Получение эфирного масла при брикетировании хвойных древесных отходов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 630.866

ПОЛУЧЕНИЕ ЭФИРНОГО МАСЛА ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ ХВОЙНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

© А. С. Игнатов, Р.А. Степень

Сибирский государственный технологический университет (СибГТУ), пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: sibstu.kts.ru

Исследована динамика выхода и состава эфирного масла опилок кедра и коры пихты в интервале температур 100— 180 °С. Показано, что при 130-180 °С половина его объема выделяется в первые 9 мин.

Введение

Несмотря на большое количество работ по отгонке эфирных масел из древесных отходов динамика его выделения в начальной стадии процесса практически не изучалась. Вместе с тем подобная операция - улетучивание терпеноидов в воздушную среду при температурном воздействии на сырье - реальна, например, при изготовлении древесных плит. Их выделение в атмосферу представляет опасность для человека, поскольку 5 мг/м3 является предельно допустимой концентрацией для этих соединений [1].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования взяты кора пихты и опилки кедра, наиболее насыщенные эфирным маслом отходы деревообработки и деревопереработки. Это многотоннажное и малоиспользуемое сырье концентрированно скапливается на производственных площадках лесоперерабатывающих и целлюлознобумажных комбинатов. Задачей исследований было изучение динамики выделения и компонентного состава эфирного масла в начальной стадии его отгонки при разной температуре рабочего пара. Полученные данные сопоставляли с этими показателями при его исчерпывающей отгонке. Помимо сравнительных целей такие сведения важны и для характеристики исходного сырья.

Опыты проводили на крупнолабораторной установке в интервале температур 100-180 °С. Выход эфирного масла определяли волюмометрически, его анализ - общепринятыми физико-химическими, компонентный состав - хроматографическим методами [2]. В экспериментах как с корой, так и с опилками температура процесса существенным образом влияет на выход масла.

Обсуждение результатов

Результаты отгонки эфирного масла из опилок кедра и коры пихты водяным паром при разной температуре приведены в таблице.

Влияние температуры отгонки на выход эфирного масла

Температура отгонки, °С Опилки кедра Кора пихты

Выход масла, % Снижение выхода, раз Выход масла, % Снижение выхода, раз

100 1,65 1,18 2,55 1,24

130 1.97 3,14

150 0,96 2,03 1,66 1,88

180 0,78 2,49 1,19 2,63

* Автор, с которым следует вести переписку.

110

А.С. Игнатов, Р. А. Степень

Характер изменчивости выделения масла практически одинаков при температурной обработке обоих видов сырья. При подъеме от 100 до 130 °С его значение возрастает примерно на 20% с незначительным превышением в случае коры пихты. Отмечаемое увеличение, по-видимому, связано с более полной отгонкой масла и ускоренным разложением сложных терпеноидных фрагментов с высвобождением свободных терпеноидов - компонентов эфирного масла. Снижение выхода при дальнейшем повышении температуры (150 и 180 °С) логично объясняется усилением окислительных и поликонденсационных превращений терпеноидов, их переводом в смолистые продукты. На развитие таких превращений указывают И.И. Бардышев и В.С. Шавырин [3]. О термическом усилении окисления этих соединений свидетельствуют результаты и других авторов [4].

Зависимость между объемом (у, мл) «исчерпывающего» выделения эфирного масла в данной серии опытов при исследованных температурах (1, °С) рабочего пара удовлетворительно описывается для опилок кедра и коры пихты соответственно уравнениями:

У! = -0,000Н2 + 0,03121 - 0,5251; у2 = -0,000712 + 0,17031 - 7,59.

При анализируемой продолжительности опытов (0-9 мин) сечение поверхности отклика точнее выражается гиперболической кривой, адекватно описываемой полиномом 3-й степени. Уравнения регрессии, выражающие эту зависимость, при выделении эфирного масла из опилок кедра и коры пихты имеют вид:

У! = 2,1163-10-513 - 0,009112 + 1,26231 - 54,93; у2 = 2,7174-10-513 - 0,011712 + 1,64341 - 72,1996.

При аппроксимации полиномом 3-ей степени расчетный максимум выхода кедрового масла (2,24%) должен наблюдаться при температуре 118,5 °С, корового масла (3,28%) - при 119,5 °С.

