Химия растительного сырья

Экспериментальная часть

Отбираемый образец ДЗ хранили при температуре –16±2 °С в морозильной камере. Перед использованием в эксперименте определяли влажность ДЗ методом высушивания при температуре 103±2 °С [5, с. 68–70]. Содержание экстрактивных веществ в исходной ДЗ установили методом последовательной экстракции в аппарате Сокслета. В качестве экстрагента использовали: петролейный эфир, диэтиловый эфир, этилацетат. Выход экстрактивных веществ из ДЗ, полученный в промышленных условиях, устанавливали исходя из объема полученной мисцеллы и определения сухих веществ в параллельных пробах по 0,5 л мисцеллы. Растворитель (нефрас 80–120 °С) отгоняли под вакуумом с использованием роторного испарителя. Количество водорастворимых веществ, извлеченных из ДЗ, определяли методом высушивания до постоянной массы из средних двух параллельных проб (по 0,5 л).

Экстракцию водно-щелочным раствором ДЗ проводили на изготовленной пилотной установке. Число оборотов ротора постоянно – 2830 об./мин. Производительность установки по свежей ДЗ можно варьировать от 3 до 15 кг/ч в зависимости от количества оборотов суспензии ДЗ через установку.

Порцию ДЗ в количестве 0,5 кг загружали в стеклянный сосуд – питатель, затем подавали в сосуд расчетное количество водного раствора щелочи. Расход щелочи рассчитывали в г на 100 г а.с. ДЗ, водный раствор щелочи – в зависимости от заданного модуля – в мл на г а.с. ДЗ. После подготовки установки к экстракции включали электродвигатель РПА и вели отсчет времени экстракции.

После окончания экстракции электродвигатель установки выключали, из патрубков, подводящих линий и рабочей камеры установки сливали суспензию ДЗ и экстрагента, объединяли суспензию ДЗ из питателя и линий установки. Проэкстрагированную ДЗ отделяли от мисцеллы на фильтре (центрифуга или воронка Бюхнера). Отделенную от мисцеллы ДЗ промывали водой до рН=7,5–8,0 в промывных водах.

В мисцелле и промывных водах определяли количество органических и минеральных веществ. Аликвотную часть из мисцеллы или промывных вод (два-три параллельных опыта) высушивали до постоянного веса, определяли количество сухих веществ. Сухие вещества сжигали в муфельной печи [5, с. 73–75], определяли количество минеральных веществ. По разности массы сухого остатка и минеральных веществ рассчитывали массу органических веществ в экстракте или промывных водах.

Аналогичную работу проводили также с ДЗ, отобранной после экстракции нефрасом в оросительно-дефлегмационном экстракторе в условиях промышленной экстракции Лисинского цеха лесобиохимии.

Обсуждение результатов

Дополнительное измельчение в течение 30 сек приводит к некоторому изменению фракционного состава ДЗ в сторону уменьшения содержания наиболее крупных фракций (табл. 1).

Исходная ДЗ, используемая в процессе водно-щелочной обработки, содержала веществ: экстрагируемых изопропиловым спиртом – 33,9%, диэтиловым эфиром – 6,9%, петролейным эфиром – 5,1%, горячей водой – 30,3%, целлюлозы – 24,5%, лигнина – 25%, пентозанов – 6,0% от массы сухого сырья.

На начальном этапе работы установили влияние ширины прорезей ротора на эффективность водно-щелочной обработки ДЗ ели в РПА. Процесс обработки проводили при следующих параметрах: расход щелочи – 7 г/100 г а.с. ДЗ (концентрация щелочи в растворе – 0,50%), гидромодуль (в пересчете на а.с.ДЗ) – 15, продолжительность экстракции – 2 мин, ширина прорезей ротора – 6, 8 и 10 мм, ширина прорезей статора – 10 мм, зазор между ротором и статором – 2 мм.

Определено, что ширина прорезей ротора оказывает влияние на выход твердого остатка и в меньшей степени на выход органических веществ (табл. 2). При повышении ширины прорезей ротора наблюдается увеличение выхода органических веществ в получаемых мисцеллах в ряду 6, 8, 10 мм – от 16 до 18,5% и снижение выхода твердого остатка – с 72,6 до 57,6% соответственно.

Ширина прорезей ротора также влияет и на фракционный состав получаемого твердого остатка (табл. 2). При увеличении ширины прорезей ротора наблюдается повышение эффективности измельчения ДЗ ели – в ряду 6, 8, 10 мм повышается удельный выход наименьших фракций твердого остатка: для фракции <0,125 мм – с 3,7 до 4,5%, и с 12,1 до 15,2% – для фракции 0,125–0,25 мм, соответственно. О повышении эффективности измельчения говорит также и то, что в вышеуказанном ряду наблюдается снижение выхода наиболее крупной фракции твердого остатка >1,0 мм – с 24,3 до 20,5%. Промежуточные фракции (0,25–1,0 мм) составляют около 60% от массы проэкстрагированной ДЗ, и их суммарный выход практически не зависит от величины прорези ротора. Скорее всего, происходит измельчение всех фракций исходной ДЗ. Но доля средних фракций, которые при обработке в РПА переходят во фракции с меньшими линейными размерами, восполняется измельчением более крупных фракций. И эти изменения увеличиваются с увеличением ширины прорези ротора с 6 до 10 мм.

