Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Все эти превращения происходят в реакторе на протяжении всего времени выдержки. Далее прогидролизованная древесина по выходному шнеку 7 снова уплотняется, что обеспечивает герметичность реактора. Режимные параметры доводятся до максимальных: температура до 240-250 градусов, давление 30-40 атм. Выдержка этих параметров производится в течение 2-3 минут. Затем с помощью клапана 8 происходит сброс давления до атмосферного в течение 7-10 секунд. При выходе прогидролизованного материала из затвора в приемный резервуар 9, работающий при атмосферном давлении, происходит вскипание влаги, содержащейся в измельченном материале. Данный процесс сопровождается значительным увеличением количества образующейся паровой фазы, в результате чего в толще материала наблюдается быстрый подъем избыточного давления. Давление пара внутри материала на выходе из реактора превышает внешнее давление, это приводит к возникновению фильтрационного потока, направленного к поверхности частиц, вызывает растяжение и, как следствие, разрыв и измельчение частиц. Таким образом, в результате декомпрессионного парового взрыва образуется волокнистая масса, которая освобождается от лигнина в резервуарах 9,10.

Продолжительность экстракции составляет 40-50 минут. В результате из массы

выделяется лигнин и образуются растворы сахаров, которые смешиваются с растворами, полученными при распаде гемицеллюлоз в реакторе. Эти растворы сахаров отделяются от практически очищенной гидролизатмассы путем слива через дно в приемную емкость 21 и направляются в секцию переработки растворов сахаров для получения спиртов и других продуктов.

Библиографический список

1. Гравитис, Я.А. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы / Я.А. Гравитис // Химия древесины.

- 1987. - № 5.

2. Ефремов, А.А. Состав растительных полимеров древесного происхождения, получаемых в условиях взрывного автогидролиза / А.А. Ефремов // Химия растительного сырья. - 2003.

3. Калейне, Д.А. Высокотемпературный автогидролиз древесины. Автогидролиз березовой древесины / Д.А. Калейне // Химия древесины. - 1990.

- № 3. - С. 101-107.

4. Калейне, Д.А. Высокотемпературный автогидролиз древесины. Сопоставление поведения древесины основных пород ЛатвССР / Д.А. Калейне // Химия древесины. - 1990. - № 3. - С. 89-95.

5. Дудкин, М.С. Гемицеллюлозы / М.С. Дудкин.

- Рига: Зинатне, 1991. - 488 с.

6. Зиатдинова, Д.Ф. Совершенствование технологии извлечения жирных кислот из соапстока / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2009. - Т. 52. - Вып. 5 -С. 109-111.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ

древесной зелени хвойных пород

Р.Р. САФИН, проф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, д-р. техн. наук,

А.Е. ВОРОНИН, асп. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, Д.Ф. ЗИАТДИНОВА, доц. каф. переработка древесных материалов Казанского ГТУ, канд. техн. наук

Хвоя - специфический вид древесной зелени, концентрирующий множество биологически активных веществ, таких как эфирные масла, хлорофилл, каротин, многие аминокислоты, витамины, фитогормоны, бактериостатические и антигельминтные вещества. Однако при этом на лесозаготовках,

cfaby@mail.ru; alexov@list.ru; signof@list.ru

в большинстве случаев, данное сырье полностью уходит в отходы. Известно, что хвойные леса составляют половину мировых запасов, а их общая фитомасса достигает 56 млрд т, в том числе до 3 млрд т древесной зелени. При традиционных способах заготовки и переработки древесного сырья крайне низок уровень

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

87

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

его использования - 25-30 % общего запаса биомассы дерева. В связи с этим проблема полного и рационального использования всей 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.

К настоящему времени разработано и реализовано много схем переработки различных видов 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, требует больших капитальных и эксплутационных 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.

Наиболее полно данным требованиям удовлетворяет способ переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром. К сожалению, использующиеся в настоящее время технологии для его осуществления дают неудовлетворительные результаты. Как правило, они нацелены на получение лишь одного продукта от переработки зеленой массы - хвойного экстракта либо эфирных масел. Отработанная зелень при этом в большинстве случаев уходит в отходы. В случае получения эфирного масла его качество не удовлетворяет существующим нормативам по плотности и содержанию в нем борнилацетата - наиболее ценного компонента, определяющего качество продукта. Время переработки составляет порядка трех часов, но при этом доля неизвлеченного вещества, оставшегося в отработанной зелени, составляет около 30 %. Способы, направленные на получение хвойного экстракта, основанные на вываривании древесной зелени в воде, не нашли широкого внедрения в производство из-за недостаточной окупаемости.

Для решения данных проблем была разработана экспериментальная установка для исследования переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром при регулировании давления среды. Так как наиболее ценным продуктом при данном способе переработки сырья является эфирное масло, именно количество и качество данного вещества на выходе будет определяющим фактором при определении эффективности данной технологии при различных режимах. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Она состоит из парогенератора 1, экстракционного аппарата 3, холодильника-конденсатора

6, флорентины 7, вентилей 2, 4, 5 и патрубков 8, 9. Эксперименты проводились следующим образом. В парогенератор 1 заливается вода, при закрытом вентиле 2 вода в парогенераторе доводится до требуемой температуры. В ходе нагрева воды в экстрактор 3 засыпается измельченная древесная зелень хвойных пород, камера герметизируется путем перекрытия вентиля

4. При нагнетании в парогенераторе давления водяного пара, соответствующего требуемой температуре, вентили 2 и 4 открываются для вытеснения из объема экстрактора воздуха. При поступлении первых порций конденсатов вентиль 4 перекрывается, происходит нагрев зелени и нагнетание давления в экстракторе, вместе с тем начинается процесс извлечения из сырья биологически активных веществ. По достижению определенной температуры в экстракторе вентиль 4 открывается. Температура и расход пара в экстракторе регулируются с помощью вентилей 2 и 4. Водорастворимые вещества диффундируют в паровой поток, а эфирные масла как легколетучие соединения уносятся вместе с паром в холодильник-конденсатор 6. В нем паровой поток конденсируется, и насыщенный биологически активными веществами конденсат сливается в флорентину

7. Там происходит ее отстаивание и разделение на хвойные экстракт и эфирное масло. Последнее как более легкая фракция скапливается на поверхности и отбирается через патрубок 8. Хвойный экстракт сливают через патрубок 9. В период прогрева часть поступающего водяного пара конденсируется при нагреве стенок аппарата и сырья. Для слива получающегося конденсата используют вентиль5.

