Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние техники и технологии переработки древесной зелени хвойных пород 10
1.1. Основные сведения о древесной зелени хвойных пород 10
1.2. Древесная зелень хвойных пород как объект для переработки 21
1.3. Способы переработки древесной зелени и области использования получаемых продуктов 25
Выводы 42
Глава II. Математическая модель процесса переработки древесной зелени водяным паром в среде избыточного давления 44
2.1. Физическая картина процесса 44
2.2. Формализация процесса 45
2.3. Математическое описание процесса 47
2.4. Алгоритм расчета технологического процесса переработки древесной зелени в среде водяного пара при избыточном давлении 53
Выводы 55
Глава III. Методика и результаты лабораторных экспериментов и сравнения с математической моделью 56
3.1. Экспериментальная установка и принцип ее работы 57
3.2. Характеристика сырьевой базы для экспериментальных исследований 59
3.3. Анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований 61
Выводы 89
Глава IV. Опытно-промышленная реализация результатов исследования процессов переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды 91
4.1. Пилотная установка переработки древесной зелени 90
4.2. Результаты опытно-промышленной переработки древесной зелени хвойных пород 95
4.2.1 Влияние диаметра побегов 95
4.2.2 Влияние изменчивости во времени обработки паром 96
4.2.3. Влияние хранения древесной зелени на содержание и состав эфирного масла 104
4.3. Усовершенствование технологического процесса и оборудования классической технологии для переработки древесной зелени непрерывного типа 106
4.4. Анализ экономической эффективности внедрения промышленных установок для комплексной переработки древесной зелени хвойных пород 111
Выводы 112
- Способы переработки древесной зелени и области использования получаемых продуктов
- Анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований
- Влияние изменчивости во времени обработки паром
- Усовершенствование технологического процесса и оборудования классической технологии для переработки древесной зелени непрерывного типа
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране остро стоит проблема полного и рационального использования природных ресурсов, что ставит задачу вовлечения в переработку сырья, которое до последнего времени относилось к древесным отходам и, в первую очередь, это касается такого биологически ценного сырья, как хвойная древесная зелень.
Актуальность темы. Древесная зелень – специфический вид лесного сырья, в составе которого преобладают живые клетки хвои (листьев), молодых побегов и коры, содержащие белки, углеводы, витамины, ферменты, желтые и зеленые пигменты, стерины, микроэлементы и другие вещества, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности растений, животных и человека. В последние годы в пищевой, парфюмерно-косметической промышленности, бытовой химии и сельском хозяйстве резко возрос спрос на натуральные биологически активные добавки, и рациональное использование такого вида отходов лесозаготовительных производств, как хвойная древесная зелень, может стать решением этой проблемы.
Наиболее широко распространенные в настоящее время технологии переработки данного сырья либо требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат, либо недостаточно эффективно и рационально используют имеющиеся сырьевые ресурсы.
С учетом реальной экономической ситуации, в которой находятся лесозаготовительные предприятия нашей страны, для коммерчески выгодной утилизации сопутствующих отходов производства актуальным является использование технологически простого способа переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром. Данная технология обеспечивает использование этого крупнотоннажного вида биологических отходов с получением продуктов широко используемых в народном хозяйстве, наиболее ценным из которых является эфирное масло. Однако производительность и качество получаемых продуктов при данном виде переработки не удовлетворяет современным требованиям. При этом на сегодняшний день нет научных исследований о влиянии повышения температуры процесса переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром на эффективность извлечения эфирного масла и его качества. Все применяемые технологические режимы переработки этим способом получены экспериментальным путем. Отсутствие математического описания технологического процесса переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром не позволяет выбрать рациональные режимные параметры переработки и прогнозировать объем выхода получаемых продуктов.
В то же время, согласно имеющимся литературным предпосылкам, в частности трудам Ф.Т. Солодкого и А.Л. Агранат, основанным на опыте отечественной деревоперерабатывающей промышленности в области переработки древесной зелени водяным паром, повышение давления в процессе помогает интенсифицировать процесс извлечения биологически активных веществ, сократить продолжительность переработки, увеличить эффективность извлечения целевых продуктов. Это указывает на необходимость исследования влияния повышенных температур на переработку древесной зелени водяным паром за счет герметизации камеры переработки и создания избыточного давления среды. Выявление взаимосвязей основных режимных параметров обработки данного сырья водяным паром с эффективностью извлечения эфирного масла и его качеством, позволяет создать математическую модель, служащею основой для разработки современной технологии комплексной переработки древесной зелени, оборудования для его осуществления и технико-экономического обоснования ее экономической рентабельности.
