Интенсификация процесса экстракции коры лиственницы сибирской

Переработка растительного сырья самыми разнообразными методами и конечными целями занимает значительную часть промышленности России, и поиск новых, экономически выгодных технологий в данной отрасли, как и в других направлениях хозяйственной деятельности людей, всегда актуален. Особенно сложная и важная задача для исследователей — вовлечение в переработку отходов, обладающих определенной экологической и пожарной опасностью, тем более, если это отходы, возникающие при потреблении самого уникального, а при разумном отношении и неиссякаемого в России, лесного ресурса, огромные запасы которого сосредоточены в Сибири.

В обычной практике лесозаготовок, в основном, используется стволовая часть дерева. Однако предприятия лесопильно-деревообрабатывающего и химико-лесного комплексов получают древесину в основном в не окоренном виде. В зависимости от породы, возраста, участка ствола и других факторов на долю коры приходится от 8 до 15% объема древесины. Поэтому ежегодно на этих предприятиях образуется около 30 млн. м3 коры в виде отходов окорки, в основном ели и лиственницы.

По своему химическому составу кора хвойных растений семейства PINACEAE является уникальным и практически неисчерпаемым сырьем для получения многих важных для хозяйственной деятельности продуктов. В коре, наряду с полисахаридами и лигнином, содержатся танниды и другие полифенолы, красящие и пектиновые вещества, суберин и др.

Однако, фактическая ситуация такова, что вся кора на перерабатывающих предприятиях сжигается или вывозится в короотвалы, хотя, как показывают расчеты, такая утилизация крайне нерентабельна. Высокая влажность коры на ЦБК (~60%) обуславливает низкую теплоту ее сгорания (~4 тыс. кДж/кг). Кроме того, образующиеся продукты горения и несгоревшие частицы отрицательно влияют на окружающую среду. Поэтому на большинстве предприятий, особенно средней мощности, не имеющих возможность утилизировать кору, скапливаются залежи отходов, захламляющих территорию, загрязняющих водоемы и представляющих реальную пожарную опасность [1−5]. В промышленном масштабе переработка коры осуществляется в основном только для получения дубильных экстрактов, основной частью которых являются танниды [6]. В качестве сырья для производства дубильных экстрактов используются древесина дуба, кора ивы, ели и лиственницы. Анализ ресурсов сырья показывает, что запасы первых в доступных районах практически истощены и перспективным сырьем остается только кора ели и лиственницы. Несмотря на наличие больших объемов этих видов сырья, предприятия по производству дубильных экстрактов испытывают острый дефицит в нем. Поставки еловой коры на дубильно-экстрактовые заводы составляют менее 20 тыс. тонн, т. е. менее 5% от имеющихся ресурсов. Коры лиственницы до последнего времени использовалось около 5 тыс. тонн или 0,5% от всей массы отходов, образующихся при ее окорке.

Основными причинами недостаточного использования коры хвойных в производстве дубильных экстрактов, при возрастающем в них дефиците, является:

1. Несоответствие основной массы отходов окорки требованиям технических условий на сырье для дубильно-экстрактовой промышленности по содержанию влаги и примесей (коры других пород и древесины в виде отщепа), что отрицательно влияет на качество получаемого экстракта, снижая дубящие свойства растительных дубителей.

2. Несовершенство аппаратурно-технологического оформления процессов, лежащих в основе данного производства. Давно устарел принцип основной технологической операции дубильно-экстрактового производства — процесс экстрагирования сырья, в диффузорах периодического действия. Кроме того, вследствие плохих гидродинамических условий, велика продолжительность процесса экстрагирования и невелик выход таннидов.

3. Невысокие потребительские свойства получаемых экстрактов, как по уровню доброкачественности, так и по выпускаемой форме. Вместе с тем проблема все возрастающих потребностей народного хозяйства в дубителях и других продуктах кормового (кормовой белок и сахар) и технического (сорбенты) назначения не сходит с повестки дня, и продолжает приобретать все большую остроту и значимость.

Поэтому сложившаяся ситуация делает совершенно необходимым поиск новых, более совершенных интенсивных способов переработки коры, в результате которых образовывалось бы меньше побочных и вредных продуктов, а сама технология была бы экологически чистой.

