Введение к работе
Актуальность темы. Важной задачей, стоящей перед целлюлозно-бумажной, фанерной и деревообрабатывающей промышленностью, является создание безотходных технологий переработки древесины. Одним из направлений решения данной задачи является применение эффективных способов утилизации коры березы, которая в настоящее время сжигается или вывозится в отвалы. Учитывая, что внешний слой коры - береста - содержит ценные экстрактивные вещества (ЭВ), поэтому ее переработка с получением ценного биологически активного вещества (БАВ) - бетулина является наиболее рациональным направлением утилизации.
Отечественная фармацевтическая промышленность испытывает острый дефицит в препаратах растительного происхождения. Бетулин и синтезированные на его основе производные обладают разнообразной биологической активностью, в частности антисептическими, гастро- и гепатопротекторными свойствами, противоопухолевой, антиВИЧ-активностью и представляют большой интерес для химико-фармацевтической и пищевой отраслей промышленности.
Наиболее распространенные методы выделения бетулина основаны на экстракции бересты различными растворителями методом настаивания, дефлегмационным методом, а также на щелочном гидролизе бересты с последующей экстракцией бетулина. Основными недостатками этих методов являются длительность стадии выделения бетулина, обусловленная его невысокой доступностью для экстрагентов и низкой растворимостью в большинстве растворителей.
С целью интенсификации процесса получения бетулина предложено активировать бересту в условиях неизобарного парокрекинга, использовать ударно-акустическое воздействие и суперкритическую экстракцию углекислым газом. Однако, данные способы требуют высокого давления или высоких температур, использования трудноотделяемой щелочи, что усложняет технологию и повышает энергоемкость процесса.
Проблемой извлечения бетулина из бересты занимается ряд ученых в России и за рубежом - Кислицын А.Н., Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Рощин В.И. и др. Имеются многочисленные научные публикации, касающиеся выхода бетулина из бересты при различных условиях экстракции и направлениям его использования. Опубликованных данных о промышленном производстве бетулина из бересты в России и за рубежом нет.
На территории Архангельского промышленного узла имеется фанерный завод и целлюлозно-бумажный комбинат, которые перерабатывают березовую древесину с предварительной окоркой. Кроме того в Архангельской области находится единственный в России и странах СНГ Архангельский опытный водорослевый комбинат (АОВК), применяющий спиртовую экстракцию водорослей. Учитывая близость технологий и низкую загруженность оборудования, на водорослевом комбинате может быть реализована переработка бересты. Технология выделения бетулина совместима с получением БАВ из водорослей Белого моря, не требует
коренной реконструкции действующего производства, а лишь модернизации участка подготовки к спиртовой экстракции, изменения параметров процесса и введение дополнительных операций при получении продукта. На комбинате используется этиловый спирт для экстракции, отработаны меры безопасного хранения и использования этого растворителя. Капитальные и текущие затраты по внедряемой технологии невелики и по предварительным расчетам должны окупаться в короткий срок.
Создание промышленного производства бетулина и продуктов на его основе позволит получать новые полезные вещества на основе сырья, которое до настоящего времени не находит квалифицированного применения, увеличит загрузку АОВК. Позволит в перспективе открыть малые предприятия по производству новых полезных медицинских и пищевых продуктов, решить проблему создания новых рабочих мест в Архангельской области.
Тема диссертационного исследования соответствует приоритетным направлениям программы развития Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (комплексное использование биоресурсов).
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью работы являлось развитие научных и технологических основ получения бетулинового концентрата методом спиртовой экстракции технической бересты.
Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:
изучить кинетические закономерности процесса экстрагирования технической бересты этиловым спиртом и разработать алгоритм описания процесса массопереноса;
исследовать состав и свойства получаемого продукта;
изучить влияние основных параметров на процесс экстрагирования бересты в СВЧ-поле;
выявить оптимальные условия спиртовой экстракции в СВЧ-поле, позволяющие получать целевой продукт с максимальным выходом;
разработать технологию производства бетулинового концентрата с обоснованием параметров технологического режима и аппаратурного оформления. Научная новизна работы. Впервые установлены кинетические закономерности процесса экстрагирования технической бересты этиловым спиртом, как при СВЧ-излучении, так и без него. Получены математические зависимости, описывающие кинетику процесса массопереноса, осложненного анизотропной капиллярно-пористой структурой твердого тела.
