Исследование скорости экстрагирования компонентов из древесного сырья

В настоящее время большое количество крепких алкогольных напитков производится с выдержкой в деревянных емкостях. Целесообразно производство напитков, приготовленных по интенсивной технологии с сокращением срока выдержки дистиллятов с древесиной различных видов. Для реализации поставленной цели необходимо изучить основные диффузионные характеристики древесины, кинетику набухания и экстрагирования целевых компонентов водноспиртовым раствором [1, 2].

В задачу исследования входило изучение кинетики экстрагирования компонентов при вращении древесных дисков в водноспиртовом растворе с определенной объемной долей этанола и установление зависимости концентрации экстрактивных веществ от продолжительности процесса.

В работе применяли древесину вишни обыкновенной ( Prunus cerasus ) и сливы черной ( Prunus nigra ). Для определения диффузионных характеристик древесины была предложена экспериментальная установка (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 – вал; 4 – электродвигатель; 5 - образцы древесины; 6 – шайба; 7 - водно-спиртовой раствор

Экспериментальная установка для определения коэффициента диффузии компонентов из древесины вишни, сливы состояла из стеклянного корпуса 1 с герметично закрывающейся крышкой 2 и вращающегося с постоянной скоростью (300 мин-1) вала 3, который приводится в движение электродвигателем 4. На вал с помощью шайб 6 крепятся образцы – термически обработанные диски из древесины диаметром 37,2 мм, толщиной – 6,0 мм 5. Образцы полностью погружены в водноспиртовую жидкость 7 объемом 450 см3 с объемной долей этанола 30 и 40 % для образцов из древесины вишни и сливы. Аппарат работал в непрерывном режиме. Продолжительность опытов составляла 312 ч для образцов из древесины вишни и 384 ч – из древесины сливы.

Процесс извлечения экстрактивных веществ из древесины контролировали ежедневно, измеряя оптическую плотность экстрактов с помощью ФЭК – 56М при длине волны λ = 440 нм.

Для установления зависимости между оптической плотностью экстрактов и концентрацией целевых компонентов использовали растворы, полученные предельным экстрагированием древесины на аппарате Сокслета.

Линейный характер зависимости оптической плотности от концентрации экстрактов сохраняется на протяжении всего исследованного интервала значений Сж.(0 ≤ Сж. ≤ 0,00275 г/см3 (вишневый экстракт) и 0 ≤ Сж. ≤ 0,003 г/см3 (сливовый экстракт), что служит основанием для использования данной зависимости, чтобы определить концентрацию сухих веществ в экстрактах при допущении постоянства во времени соотношения всех извлекаемых компонентов.

Концентрацию экстрактивных веществ в истощенной щепе Ств. и степень извлечения экстрактивных веществ вычисляли по формулам

Vа • (N2° - ^аа) = V.- N, л=1 - 5к, где VT - объем сухой древесины, см3; Ств0

–

концентрация экстрактивных веществ в сырье, г/см³; С _тв - концентрация в истощенной щепе, г/см³; Г _ж - объем экстрагента, см³; С ж - концентрация экстрактивных веществ в жидкой фазе, г/см³.

При контакте твердых пористых тел с жидкостью вначале происходит процесс набухания образцов древесины, затем начинается экстрагирование компонентов водноспиртовым раствором, в котором основную роль играет перенос экстрактивных веществ из центральных зон частиц древесины к их поверхности.

О скорости извлечения экстрактивных веществ из древесины судили по изменению оптической плотности D экстракта во времени.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2 - 6.

♦ Экстракт древесины вишни —И—Экстракт древесины сливы

Рис. 4. Зависимость степени извлечения экстрактивных веществ древесины от продолжительности экстрагирования.

Из рис. 2 - 4 следует, что масса экстрактивных веществ, перешедших в раствор из древесины сливы, значительно больше, чем из древесины вишни (разница составляет 69 %).

♦ Экстракт древесины вишни —И—Экстракт древесины сливы

Рис. 2. Зависимость оптической плотности древесных экстрактов от продолжительности экстрагирования

Рис. 6. Зависимость концентрации экстрактивных веществ древесины сливы в жидкой и твердой фазах от продолжительности экстрагирования

Продолжительность, ч

—♦—Экстрактдревесины вишни —ИНЭкстрактдревесины сливы

Рис. 3. Зависимость массы экстрактивных веществ древесины от продолжительности экстрагирования

Из рис. 5-6 видно, что по истечении 264 ч для экстрактов из древесины вишни и 360 ч - для экстрактов из древесины сливы скорость процесса резко замедлялась, концентрация как в истощенной щепе, так и в жидкой фазе приближалась к постоянному значению.

Рис. 5. Зависимость концентрации экстрактивных веществ древесины вишни в жидкой и твердой фазах от продолжительности экстрагирования

При исследовании диффузионных характеристик древесины вишни и сливы было установлено, что число Био, характеризующее роль диффузионного сопротивления в жидкой фазе, омывающей твердые частицы, превышает 100, это позволяет пренебречь сопротивлением переноса в экстрагенте.

Поэтому при расчете коэффициента диффузии в твердой фазе допускали, что сопротивление переносу сосредоточено в частицах древесины, и скорость диффузии не зависит от скорости вращения образцов в растворе.

При количественной интерпретации исходили из следующих предпосылок.

• 1.    Структурную основу оболочек растительных клеток составляет целлюлоза - полимер с линейными макромолекулами, соединенными в фибриллы, с порами диаметром 1 -10 нм. Крупные поры обеспечивают проницаемость оболочек для экстрагируемых веществ. Размеры дисков значительно превышают диаметр пор, поэтому можно рассмат

• 2.    Диаметр дисков превышает их толщину более чем в 4 раза. В связи с этим диск можно рассматривать как неограниченную пластину, в которой устанавливается одномерный диффузионный поток в направлении минимального размера.