Идеальным решением данной проблемы, естественно было бы создание комплексной безотходной технологии с замкнутым циклом потребления воды и химикатов. Такое эффективное использование коры в промышленном производстве требует более глубокого изучения химического состава коры, состава получаемых экстрактов, а также особенностей ее переработки. Совершенствование технологического процесса экстрагирования должно происходить за счет создания аппаратов непрерывного действия, которые дадут возможность интенсифицировать и автоматизировать процесс экстракции. Такая возможность может быть реализована при использовании сырья высокой степени измельчения или совмещении процессов измельчения и экстракции, которые обеспечат непрерывное перемещение материала (динамический режим) и увеличат поверхность контакта его с экстрагентом.

В работе в качестве альтернативных решений существующей технологии дубильно-экстрактивного производства (Тарутинский экстракционный завод), базирующегося на извлечении водорастворимых полифенолов в диффузорах периодического действия, предлагается принципиально новое аппаратурное оформление процесса экстракции на примере коры лиственницы. В основу положено использование динамического режима экстрагирования коры высокой степени измельчения, что позволяет произвести замену линии диффузоров на два аппаратадезинтегратор и аппарат безножевого размола типа «струя-преграда».

Разработанная технология позволит вести процесс экстракции практически непрерывно и получать не только качественный экстракт, но и послеэкстракционный остаток со структурой, приемлемой для биоконверсии. Кроме этого, выявленные в процессе исследований особенности разрушения коры позволят, при серьезной доработке, стать основой для создания новой технологии переработки не только многотоннажного и малоутилизируемого отхода предприятий лесопромышленного комплекса, но и в целом растительных материалов.

Результаты исследования изменения помола одубины в зависимости от продолжительности обработки суспензии в аппарате (температура 70 °C, скорость струи 129 м/с, концентрация 2%) представлены на рисунке 3.14.

60 55 50 о. 45 з 40 я.

§ 35 о 30 о 25.

3 20 а.

15 10 5 0.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Продолжительность обработки, мин.

Рисунок 3.14 — Изменение степени помола коры в зависимости от продолжительности обработки суспензии в аппарате «струя-преграда».

Полученные результаты показывают, что в аппарате «струя-преграда» происходит значительное изменение (раскрытие) пористой структуры поверхности частиц коры. Об этом свидетельствует и тот факт, что помол мельчайших частиц коры (фракция менее 0,063 мм.) без обработки в аппарате составляет 16°ШР. То есть, измельчение исследуемого материала до пылевидных частиц не увеличит помол свыше указанного, тогда как, варьируя продолжительностью обработки в аппарате можно изменять его степень помола с 6 до 54 °ШР.

Можно отметить неравномерное изменение градуса помола коры в ходе гидродинамической обработки. Так, после 0,5 минут обработки суспензии в установке помол изменяется с 6 до 18 °ШР (в среднем 24 °ШР/мин.). Дальнейшая обработка в течение 5,5 минут увеличивает помол с 18 до 32 °ШР (2,7 °ШР/мин.), а обработка с 6 до 42 минут — изменяет помол с 31 до 54 °ШР (0,64 °ШР/мин.). То есть наиболее интенсивные изменения структуры коры происходят в аппарате в начальные 6 минут обработки.

Также анализ результатов показывает, что после 42 минут обработки дальнейшее изменение степени помола коры лиственницы не происходит. Полученные результаты хорошо согласуются с данными по изменению ее фракционного состава (рис. 3.3). Таким образом, помол 54°ШР является пределом размола исследуемого материала в аппарате и соответствует его пределу разрушения. Сопоставляя данные, полученные при одинаковых условиях обработки суспензии коры в аппарате «струя-преграда» и представленные на рис. 3.3 и 3.14, можно получить достаточно четкое соответствие градуса помола коры и содержание в коре крупной, средней и мелкой фракции частиц.

В итоге можно отметить, что в аппарате «струя-преграда» за 5 минут обработки двухпроцентной суспензии коры лиственницы при температуре 70 °C и скорости струи суспензии 129 м/с можно получать водный экстракт, с выходом в среднем 14% экстрактивных веществ, содержащий 95% растворимых веществ, а также 86% одубины, с приемлемым для биоконверсии (помол 28−30°ШР) разрыхлением структуры частиц. Экстракт, полученный в указанных условиях обработки, имеет доброкачественность 55,2−55,4%, что отвечает требованиям, предъявляемым к дубильным экстрактам.

