автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Утилизация лесосечных отходов пихты сибирской



/красноярская государственная технологическая академия

На правах рукописи

БОЙКО Николай Васильевич

УТИЛИЗАЦИЯ ЛЕСОСЕЧНЫХ ОТХОДОВ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки древесины Химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

л "г

Красноярск, 1997 г.

Работа выполнена в Институте леса СО РАН

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук,

профессор

Степень P.A.

доктор технических наук,

профессор

Агеев А.Я.

кандидат технических наук,

доцент

Седых В.В.

Ведущая организация - Институт химии и

химической технологии СО РАН

.,'за.щита диссертации состоится 1997 г.

в у у* часов, на заседании диссертационного совета Д 063.83.01 при Красноярской государственной технологической академии по адресу: 660049 г. Красноярск, пр. Мира, 82

Ваши отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями просим направлять Ученому секретарю специализированного совета по указанному выше адресу

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке академии Автореферат разослан "// " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент /Р^-уу ^ Исаева Е.В.

Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проблема комплексного использования древесного сырья является одной из важнейших задач настоящего времени. Сейчас в России практически потребляется лишь стволовая древесина, составляющая половину биомассы дерева. Остальное, скапливаясь, захламляет территорию и способствует развитию пожаров и размножению насекомых-вредителей. Утилизация отходов лесозаготовок и деревообрабатывающих предприятий позволяет существенно повысить выпуск кормовых продуктов, лечебных и биологически активных препаратов без вовлечения в производство новых массивов леса.

Такое состояние свойственно и для отходов пихты сибирской, одним из наиболее богатых разнообразными ценными продуктами сырьевых источников. Однако, ее практически единственное использование для пих-товарения сейчас малоэффективно и серьезно ухудшает экологическое состояние. Содержание терпеноидов в воздухе здесь заметно выше ПДК, а сбрасываемые в водоемы флорентинная вода и кубовый остаток угрожают существованию их обитателей. Это свидетельствует об актуальности переработки его отходов, утилизация которых позволит расширить ассортимент товаров и повысить рентабельность предприятий. Исследование оптимизации получения эфирного масла, его изменчивости и оценка ресурсов будет способствовать развитию лесохимической отрасли.

Цель исследований: изучить варианты комплексного использования вторичных ресурсов пихты сибирской с получением широкого ассортимента ценных лесохимических продуктов и оценить потенциальные запасы эфирного масла в пихтовых фитоценозах Красноярского края с определением размещения на территории предприятий по их производству. При проведении исследований решались следующие вопросы: - изучение массовой доли и компонентного состава эфирных масел в элементах древесной зелени пихты сибирской;

- выявление влияния основных факторов на выход эфирного масла пихты и оценка его потенциальных запасов в пихтовых древостоях Красноярского края;

- комплексность при переработке дервесного сырья посредством паровой отгонки эфирного масла и утилизации жидких и твердых отходов пихтоварения;

- оценка перспективности утилизации отработанного твердого остатка пихтоварения путем углекислотной экстракции.

Защищаемые положения: Разработанная, методология позволяет предложить оптимальные схемы рациональной переработки древесных отходов пихты, определить запасы эфирного масла в лесоэкономических районах Красноярского края и обосновать территориальное размещение лесохимических производств.

Научная новизна работы состоит в том, что

- проведены систематические исследования содержания и состава пихтового масла и их варьирования в зависимости от основных биоцено-тических и технологических факторов;

. - установлена закономерность повышения запасов масла в древесной зелени пихты в высокоширотном направлении;

- оценены потенциальные запасы эфирного масла приенисейских пихтовых фитоценозов, изучена закономерность их накопления в зависимости от таксационных показателей; . . .

- разработан эффективный вариант комплексной переработки лесосечных отходов пихты сибирской.

Основное теоретическое значение работы состоит в разработке системы рациональной, утилизации лесосечных отходов пихты с получением ряда ценных продуктов.

Практическое значение и реализация результатов.

