CC BY
93
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
УДК 630.181: 630.892
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 120-124
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ПИХТЫ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Р. А. Степень, В. М. Воронин, С. В. Соболева
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматриваются результаты переработки пихтовой древесной зелени по совмещенной водно-бензиновой технологии на установке, обеспечивающей отгонку эфирного масла и интенсификацию выделения других экстрактивных веществ. Объектом исследования служила древесная зелень молодняка и спелых деревьев пихты сибирской, произрастающих в районе ст. Качи в 70 км западнее Красноярска. Соотношение компонентов при паровой отгонке сырье-вода 1,0:1,2; при экстракции, в соответствии с технологией переработки сосново-еловой зелени, сырье-вода-бензин 1,0:0,7:0,5. Продолжительность отгонки 3 ч, экстракции 2 ч. Преимущества данной схемы заключаются в том, что образующиеся при нагревании экстрагента проходящие сырье пары могут конденсироваться как внутри аппарата в крышке-холодильнике (внутренний контур), так и в системе охлаждения (внешний контур). При работе по внешнему контуру из сырья водным паром отгоняется эфирное масло, которое из флорентины направляется в сборник, а освободившаяся от него флорентинная вода возвращается в аппарат и орошает сырье. Последующая экстракция водно-бензиновой смесью проводится во внутреннем контуре. Показано, что переработка древесной зелени пихты сибирской по технологии совмещенной водно-бензиновой экстракции обеспечивает выделение в перечете на абс. сухую массу до 20 % и выше содержащихся в ее составе соединений. Этому способствует использование двухконтурного аппарата, позволяющего отгонять эфирное масло и интенсифицировать выделение других экстрактивных веществ. Установлено, что соотношение биологически активных и кормовых продуктов в охвоенных побегах уменьшается от молодняков к спелым древостоям от 0,91 к 0,67, при обратной зависимости количества большинства анализируемых веществ, что объясняется накоплением в процессе онтогенеза запасов древесной зелени. Результаты исследований могут служить основой модернизации пихтоваренного оборудования: перегонного чана, системы охлаждения, компоновки установки в целом.
Ключевые слова: древесная зелень, двухконтурный аппарат, водно-бензиновая экстракция.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 120-124
BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES FROM WOOD GREENERY OF ABIES
AND THEIR APPLICATION
R. A. Stepenl, V. M. Voronin, S. V. Soboleva
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
This study discusses the results of the processing of fir tree wood greens under the combined water-gasoline technology on the facility, which provides the essential oil distillation and intensification of separation of other extractives. The object of the study was wood greens of young and mature trees of Siberian fir which, grow at the area near Kacha Railway station 70 km to the west of Krasnoyarsk. The ratio of components in steam stripping raw-water 1.0: 1.2; by extraction, according to the processing technology of spruce-pine green, raw gasoline-water 1.0: 0.7: 0.5. The duration of stripping is 3 hours, 2 hours for extraction. The advantages of this scheme are that vapors which are formed by heating the extractant pass through the raw material can condense within the apparatus in a cover-refrigerator (inner loop) and the cooling system (external circuit). When working on the outer contour, essential oil is
distilled from the raw material by water steam, and then it is sent from the florentina to the tank, the water is returned to the apparatus and irrigates the raw material. The subsequent extraction by the water-gasoline mixture is held in the inner loop. It has been shown that the processing of wood greens of Siberian fir under the combined technology of water and gasoline extraction ensures selection in the enumeration on the abs. dry weight up to 20 % or more compounds contained in its composition. The use of a 2-circuit reactor facilitated it which allows to drive away the essential oil and intensify the isolation of other extractives. It has been established that the ratio of biologically active and feed products in coniferous shoots decreases from saplings to mature stands from 0.91 to 0.67, depending on the amount offeedback when the majority of analysts due to the accumulation of reserves wood greens during the process of ontogeny. The results of the research can serve as the basis for the modernization of equipment for fir processing: distillation tank, cooling system, the layout of the whole unit.
Keywords: wood greens, 2-circuit reactor, water-gasoline extraction.