В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования процесса переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды.
Работа выполнялась в соответствии с распоряжением правительства РФ от 31.08.2002 №1225-р «Об экологической доктрине Российской Федерации. Снижение загрязнения окружающей среды и ресурсосбережение».
Цель работы состоит в совершенствовании существующих методов переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром, разработке методов расчета и аппаратурном оформлении данного процесса.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1. Разработка и экспериментальная проверка математической модели процесса переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды.
2. Математическое моделирование и экспериментальные исследования процесса переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды.
3. Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды.
4. Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна.
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную переработку древесной зелени хвойных пород:
разработан новый способ комплексной переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды; новизна способа подтверждена патентом;
разработана математическая модель процесса переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды, описывающая выход эфирного масла в различных слоях по высоте аппарата;
по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлено, что наибольший выход эфирного масла наблюдается при температуре 120 оС, при этом качество данного продукта полностью удовлетворяет требованиям существующего ГОСТа и превосходит известные отечественные аналоги;
экспериментально выявлен рациональный диапазон приведенного расхода пара в размере 550 – 600 кг/час*м3, необходимый и достаточный для максимально полного извлечения эфирного масла.
Практическая ценность. Разработанная модель может быть использована при технологических расчетах переработки древесной зелени водяным паром.
Разработана новая установка для переработки древесной зелени водяным паром; новизна подтверждена патентом.
На базе полученных аналитических решений разработана и реализована компьютерная методика расчета процесса переработки древесной зелени, позволяющая выработать рекомендации по выбору рациональных температурных параметров для интенсификации и снижения себестоимости процесса, а также выявить конструктивные особенности аппаратурного оформления.
Разработаны и внедрены в производство новые конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на получение максимального выхода целевого продукта и улучшение его качества.
Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании способа комплексной переработки древесной зелени хвойных пород, а также при проектировании пилотной установки для переработки древесной зелени, внедренной в ОАО «Органика».
Созданная экспериментальная установка для исследования кинетики процесса переработки древесной зелени хвойных пород внедрена в учебный процесс в рамках курса «Гидротермическая обработка и консервирование древесины»
Личный вклад автора. Автором была задача исследования, разработана математическая модель процесса переработки древесной, разработана экспериментальная установка, проведены экспериментальные исследования, получено эмпирическое уравнение выхода эфирного масла в зависимости от температуры и продолжительности процесса, проведено математическое моделирование. Автором была разработана и смонтирована пилотная установка для переработки древесной зелени. Автор разработал способ комплексной переработки древесной зелени хвойных пород (решение о выдаче патента по заявке №2009113356/13 (018174)) и аппаратурное оформление необходимое для его осуществления (Пат. №2351642).
Автор защищает:
1. Способ комплексной переработки древесной зелени водяным паром при избыточном давлении среды.
2. Математическую модель процесса переработки древесной зелени при избыточном давлении среды.
3. Результаты математического моделирования и экспериментального исследования процесса переработки древесной зелени предложенным способом.
4. Конструкцию установки для переработки древесной зелени хвойных пород.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Молодежь и сельскохозяйственная техника в XXI веке» (Харьков, 2008), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2008), «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009), «ММТТ-22» (Псков, 2009), «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009г), «Севергеоэкотех-2009» (Ухта, 2009), «Вакуумная техника и технология», (Казань, 2009), «Биоэнергетика и биотехнологии – эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» (Москва, 2009), «Современные технологические процессы получения материалов и изделий из древесины» (Воронеж, 2010), «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010).
Получена серебряная медаль X Московского международного салона инноваций и инвестиций за разработку «Технология безотходной переработки древесной зелени» (Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, патент РФ №2351642 и решение о выдаче патента по заявке №2009113356/13(018174).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 117 страницах машинописного текста.
Способы переработки древесной зелени и области использования получаемых продуктов
Древесная зелень, как богатый источник энергетических и биологически активных веществ, находит как непосредственное практическое применение, так и может эффективно перерабатываться в ценные хозяйственные продукты [19, 43, 47, 64, 107]. В ограниченных объемах ее с давних пор используют для подкормки скота, в качестве лечебного препарата, в сельском хозяйстве для укрытия посадок и рыхления почвы [25, 82, 109]! Разработаны нормативы для ее включения в рационы животных и птицы [ПО]. Хорошие результаты получены при лечении цинги, заживления, ран и для других лечебных целей [109].