Результаты работы важны для практики. Их внедрение улучшает комплексность в переработке лесосечных отходов пихтовых древостоев. Помимо пихтового масла при этом получают хвойный экстракт, хвойную муку и липидиые продукты. Они необходимы для многих отраслей хозяйства, прежде всего в качестве кормовых добавок для животноводства.

Апробация и публикации. Материалы диссертации докладывались на конференциях: посвященной 50-летию образования Института леса СО РАН. (1993); "Проблемы химико-лесного комплекса" (Красноярск, 1994); "Эколого-экономические проблемы лесопромышленного комплекса" (С.Петербург, 1997); "Эколого-экономические проблемы Красноярского края" и "Экологические проблемы Красноярского края" (Красноярск, 1997). Результаты исследований как составная часть материалов республиканской программы "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" экспонировались на выставке "Химбытпром" (Красноярск, 1996). Основное содержание диссертации отражено в б статьях.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 162 с. машинописного текста, содержит 18 рис. и 43 таблицы. Работа состоит из введения, аналитического обзора, методической, экспериментальной и технологической частей, выводов и списка литературы, включающего 180 источников.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Исследованию компонентов лесосечных отходов и их использованию в практических целях посвящено значительное число работ. Однако, в большинстве из них объектами изучения служила древесная зелень произрастающих в европейской части сосны и ели. Научные разработки по ее рациональному использованию привели к созданию в 60-х годах производства хвойной витаминной муки, позднее на основе переработки ли-

пидного комплекса вегетативных органов этих пород- предложена технология получения хлорофилло-каротиновой пасты, а в дальнейшем и более ценных продуктов ее фракционирования: хлорофиллина натрия, прови-таминного концентрата, бальзамической пасты. Наряду с ними производили эфирное масло, хвойный воск и другие продукты. Совмещение при экстракции бензина и воды позволило потреблять и водорастворимые соединения древесной зелени.

Серьезные исследования проводились и по компонентному составу лесосечных отходов пихты сибирской. В них определялось содержание протеинов, липидов, углеводов, их многих составляющих, прежде всего пигментов, витаминов, эфирного масла. Пока же приходится констатировать, что результаты большинства исследований слабо внедряются в практику.

Единственным многотоннажным направлением утилизации древесной зелени пихты до сих пор остается пихтоварение с получением одного товарного продукта - пихтового масла. Следует также указать на разработки по выделению из этого сырья полярных кислот (СИЛК), являющихся эффективными стимуляторами роста растений; и его последовательному экстрагированию углекислотой, водой и этиловым спиртом с получением с получением ряда ценных продуктов. Однако, их внедрение требует существенных капитальных вложений, сложного оборудования и квалифицированного обслуживания. По этим и другим причинам организация таких производств затруднена. Пихтоварение характеризуется более простой отработанной технологией, проведение операций которой осуществляется на стандартных установках с легко регулируемым управлением. Тем не менее многие установки в Красноярском крае работаю нерентабельно. Основными причинами этого служат слабый учет биоцено-тических и технологических факторов и ограничение товарной продукции одним пихтовым маслом.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Образцы лесосечных отходов отбирались в пихтовых древостоях лесостепной зоны и среднсенисейской тайги. Их лесотипологические характеристики хорошо описаны, что позволяет успешно оценить ресурсы древесной зелени в этих регионах. В большинстве случаев отбор образцов осуществляли в сентябре, когда выход масла достигает максимума, а его состав стабилизируется. При изучении сезонной динамики пробы отбирали в первой декаде каждого месяца в 30-35-летних насаждениях; влиянии возраста деревьев - во всех возрастных группах.

Эфирное масло отгоняли на обычной перегонной и крупнолабораторной установке, позволяющей повышать температуру пара до 150° С, а также в модифицированном аппарате Клевенджера.

Значительным недостатком действующих установок служит складирование на территории образующихся при пихтоварении отходов. Наряду с утилизацией твердого остатка на хвойную витаминную муку нами предусматривается его углекислотная обработка. Получаемый экстракт разделяли на липидный комплекс и водорастворимые продукты. Фракционирование липидов осуществляли кислотно-щелочным методом на нейтральные и кислотные вещества, а последние на смоляные и жирные кислоты. В водорастворимой фракции определяли содержание органических компонентов, минеральных веществ и элементный состав. Особое внимание уделяли доказательству присутствия в ней мальтола.

