СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО РАФИНИРОВАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MAKING TIMBER-BASED REFINED FILTRATION MATERIAL

Заявленное изобретение относится к технологии получения из древесины фильтрующего материала, который может использоваться в качестве вспомогательного фильтрующего порошка для очистки жидких продуктов от взвешенных или коллоидных частиц. Технология основана на измельчении и рафинации древесины. Фильтрующий материал предназначен преимущественно для использования в пищевой и фармацевтической промышленности.
Очистка жидких продуктов от сопутствующих веществ, присутствующих в виде коллоидных или взвешенных частиц, путем фильтрации является важной технологической стадией. Под понятием вспомогательный фильтровальный материал следует понимать ряд материалов, которые в виде порошков, гранул или волокнистых частиц применяются в качестве намывного слоя при фильтрации. При этом вспомогательный фильтровальный материал должен быть химически нейтральным по отношению к целевому продукту и другим компонентам среды, не должен оказывать отрицательного влияния на качество и органолептические показатели целевого продукта.
Вспомогательный фильтровальный материал можно наносить перед началом фильтрации в качестве дренажного слоя (намывной фильтр) на фильтровальное средство, чтобы получать рыхлый фильтровальный осадок, или непрерывно подмешивать к подлежащей фильтрации жидкости.
В качестве вспомогательного фильтровального материала применяют минеральные порошки: кизельгур (диатомная или инфузорная земля) и перлит (Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. - М. «Химия», изд.4, 1980, с.345-349). Минеральные порошки содержат окислы зольных элементов, полученные при обжиге порошков, и поэтому обладают существенным недостатком, поскольку могут взаимодействовать с компонентами фильтрата, имеющими кислотные или щелочные свойства. Продукты взаимодействия ухудшают качество продукции, а в отдельных случаях обладают канцерогенными свойствами. Кроме того, отработанные минеральные порошки при больших объемах применения загрязняют окружающую среду при захоронении.
В качестве вспомогательного фильтрующего материала используют целлюлозу, полученную главным образом из хлопкового волокна (Kretzschmar H., Die Filtrhilfsmittel und ihre Anwendung. Osterreichische chemiker Zeitung, v.65, №10, j.1964. s.312.). Целлюлоза не содержит зольных элементов и может использоваться для фильтрации продуктов с кислотными или щелочными свойствами. Основным недостатком данного фильтровального порошка является значительная набухаемость и сжимаемость целлюлозных волокон из-за отсутствия в их структуре лигнина и, как следствие, низкие дренажные свойства.
Известен древесный порошок в виде муки, используемый как фильтрующий материал, полученный из древесины хвойных и, или лиственных пород путем сушки древесины до влажности не более 8,1% и измельчения до муки с преимущественным размером частиц 560 и 1250 мкм 1 (ГОСТ 16361-87. Мука древесная. Технические условия). Фильтрующий материал, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 16361-87, содержит 1,0% зольных элементов, до 5,0% смол и жирных и эфирных масел, а концентрация кислот не нормируется. Высокое содержание примесей, способных переходить в продукт, оказывает отрицательное влияние на качество фильтруемой продукции. В связи с этим, известный фильтрующий материал непригоден для использования в пищевой или фармацевтической промышленности и используется в основном для фильтрации технических жидкостей.
Традиционные способы получения древесной муки (Цывин М.М., Котцов С.Г., Шмаков И.В. Производство древесной муки. М. ВНИПИЭИлеспром, 1977, 46 с.; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 3rd edition (1951), first volume, page 492, key word "felted layers" and page 493) путем дробления древесины, сушки и фракционирования порошка не позволяют производить рафинированный фильтрующий материал, пригодный для использования в пищевой или фармацевтической промышленности. Фильтрующий материал, полученный этими способами, содержит химически активные компоненты, которые переходят в фильтруемый продукт, ухудшая его качественные показатели. Порошок сжимаем и разбухает в водной среде.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ получения вспомогательного фильтрующего материала (Патент США US №6,871,746, B01D 39/04, B01D 39/00, опубл. 29.03.2005 г.). Известный способ предусматривает измельчение древесины до размера частиц (волокон) преимущественно до 1 или 3 мм и последующую их обработку слабым водным раствором щелочи при температуре ниже 100°C и атмосферном давлении с целью удаления химически активных веществ, которые при фильтрации могут переходить в фильтрат и влиять на качество продукта (цвет, запах, вкус и др.). После обработки раствором щелочи древесный порошок промывают водой, нейтрализуют кислотой до нейтральной pH водной вытяжки, а затем высушивают до влажности не более 10%. Одним из основных условий данного способа является сохранение лигнина после обработки раствором щелочи в фильтрующем материале на уровне исходной древесины. Для сохранения дренажных свойств намывного слоя вспомогательного фильтрующего материала в известном способе предусматривается возможность добавлять к нему несжимаемые минеральные фильтровальные порошки типа кизельгура, перлита и др.