В промышленных, хотя и ограниченных, масштабах происходит переработка древесной.зелени с получением небольшого (получение хвойно-витаминной муки, отгонка эфирного! масла), так и сравнительно значительного ассортимента товарных продуктов (экстрагирование органическими растворителями с последующим фракционированием). На пилотных установках осуществляется экстрагирование легколетучими жидкостями и сжиженными газами [111, 112, 113]. Получаемые при этом продукты, в том числе эфирные масла и их компоненты находят широкое применение в качестве ингредиентов-пеномоющих средств, ароматизаторов, дезодорантов, как сырьё для органического синтеза [114, 115].
Единственным сравнительно объемным направлением использования исходной древесной зелени является скармливание ее сельскохозяйственным животным и птице. Она может потребляться в течение всего года, но особую ценность приобретает зимой, когда испытывается острый дефицит в витаминах и других биологически активных соединениях. Ее включение позволяет нормализовать обменные процессы в организме. Немаловажную роль древесная зелень может играть и как кормовой ресурс, прежде всего в периоды, связанные с засухой и иными неблагоприятными погодными условиями. Помимо повышения продуктивности животных ее включение улучшает качество меха [116].
Еще в 50-ых годах прошлого века разработаны нормы ежедневного потребления веточного корма в виде измельченной хвойной древесной зелени для птиц и животных. Ее введение в рацион обеспечивает лучшую сохранность молодняка и заметно сокращает расходы на приобретение витаминных препаратов. Каротин, хвои намного доступнее и дешевле применяемого для этой цели рыбьего жира [ПО, 117]. Успешно используется «лесной комбикорм» [118]. Еге основой служит измельченная древесная зелень, которая совместно с добавками пропаривается в течение 2-3- ч при 100 С для размягчения сырья и удаления из него дубильных веществ. Такие кормосмеси позволяют сократить до 30 % расход традиционных кормов в животноводстве без снижения молочной продукции.
Считается, что одной из основных причин благотворного влияния древесной зелени на продуктивность животных является наличие эфирного масла. Приводятся сведения, что его присутствие способствует повышению продуктивности животных, улучшению их ростовых, репродуктивных и других показателей [25]. Вместе с тем указывается, что терпеноидные соединения подавляют микрофлору желудочно-кишечного тракта [108]. Снижение ее активности может негативно отразиться на жизнедеятельности животных. Отсюда очевидна опасность потребления в рационе большой дозы эфирного масла. Поэтому не вызывает сомнения, что для подкормки животных целесообразнее применять отработанную древесную зелень. Еще эффективнее выращивать на таком сырье базидиальные грибы (вешенки), что существенно повышает содержание протеинов и улучшает перевариваемость кормов [117].
Следует отметить, что наряду с древесной зеленью добавкой к корму животных служат и ее водные вытяжки. При запаривании мелкоизмельченной массы в нее переходят углеводы, микроэлементы, водорастворимые витамины и в небольшом количестве терпеноиды.
Эффективно использование древесной зелени в лечебной практике [119, 120]. Bi народной медицине она издавна применялась в виде настоев как средство при лечении цинги. До настоящего времени измятую хвою нанайцы используют для быстрого заживления ран [121]. Известно, что хвою в качестве профилактической меры успешно использовали для защиты от заболевания солдат в Северной войне со шведами. Считается, что действие настоев, во многом, определяется высоким содержанием в них витамина С. Указывается также, что отвары молодых побегов сосны полезны при болезни почек, ревматизме, грудных и брюшных болях [91].
Наиболее простым и- освоенным способом переработки древесной зелени хвойных деревьев, по аналогии с травянистой растительностью, является получение хвойной древесной- муки [124]. Наряду с простотой технологического процесса этому способствует наличие серийного оборудования. Витаминная мука применяется в животноводстве, звероводстве и птицеводстве; способствуя увеличению продуктивности и улучшению качества. Вместе с тем рентабельность ее производства достигается лишь при достаточно высоких масштабах выработки. При малых объемах ее получение экономически не целесообразно.
Для повышения рентабельности производство хвойной витаминной муки, особенно в случае древесной зелени пихты, эффективно дополнять выработкой эфирного масла. В нашей стране их выделение осуществляется водяным паром: [13, 43]. Образующаяся при его отгонке флорентинная вода, как правило, сливается в канализацию и далее в водоемы, где в связи с ее биоцидными свойствами негативно воздействует на их флору и фауну. Вместе с тем, в ней находится до 0,02 % эфирного масла, общая масса которого оценивается от 2,2 % у пихты и до 25,5 % у лиственницы от его содержания в древесной зелени.