Компонентный состав сырья, получаемых продуктов и отходов анализировали традиционными методами. Выход эфирного масла определяли волюмометрически, его состав - методом ГЖХ. Смоляные и жирные кислоты экстрактов исследовали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Первые из них анализировали посредством адсорбционной, вторые - обращеннофазной ВЭЖХ. Анализы про-

водили в 2-4 х кратной повторности, их результаты обрабатывали статистически.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Влияние биоценотических факторов на выход и состав масла.

Запасы и качество пихтового масла значительно зависят от биоценотических факторов, что имеет важное теоретическое и прикладное значение. Существенное влияние при оценке оказывает индивидуальная изменчивость, обусловленная особенностями развития отдельных деревьев. Для ее исключения на 95% - ном уровне образцы должны отбираться не менее чем с 48 деревьев. В практической работе в связи с большой массой перерабатываемого сырья влияние данного фактора не сказывается.

Время года также значительным образом влияет на насыщенность вегетативных органов летучими терпеноидами, что обусловливается протеканием в них метаболитических процессов. Их максимум наблюдается в сентябре, затем до апреля их запасы постепенно сокращаются, в апреле -мае в связи с развитием фотосинтеза несколько возрастают и во второй половине мая - июне из-за расхода метаболитов на рост хвои и образование смоляных ходов резко снижаются. Массовая доля эфирного масла в июне в 1,4 - 1,5 раза ниже максимальной. Очевидно, что для оптимальной эксплуатации установок важно учитывать сезонную изменчивость его содержания и состава.

Важнейшая роль в метаболизме принадлежит возрасту растений, что существенно сказывается и на запасах и составе эфирного масла. Наиболее богаты терпеноидами, в том числе и ценнейшим из них - борнилацета-том - молодые 20-25 летние деревья. Древесная зелени как подроста, так и зрелых деревьев содержит их значительно меньшее количество, что необходимо учитывать в практической деятельности.

Менее заметно влияние на содержание и состав пихтового масла других видов изменчивости - географической, эндогенной, суточной и расположения древесной зелени по сторонам света. Тем не менее их целесообразно учитывать как при работе пихтоваренных установок, так и при оценке потенциальных запасов терпеноидов в пихтовых древостоях.

Потенциальные запасы пихтового масла Содержание эфирного масла в сырье является одним их двух сомножителей, определяющих его потенциальные ресурсы; вторым служат запасы древесной зелени. Методика оценки последней приведена в работе Б.С. Спиридонова и др. С ее помощью, используя литературные сведения по площади, продуктивности, классам возраста и бонитету насаждений, нами рассчитаны потенциальные ресурсы пихтового масла приенисейских фитоценозов (табл. 1).

Таблица 1

Запасы пихтового .масла (числитель, тыс. т.) и их соотношение (знаменатель) в основных: лесоэкопоьтческих районах

Класс Зоны лесопользования Суммарные запасы

возраста стабилизиро-. ванного развивающегося истощенных баз пихтового масла

Пихтарники 303,4 705,6 243,8 1252,8

в целом 24,2 56,4 19,4

в том числе:

спелые 54,6 59,5 49,7 54,6

23,4 59,4 17,2

перестойные 13,9 28,0 14,1 42,7 18,1 29,3 15,4

спелые и не-рестойные вместе ..,. 68,5 73,6 67,6 70,0

Видно, что Красноярский край располагает огромными ресурсами пихтового масла, количество которого превышает 1,25 млн.т. Во всех ле-

сопромышленных районах 50-60% масла находится в древесной зелени спелых и еще 14-18% - перестойных древостоев, которые могут быть отведены для эксплуатации. Причем, свыше 70% всех запасов содержится в пихтарниках развивающегося Ангаро-Енисейского района.

