготовленных к набивке курительных изделий или извлеченных непосредственно из готовых курительных изделий разных сортов и торговых марок.
3
3
Для приготовления очередной мешки в пластиковую емкость объемом 15-18 дм набирают образцы 5-6 вариантов исходного сырья общим весом 1,5-1,6 кг (примерно 10-12 дм), тщательно перемешивая их между собой в процессе добавления и после его завершения руками в защитных латексных перчатках. Полученную смесь пересыпают над листом фильтровальной бумаги в двойной полиэтиленовый пакет, отобрав при этом порцию весом 8-10 г для последующего тестирования. Пакет герметично закрывают или запаивают.
Операцию повторяют необходимое число раз для приготовления следующих мешек, предварительно протерев внутреннюю поверхность пластиковой емкости для смешивания салфеткой, но не промывая саму емкость водой до полного окончания процесса приготовления мешек.
3
3
Из каждой отобранной для тестирования порции приготовленных мешек натурального табачного сырья берут образец весом 5,5-6,0 г. Пластинки табачных листьев дополнительно размельчают руками в защитных латексных перчатках до частиц размером 1-10 мм, удаляя черенки листьев и куски крупных жилок; табачные волокна используют без размельчения. Отобранный (и измельченный при необходимости) образец помещают на весы, фиксируют его вес и, контролируя по показаниям весов уменьшение веса, переносят 5,0 г образца в чистую коническую колбу с притертой пробкой объемом 100 см. Туда же добавляют 10 см дистиллированной воды.
Колбу с дополнительно увлажненным образцом приготовленной мешки натурального табачного сырья плотно закрывают притертой пробкой и помещают на 2 часа в масляную баню с температурой 103±2,5°С.
3
После завершения прогрева колбы с тестируемым образцом приготовленной мешки натурального табачного сырья колбу переносят в вытяжной шкаф и дают ей остыть до температуры 35-40°С. Затем вынимают пробку и с использованием микрошприца объемом 500 мм отбирают из колбы над слоем табачного сырья пробу газовой фазы для анализа состава полученных летучих компонентов.
3
От 50 до 500 мм отобранной газовой пробы вводят в порт газового хроматографа и хроматографируют с использованием капиллярной кварцевой колонки MDN-1 (длина 30 м; внутренний диаметр 0,32 мм) с нейтральным носителем (метилсиликон фирмы Supeico, США). Рабочую температуру термостата (от 50 до 250°С) программируют в следующем режиме: «50°С - 0 мин → 2°С/мин до 56°С → 4°С/мин до 60°С → 10°С/мин до 100°С → 15°С/мин до 130°С → 20°С/мин до 190°С → 30°С/мин до 250°С → изотерма 250°С 2 мин». Детектирование производят в диапазоне от 41 до 250 m/Z, температура источника ионов 200°С, температура интерфейса 210°С. Газ-носитель - гелий хроматографической чистоты с постоянной скоростью протока 6 мл/мин и с делением потока 1:1 (коэффициент 2). Для идентификации веществ используют библиотеку масс-спектров NIST2002.
Качественная смесь натурального табачного сырья должна обеспечивать в описанных условиях наличие в газовой фазе паров всех основных летучих компонентов натурального табачного сырья в концентрациях, достаточных их для уверенного детектирования и идентификации при прямом отборе и анализе газовой пробы (без применения предварительной накопительной адсорбции). Смеси, образцы которых не удовлетворяют такому условию, отбраковывают и в дальнейшей работе не используют.
Подготовленные к работе смеси натурального табачного сырья, прошедшие тестирование, хранят в герметично запаянных двойных полиэтиленовых мешках в морозильном отделении холодильника при температуре от -15 до -18°С.
Пакеты с подготовленными к работе смесями натурального табачного сырья маркируют с использованием самоклеяющихся этикеток, указывая состав смеси, источники входящего в нее сырья (или лабораторный шифр смеси и ее состава) и дату приготовления.
Срок хранения подготовленных к работе смесей натурального табачного сырья при температуре -15°С не должен превышать шести месяцев с момента их приготовления и тестирования.
Срок хранения мешек может быть продлен по результатам их повторного тестирования, проводимого в соответствии с вышеописанной процедурой.
Приготовление модельной газовоздушной смеси.
Для приготовления модельной газовоздушной смеси достают из морозильного отделения холодильника пакет с приготовленной ранее смесью на основе натурального табачного листа. Проверяют маркировку пакета и ее соответствие цели, с которой собираются применить модельную газовоздушную смесь на основе данного варианта мешки.
Вскрывают пакет в вытяжном шкафу и набирают из него в стеклянный стакан объемом 1000 см, вес которого определяют заранее, нужное количество смеси, которое рассчитывают по эмпирической формуле:
см
экс
Р=(V·17)/100,
см
экс
где Р - вес партии смеси, а V - объем экстрактора (сосуда для экстракции), который предполагается использовать для получения модельной газовоздушной смеси, создаваемой на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья.
Вес отобранной из пакета порции смеси контролируют с использованием технических лабораторных весов.
Отобранную порцию смеси выкладывают на лист плотной бумаги, расстеленный на столешнице вытяжного шкафа, и измельчают пластинки табачных листьев руками в защитных латексных перчатках до размера частиц 1-10 мм, одновременно выбирая из размельченной смеси черенки листьев и крупные жилки. При использовании смесей на основе волокон резаного табачного сырья и готового табака стадию размельчения пропускают.
Пакет с оставшейся смесью герметично закрывают или запаивают и делают на его этикетке пометку о вскрытии и отборе порции смеси, указав ее вес и дату отбора. Пакет снова укладывают в морозильное отделение холодильника и в дальнейшем стараются использовать в первую очередь.