ВВЕДЕНИЕ
Низкое качество стволовой древесины пихты делает малопривлекательной ее заготовку, что нередко приводит к оставлению пихтарников при прохождении рубок. Вместе с тем ее охвоенные побеги существенно богаче эфирным маслом и в целом экстрактивными веществами других хвойных пород [10]. Переработка этого сырья посредством пихтоварения, не требующего больших капитальных вложений, в 1,2-2 раза повышает отдачу [6; 7] и улучшает отношения с администрацией региона, что способствует развитию производства. Более рентабельной считается водно-бензиновая технология, разработанная для утилизации сосново-еловой древесной зелени [11; 12]. Прибыль от реализации вырабатываемой при этом продукции значительно превышает ее величину от продажи древесины [13]. В данном исследовании обсуждаются результаты переработки пихтовой древесной зелени по совмещенной водно-бензиновой технологии на установке, обеспечивающей отгонку эфирного масла и интенсификацию выделения других экстрактивных веществ.
В связи с высоким содержанием эфирного масла (до 3-4 %) и использованием во многих отраслях его выделение из охвоенных побегов пихты сибирской исследовано многими авторами [1; 2; 9]. Изучено влияние на выход и качество масла многих биоцено-тических и технологических факторов, оптимизированы условия выделения и пр. Результаты исследований послужили основой модернизации пихтоваренно-го оборудования: перегонного чана, системы охлаждения, компоновки установки в целом [4]. Варки на модифицированной пихтоваренной установке свидетельствуют о повышении выхода и качества масла, снижению отходов, улучшению культуры производства.
Позитивные результаты служат аргументом в пользу создания малых пихтоваренных предприятий. Их сочетание с проведением рубок снижает себестоимость как продуктов пихтоварения, так и заготовки древесины. При малых запасах сырья, например, при оставлении как малорентабельных при проведении рубок пихтовых массивов, более эффективна переработка древесной зелени по водно-бензиновой технологии [11].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования служила древесная зелень молодняка и спелых деревьев пихты сибирской, про-
израстающих в районе ст. Качи в 70 км западнее Красноярска. Отбор проводили в первой декаде октября со средней части крон 10 нормально развитых деревьев. При приготовлении проб с ветвей срезали охвоенные побеги с диаметром в отрубе 10 мм. Их измельчали, перемешивали, отбирали навеску для определения влажности и пробы массой около 300 г закладывали в экстракционную камеру аппарата.
Образующиеся при нагревании экстрагента проходящие сырье пары могут конденсироваться как внутри аппарата в крышке-холодильнике (внутренний контур), так и вне его в системе охлаждения (внешний контур) [3]. При работе по внешнему контуру из сырья водным паром отгоняется эфирное масло, которое из флорентины направляется в сборник, а освободившаяся от него флорентинная вода возвращается в аппарат и орошает сырье. Последующая экстракция водно-бензиновой смесью проводится во внутреннем контуре.
Соотношение компонентов при паровой отгонке сырье-вода 1,0:1,2; при экстракции, в соответствии с технологией переработки сосново-еловой зелени [12], сырье-вода-бензин 1,0:0,7:0,5. Продолжительность отгонки 3 ч, экстракции 2 ч. Анализ сырья и выделенных препаратов проводили общепризнанными методами [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Древесная зелень пихты содержит эфирного масла в 3-4 раза больше, чем охвоенные побеги сосны и в 5-6 раз - ели [6; 10]. Повышенное содержание масла свидетельствует о целесообразности его предварительной отгонки с использованием внешнего контура установки. При этом поднимающийся из кубовой части аппарата пар захватывает находящиеся на поверхности и внутри частиц свободные терпеноиды и тер-пеноиды меротерпеноидов, которые образуются при распаде этих соединений при рабочей температуре. Паромасляный поток через выходной патрубок попадает во внешнюю систему охлаждения, где конденсируется. Конденсат во флорентине разделяется на эфирное масло и флорентинную воду. Масло декантируется и попадает в сборник, флорентинная вода возвращается в камеру. В дополнение к веществам, вымываемым образующимся при прохождении пара конденсатом, в данном случае водорастворимые продукты из сырья удаляются и флорентинной водой. Это ускоряет процесс их выделения, что подтверждается экспериментально при сравнении отгонки масла
в этом аппарате и лабораторной перегонной установке. Достоинством режима является получение эфирного масла и основного количества водного экстракта в виде, не требующим проведения дополнительной очистки. При переработке сырья по водно-бензиновой технологии освобождение этих продуктов от бензина является обязательной операцией.