Подобным образом могут быть определены запасы эфирного масла в насаждениях отводимой лесосеки или сырье, скапливающемся при проведении рубок ухода, что имеет непосредственной практическое значение.

Влияние технологических факторов

Важным резервом выработки эфирного масла является оптимизация процесса. Его кинетические кривые характеризуются ускоренным выделением терпеноидов в начале отгонки (рис.1), что указывает на необходимость тщательной герметизации перегонного чана. В конце процесса скорость извлечения масла существенно (в 100 раз и более) ниже первоначальной. Однако, конечные фракции весьма богаты борнилацетатом, в связи с чем несмотря на их малый объем представляют практических интерес. Существенно изменяется в ходе отгонки и соотношение других компонентов пихтового масла. В соответствии с летучестью оно обедняется монотерпеноидными углеводородами (с 83 до 38% от суммарного количества), прежде всего сс-пиненом, камфеном и 3-кареном; и обогащается кислородсодержащими (с 14,0 до 45,4%) и сескватерпеноидными (с 3,1 до 15,3%) соединениями. Наблюдаемое фракционирование может улучшить перспективу практического использования масла, поскольку реализуется возможность его разделения на монотерпеноидную и кислородсодержащую части с выделением из последней сесквитерпеноидной фракции. Целесообразность такого фракционирования вытекает из различия областей потребления и свойств этих терпеноидов. Малотоксичные монотерпены рациональнее использовать для парфюмерно-косметических изделий, товаров бытовой химии и оздоровления атмосферы помещений;

Рис. 1. Кинетические кривые отгонки: 1 - пихтового масла, 2 - флорен-тинной воды, 3 - скорость выделения масла в процессе отгонки

кислородсодержащие вещества - как сырье для синтеза медицинской камфоры, токсичные сесквитерпеноиды - в инсектицидных препаратах.

Наиболее важным их технологических факторов, влияющим на выход пихтового масла, является температура рабочего пара. Его максимальное количество отгоняется при 120°С, которое больше вдвое, чем при 150°С и на треть, чем при 100°С. Кроме того, повышение температуры сокращает продолжительность выделения терпеноидов и значительно интенсифицирует процесс. Так, две трети эфирного масла при 100-110°С отгоняется за 60-75 мин, что составляет 40% времени варки; а при 140-150°С - соответственно за 9 -12 минут и около 12%.

Зависимость выхода товарного продукта (у) из древесной зелени пихты сибирской от температуры рабочей среды (t) удовлетворительно описывается параболическим уравнением у = -0,501t2 + 12,025t - 63,150.

При этом изменяется и состав масла. При ее повышении вклад моно и сесквитерпеноидов в масле уменьшается, а кислородсодержащих, в том числе и борнгагацетата - увеличивается. Происходящие изменения объявляются преимущественно различной склонностью терпеноидных соединений к окислительным превращениям. Сокращение доли монотерпеноидов связано также с их частичной этерификацией, а сесквитерпеноидных углеводородов - превращением в смолистые вещества. Увеличение борнилаце-тата и смолистых продуктов в среде при повышении ее температуры доказывается экспериментально.

Скорость прохождения пара через древесную зелень мало отражается на выходе и практически не сказывается на качестве масла. Тем не менее существует оптимум (30-100 мл/мин. на 1 кг. абс. сухого сырья), отклонение от которого приводит к уменьшению извлечения терпеноидов на 7-10%отн. '

Большее влияние на выход и состав пихтового масла оказывает измельчение древесной зелени. Оно обусловливает увеличение поверхности массообмена, сокращает путь к границе фаз, разрушает макроструктуру тканей и как результат повышает выход терпеноидов и снижает продолжительность отгонки. Оптимум их выделения отмечается для частиц 5-10 мм. Дальнейшее измельчение практически не дает эффекта. Кроме того, процесс интенсифицируется благодаря увеличению вклада количества перерезаемых хвоинок. Горизонтально расположенные в них каналы слабо связаны с коркой, что затрудняете удаление масла из целой хвои. Компонентный состав в меньшей мере зависит от измельчения, хотя при уменьшении размера частиц соотношение в масле монотерпеноидов возрастает, а кислородсодержащих - убывает.