Таким образом, предложенный подход к переработке коры лиственницы позволил реализовать ее потенциальные возможности как сырья для производства дубильных экстрактов и перевести твердый остаток после экстракции (одубину) в разряд сырья пригодного для биохимических производств. Совмещение процессов размола и экстракции в гидродинамическом экстракторе, работающем по типу струя-преграда, позволяет перевести процесс экстракции из диффузионного режима в кинетический. При этом, не только уменьшается продолжительность и температура процесса экстракции, но и увеличивается выход дубильных веществ и реализуется возможность перевода его из полунепрерывного режима в непрерывный, замены батареи диффузоров на один аппарат.

4. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ.

ДУБИЛЬНОГО ЭКСТРАКТА ИЗ КОРЫ ЛИСТВЕННИЦЫ.

Одним из важнейших требований, предъявляемым к современным производствам, является их безотходность и отсутствие вредных выбросов в окружающую среду. При получении дубильного экстракта по предлагаемой технологии вредных выбросов в окружающую среду нетодубину предполагается использовать в биохимической переработке.

4.1 Технологическая схема производства.

На основании проведенных исследований были разработаны рекомендации по совершенствованию технологий получения лиственничного дубильного экстракта по следующему варианту, заключающемся во введении дополнительных узлов. На стадии измельчения сырья добавлен дезинтегратор и предусмотрена реконструкция узла экстракции — замена батареи диффузоров на гидродинамический экстрактор (кавитатор). Блок-схема представлена на рисунке 4.1.

Аппаратурно-технологическая схема применительно к Тарутинскому заводу дубильных экстрактов с учетом предлагаемых рекомендаций представлена на рисунке 4.2.

Лиственничная кора доставляется в рубильное отделение тележками (1) и с помощью транспортера (2) подается к рубильным машинам (5). Кора измельчается в одну стадию на центробежных дробильных машинах МИД-I с последующим рассевом на механическом сите. После измельчения кора должна полностью проходить через сито с ячейками 30 мм.

Рисунок 4.1 — Блок-схема производства дубильного экстракта из коры лиственницы.

1 — тележка- 2, 3,4 — транспортер- 5 — рубильная машина- 6 — дезинтегратор- 7,19,20 — сборник- 8 — кавитатор- 9 — самовыгружающая центрифуга- 10 — фильтр- 11,18- сборник диф. соков- 12 — насос перекачивающий- 13 — барометрический ящик- 14 — теплообменники- 15 — вакуум-выпарная установка- 16 — конденсатор-холодильник- 17 — ловушка- 18 — сборник жидкого экстракта- 21 — сульфуратор- 22 — насос плунжерный.

Рисунок 4.1 — Аппаратурно-технологическая схема применительно к Тарутинскому заводу дубильных экстрактов с учетом предлагаемых рекомендаций.

Измельченная кора с помощью ковшевого элеватора (5) подается в дезинтегратор (6), где происходит окончательное измельчение сырья, которое подается в диффузионное отделение, а именно в кавитатор. Также в кавитатор подается с помощью насоса (23) горячая вода (температура 70°С). Таким образом, дубильный материал подвергается экстрагированию прямо в кавитаторе, длительность обработки суспензии коры в кавитаторе 2−3 минуты. Далее обработанная суспензия из кавитатора подается в само выгружающую центрифугу (9), где происходит грубая очистка диффузионных соков. Поэтому далее предусмотрен фильтр (10) для окончательной (тонкой очистки) диф. соков.

Таким образом, твердый послеэкстракционный остаток (одубина) отделяется от экстракта для биохимической переработки.

Диф. соки собираются в мернике (11) и далее с помощью насоса (12) подаются через подогреватель (14) в четырехкорпусную выпарную установку (15). Плотность экстракта при выпуске не ниже 120 0 Брк.

Вторичный пар из четвертого корпуса отводится в барометрический конденсатор смешения (13). Воздух и несконденсированные пары отсасываются через ловушку (17) вакуумом.

Жидкий экстракт с выпарной установки попадает в сборник (18) жидкого экстракта.

Полученный жидкий экстракт подвергается модификации в закрытом металлическом аппарате — сульфураторе (33) из нержавеющей стали, снабженным мешалкой. Обогрев производится горячей водой из сборника оборотной воды. Модификация экстракта осуществляется сульфитом натрия, приготовление которого производится в сборнике (20).