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

а б

Рис. 1. Экспериментальная установка для переработки древесной зелени: а - принципиальная

схема; б - внешний вид

По описанной методике были проведены исследования зависимости количества получаемого эфирного масла от температуры в процессе переработки. Определена динамика извлечения эфирных масел по времени.

В ходе исследования динамики прогрева древесной зелени в аппарате был проведен эксперимент - в объем загруженного в аппарат сырья устанавливались 6 термопар на различной высоте. Эксперимент проводился при расходе пара в 1 кг/час, 1,5 кг/час и 2 кг/час.

Анализ полученных данных показывает, что лишь при небольшом расходе пара, порядка 1 кг/час, наблюдается период прогрева первого слоя - в первые 5 минут процесса. При этом следует отметить, что после 10 минут прогрева данного слоя наблюдается кратковременное падение его температуры. Это объясняется тем, что первые порции пара, скопившиеся за время с начала процесса, преодолевая уплотнение сырья, просочились через все слои зелени и пошли на конденсацию, а поступающей порции пара недостаточно для поддержания полученной температуры материала на нижнем слое. В то же время самый верхний слой зелени нагревается до температуры начала интенсивной переработки лишь спустя 50 минут. Можно сделать вывод, что расход 1 кг/час для переработки 500 г сырья недостаточен для быстрого равномерного

прогрева всех слоев материала. При расходе пара 1,5 кг/час все слои прогреваются достаточно равномерно по мере проникновения пара в материал, преодолевая его уплотнение. Однако верхний слой лишь через 20 минут прогревается до температуры, достаточной для интенсивной переработки, что сказывается на общей необходимой продолжительности переработки. При расходе пара 2 кг/час на 500 г сырья все слои прогреваются достаточно быстро, но увеличенный расход пара может затруднить процесс переработки в случае организации мобильного производства с использованием привозной воды. В общем случае становится ясно, что для поддержания стабильности процесса переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром соотношение массы перерабатываемого сырья и массы водяного пара, расходуемого за один час, должно быть не менее 1:3.

На рис. 2 представлена диаграмма, характеризующая зависимость выхода эфирного масла с 500 г сырья от температуры проведения процесса переработки. Как видно из данной диаграммы, при температуре 120 °С наблюдается наибольший выход эфирных масел. Это подтверждает низкую эффективность существующих установок по переработке древесной зелени водяным паром, работающих при атмосферном давлении, так как в этом случае более 50 % целевого про-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2010

89

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

дукта остается в отработанной зелени. Однако рост выхода эфирного масла по мере повышения давления в аппарате, а следовательно, и температуры пара заканчивается при достижении 120 °С. Это объясняется тем, что при более высоких температурах начинается разрушение составляющих компонентов данного продукта. Следовательно, для повышения эффективности и производительности данного процесса его следует проводить при давлении пара, требуемом для поддержания оптимальной температуры процесса 120 °С.

Q

90 100 110 120 130 140 150

Температура, °С

Рис. 2. Зависимость между температурой проведения процесса переработки и выходом эфирного масла с 500 г сырья

Рис. 3. Динамика выхода эфирного масла в зависимости от температуры по времени

Это подтверждается результатами эксперимента по определению динамики извлечения эфирного масла в зависимости от температуры процесса, представленными на рис. 3. Как видно, при температуре 120 °С извлечение масла происходит наиболее динамично и его выход наиболее высок, несмотря на то что за первые 10 минут при температуре 130 °С эфирного масла выделилось немного больше. При длительной выдержке с температурой, превышающей 120 °С, внутри частиц сырья начинаются необратимые разрушения, препятствующие полному извлечению эфирного масла. Более низкие температуры не дают достаточной интенсивности выхода целевого продукта.

Для анализа качества получившегося продукта при температуре 120 °С и расходе пара 2 кг/час был использован метод тонкослойной хроматографии (рис. 4). Это вариант хроматографии, основанный на различии в скорости перемещения компонентов смеси в плоском тонком слое (толщина 0,1-0,5 мм) сорбента при их движении в потоке подвижной фазы (элю-ента). На слой сорбента были нанесены капли объемом 1-5 пихтового масла, затем край пластинки погрузили в элюент, который находился на дне герметично закрываемой стеклянной камеры. Элюент продвигался по слою сорбента под действием капиллярных и гравитационных сил; анализируемая смесь перемещалась в том же направлении. В результате многократного повторения актов сорбции и десорбции в соответствии с коэффициентом распределения компоненты разделились и расположились на пластинке отдельными зонами.

После завершения процесса пластинка была вынута из камеры, просушена и опрыскана реагентами, позволяющими обнаружить отдельные зоны в виде флуоресцирующих пятен, соответствующих основным компонентам эфирного масла - а-пинен, борнеол, борнилацетат. Данный анализ носит качественный характер и не дает точной количественной информации о содержании отдельных компонентов. Поэтому для получения сравнительной характеристики получившегося продукта анализ тонкослойной хроматографии был также проведен для пихтового масла производства ЗАО «Эвалар».

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010