Следует указать, что измельчение древесной зелени неоднозначно сказывается на выходе пихтового масла при повышении температуры. Если при отгонке масла из измельченного сырья при 110°С его значение возрастает на 20%, при 120°С является близким, то при 130°С имеет тенденцию к уменьшению. При проведении этой серии экспериментов изучалась также зависимость между выходом масла и толщиной побегов древесной залени, между которыми существует отчетливо выраженная обратная связь. Установлено, что при диаметре побегов около 11 мм. в сырье содержится менее 0,5% плохого по качеству масла.

Утилизация отходов пихтоварения

Наиболее объемным жидким отходом пихтоварения является фло-рентипная вода. Ее хвойный запах обусловлен наличием эфирного масла, находящегося в растворенном (0,2 г/л), а в производственных образцах и эмульгированном (0,05 г/л) состоянии. Его состав в связи с неодинаковой растворимостью в воде разных терпеноидов обогащен кислородсодержащими компонентами, в частности, борнилацетатом и борнеолом. Со-

держание минеральных веществ в ней, напротив, в 30-50 раз меньше, чем в свежей воде.

Результаты исследований свидетельствуют о возможности использования флорентинной воды вместе со свежей для генерации пара в котле установки. Проведенные испытания показали, что помимо снижения расхода свежей воды и загрязнения водоемов это увеличило на 1,5% выход товарного продукта и улучшило его качество, что объясняется переходом терпеноидных веществ флорентинной воды в отгоняемое масло. Кроме того, в связи с низким содержанием минеральных веществ ее применение сокращает образование накипи на оборудован™ и удлиняет срок его эксплуатации. Особенно выгодно потребление флорентинной воды для парообразования, охлаждения водно-масляных паров и, возможно, при концентрировании кубового остатка при дефиците свежей воды. Это свидетельствует о целесообразности ее многократного использования, то есть замыкания цикла по воде. Модернизация заключается в усложнении сети коммуникаций, включении в систему насоса и емкости 4-5 м3, что не требует больших затрат.

Следует также указать на высокую бактерицидность флорентинной воды, которая проверялась путем ее длительного хранения при 20°С. Даже после 1,5 - годовою стояния она сохраняла свой внешний вид и качественные показатели. Это обусловлено присутствием терпеноидов и других биологически активных веществ (стеринов й производных каротина). В связи с этим флорентшшая вода рекомендована в качестве ингредиента зубной пасты. Еее контрольные образцы, изготовленные на химкомбинате «Енисей», показали высокие потребительские, в том числе антимикробные свойства.

Другим жидким отходом пихтоваренного производства служит кубовый остаток (конденсат), скапливающийся на дне перегонных чанов и являющийся основным загрязнителем водоемов. Показано, что образующиеся при исследованных температурах конденсаты содержат много био-

логически активных и энергетических компонентов и могут успешно перерабатываться в хвойные экстракты. Содержание большинства компонентов, за исключением антоцианов возрастает при повышении температуры отгонки и превышают их величину в лечебном экстракте. В первую очередь это относится к моносахаридам и легкогидролизируемым полисахаридам, что объясняется интенсификацией гидролитического расщепления углеводных структур. Заметно увеличивается при этом вклад общих фенолов, дубильных веществ и катехинов, что, по - видимому, связано с улучшением диффузии и усилением распада фрагментов тканей древесной зелени. Этими же причинами можно объяснить и повышение в среде при увеличении температуры органических кислот, смолистых продуктов и минеральных веществ. Накопление в кубовом остатке нерастворимых веществ обусловливается выделением из сырья воскообразных и образованием конденсированных дубнльных продуктов.

Введение хвойного экстракта, получаемого в традиционных условиях, в рацион цыплят-бройлеров, увеличивает их сохранность, повышает категорийность и обеспечивает до 10% привеса. Эффективно их использование и как стимулятора антибиотикообразования в производстве ти-лозина. Близкие показатели получаемых при разных температурах конденсатов и единый сырьевой источник служат основанием для заключения об адекватности свойств всех исследованных экстрактов.