По завершении отгонки кубовый конденсат заменяется водно-бензиновой смесью и перерабатывается на пихтовый водный экстракт. Переработка заключается в его концентрировании до содержания сухого вещества в нем до 50 %. Экстрагирование осуществляется во внутреннем контуре, при охлаждении паров в крышке-холодильнике. В этом режиме экстрактивные вещества выделяются конденсатом, выделяющимся в сырье и стекающим из крышки. После двухчасовой экстракции экстракт сливается и спустя 20 мин. Разделяется на водную и бензиновую части, в которых определяется вклад сухого остатка. Выход эфирного масла, водо- и бензинорастворимых веществ древесной зелени пихты, рассчитанный на ее сухую массу, приведен в табл. 1.
Водно-бензиновая переработка древесной зелени молодняка пихты в пересчете на сухую массу сырья обеспечивает получение до 4 % эфирного масла, 11 % водо- и 7 % бензорастворимых продуктов. При утилизации охвоенных побегов отводимых в рубку спелых древостоев выход масла снижается вдвое, других продуктов на 13-15 %. При этом водорастворимые вещества (липиды) водно-бензиновой экстракции представляют сумму веществ ее водной фракции и компонентов, выделяемых при промывании водой воскообразных соединений и хлорофилло-каротиновой пасты. Вклад этих нуждающихся в удалении из их состава остатков бензина составляет около 13 % от общей суммы водорастворимых продуктов
Из бензинового экстракта при отстаивании выпадают воскообразные соединения, которые отделяются фильтрованием. Их выход составляет 2,5-3,0 %. По-
сле промывания водой воска могут использоваться, например, в косметических изделиях, в частности, туши для ресниц. При отгонке растворителя отфильтрованный бензиновый экстракт превращается в массу темнозеленого цвета с приятным хвойным запахом. Ее выход - 3,5-4,0 5 от абс. сухого сырья. Слабощелочной характер (рН 8,4) и высокое содержание пигментов (хлорофиллов около 1050 мг%, каротиноидов 211 мг%) указывает на возможность использования продукта в производствах, где применяется сосново-еловая хлорофилло-каротиновая паста.
Более выгодным считается разделение хлорофил-ло-каротиновой пасты на фракции, которые находят как непосредственное потребление, так и могут перерабатываться на дорогостоящие препараты [11; 12]. При подкислении бензинового экстракта щелочным раствором его кислоты превращаются в соли и переходят в водную среду. Остающиеся в бензине неомы-ляемые соединения после удаления бензина и промывания водой становятся провитаминным концентратом. В соответствии с разработками СПбЛТА он может стать сырьем для порфинола, служащего усилителем моющих средств. Выход этого мазеобразного темнооранжевого продукта составляет 2,4-2,8 %. Подкисление водной фракции бензинового экстракта переводит соли в кислоты, низкая растворимость которых способствует их разделению. При суточном отстаивании выделяются три зоны: жирных и смоляных кислот, производных пигментов и растворителя. При концентрировании среднего слоя находящиеся в нем соединения рассматриваются [11] как хлоро-филльные кислоты и их производные. Они представляют собой желеобразную массу с выходом в пересчете на сухую древесную зелень около 0,1 %.
При отгонке из верхнего слоя растворителя остается темнозеленая пастообразная масса, составляющая 1,0-1,2 %. Препарат, основным компонентом которого являются кислоты различной природы, называется бальзамической пастой [12].