Реализация в установках замкнутого цикла по воде значительно сокращает потери. Масло теряется, хотя и в меньших масштабах (с 0;2 до 4,5 %), также при улетучивании с неконденсирующимися парами и с кубовым конденсатом. Для уменьшения потерь необходимо обеспечить герметичную работу оборудования. Утилизация; терпеноидов из кубового конденсата вряд ли экономически оправдана; но их улавливание из паров возможно.
В большинстве случаев не находит применения и основная масса сырья (90 % и выше) - отработанной древесной зелени. Она содержит большие запасы питательных и биологически активных веществ, что подтверждает ее ценность, как кормовой ресурс в рационе животных и птиц.
Немаловажнаяфоль в повышении выхода и качества масла принадлежит технологическим факторам: измельчению сырья, температуре процесса и режиму отгонки. Ускорение достигается ; при достаточном измельчении древесной зелени и повышении температуры пара. Однако, последнее чревато ухудшением качества масла в связи с возможностью протекания окисления и осмолення терпеноидов: Основной принцип повышения выхода и сохранения качества заключается в скорейшем выведении из температурной зоны эфирного масла.
Г.Ф. Кащенко [192] и А.А. Иодьшиглазовым [193] предложена технологическая схема переработки древесной зелени с получением эфирного масла и хвойного натурального экстракта на установках непрерывного действия НДГ-ЗМ и УНП. В 1975 г. такая технология внедрена в Цюрупинском лесхоззаге [ 194]. По ней извлекают водорастворимые вещества из древесной зелени сосны на шнековой установке непрерывного действия. Установка состоит из двух колонн, первая из которых предназначена для отгонки эфирного масла, а вторая - для извлечения водорастворимых веществ. В нижней части первой колонны происходит конденсация пара, направляемого на отгонку масел, и конденсат извлекает некоторое количество водорастворимых веществ. Дальнейшее их извлечение осуществляется во второй колонне путем орошения сырья водой. Для увеличения выхода экстракта отработанную древесную зелень, выходящую из второй колонны, непрерывно отжимают шнековым прессом. Указанная технология позволяет получить 23,6 кг хвойного натурального экстракта из 1 т сырья.
Т.С. Лобовиков с соавторами [22] предложили осуществлять экстрагирование горячей водой с впуском острого пара (3 атм.) в течение 3 час. Водный экстракт содержащий 1,4 - 2,5 % Сахаров, предлагается использовать для выращивания белковых кормовых дрожжей.
З.А. Карепова и В.В. Седых [198] для получения водных экстрактов использовали дисковый экстрактор, позволяющий измельчать сырье в среде экстрагента.
Анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований
Одной из важнейших характеристик процесса переработки древесной зелени является кинетика выделения эфирного масла из древесной зелени и его компонентный состав. Обладая этими данными можно сделать выводы о необходимой продолжительности отгонки, рациональной температуре водяного пара и их влиянии на компонентный состав эфирного масла. Это открывает перспективы- планирования необходимого состава готового продукта.
Эксперименты проводились следующим образом: хвоя отдиралась от свежесрубленных веток и измельчалась до размера 4 — 7 мм; порции сырья по 500± 10 г. загружались в-прогретый экстракционный аппарат, после чего экстрагировались водяным паром при заданной температуре- с отводом насыщенных эфирными маслами паров в конденсатор; сконденсировавшаяся эмульсия, расслаивается на эмульгированную воду и хвойное масло. Отбор эфирного масла производился через следующие интервалы времени - 10, 20; 30, 60, 90 и 150 мин с момента подачи первой порции пара. Эксперименты проводились при температурах 100, ПО, 120, 130 и 140 С. Границы исследуемого диапазона температур объясняются тем, что при 100 С производится переработка древесной зелени на большинстве эфиромасличных производствах нашей страны, а при температуре свыше 140 С микроэлементы, содержащиеся» в древесной зелени, начинают разрушаться и качество и количество выделяемого эфирного масла резко падает. Для обеспечения надежности результатов исследования опыт по определению динамики извлечения масел по каждой температуре был повторен трижды и- взято среднеарифметическое значение. Данные по выходу эфирного масла с единицы объема сырья при различных температурах процесса переработки представлены в таблице 3.1. Как видно из таблицы около половины получаемого эфирного масла выделяется в первые полчаса процесса переработки, причем с увеличением температуры эта доля постепенно увеличивается до двух, третей; Это говорит об интенсификации процесса извлечения целевого продукта с увеличением температуры переработки. Чтобы получить более наглядную картину кинетики извлечения масел при различных температурах обратимся к графику на рисунке 3.3.