Полученные данные по влиянию ширины прорезей ротора на качественные показатели экстракции ДЗ ели в РПА говорят о том, что увеличение ширины прорезей ротора с 6 до 10 мм приводит к повышению эффективности процесса. Об этом свидетельствует повышение выхода органических веществ в получаемых мисцеллах, снижение выхода твердого остатка и повышение доли наименьших фракций твердого остатка. В РПА основными факторами измельчения, экстракции и растворения являются раскалывание, истирание и удар, а ударные нагрузки возникают как при механическом контакте твердых частиц с рабочими поверхностями аппарата и друг с другом, так и за счет кумулятивных воздействий при развитой кавитации [3, с.124]. Исходя из этого, можно предположить, что повышение эффективности процесса связано с повышением кумулятивных воздействий на обрабатываемую среду. Что касается механического контакта, то при зазоре между ротором и статором – 2 мм данное воздействие не должно оказывать какое-либо влияние на проводимый процесс, так как наименьшие фракции твердого остатка, имеющие размер < 0,25 мм, будут проскакивать через прерыватель и их измельчение возможно лишь при контакте с другими частицами.

Таблица 1. Влияние продолжительности размола на фракционный состав используемой ДЗ

Изменение гидромодуля водно-щелочного раствора от 12 до 16 приводит к снижению выхода твердого остатка и увеличению выхода органических веществ в мисцелле (рис. 1 и 2). Причем выход твердого остатка с увеличением ширины прорезей снижается в большей степени (с 71 до 65%), чем при ширине щелей ротора 6 мм (с 75 до 71%). С увеличением гидромодуля экстракции и прорезей ротора выход органических веществ из ДЗ возрастает с 17 до 20% при ширине прорезей ротора 10 мм и с 12 до 17% – при 6 мм. Но концентрация извлекаемых органических веществ в мисцелле с увеличением гидромодуля падает: с 2,3 до 1,7% при прорезях в роторе 10 мм и с 1,6 до 1,3% при 6 мм.

Увеличение гидромодуля (табл. 3) оказывает влияние на фракционный состав проэкстрагированного сырья. Незначительно снижается выход всех фракций, за исключением фракции 0,5–1,0 мм. Доля последней фракции в проэкстрагированном остатке увеличивается при ширине прорези ротора 10 мм с 37 до 43%, а при 6 мм – с 35 до 45%.

На рисунках 2 и 3 показаны зависимости выхода органических веществ и их концентрация в получаемых мисцеллах от гидромодуля обработки. Показанные зависимости носят линейный характер – коэффициент корреляции 0,95–0,97. Из результатов исследований следует, что при повышении гидромодуля обработки наблюдается увеличение выхода органических веществ, но в то же время идет снижение концентрации органических веществ в получаемых мисцеллах. Показанные зависимости говорят о том, что при использовании ротора с шириной прорезей 10 мм выход и концентрация органических веществ в получаемых мисцеллах выше, чем при использовании ротора с шириной прорезей 6 мм в среднем на 3–5% и 0,38–0,75%, соответственно.

Рис. 1. Влияние гидромодуля обработки в РПА на выход твердого остатка, при ширине прорезей ротора 6 и 10 мм
Рис. 2. Влияние гидромодуля обработки в РПА на выход органических веществ, при ширине прорезей ротора 6 и 10 мм
Рис. 3. Зависимость концентрации получаемых мисцелл от гидромодуля обработки в РПА, при ширине прорезей ротора 6 и 10 мм

Данные зависимости можно объяснить тем, что при увеличении гидромодуля обработки должна снижаться кратность прохождения обрабатываемой среды через прерыватель в единицу времени. А так как эффективность проводимого процесса, по крайней мере, процесса измельчения, напрямую связана с раскалыванием, истиранием и ударными нагрузками, протекающими в рабочей камере аппарата, то это объясняет данные, отображенные на рисунке 1. Что касается остальных зависимостей (рис. 2 и 3), то при повышении гидромодуля обработки возрастает градиент концентраций между водным раствором щелочи и ДЗ, что приводит к повышению выхода органических веществ, но при этом идет снижение качества получаемых мисцелл – уменьшается концентрация органических веществ. Последнее можно также объяснить снижением кратности обработки. Так как выход твердого остатка должен зависеть в большей степени от эффективности процесса экстракции, то снижение выхода остатка может быть напрямую связано с увеличением выхода органических веществ.