Технологический режим модификации следующий: количество вводимого сульфита натрия 0,1% а.с.в. экстракта, температура обогрева не выше 75 °C, продолжительность не более 1 ч.

По окончании процесса модификации полученный дубильный экстракт направляется с помощью плунжерного насоса на распылительную сушилку, где упаривается до требуемой влажности. Упаковка, маркировка, транспортировка и хранение модифицированного лиственничного экстракта производится согласно ТУ 17 РСФСР 12−20−87.

4.2 Технико-экономические показатели производства дубильного экстракта из коры лиственницы.

Для оценки экономической эффективности производства дубильного экстракта из коры лиственницы проведены технико-экономические расчеты, применительно к промышленному производству Тарутинского завода дубильных экстрактов по усовершенствованной технологии.

Основным критерием, определяющим экономическую целесообразность производства, является его рентабельность и срок окупаемости капиталовложений.

Расчеты, проведенные на основании результатов данной работы, технико-экономических показателей Тарутинского завода дубильных экстрактов 1991 -1993гг. и действующих нормативов по организации и планированию производства в ценах, приведенных к 2004 году, представлены в приложении 20. Основные технико-экономические показатели представлены в сводной таблице 4.1.

В настоящее время Тарутинский завод дубильных экстрактов объявлен банкротом. Как видно из таблицы 4.1, предлагаемое производство является экономически эффективным, и после внедрения предлагаемых усовершенствований завод может стать рентабельным. Таким образом, экономические показатели позволяют сделать вывод об эффективности производства экстракта дубильного лиственничного. Проведенная модернизация технологической схемы Тарутинского экстракционного завода, позволяет на порядок сократить продолжительность и температуру экстрагирования, существенно увеличить содержание таннидов в экстракте и получить одубину с развитой поверхностной структурой, приемлемую для биоконверсии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлено, что структура коры после гидродинамического измельчения представлена несколькими фракциями, обладающими индивидуальными физическими свойствами и химическим составом. Максимальные различия по содержанию целлюлозы среди анализируемых фракций коры достигают 27% от их ах. массы. Показано, что содержание целлюлозы в частицах коры определяет деформационную стойкость частиц к разрушающему воздействию.

2. Доказано влияние степени дисперсности коры на выход экстрактивных веществ. Показано, что высокая степень измельчения сырья позволяет значительно снизить продолжительность процесса экстракции. Так, предварительная обработка коры в дезинтеграторе позволяет получать частицы коры менее 2 мм., что обеспечивает сокращение продолжительности экстракции до 30 минут.

3. Установлено, что совмещение процессов экстракции и измельчения коры в гидродинамическом экстракторе позволяет наиболее интенсифицировать процесс экстракции. Так, экстрагирование коры в аппарате «струя-преграда» позволяет за 5 минут обработки двухпроцентной суспензии коры лиственницы при температуре 70 °C и скорости струи суспензии 129 м/с получать водный экстракт с выходом 14% экстрактивных веществ и содержащий 95% растворимых веществ. Экстракт, полученный в указанных условиях обработки, содержит 9% таннидов от исходного сырья при доброкачественности 55,2−55,4%, что отвечает требованиям, предъявляемым к дубильным экстрактам.

4. Определено влияние условий гидродинамического воздействия на совмещенные процессы экстракции и измельчения коры в аппарате «струя-преграда». В результате установлено, что увеличение скорости истечения струи и продолжительности обработки суспензии коры в аппарате оказывает основное благоприятное влияние как на изменение размера частиц, так и на количество извлекаемых веществ.

5. Совмещение процессов экстракции и измельчения коры в аппарате «струя-преграда» позволяет твердый послеэкстракционный остаток использовать в качестве сырья для биохимических производств, что переводит производство дубильных экстрактов в разряд безотходных.

Предложена модернизация технологической схемы дубильно-экстрактового производства, позволяющая на порядок сократить продолжительность и температуру экстрагирования, существенно увеличить содержание таннидов в экстракте и получить одубину с развитой поверхностной структурой, приемлемую для биоконверсии. Проведенные экономические расчеты показали рентабельность предлагаемой модернизации экстракционных производств.