Результаты экспериментов убедительно доказывают, что температурный диапазон переработки древесной зелени от 110 С до 130 С обеспечивает наилучшие показатели по выходу эфирного масла. Это подтверждает низкую эффективность существующих установок по переработке древесной зелени водяным паром, работающих при атмосферном давлении, так как в этом случае более 50% целевого продукта остается в отработанной зелени. При этом следует отметить, что при температурах 120 С и 130 С кривые извлечения целевого продукта имеют схожий характер. Дальнейшее повышение температуры переработки хвои не продуктивно, так как наряду с увеличением интенсивности диффузионных процессов происходит термическое разложение основных компонентов эфирного масла. Кинетика процесса при ПО С имеет замедленный характер в первой половине хода процесса, но по истечению 80 минут показатель извлечения эфирного масла достигает уровня более высоких температурных режимов. В качестве примера процессов переработки древесной зелени водяным паром при атмосферном давлении, использующихся на сегодняшний момент в России, на рис. 3.3 также представлена экспериментальная кривая описывающая выход эфирного масла при температуре 100 С. Как видно, уже при повышении температуры среды всего на 10 С происходит рост выхода эфирного масла приблизительно в два раза, однако, при этом скорость извлечения по-прежнему остается недостаточно высокой. Следовательно, можно сделать вывод, что для повышения эффективности и производительности данного процесса его следует проводить при давлении пара, необходимом для поддержания температуры процесса в диапазоне 120 - 130 С, так как более высокие температуры при повышении энергозатрат приводят к уменьшению выхода целевого продукта, а более низкие не обеспечивают высокую интенсивность извлечения.
На рис. 3.4 представлена кривая, характеризующая зависимость выхода эфирного масла сырья от температуры проведения процесса переработки. Как видно, данная диаграмма также указывает, что при температуре 120 С наблюдается наибольший выход эфирных масел. 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 структуры волокон сырья, что препятствует эффективному извлечению полезных микроэлементов. Следовательно, для повышения эффективности и производительности данного процесса его следует проводить при давлении пара, требуемом для поддержания рациональной температуры процесса 120 С.
Для выявления закономерности в характере изменения кинетики процесса извлечения эфирных масел при различных температурах обработки, следует оценить изменения вклада хвойного масла на каждой её стадии и темпы приращения. В таблице 3.2 приведена, выборка данных из полученного массива экспериментальных значений и результаты их, обработки по интенсивности выделения масла.
Из таблицы видно, что интенсивность выделения эфирного масла в ходе переработки значительно изменяется,, причем для каждой температуры характерен свой характер изменения. При проведении анализа, для сопоставления наряду с абсолютными- величинами скорости выделения эфирного масла рассчитаны относительные, когда их значения на последнем этапе принимаются за единицу.
Анализ результатов показывает, что в диапазоне температур 100 - 110 С интенсивность выделения из древесной зелени эфирных масел за последний час в среднем в 10 раз ниже чем за первые 10 минут. При аналогичном сравнении в диапазоне температур 120 — 140 С интенсивность ниже уже в среднем в 30 раз.
Более четкая картина изменения динамики извлечения эфирных масел при различных температурах приведена на графике (рис. 3.5).
Как легко заметить из графика, наибольшая скорость выделения эфирных масел наблюдается в первые полчаса процесса, затем неизбежно при всех исследуемых температурах начинается спад.
Влияние изменчивости во времени обработки паром
Важнейшим из основных биоценотических факторов, оказывающих влияние на количественный и качественный компонентный состав эфирного масла, является временная изменчивость, включающая суточные, сезонные и возрастные факторы. Их значимость обусловлена онтогенетическим развитием организма, зависимостью онтогенетических процессов от климатических и других условий окружающей среды, существенно различающихся в разных временных промежутках.
Полтавченко Ю.А. обратил внимание на наличие суточной динамики в накоплении и составе хвойных эфирных масел [69]. Основная причина происходящего заключается в изменении в течении суток общей и ультрафиолетовой радиации и обусловленное этим варьирование скорости протекающих метаболитических процессов с образованием летучих терпеноидов.