Твердый остаток пихтоварения составляет свыше 90% от исходного сырья, что указывает на важность его рациональной переработки. Компонентный состав отработанного сырья, остающегося при разной температуре отгонки, заметно различается. Так, при 110°С массовая доля водорастворимых углеводов увеличивается в 1,7 раз, при 130°С - в 2,3 раза; сырой клетчатки сокращается соответственно на 11 и 35%. Происходящие при гидротермической обработке изменения в основном связаны с де-структурированием гемицеллюлозных, целлюлозных и лигнин-целлюлозных комплексов. Они улучшают питательные свойства остатка и

приближают его по перевариваемости к люцерновому и злаковому сену. Напротив, усиление термического воздействия уменьшает вклад пигментов. Если при 100°С концентрация каротина по сравнению с исходным сырьем снижается на 6 и хлорофилла на 18%, то при 130°С - соответственно в 1,5 и 2 раза.

Полученные продукты могут служить хорошей заменой традиционных кормов. При этом их качество может быть существенно улучшено при обогащении хлорофилло-каротиновой пастой (ХКП), получаемой из древесной зелени настаиванием в бензине и последующем омылении ли-пидного экстракта. Как показало изучение сезонной динамики, производство ХКП наиболее эффективно из сырья, заготовляемого в апреле, мае, в сентябре.

Эффективность и улучшение питательных свойств кормового продукта достигается и добавлением к нему хвойного экстракта, других органических или минеральных смесей, а также выращиванием на отработанной древесной зелени грибного мицелия. Твердый остаток может утилизироваться также как субстрат для компостирования.

Углекислотное экстрагирование отработанной зелени

Эффективным вариантом переработки остающейся при пихтоварении древесной зелени является ее углекислотная экстракция. Выделяемый при этом продукт состоит из липидной и водорастворимой частей. Липидная фракция, выход которой составляет 1,9% от абс. сухой массы, характеризуется высоким содержанием ценных непредельных кислот и душистых карбонильных соединений. Она также богата пигментами, провитаминами О, Т и витамином Р, которым свойственны биостимулирующее, рано-заживляющее и антиоксидантное действия. Это указывает на возможность использования липидов в медицинских препаратах, косметических изделиях, товарах бытовой химии.

Водорастворимая часть экстрактов содержит углеводы, эфиры , другие органические соединения, в том числе мальтол и комплекс минеральных веществ. Однако, в связи с их низкой концентрацией представляется рациональным эту фракцию перерабатывать вместе с кубовым остатком.

Дальнейшее фракционирование шшидных продуктов показало, что они содержат примерно равные части омыляемых (кислотных) и неомы-ляемых (нейтральных) веществ. Выделяемые фракции после концентрирования, а в случае стеринов и лактонов и дополнительной обработки, анализировали методом ГЖХ.

Установлено, что терпепоидные углеводороды составляют около 2% от липидов и представлены моно (28)-, сескви (18)- и дитерпеноидными (54%) соединениями. Около трети неомыляемой фракции принадлежит спиртам и лактонам. Значительное место в ней занимают лактон Р-стерина (21,5%) и сам р-стерин (8,6%). Вместе со сложными эфирами на р-стерин и его производные, которые считаются эффективными биологически активными веществами, приходится свыше трети нейтральных липидов экстракта.

Омыленные продукты липидного экстракта состоят из практически равных частей жирных (46,4%) и смоляных (50,4%) кислот. На хромато-грамме жирных кислот отмечается 9 пиков, среда которых идентифицированы пальмитиновая (6%), линолевая (8%) и олеиновая (19%) кислоты. Найдена там и линоленовая кислота, которая входит в состав витамина F, ответственного за модулирование гормональной активности. Основными из смоляных кислот являются абиетиновая (16,3%) и дигидроабиетиновая (27,7%) кислоты. Их компонентами являются также изопимаровая (4,5%) и палюстровая (2,0%) кислоты.

