Химия и химические технологии

Мирошниченко В.В., к.т.н. Дёмина Л.Н.

Красноярский государственный торгово-экономический институт, Россия

Интенсификация процесса гидродистилляции

нагревом СВЧ излучением

Традиционные технологии получения эфирного масла основаны на его отгонке из растительного сырья острым паром, вырабатываемым при сжигании древесины. Их серьёзным недостатком является длительная продолжительность пребывания древесной зелени в высокотемпературной зоне, что ведёт к негативным последствиям [2,3]. Для отечественного производства перспективными являются разработки новых ускоренных технологий экстрагирования биологически активных веществ. В большей мере по сравнению с традиционной гидродистилляцией такими качествами обладает технология, в которой используют для нагрева электромагнитное излучение с длиной волны микроволнового диапазона.

На настоящем этапе исследований в микроволновой химии большинство исследователей пришли к выводу, что микроволновое излучение не оказывает влияния на пути протекания реакций, состав продуктов и энергию активации. И только объёмный тепловой эффект и отсутствие температурных градиентов в рабочей смеси являются причинами ускорения массообменных процессов в открытой микроволновой системе [1,4]. По сравнению с классическими методами экстракции такой метод предлагает значительную экономию времени. Кроме того, применение этого метода позволяет исключить деструкцию активных веществ растений в связи со снижением времени нагрева растительного материала.

Ускорение оборачиваемости работы оборудования относят к наиболее значимым факторам производства, но для микроволновых установок можно назвать и другие преимущества. Источники СВЧ нагрева функционируют от простых и дешёвых источников питания с высоким уровнем выходной мощности в непрерывном режиме и характеризуются возможностью эффективной работы при периодической нагрузке, надёжностью, большим сроком эксплуатации (2-5 тыс. ч). Важное преимущество СВЧ нагрева – тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал, отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого материала. Дополнительным условием, способствующим повышению эффективности его обслуживания, является комфортность обслуживания. Она обусловлена низкими тепловыми потерями при преобразовании микроволновой энергии в тепловую, благодаря чему стенки волноводов и рабочей камеры нагреваются незначительно, что создаёт комфортные условия для обслуживающего персонала.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования энергии в тепловую, выделяемую в объёме нагреваемых тел. Использование энергии микроволнового излучения позволяет значительно интенсифицировать множество химических и физико-химических процессов, а КПД микроволновых промышленных установок в среднем в 1,5–2 раза превышает таковой для установок с традиционными теплоносителями [4]. Высокая скорость микроволнового воздействия и отсутствие температурных градиентов при СВЧ нагреве уменьшают распад термолабильных соединений, а состав промежуточных и целевых продуктов идентичен независимо от способа нагрева – микроволнового или термического.

Все эти и другие преимущества применения микроволновых установок при отгонке эфирного масла при правильном построении схемы обработки, обеспечивают большую производительность. Но поскольку протекание каждого процесса зависит от диэлектрических свойств материала, необходимо экспериментальное исследование прохождения каждого процесса в микроволновом поле и разработка оптимальной технологии.

Для проверки обоснованности такого представления проведена серия сравнительных опытов по отгонке эфирного масла из древесной зелени пихты и кедровой сосны посредством гидродистилляции с использованием традиционного источника нагрева и микроволнового. Его выделение осуществляли при термическом нагреве в аппарате Клевенджера, при СВЧ нагреве – в модифицированной лабораторной установке с мощностью в рабочей камере 500 Вт. Выход эфирного масла определяли волюметрически, его компонентный состав – методом хромато-масс-спектрометрии на хроматографе «Agilent Technologies» Hewlett-Packard.

При постановке исследований по оценке выхода эфирного масла из древесной зелени пихты и кедра, с каждым видом сырья проведены серии по 5 опытов. Экспериментальные данные и результаты их статистической обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Выход эфирного масла из хвойной древесной зелени при отгонке сравниваемыми методами

№ п/п	Выход пихтового масла, % при		Выход кедрового масла, % при
	СВЧ-нагреве	термическом нагреве	СВЧ-нагреве	термическом нагреве
1	2,79	2,33	2,01	1,72
2	2,55	2,25	1,89	1,58
3	2,63	2,09	1,93	1,69
4	2,81	2,13	1,86	1,61
5	2,57	2,19	1,85	1,66
± m	2,67±0,05	2,20±0,04	1,91±0,03	1,65±0,03
σx	0,123	0,093	0,065	0,057
V, %	4,59	4,34	3,11	3,47

Результаты отгонки свидетельствуют, что применение микроволновой техники для выделения эфирного масла из древесной зелени хвойных пород повышает его выход по сравнению с традиционным на 15-20%. Такое увеличение выхода продукции в производственных условиях рассматривается как серьёзный экономический успех.

Результаты исследования подтвердили, что важным достоинством применения нагрева с использованием микроволнового излучения служит существенное ускорение отгонки эфирного масла из сырья. Если при гидродистилляции в лабораторных условиях для его достаточно полной отгонки из древесной зелени требуется около 3 ч, то при использовании СВЧ источника процесс заканчивается в течение 20-25 мин., т.е. протекает в 7-8 раз быстрее.

Выводы. Применение микроволнового источника нагрева позволяет сократить время протекания процесса более чем в 4 раза и повысить объём выхода эфирного масла на 10 %. Эфирные масла по органолептическим и физико-химическим показателям и по компонентному составу не имеют принципиальных отличий от масел, полученных с использованием термического источника нагрева. Все исследованные образцы по микробиологическим показателям соответствуют требованиям нормативных документов.

Библиографический список

1. Ситников Э.А. Вакуумные технологии и управление отходами (ресурсами предприятия): сборник докладов ABSTRACTS международного конгресса по управлению отходами / Э.А. Ситников, А.А. Ряжин. – М.: ВэйстТэк, 2005. – С. 197.

2. Степень Р.А. Альтернативные пути рациональной переработки древесных отходов: материалы научно-практической конференции «Инвестиционный потенциал лесопромышленного комплекса Красноярского края» / Р.А. Степень, С.М. Репях. – Красноярск: СибГТУ, 2001. – С. 183-189.

3. Технология получения экстрактов из растительного сырья / Г.П. Варламов,  В. В. Солодков,  А.Г. Варламов,  А. М.   Долгошеев и др.  // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2000. – № 9. – С. 27-30.

4. Шавшукова С.Ю. Интенсификация химических процессов воздействием микроволнового излучения: автореферат / С.Ю. Шавшукова. – Уфа: ГНУ НИИРеактив, 2003. – 24 с.