Суточную изменчивость содержания и компонентного состава масла исследовали на примере средневозрастного пихтарника Сабинского лесничества. Образцы отбирали во второй половине октября в 7, 10, 13, 18 и 23 ч. Выход масла определяли у всех образцов, состав — в дневное (13 ч) и ночное (23 ч) время. Результаты исследований приведены на графиках (рис. 4.5, 4.6)
Наибольшее количество пихтового эфирного масла находится в вегетативных органах, отбираемых в полуденное время; наименьшее — ночью. Расхождение между их значениями составляет около 8 %. Вместе с тем, судя по величине коэффициента варьирования (4,4 %), расхождение между запасами терпеноидов древесной зелени в разное время суток не является существенным. Определение выхода эфирного масла в других возрастных группах также свидетельствует о большей насыщенности дневной (12-17 ч) древесной зелени по сравнению с ее утренними образцами (7-10 ч).
Данные по суточной изменчивости содержания пихтового масла представляют практический интерес. Они свидетельствуют о предпочтительности заготовки сырья для переработки древесной зелени после 10-12 ч, когда она более богата эфирным маслом. В отличие от переработки хвои при получении дорогостоящих эфирных масел, прежде всего вырабатываемых из культурных растений, заготовка сырья во второй половине дня предусмотрена регламентом [256]. Следует также отметить, что, в связи с некоторым уменьшением температуры воздуха в послеобеденное время, снижается испарение из сырья летучих компонентов, то есть сокращаются потери эфирного масла.
Более значима для практической деятельности сезонная динамика накопления и компонентного состава пихтового масла, связанная со спецификой метаболизма в растениях в разные периоды годового цикла.
Исследование влияния сезонной изменчивости проводили с хвойной лапкой 30-40—летних пихтовых деревьев; Сабинского лесничества; С августа по октябрь наблюдается пик выхода эфирных масел. Его среднее значение за-эти три месяца составляло 0,0175 кг/кг. Причина наблюдаемой высокой насыщенности терпеноидами вегетативных органов заключается в подготовке и завершении метаболических превращений при вхождении растений в состояние покоя. Медленное, но постоянное снижение их вклада в ноябре-декабре можно объяснить слабым испарением эфирного масла в зимний период. Замедление темпов убыли терпеноидов в январе и дальнейший незначительный подъем, по-видимому, связаны с распадом сложных структур с образованием компонентов масла и начавшимся развитием фотосинтетических процессов. Весной; его уровень несколько снижается. Проявление; весеннего г минимума обусловлено; расходованием метаболитов на рост и развитие ассимиляционного аппарата. По завершении его формирования насыщенность маслом; древесной зелени возрастает,, достигая максимума в сентябре (рис. 4.7).
Анализируя полученные результаты, видно, что; насыщенность эфирным маслом побегов пихты в течение года изменяется более чем на треть, что подтверждается результатами других исследователей [82, 83, 43].
Это наглядно показано графически на рисунке 4.8. Наиболее вероятными причинами происходящего варьирования следует считать особенности вегетативных превращений в организме, изменение биомассы отдельных элементов ассимилирующего аппарата и солнечной радиации.
Вклад борнилацетата начинает увеличиваться с наступлением августа и остается на. достаточно высоком уровне вплоть до января. В декабре и январе, несмотря на повышенную концентрацию в масле борнилацетата, его-выход резко снижается. Исходя из этого, лучшим сырьем для пихтоварения служит августовско-ноябрьская древесная зелень. С учетом полученных данных представляется целесообразным изучить возможность, ноябрьской заготовки сырья с целью ее переработки в зимнее время. Принятие такого решения существенно сокращает потери наиболее ценной части древесной зелени (хвои) и помогает решить проблемы, связанные с транспортировкой сырья в. зимнее время года. В-то же время, в благоприятный, по погодным условиям период (июнь, июль), исходя из количественных и качественных показателей пихтового масла, переработка побегов не очень эффективна.
Заметно варьируется в течение годового цикла и компонентный состав пихтового масла: Максимум его монотерпеновой фракции, основу которой составляют а-пинен, камфен и лимонен, отмечается в летний период. Минимум наблюдается в декабре. Наличие максимума в динамике монотерпенов в июле можно объяснить повышенной радиацией, смещающей синтез терпеноидов в сторону монотерпеповых углеводородов. На корреляцию синтеза этой группы и освещенности указывают итальянские ученые [257]. Ими установлено, что монотерпены синтезируются в хлоропластах только на свету, другие группы терпеноидов в связи с компартментационным разделением и при его отсутствии.