Скорость удаления эфирного масла из сырья монотонно возрастает с повышением температуры рабочего пара. Согласно экспериментальным данным, достаточно полная отгонка эфирного масла осуществляется при 100 °С в течение 180 мин, 130 °С - 120 мин, 150 °С - 110 и 180 °С - 90-100 мин. На начальной стадии эта зависимость выражается семейством близких кривых, расположение которых определяется температурой рабочего пара. Анализ кривых свидетельствует о целесообразности проведения отгонки при температуре около 130 °С.

При поверхности отклика в диапазоне температур (1) 100-150 °С и продолжительности отгонки (т) 0-9 мин. поверхность отклика адекватно описывается уравнением второго порядка соответственно при выделении масла из опилок кедра и коры пихты:

У! = -10,4521+ 0,17361 + 0,3581т - 0,000712 + 0,00061т - 0,1297т2;

у2 = -12,8101+ 0,21091 + 0,4114т - 0,000812 + 0,00051т - 0,0116т2.

Согласно этим уравнениям, 30%-й выход эфирного масла достигается при 100 °С в течение 5 мин, при 130 °С - немногим больше 4 мин, при 150 °С - 2,5 мин и при 180 °С - менее 2 мин. Для удаления половины находящихся в сырье терпеноидов достаточно при 130 °С - 8,5 мин., при 150 °С - 7 мин., а при 180 °С -4 мин. Следовательно для отгонки большей части эфирного масла из сырья при его обработке рабочим паром с температурой 170-180 °С требуется не более 5-6 мин.

Важное значение при решении таких вопросов имеет качество эфирного масла, прежде всего его состав. Повышение температуры обработки обоих видов сырья ведет к увеличению в масле вклада монотерпеновой фракции, хотя ее количество с учетом изменения выхода снижается вдвое. Вместе с тем роль компонентов в наращивании вклада фракции неодинакова. Ее доля возрастает за счет пиненов - бициклических соединений с одной двойной связью - наиболее устойчивых к окислению. Напротив, соотношение во фракции камфена, 3-карена, мирцена, лимонена и р-фелландрена, более подверженных окислению монотерпеновых углеводородов, уменьшается. На такой характер окислительных превращений указывается и в других работах [3, 4].

Изменчивость вклада сесквитерпеноидных соединений подобна монотерпенам. Их соотношение при повышении температуры имеет тенденцию к увеличению. Возможным объяснением отмечаемого повышения может служить их большая стабильность к окислению и сравнительно высокая температура кипения.

Кислородсодержащие терпеноидные соединения менее устойчивы к окислению и конденсации по сравнению с углеводородами [5]. Поэтому снижение вклада их фракции с развитием этих процессов при повышении температуры выглядит логично. Более высокая концентрация борнеола по сравнению с другими компонентами фракции при отгонке масла при 180 °С объясняется его образованием при расщеплении бор-нилацетата.

Выводы

1. Максимальный объем эфирного масла из обоих видов сырья выделяется при 130 °С. При 100 °С его выход снижается в 1,2, при 180 °С - в 2,5 раза.

2. Половина находящегося в древесных отходах масла при 130 °С отгоняется в течение 8,5 мин, 150 °С -7 мин и 180 °С - 4 мин.

3. Эфирное масло при повышении температурной обработки обогащается моно- и сесквитерпиноидными соединениями и обедняется кислородсодержащими продуктами.

Список литературы

1. Кустова С. Д. Справочник по эфирным маслам. М., 1978. 208 с.

2. Степень Р.А. Биохимия терпеноидов. Хвойные эфирные масла: свойства, получение, методы исследования, анализ. Красноярск, 1994. 36 с.

3. Бардышев И.И., Шавырин В.С. Автоокисление терпеновых углеводородов // Синтетические продукты из канифоли и скипидара. Горький, 1970. С. 203-219.

4. БоИе Ь.Я. Аи1оох1(!а1юп (!е аНа-ртепе // Б88епгеп (!епуе^гит. 1983. V. 53. №2. Р. 148-152.

5. Пентегова В.А., Дубовенко К.В., Радугин В.А. и др. Терпеноиды хвойных растений. Новосибирск, 1987. 96 с.

Поступило в редакцию 13 октября 2008 г.