Таблица 1
Выход продуктов переработки древесной зелени пихты
Процессы Сырье Эфирное масло Водорастворимые продукты Бензинораствори-мые продукты
всего,г влажность, % абс. сухое, г всего,г % всего,г % всего,г %
Молодняк
Паровая 288 54,4 131,3 5,04 3,84 11,12 8,97
отгонка 302 53,7 138,9 5,54 3,96 12,92 9,24
292 53,0 137,9 5,37 3,91 12,76 9,29
Экстракция 288 54,4 131,2 1,68 1,28 9,31 7,09
302 53,7 138,9 1,90 1,36 10,07 7,20
292 53,0 137,2 1,65 1,22 9,65 7,03
Среднее 3,90+ 0,04 10,45+ 0,21 7,11+ 0,06
Спелый древостой
Паровая 306 52,1 146,6 2,80 1,91 11,77 8,03
отгонка 299 51,6 144,7 2,66 1,84 11,52 7,96
294 50,9 144,4 2,67 1,85 11,58 8,02
Экстракция 306 52,1 146,6 1,64 1,12 9,27 6,32
299 51,6 144,7
294 50,9 144,4
Среднее 1,87+ 0,03 9,17+ 0,02 6,29+ 0,03
Таблица 2
Количество продуктов переработки древесной зелени
Сырье и продукты его переработки Молодняки Спелый древостой
из 1 т на 1 га из 1 т на 1 га
Запасы древесной зелени, т/га (Степень, Репях, 1998) 12,5 20,3
Эфирное масло, кг 19,5 240 9,4 190
Водный экстракт 50 %о-ный, кг 104 1300 92 1860
Бензиновый экстракт, кг 35 440 31 640
Хлорофилло-каротиновая паста, кг 20 250 18 350
Провитаминный концентрат 14 175 12 240
Бальзамическая паста, кг 6 75 5 100
Пигментные производные 0,5 6 0,4 8
Суммируя данные по выходу продуктов, полученных при переработке древесной зелени молодняка и спелых древостоев можно ориентировочно оценить их количество, извлекаемое из 1 т сырья и находящегося на 1 га пихтового леса (табл. 2).
В составе бензинорастворимых продуктов входит около 6 кг липидов (водорастворимых компонентов). С учетом этого можно считать, что при водно-бензиновой переработке древесной зелени пихты вырабатывается от 35 до 50 кг биологически активных веществ, включая 10-20 кг эфирного масла; и от 90 до 100 кг водных кормовых 50 %-ных продуктов. При пересчете этих данных на 1 га древостоев в среднем их масса возрастает примерно в 15 раз.
Полученные при фракционировании бензиновых экстрактов препараты находят практическое применение [13]. Провитаминный концентрат является биологически активным ингредиентом парфюмерно-косметических изделий и кормовой добавкой, повышающей антибактериальный статус животных. Воска используются как сырье для выработки порфинола, усиливающего эффективность моющих средств при антитоксической обработке одежды. Перспективными для многих отраслей являются хлорофилльные соединения и их металльные производные. На основе хло-рофилло-каротиновой пасты и провитаминного концентрата разработаны рецептуры репеллентов и инсектицидов и проведены их государственные испытания, показавшие их высокую эффективность [5].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что соотношение биологически активных и кормовых продуктов в охвоенных побегах уменьшается от молодняков к спелым древостоям от 0,91 к 0,67, при обратной зависимости количества большинства анализируемых веществ, что объясняется накоплением в процессе онтогенеза запасов древесной зелени. Результаты исследований могут служить основой модернизации пихтоваренного оборудования: перегонного чана, системы охлаждения, компоновки установки в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Лобанов В. В., Степень Р. А. Влияние биоцено-тических факторов на содержание и состав эфирного
масла // Хвойные бореальные зоны. 2004. Вып. 2. С. 148-156.
2. Левин Э. Д., Репях С. М. Переработка древесной зелени. М. : Лесн. пром-сть, 1984. 120 с.
3. Петренко Е. В., Паршикова В. Н., Степень Р. А. Совершенствование технологии переработки древесной зелени // Химия раст. сырья. 2013. № 2. С. 215220.
4. Рекомендации по модернизации пихтоваренных установок и увеличению производства пихтового масла на предприятиях Минлеспрома СССР / Г. В. Ляндрес, В. А. Манаков, Р. А. Степень и др. / СибНИИЛП. Красноярск, 1986. 54 с.
5. Рощин В. И., Смирнова И. М., Колодынская А. А. Новые продукты из древесной зелени для сельского хозяйства // Производство кормовых и биологически активных продуктов из отходов и низкокачественного древесного сырья / СибНИИЛП. Красноярск. 1990. С. 79-82.
6. Степень Р. А. Утилизация древесных отходов. Пихтоварение / СибГТУ. Красноярск, 2015. 162 с.
7. Степень Р. А., Репях С. М. Летучие терпеноиды сосновых лесов / СибГТУ. Красноярск, 1998. 406 с.
8. Ушанова В. М., Лебедева О. И., Девятловская А. Н. Основы научных исследований. Ч. 3 / СибГТУ. Красноярск, 2004. 359 с.