Известный способ имеет следующие недостатки:
- во-первых, температурный режим обработки древесного порошка разбавленным водным раствором щелочи находится в пределах от 20 до 100°C. Только щелочная обработка и низкая температура обработки не дает возможности в полной мере омылять высокомолекулярные спирты, масла и смолы. Не экстрагируются нейтральные и гидролизуемые кислотой вещества. В связи с этим, неомыленные высокомолекулярные вещества не переходят в водорастворимую форму, не экстрагируются щелочным водным раствором и водой при последующей промывке, а остаются в значительном количестве в фильтрующем порошке, а при использовании таких порошков для фильтрования органических жидкостей и масел возможно загрязнение фильтрата;
- во-вторых, в процессе щелочной обработки и последующей нейтрализации кислотой для обеспечения нейтральной pH водной вытяжки порошка происходит частичное разрыхление материала за счет удаления водорастворимых и омыленных не структурообразующих веществ - смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот, частичный гидролиз гемицеллюлоз до олигосахаридов, что приводит к нарушению химической связи клетчатки с лигнином. Указанные процессы снижают упругость древесных волокон, способствуют их набуханию. Набухшие волокна при фильтрации образуют сжимаемый намывной слой с низкой фильтрующей способностью;
- в-третьих, при всем многообразии химического состава древесины, определяющего его свойства и физические характеристики, а также нестабильность этих показателей даже для одной породы не только от возраста, но и от места нахождения в стволе древесины, не обеспечивают стабильного качества фильтрующих порошков только обработкой древесного порошка разбавленным водным раствором щелочи. Известный способ применим только для узкого класса хвойных пород древесины, содержащих пониженное количество смол и экстрактивных веществ, как нами установлено, это ель европейская, поэтому не применим для широкого спектра сырья и отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.
3
К указанным недостаткам можно также добавить сложность и высокую стоимость размола, деструктивное повреждение поверхности частиц, увеличивающее их удельную поверхность, низкую плотность исходного сырья (для сухих хвойников ель-сосна 450-550 кг/м), связанную с высокой капиллярной пористостью частиц после испарения влаги из сырой древесины, что ведет к увеличению потерь фильтруемого материала.
Техническим результатом изобретения является повышение степени очистки фильтрующего материала, полученного из древесного сырья, в том числе древесных заготовок, опилочных или стружечных отходов древесины прессованных или пеллетированных с целью использования фильтрующего материала в пищевой и фармацевтической промышленности и без ухудшения качества продукции, и обеспечение его высокой фильтрующей способности.
Технический результат достигается тем, что в способе получения древесного рафинированного фильтрующего материала первоначально проводят водно-химическое экстрагирование водорастворимых, омыляемых и гидролизуемых веществ из дробленого древесного сырья путем его обработки при кипении водным раствором гидроксида натрия или уксусной кислоты при концентрации 0,2-1 г/л, затем отделяют твердую фазу от жидкого экстракта, проводят сушку твердой фазы и ее обработку перегретым паром при температуре 130-160°C до удаления летучих примесей.
В качестве сырья используют древесные заготовки и обрезки, дробленые предпочтительно до максимального линейного размера 5-15 мм, а также опилочные или стружечные отходы древесины, в том числе прессованные или пеллетированные.
Сырье мягких пород древесины перед или после водно-химического экстрагирования подвергают экструзивному пеллетированию.
Водно-химическое экстрагирование проводят с помощью воды. При водно-химическом экстрагировании воду, водный раствор гидроксида натрия или уксусной кислоты берут в количестве 30÷100% от массы дробленого древесного сырья.
Сушку совмещают с дезодорацией.
Обработку перегретым паром проводят в нейтральной атмосфере или вакууме со скоростью возрастания температуры до 2÷10°C/мин.
Обработку перегретым паром осуществляют путем продувки перегретого пара через слои древесного сырья.
После обработки перегретым паром полученное рафинированное сырье измельчают и разделяют на рафинированные фильтрующие порошки различной проницаемости.
Продувку перегретого пара осуществляют через сформированные на сетчатых фильтровальных перегородках дренируемые слои древесного сырья.
Обработку перегретым паром осуществляют при температуре 130°-160°C со скоростью возрастания температуры до конечной 2÷10°C/мин.
При этом границы температурного интервала определяются породой исходного дерева, для лиственных пород и сибирской лиственницы нижняя и средняя температурная зона, для хвойных пород ели, сосны, пихты, в особенности из сибирского региона, средняя и верхняя температурная зона.