В соответствии с таким представлением кислородсодержащими компонентами пихтовое масло в большей мере обогащено в осенне-зимний период. Расхождение их вклада составляет порядка 10 %. То же самое относится к борнилацетату (25,0 и 32,5 %). Известно, что качество пихтового масла преимущественно определяется содержанием борнилацетата, и его разница в 3 % изменяет сортность продукта [138]. По этой причине время заготовки древесной зелени играет важную роль в ее переработке, так как в значительной степени влиет на качество и стоимость вырабатываемой продукции
Серьезное влияние на содержание и состав компонентов вегетативных органов оказывает онтогенетическое развитие растений, их возрастная специфика. Безусловно, возрастная изменчивость отражается и на динамике эфирного масла. При проведении исследований образцы отбирали на участках с подростом, молодняками, средневозрастными, приспевающими и перестойными насаждениями. Возраст деревьев определяли с помощью возрастного бурава, а также используя известные методики таксации леса [261] на основе соотношения диметров на различных высотах ствола дерева. Выход эфирного масла и вклад основных компонентов пихты разных возрастов приведены на рис. 4.10, 4.11 и 4.12.
Сопоставление полученных данных показывает, что хвойная древесная зелень деревьев разного возраста существенно отличается по содержанию пихтового масла. Если у молодняков его выход составляет 0,01758 кг/кг, у средневозрастных — 0,01442 кг/кг, то у перестойных — 0,00792 кг/кг, следовательно, снижается более чем вдвое.
Со старением древостоев в масле существенно уменьшается и вклад ценнейшего компонента — борнилацетата. Основной причиной обеднения борнилацетатом эфирного масла перестойных древостоев, наряду со снижением интенсивности процессов метаболизма является нарастание в их древесной зелени вклада коры и неодревесневшеи массы. Кора характеризуется низким содержанием эфирного масла и доли в нем борнилацетата.
Масло перестойных пихтарников без дополнительной доработки не соответствует ГОСТ 11699-66 и находит лишь ограниченное применение. Следовательно, с развитием онтогенеза значительно снижается выход и качество товарной продукции, что ухудшает экономику производства. Для повышения качества продукции целесообразно проводить фракционную отгонку масла или увеличивать в сырье вклад побегов молодняков. Отсюда следует, что предпочтительным сырьем эфиромасличных производств являются древесная зелень пихты, оставшаяся при прореживании, санитарных рубках и подобных мероприятиях.
Усовершенствование технологического процесса и оборудования классической технологии для переработки древесной зелени непрерывного типа
Предложенная пилотная установка, несмотря на достаточно большой объем загрузочной камеры, неспособна перерабатывать древесную зелень в крупных промышленных масштабах. Большой объем сырья, получаемого на лесосеке, поднимает вопрос о переработки зелени непосредственно на месте вырубки. Используемые для этого в настоящее время установки непрерывного действия обладают низкой производительностью, а качество получаемого продукта зачастую не удовлетворяет ГОСТ 11699-66. Кроме того, они нацелены на получение лишь одного вида продукта - эфирного масла, в.то время как отработанная древесная зелень и эмульгированная вода, насыщенная экстрактивными веществами, являются ценными полуфабрикатами.
Для решения данных задач была разработана новая технология и оборудование для. осуществления - комплексной переработки отходов лесозаготовительных производств с получением эфирного масла, хвойного экстракта и кормовой муки, новизна которых подтверждается патентами на изобретение [258,259].
Основными компонентами установки являются тарельчатый экстрактор непрерывного типа 1 [258], парогенератор 2, пароперегреватель 3, эжектор 4, холодильник 5 и флорентина 6.
Переработка древесной зелени происходит следующим образом. С помощью вакуумного насоса 7 из системы откачивают воздух. Предварительно измельченное до размеров 3-5 мм сырье подается в загрузочную воронку 8, откуда перемещается в верхнюю часть экстрактора 1 с помощью горизонтального шнекового транспортера 9 снабженного рубашкой 10, попутно подвергаясь нагреву контактным способом от его стенок за счет теплоносителя, движущегося противотоком в полости рубашки. Внутри экстрактора 1 сырье находится в непрерывном движении и сбрасывается с верхних тарелок на нижние. В нижнюю часть экстрактора подается перегретый пар, при взаимодействии которого с сырьем расположенным на нижних тарелках происходит понижение его температуры до состояния насыщения с передачей части тепловой энергии материалу, которую тот аккумулирует перед попаданием в бункер отработанного сырья 12, а сырье, находящееся на вышестоящих тарелках, обрабатывается насыщенным водяным паром. При этом обработку следует проводить при температуре не выше 130 С, так как при её повышении в составе содержащегося в зелени эфирного масла происходят необратимые изменения, затрудняющие его извлечение и влекущие потерю товарных качеств продукта, что было выяснено в исследовательской части. В тоже время температура 130 С является достаточной при обеспечении необходимого давления дляэжектирования насыщенных паров.