9. Ушанова В. М., Ушанов С. В., Репях С. М. Состав и переработка древесной зелени и коры пихты сибирской / СибГТУ. Красноярск, 2008. 259 с.
10. Черняева Г. Н., Долгодворова С. Я., Степень Р. А. Утилизация древесной биомассы / ИЛиД СО АН СССР. Красноярск, 1987. 166 с.
11. Юдкевич Ю. А., Васильев С. Н., Ягодин В. И. Технология древесной зелени / СПбЛТА. СПб., 2002. 84 с.
12. Ягодин В. И. Основы безотходной технологии древесной зелени // Проблемы химической переработки древесного сырья / СПбЛТА. СПб., 2000. С. 50-58.
13. Ягодин В. И., Евтюгин Д. В., Левенталь Ю. К. Промышленная технология переработки древесной зелени и пути ее дальнейшего развития Производство кормовых и биологически активных продуктов из отходов и низкокачественного древесного сырья / СибНИИЛП. Красноярск, 1990. С. 36-41.
REFERENCES
1. Lobanov V. V., Stepen' R. A. Vliyaniye biotsenoticheskikh faktorov na soderzhaniye i sostav efirnogo masla // Khvoynyye boreal'nyye zony. 2004. Vyp. 2. S. 148-156.
2. Levin E. D., Repyakh S. M. Pererabotka drevesnoy zeleni. M. : Lesn. prom-st', 1984. 120 s.
3. Petrenko E. V., Parshikova V. N., Stepen' R. A. Sovershenstvovaniye tekhnologii pererabotki drevesnoy zeleni // Khimiya rast. syr'ya. 2013. № 2. S. 215-220.
4. Rekomendatsii po modernizatsii pikhtovarennykh ustanovok i uvelicheniyu proizvodstva pikhtovogo masla na predpriyatiyakh Minlesproma SSSR / G. V. Lyandres, V. A. Manakov, R. A. Stepen' i dr. / SibNIILP. Krasnoyarsk, 1986. 54 s.
5. Roshchin V. I., Smirnova I. M., Kolodynskaya A. A. Novyye produkty iz drevesnoy zeleni dlya sel'skogo khozyaystva // Proizvodstvo kormovykh i biologicheski aktivnykh produktov iz otkhodov i nizkokachestvennogo drevesnogo syr'ya / SibNIILP. Krasnoyarsk. 1990. S. 7982.
6. Stepen' R. A. Utilizatsiya drevesnykh otkhodov. Pikhtovareniye / SibGTU. Krasnoyarsk, 2015. 162 s.
7. Stepen' R. A., Repyakh S. M. Letuchiye terpenoidy sosnovykh lesov / SibGTU. Krasnoyarsk, 1998. 406 s.
8. Ushanova V. M., Lebedeva O. I., Devyatlovskaya A. N. Osnovy nauchnykh issledovaniy. Ch. 3 / SibGTU. Krasnoyarsk, 2004. 359 s.
9. Ushanova V. M., Ushanov S. V., Repyakh S. M. Sostav i pererabotka drevesnoy zeleni i kory pikhty sibirskoy / SibGTU. Krasnoyarsk, 2008. 259 s.
10. Chernyayeva G. N., Dolgodvorova S. Ya., Stepen' R. A. Utilizatsiya drevesnoy biomassy / ILiD SO AN SSSR. Krasnoyarsk, 1987. 166 s.
11. Yudkevich Yu. A., Vasil'yev S. N., YAgodin V. I. Tekhnologiya drevesnoy zeleni / SPbLTA. SPb., 2002. 84 s.
12. Yagodin V. I. Osnovy bezotkhodnoy tekhnologii drevesnoy zeleni // Problemy khimicheskoy pererabotki drevesnogo syr'ya / SPbLTA. SPb., 2000. S. 50-58.
13. Yagodin V. I., Evtyugin D. V., Levental' Yu. K. Promyshlennaya tekhnologiya pererabotki drevesnoy zeleni i puti eye dal'neyshego razvitiya Proizvodstvo kormovykh i biologicheski aktivnykh produktov iz otkhodov i nizkokachestvennogo drevesnogo syr'ya / SibNIILP. Krasnoyarsk, 1990. S. 36-41.
© ¡Степень Р. А.|, Воронин В. М., Соболева С. В. 2017
Поступила в редакцию 14.08.2017 Принята к печати 20.11.2017