Границы интервала скорости возрастания температуры (возгонки с испарением остаточной влаги) определяются влажностью поступающего на эту операцию сырья, для обеспечения ускорения испарения веществ, не обуславливающих структуру древесины, - смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот.
При этом если сырье поступает с влажностью менее 50%, то применяют средние и верхние границы интервала скорости возрастания температуры, если сырье поступает с влажностью до 100%, применяют нижние и средние границы этого интервала.
Обработка перегретым паром или дезодорация путем возгонки приводит к уплотнению и снижению степени сжимаемости материала за счет испарения смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот, придающих цитоскелету древесных клеток гидрофильные или гидрофобные свойства, а снижение влажности до 5-8% приводит к снижению способности частиц порошка из древесины впитывать влагу и разбухать.
Пример 1
В лабораторных условиях воспроизводились водно-химическая рафинация и последующая дезодорация образцов различных пород дерева измельченными до размера 1 мм частицами. Количество экстрагирующего водного раствора щелочи концентрацией 1,0 г/л составляло 90% от веса сухого образца.
Водно-химическую рафинацию проводили в течение 20 минут при кипении, далее отделяли фильтрацией водный раствор экстракта и образцы древесного порошка сушили при 105°C в вакуумном сушильном шкафу.
Одновременно с сушкой посредством уходящего водяного пара и возгонки летучих компонентов проходила дезодорация древесного порошка.
3
Аналогично провели рафинацию образцов древесного порошка с применением для экстрагирования водного раствора, содержащего 1,0 г/л уксусной кислоты (CHCOOH).
Полученные образцы исследованы в соответствии с Кодом 21 CRF §1177.2260 Положения о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах.
Результаты анализа экстрактов образцов древесных порошков, рафинированных с применением для экстрагирования воды, водных растворов щелочи и кислоты, представлены в табл.1.
Таблица 1
Содержание сухих веществ в экстрактах
Наименование образца и условия обработки
Ед. изм
Экстракция с дистиллир. водой, 100°C
Экстракция гексаном, 69°C
Экстракция 5% уксусной кислотой, 20°C
Экстракция 50% этиловым спиртом, 20°C
1.1. Фильтрацель
EFC-950-
%
СТ./1300СТ. Образец фирмы JRS по их патенту
2,19
0,54
0,99
2,13
США US №6871746
2.1. Опилки
сосновые в пеллетах исходные
%
4,0
2,63
2,84
4,47
2.2. опилки по п.2.1. после водно-химической
обработки плюс
дезодорация 170°C,
%
а) вода (t°-100°C,)
1,9
1,4
1,14
2,39
б) укс. кислота 1 г/л
2,4
1,8
2,8
2,81
B)pH=10, NaOH 1 г/л
1,89
0,7
0,85
1,58
2.3. опилки по п.2.2.
после дезодорации 170°C,
а) вода (t°-100°C,)
%
1,9
0,56 '
0,95
2,0
б) укс. кислота 1 г/л
2,1
1,18
1,18
2,21
B) pH=10, NaOH 1 г/л
0,75
0,13
0,43
0,57
3.1. Опилки лиственницы
%
19
1,2
8,5
10,5
3.2. Опилки
лиственницы после водно-химической обработки:
а) вода (t°-100°C,)
%
8,0
0,61
5,4
5,5
б) укс. кислота 1 г/л
3,65
0,32
1,94
2,29
в) pH=10, NaOH 1 г/л
1,3
0.22
7.0
7,44
3.3 Дезодорация
образца, полученного по п.3.2 б).
%
1,3
0,11
0,82
1,33
4.1. Образец из
осиновой древесины
%
1,65
0,86
1,20
1,92
исходный
4.2. Образец из
осиновой древесины после в/х обработки
а) вода (t°-100°C,)
/о
0,75
0,45
0,80
0,37
б) укс. кислота 1 г/л
1,18
0,56
0,69
1,01
в) pH=10, NaOH 1 г/л
1,95
0,64
0,85
0,93
Дезодорация образца по п.4.2 а).
%
0,3
0,11
0,3
0,15
Данные таблицы показывают, что фильтрующий материал, полученный по предлагаемому способу, содержит значительно меньше примесей, способных переходить в фильтрат, чем фильтрующий материал, полученный по известному способу. Об этом свидетельствует низкое содержание сухих веществ в экстрактах, полученных из рафинированных древесных порошков после их экстрагирования дистиллированной водой при 100°C, гексаном при 69°C, 5%-ной уксусной кислотой при 20°C и 50%-ным этиловым спиртом при 20°C и, особенно, последующей дезодорации.