Оставшаяся после экстракции древесная зелень богата протеинами, углеводами, жирами, содержит каротин и хлорофиллы. Сравнительно много в ней и различных макро- и микроэлементов, необходимых для нормального развития организмов. По составу проэкстрагированное сы-

рье соответствует требованиями, преъявляемым к хвойной кормовой муке, в связи с чем она может быть утилизована для производства кормов.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Предлагаемая технологическая схема переработки лесосечных отходов состоит из двух основных этапов. При паровой обработке производится эфирное масло, хвойный экстракт и хвойно-витаминная мука. При 50%-ной влажности зелени из 1 т. получают 13,5 кг. масла, 15-20 кг. экстракта и 450-460 кг. муки. В процессе углекислотной экстракции из отработанной зелени выделяются липидная и водорастворимая фракции. Последняя из них (3,5 кг/т.) совместно с кубовым остатком перерабатывается в хвойный экстракт. Липидная часть (1,9% от абс. сухой массы) разделяется на нейтральную (3,8 кг/т.) и кислотную (4,2 кг/т.) фракции. Проэкстра-гированная древесная зелень может быть использована в парниковом хозяйстве или переработана на хвойную кормовую муку.

Таким образом, предлагаемая технология позволяет получить из лесосечных отходов пихты 5 товарных продуктов. В ней традиционное пих-товарение дополняется концентрированием кубового остатка, системой оборотного водоснабжения, углекислотной экстракцией и утилизацией отработанной массы.

Принципиальная схема основного производства представлена на рис. 2. Лесосечные отходы транспортом подаются на склад сырья и далее на измельчитель "Волгарь 1". Измельчение интенсифицирует процесс и позволяет механизировать загрузку сырья и способствует провещению его углекислотной экстракции. Масса ленточным транспортером направляется в кожух вентилятора высокого давления и далее по пневмопроводу в загрузочный циклон 4. Посредством рукава она загружается на решетки перегонного чана 3. Использование решеток облегчает разгрузку отработанного сырья с помощью тали 5. После загрузки с уплотнением чан герметизируется и в него подается пар. Из верхней части чана образовавшиеся там водно-масляные пары направляются в конденсатор-

Рис. 2. Технологическая схема комплексной переработки лесосечных отходов. Пихтоваренное отделение. 1 - рубительная машина, 2 -компрессор, 3 - перегонный чан, 4 - загрузочный циклон, 5 - тельфер, 6 - конденсатор, 7 - отстойник, 8 - флорентина, 9 - емкость для флорентинкой воды.

холодильник б, конденсируются там и идут на разделение во флорентину 9. Пихтовое масло поступает в приемник готовой продукции 7, а флорен-тинная вода из флорентины самотеком - в резервную емкость 9, откуда в определенное время - в котел установки.

Из отверстия на дне чана кубовый остаток, проходя через фильтры, собирается в сборнике, из которого подается в выпарной бак. В нем он доводится до плотности 1, 225 кг/см3, стабилизируется и направляется на склад. Отработанная древесная зелень на аппарате витаминной муки АВМ-0,65 перерабатывается на хвойную муку.

При проведении углекислотной экстракции остаток после пихтоваре-ния подсушивается до 20%-ной влажности, загружается в экстрактор, ва-куумируется и герметизируется. Экстрагирование осуществляется путем непрерывного промывания жидкой углекислотой отработанного сырья. Экстракт выводится из нижней части экстрактора и поступает в испаритель. Испаряющаяся углекислота, пройдя через конденсатор, идет на повторное использование. Экстракт-сырец из испарителя стекает в отстойник, где разделяется на липидную и водную части. Водная часть перерабатывается на хвойный экстракт. Липидная часть может использоваться непосредственно или разделяться на нейтральную и кислотную фракции.

Предлагаемая технология в зависимости от реальной возможности позволяет вырабатывать от 2 до 5 товарных продуктов. Комплексность переработки сырья улучшает и экологическое состаяние предприятий, поскольку исключает складирование отходов и сбрасывание сточных вод в водоемы, а также способствует созданию рабочих мест.