В экстрактор выбранного объема вставляют предварительно смазанную по шлифу силиконовой вакуумной смазкой пробку специальной конструкции (допускающую возможность заполнения экстрактора натуральным табачным сырьем с уже вставленной в него подводящей трубкой) или вспомогательный стержень (стеклянная палочка или трубка с внешним диаметром порядка 9-10 мм).
Отобранной порцией смеси натурального табачного сырья плотно заполняют весь свободный объем экстрактора, оставляя свободной только зону шлифа и горловину. Отмеривают мерным цилиндром необходимый объем дистиллированной воды, равный 1/3-1/2 номинального объема используемого экстрактора, и заливают дистиллированную воду в экстрактор. Если была использована притертая пробка специальной конструкции, ее герметизируют предусмотренным в этой конструкции способом. При использовании обычной притертой пробки с входной (длиной до днища экстрактора) и выходной (из-под пробки) трубками осторожно извлекают из заполненного натуральным табачным сырьем экстрактора ранее вставленный вспомогательный стержень и закрывают экстрактор притертой пробкой, предварительно смазанной по шлифу силиконовой вакуумной смазкой, аккуратно и с легким покачиванием вводя длинную входную трубку пробки в канал, оставшийся от извлеченного вспомогательного стержня.
Пробку дополнительно закрепляют на корпусе экстрактора с использованием резинового или пружинного кольца, надетого на стеклянные крючки, имеющиеся на пробке и на корпусе экстрактора, или пружинной скобы.
3
Устанавливают на рабочем столе, предназначенном для проведения исследований с использованием модельных газовоздушных смесей на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья, масляную баню с резервуаром объемом 2,5-3,0 дм.
В резервуаре масляной бани закрепляют на одной высоте два вспомогательных сосуда, каждый из которых имеет объем, равный объему используемого экстрактора, с таким расчетом, чтобы они были погружены в масло до уровня на 8-10 мм ниже начала горловины.
Заливают в резервуар масляной бани необходимое количество масла (вазелиновое масло медицинское или специальное масло для масляных бань). Удаляют один из вспомогательных сосудов и включают нагрев, установив температуру термостатирования 103±2,5°С.
На входной и выходной патрубки пробки экстрактора надевают отрезки силиконовой трубки нужной длины. На обе силиконовые трубки устанавливают регулировочные винтовые зажимы. Зажимы затягивают для предотвращения газообмена между внутренним объемом экстрактора и окружающей атмосферой.
После завершения прогрева масляной бани до установленной температуры термостатирования наполненный смесью дополнительно увлажненного натурального табачное сырья и подготовленный к использованию экстрактор помещают в резервуар бани и закрепляют в нем с таким расчетом, чтобы он был погружен в нагретое масло до уровня на 8-10 мм ниже начала горловины. Время предварительного прогрева экстрактора и его содержимого в термостатированной масляной бане составляет 60-90 минут.
После завершения предварительного прогрева экстрактора и его содержимого в термостатированной масляной бане отводящую силиконовую трубку соединяют с входным патрубком оконечного угольного адсорбера. Открывают винтовой зажим на отводящей силиконовой трубке пробки экстрактора, чтобы уравновесить давление внутри экстрактора с атмосферным.
Подводящую силиконовую трубку пробки экстрактора соединяют с выходным патрубком подготовленного к работе блока очистки воздуха. Затем отпускают винтовой зажим на подводящей силиконовой трубке пробки экстрактора для уравновешивания давлений внутри всей установки с атмосферным.
Свободный конец отрезка силиконовой трубки, идущей к входному патрубку блока очистки воздуха, временно соединяют с выходом ротаметра, вход которого подключают коротким отрезком силиконовой трубки к выходному патрубку микрокомпрессора.
Снова затягивают винтовой зажим на подводящей силиконовой трубке пробки экстрактора. Включают микрокомпрессор на номинальную производительность (все регулировочные краны и устройства микрокомпрессора должны быть открыты) и, медленно ослабляя винтовой зажим на подводящей силиконовой трубке пробки экстрактора, устанавливают необходимый расход воздуха через всю установку, ориентируясь на показания ротаметра. Наблюдают за установившимися показаниями ротаметра в течение 10 минут. Если в течение 10 минут показания ротаметра не выходят за установленные пределы расхода воздуха, требуемый расход воздуха можно считать стабилизированным.
Не выключая микрокомпрессора и не изменяя положения регулировочного винтового зажима на подводящей силиконовой трубке пробки экстрактора, удаляют из схемы ротаметр, а освободившийся конец силиконовой трубки, идущей к входному патрубку блока очистки воздуха, надевают на выходной патрубок микрокомпрессора. В процессе проведения исследований на модельных газовоздушных смесях, создаваемых на основе высокотемпературной экстракции летучих компонентов из дополнительно увлажненного натурального табачного сырья, стабильность расхода воздуха через установку для их получения периодически контролируют путем временного включения в линию подачи воздуха контрольного ротаметра согласно описанной выше процедуре. При наличии необходимости во временном перекрытии или уменьшении расхода воздуха следует использовать дополнительный винтовой зажим, установив его либо между микрокомпрессором и блоком очистки воздуха, либо между блоком очистки воздуха и регулировочным винтовым зажимом, расположенным перед входным патрубком пробки экстрактора.
Полученную модельную газовоздушную смесь используют для воспроизведения в лабораторных условиях основных параметров реального вентиляционного выброса предприятия по переработке табачного сырья в готовые курительные изделия, что обеспечивает получение высокоэффективного биофильтра для очистки газовоздушных выбросов производства табачных изделий за счет адаптации консорциума микроорганизмов в условиях реального производства.