Вентиль 13 находится в закрытом положении с начала процесса экстракции и до нагнетания в экстракторе 1 давления соответствующего режимной температуре пара, после чего его открывают и начинают стравливать пар. Время обработки сырья в экстракторе 1 составляет 1,5-2 часа. Насыщенный эфирными маслами пар сбрасывается, через эжектор 4 в холодильник 5, создавая в бункере отработанного сырья- 12 разрежение, благодаря чему происходит подсушка отработанной зелени за счет аккумулируемой ею в экстракторе 1 энергии. Кроме того, сброс пара в эжекторе 4 обеспечивает его частичное охлаждение, что позволяет уменьшить расход хладагента и объем холодильника. В холодильнике 5 пары конденсируются, а нагретый хладагент, уже в роли теплоносителя, поступает в рубашку 10 горизонтального шнекового транспортера 9. Далее жидкость сливается во флорентину 6, где происходит ее отстаивание и разделение на две фазы: легкую — эфирное масло и тяжелую — флорентинную воду. Хвойное масло отбирается через патрубок 14, а флорентинная вода через патрубок 15 поступает в ёмкость 16 при открытом вентиле 17 и закрытом вентиле 18. открывают вентиль 18 для ее слива в парогенератор. В нем происходит упаривание флорентинной воды с получением хвойного экстракта, который отбирают через патрубок 19. Насыщенный пар из парогенератора проходит через пароперегреватель 3 после чего поступает обратно в экстрактор 1.
Отработанная и нагретая в экстракторе 1 древесная зелень с помощью пресс-шнека 20 отжимается и выгружается из аппарата 1. Далее зелень подсушенная в сборнике отработанного сырья 12 в разреженной среде за счет аккумулированной в экстракторе тепловой энергии поступает в аэрофонтанную сушилку 21, где досушивается до влажности 10-15%. После чего ее перемалывают до частиц размером 1—2 мм на измельчителе 22, с последующим уносом и разделением в циклоне 23, и фасовкой готового продукта в дозаторе 24. Крупные частицы отправляются из циклона 23 на доизмельчение в измельчитель 22.
Таким образом, в результате комплексной переработки древесной зелени хвойных пород мы получаем три готовых продукта, имеющих широкое применение в народном хозяйстве: водный хвойный экстракт, представляющий собой готовый препарат, используемый для приготовления хвойных ванн, которые являются лечебным средством при заболеваниях центральной и периферической нервной системы, сердечно сосудистых и ревматических заболеваний; хвойное эфирное масло, применяемое для лечения калькулезного холецистита, почечно- и желчекаменых болезней, а также нашедшее широкое применение в парфюмерии; и кормовую муку, используемую в производстве комбикормов и для непосредственного введения в рацион сельскохозяйственных животных и птицы. [32, 33]. При этом предлагаемая технология отличается; высокой производительностью, небольшой продолжительностью процесса переработки и высоким качеством получаемого продукта: Отсутствие органических экстрагентов и вторичное использование флорентинной воды делает производство экологически чистым, без ущерба окружающей среде. А вторичное использование теплового агента позволяет экономить энергоресурсы.
В качестве мобильного- варианта данной технологии используемый электрический парогенератор был заменен на дровяную печь с паровым котлом, а также добавлен электрогенератор для питания холодильного оборудования, привода экстрактора и линии переработки отработанной древесной зелени. Графически данная установка представлена на рис. 4.15. Данная мобильная установка включает паровой котел (1), экстрактор (2), эжектор (3), конденсатор (4), флорентину (5), измельчитель (6), сушилку (7), циклон (8), дозатор (9), электрогенератор (10), загрузочную воронку (11), и бункер отработанного сырья (12). Принцип ее работы идентичен изложенной выше технологии.
Таким образом, мобильная установка для комплексной переработки такого многочисленного вида отходов лесозаготовки, как древесная зелень, является перспективным решением как экономических проблем, связанных с повышением рентабельности лесозаготовительного производства за счет получения сопутствующих товарных продуктов высокого качества и повышенной по сравнению с аналогами производительностью, так и экологических проблем, которые проявляются в захоронении смолистых, маслянистых лесосечных отходов природного происхождения непосредственно на месте вырубки.