• 3.    Экстрактивные вещества представляют собой группу соединений, различающихся диффузионными характеристиками. В таких объектах рассматривают совокупность всех экстрактивных веществ с некоторым обобщенным коэффициентом переноса D m [2].

• 4.    В растительных тканях, включая древесину, часть целевых веществ находится в замкнутых или труднодоступных для экстрагента областях. Полное извлечение их невозможно, в таком случае эту часть C _н . _э . можно исключить из кинетических расчетов, рассматривая только суммарное количество экстрагируемых компонентов ( C _тв- C _н . _э.).

• 5.    Вращение дисков обеспечивает перемешивание жидкости, поэтому под концентрацией веществ в жидкой фазе N _к необходимо понимать осредненную по времени концентрацию.

ривать их как изотропные тела [1].

Принимая во внимание отмеченные выше предпосылки и допущения, перенос вещества в дисках можно описать дифференциальным уравнением нестационарной диффузии в неограниченной пластине:

д ( N ба - N ~    d²( N аа - N

---^    = ^D 6--„, ,     (1)

которое должно решаться с граничными условиями 1-го рода:

при x = 5 /2 , т, (C тв - C н.э .) = N _к ;

„         д (N аа - N,.у.)_А при x = 0,   т,       д 5     = 0

Решение уравнения (1) имеет следующий вид:

• ^{( N} ба - ^N i.yj - ^N к _ у D --Цп ² 'F°

( N ба - » ,» ) - N .    £ B n' e ⁽²⁾

где (C ⁰ _тв - C _н . _э ) и (C _тв - C нэ ) - начальная и текущая концентрации экстрагируемой части веществ в щепе, г/см³ , сухой древесины; N _к -средняя к моменту т концентрация в жидкости, г/см ³; Ро =(D m • т)/(5/2)² - число Фурье; D m -коэффициент эффективной диффузии в диске, м²/с; т - время; с; 5 - толщина частиц, м; В_п и ц _п - постоянные из таблицы [ 3 ] , величины которых варьируются в зависимости от значений числа Био (при Bi > 100 В_п = 0,8106 и ц _п =1,5708). Большая продолжительность опытов обеспечивала высокие значения чисел Фурье. Известно, что при числах Фурье, превышающих 0,1, в сумме ряда (2) можно ограничиться первым слагаемым. В этом случае решение (2) принимает вид

_( ^N 6a - ^N £.yJ - ^N^    D , -- Ц 12 - Р°

e

(№ ба - N v.y/ - N к      ¹

Логарифмированием (3) легко приводится к линейной форме:

ln ⁽ N ^-\ - ' ^N5 = ln В, - ц ² • Р°

( N ⁰ ба -Яу)- N к          ¹

и после подстановки выражения для числа

Фурье Р° = 5 ’ ^Т ₁ - принимает вид (рис. 7):

где

ln А = ln В, - ц ² • ^{D б} \ , ¹             ( 5 /2)² ’

• 7     ( N ба - N_Vy) - N к

.

( N ⁰ ба - N ,.y. ) - N к

веществ в вишневом диске от продолжительности процесса

Угловой коэффициент прямой:

tg a = -^. = - 2,00 - 10 - 6 .

Аналогично был обработан материал, полученный в опытах со сливовыми дисками (рис. 9).

веществ в сливовом диске от продолжительности процесса

Угловой коэффициент прямой

Откуда следует, что коэффициент эффективной диффузии в вишневом диске D_m равен 7,32 10^-11 м²/с ( и 1 = 1,5708, 5= 0,019 м). Установление коэффициента переноса в диске позволило обобщить полученный экспериментальный материал. После обработки сов окупности результатов получена формула

N'- -N òâæ

0 òâæ

- 2,51-^d ^ T

= 0,842 - а     (5/2)2

где C L и N ^0 - среднеобъемные концентрации экстрагируемых веществ в частицах диска в начале и конце процесса.

Регрессионное уравнение (4) адекватно описывает полученные экспериментальные данные, коэффициент корреляции R = 0,9978 (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость концентрации экстрактивных веществ в вишневом диске от числа Фурье - эксперимент; - расчет tga = —^- = -2,00 -10-6. 2,

Коэффициент эффективной диффузии в сливовом диске D_m равен 7,12 • 10^-11 м²/с ( и 1 = 1,5708 и 5 = 0,02 м).

Обобщив экспериментальный материал, получили формулу

=                 -2 53 - ^d® ^т

^у^- = 0,852 - а    ^{( 5 /2)2}

Полученное регрессионное уравнение адекватно описывает экспериментальные данные, коэффициент корреляции R = 0,9968 (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость концентрации экстрактивных веществ в сливовом диске от числа Фурье: - эксперимент; - расчет

Таким образом, получены зависимости, которые могут быть использованы для определения продолжительности процесса экстрагирования.

Определены коэффициенты диффузии в твердой фазе для вишневых D m = 7,32 - 10 " ¹¹ м²/с и для сливовых дисков D m = 8,12 - 10 " ¹¹ м²/с, и получены формулы, связывающие концентрацию экстрактивных веществ и число Фурье: - для вишневого диска

Л                   - 2 51 - ^D™ ^т

■ = 0,842 - а     (5/2)2

N0а° — N$      , для сливового диска

• - 2 53 - ^D® ^т

V = 0,852 - а     (5/2)2

0-N оа щ и позволяющие при необходимости провести расчет продолжительности экстрагирования целевых компонентов из древесины при приготовлении крепких алкогольных напитков.