Создан и научно обоснован алгоритм расчета внутридиффузионной кинетики процесса экстрагирования бересты, отличающейся анизотропной капиллярно-пористой структурой. Экспериментально подтверждена возможность расчета процесса извлечения ЭВ и бетулина из бересты при постоянных значениях коэффициента внутренней диффузии (коэффициента массопроводности), установлены зависимости коэффициентов внутренней диффузии от размеров частиц бересты.
Установлена зависимость растворимости ЭВ и бетулина от концентрации этилового спирта и температуры.
Разработан новый эффективный способ выделения бетулина из бересты с использованием СВЧ-поля. Получено эмпирическое уравнение для математического описания процесса СВЧ-экстракции и определены оптимальные значения параметров выделения бетулина.
Практическая ценность работы. Установлено положительное влияние СВЧ-поля. Способ интенсификации экстрагирования бересты с применением СВЧ-поля позволяет сократить в 10-15 раз продолжительность процесса и удельные энергозатраты более чем на 20 % по сравнению с традиционными методами экстракции.
Разработан технологический регламент промышленного производства бетулинового концентрата из технической бересты, созданы технические условия на товарный продукт «Бетулиновый концентрат» с различным содержанием основного компонента-бетулинола.
Проведены опытно-промышленные испытания разработанной технологии на ОАО «Архангельский опытный водорослевый комбинат» и получена пробная партия бетулинового концентрата.
Материалы исследований включены в текст лекций по дисциплинам: технология лесохимических производств, комплексная химическая переработка древесины, химия и технология БАВ для студентов, магистрантов и аспирантов Института теоретической и прикладной химии Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова, обучающихся по различным направлениям.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских научных и научно-технических конференциях «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2011), «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (2012), всероссийской молодежной конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Казань, 2012), всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012), международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011), международной конференции «Возобновляемые лесные и растительные ресурсы: химия, технология, фармакология, медицина» (Санкт-Петербург, 2011), международных научно-технических конференциях «Новые технологии рециклинга отходов производства и потребления (Минск, 2011), «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (Санкт-Петербург, 2011), научно-технической конференции «Наука - Северному региону» и научной конференции «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения (Архангельск, 2011, 2012). Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Базируется на применении в исследованиях современных методов, методик, приборов и оборудования, а также использования общепринятых и стандартных методов
проведения экспериментальных работ с обработкой данных методами математической статистики.
Выводы по диссертации экспериментально подтверждены. Личный вклад автора. Заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. Выполнены исследования, обработаны результаты и объяснены полученные данные, сформулированы положения научной новизны, практической значимости и общие выводы. Автор принимал участие в опытно-промышленных испытаниях по получению бетулинового концентрата из технической бересты методом спиртовой экстракции.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных трудов, в том числе в
журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 3, в материалах
конференций - 8, 1 положительное решение на выдачу патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
аналитического обзора литературы, методической части, экспериментальной части,
состоящей из 6 разделов, технологической части и 7 приложений. Работа изложена
на 155 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков, 47 таблиц и 34
страницы приложений. Библиография содержит 128 наименований. Основные научные положения и результаты диссертационной работы, выносимые автором на защиту:
алгоритм расчета коэффициентов внутренней диффузии при экстрагировании бересты, отличающейся анизотропной капиллярно-пористой структурой;
- способ интенсификации процесса выделения бетулина из бересты с
использованием СВЧ-поля;
данные по влиянию различных факторов на кинетику экстрагирования и выход экстрактивных веществ и бетулина-сырца;
оптимальные условия экстрагирования в СВЧ-поле.