Из приведенных результатов следует, что предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру используемых древесных пород путем целенаправленного применения растворов кислоты или щелочи, максимально экстрагирующих гидролизуемые или омыляемые вещества: так хвойные породы эффективно рафинируются слабыми щелочами, породы лиственниц кислотами, некоторые лиственные породы, как осины, просто водой. Последующая дезодорация позволяет получить порошки, минимально загрязняющие очищаемую среду.
Пример 2
Провели по предлагаемому способу водно-химическую рафинацию и последующую дезодорацию образца сосновых опилок, измельченных до размера частиц 1 мм. Количество экстрагирующего водного раствора щелочи концентрацией 0,2 г/л составляло 100% от веса сухого образца.
Водно-химическую рафинацию проводили в течение 20 минут при кипении, далее отделяли фильтрацией водный раствор экстракта и древесный порошок сушили и дезодорировали при 160°C в вакуумном сушильном шкафу со скоростью возрастания температуры 5°C/мин от 100°C до конечной 160°C.
Полученный таким образом образец рафинированного дезодорированного древесного порошка доизмельчали, отбирали фракцию - 0,1 мм и использовали ее в качестве вспомогательного фильтрующего материала для фильтрации вымороженного подсолнечного масла и 25%-ного водного раствора глюкозы. В процессе фильтрования вымороженного масла и раствора глюкозы измеряли скорость фильтрации, а в полученных фильтратах изменение качественных показателей.
Одновременно проводилась фильтрация вымороженного подсолнечного масла и водного раствора глюкозы с применением в качестве вспомогательного фильтрующего материала порошка, полученного по известному способу.
Результаты анализов фильтратов вымороженного масла, маслоемкости фильтрующего порошка и определения скоростей фильтрации приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели
Фильтрация с применением фильтрующего порошка полученного по способу
предлагаемому
известному
Влажность масла, %
0,17
0,17
Кислотное число масла, мг KOH
1,84
1,96
Перекисное число масла, <sup>1</sup>/<sub>2</sub> O<sub>2</sub> ммоль/кг
2,48
2,97
Цветное число, ед J<sub>2</sub>
4,0
4,0
Анизидиновое число, у.е.
3,4
4,1
Массовая доля неомыляемых вещества, %
0,86
0,97
Масличность фильтрующего
порошка после фильтрации и
57,4
61,6
продувки воздухом, %
Скорость фильтрации, кг/м<sup>2</sup>*с
0,12
0,08
Как видно из данных таблицы 2, качественные показатели вымороженного масла по ГОСТ (кислотное число, перекисное и анизидиновое числа и массовая доля неомыляемых веществ), отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу, отличаются в лучшую сторону при сравнении с качественными показателями вымороженного масла отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по известному способу.
Масличность фильтрующего порошка, полученного по известному способу, после фильтрации на 4.2% больше, чем порошка, полученного по предлагаемому способу. Этим обеспечивается снижение потерь масла в процессе его фильтрации.
Скорость фильтрации вымороженного масла на 50% выше в случае применения фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу.
В таблице 3 приведены результаты анализа фильтрации раствора глюкозы.
Таблица 3
Показатели
Фильтрация с применением фильтрующего порошка полученного по способу
предлагаемому
известному
Запах
свойственный глюкозе
свойственный глюкозе
Цветность в ед. плотности
0,11
0,12
Прозрачность, светопропускание, %
86
80
Массовая доля железа в пересчете на сухое вещество, %
0,002
0,003
Массовая доля золы в пересчете на сухое вещество, %
0,05
0,07
Скорость фильтрации, кг/м<sup>2</sup>*с
0,32
0,24
Как видно из данных таблицы, качественные показатели раствора глюкозы (прозрачность, светопропускание, массовая доля железа и массовая доля золы), отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу, отличаются в лучшую сторону при сравнении с качественными показателями раствора глюкозы отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по известному способу.
Скорость фильтрации глюкозы на 33,3% выше в случае применения фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу.
Опытным путем нами установлено, что использование для водно-химической экстракции растворов щелочи или кислоты с концентрацией менее 0,2 г/л приводит к недостаточному удалению из фильтрующего порошка сопутствующих веществ, загрязняющих фильтруемые продукты. Применение растворов щелочи или кислоты с концентрацией более 1,0 г/л приводит к перерасходу реагента, к потере лигнина и снижению дренажных свойств фильтровального порошка. Нагрев порошка при высушивании и дезодорации более 160°C может привести к полимеризации части возгоняемых веществ, появлению продуктов термогидролиза древесины и, впоследствии, ухудшению качества фильтруемого продукта.