Согласно опытным данным при работе на двухчановой установке ежегодно перерабатывается в среднем 700 т. древесной зелени. Измельчение ускоряет оборот на 20%, то есть увеличивает ее массу до 840 т. При утилизации такого количества сырья можно получить:

- эфирного масла, т. 11,2

- хвойного экстракта с 50%-ным содержанием сухих веществ, т. 13,5

- хвойного кормового продукта в пересчете на сухую массу, т. 375

- липидного концентрата, т. 8,0

- нейтральной фракции, т. 3, 2

- кислотной фракции, т. 3,5

В конкретных условиях производство всего комплекса продуктов затруднительно. Наиболее реально, по крайней мере в начальный период, получение эфирного масла и хвойного экстракта, технико-экономические показатели производства которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные технико-экономические показатели цеха

Показатели Значение

Выработка товарных продуктов в натуральном выражении, т.

Пихтовое масло 11,2

Хвойный экстракт 13,5

Годовой объем 24,7

Выработка продуктов в денежном исчислении, тыс. руб.

Пихтовое масло 5040,0

Хвойный экстракт 1282,5

Годовой объем 6322,5

Масса перерабатываемого сырья, т.

В свежем виде 840,0

в абс. сухом состоянии 420,0

Численность персонала, чел. 8

Расходные статьи, тыс. руб.

Сырье 1680,0

Дрова, горючее 442,2

Эксплуатация оборудования, включая транспорт 672,1

Зарплата с начислениями 1823,5

Себестоимость производимой продукции, тыс. руб. 4617,8

Прибыль, тыс. руб. 1704,7

Капиталовложения, тыс. руб. 1285,7

Рентабельность,% 28,9

Окупаемость, лет 0,8

Основным товарным продкутом, обеспечивающим успешную работу предприятия, является пихтовое масло. Вместе с тем существенную часть дохода приносит и реализация хвойного экстракта. На его долю приходится до 20% общей суммы. Рентабельность цеха - 29%, срок окупаемости - 0,8 года.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние различных биоценотических факторов на количественное содержание и качественный состав эфирного масла лесосечных отходов пихты. Их наибольшее варьирование обусловлено индивидуальной изменчивостью, временем года и возрастом деревьев (V - 17,6 -31,0%). В меньшей мере на эти показатели сказываются географическая, суточная, эндогенная изменчивость и размещение вегетативных органов по сторонам света (V - 2,2-9,2%). Для экономики цеха особенно важно располагать данными по сезонной и возрастной динамике.

2. Оценены потенциальные ресурсы эфирного масла в приенисейских пихтовых древостоях Красноярского края. Их общее количество превышает 1,25 млн. т., из которых 50-60% приходится на спелые и 14-18% - на перестойные древостой, которые отводятся для рубок.

3. Найдено, что скорость выделения эфирного масла на начальных стадиях на 2-3 порядка выше, чем на конечной. При отгонке изменяется и его состав: вклад монотерпеноидов уменьшается с 80 до 40%, кислородсодержащих соединений возрастает с 13 до 45% и сксквитерпеноидных компонентов - с 3 до 15%, что указывает на целесообразность раздельного от-

бора фракций. Максимальный выход масла отмечается при 120°С. При этом измельчение сырья и повышение температуры интенсифицирует процесс. Выход терпиноидов зависит также и от диаметра побегов перерабатываемой древесной зелени: при возрастании диаметра с 3 до 18 мм. объем выделяемого масла снижается почти в 10 раз.

4. Разработаны пути утилизации отходов пихтоварения. Флорентин-ная вода используется для парообразования, что сокращает расход свежей воды, повышает выход масла и снижает накипеобразования в аппаратуре. Кубовый остаток перерабатывается в хвойный экстракт, отработанная древесная зелень - в кормовые продукты, субстрат для компостирования, а также может быть использована как сырье для углекислотной обработки.

5. Рзработана технологическая схема комплексной малоотходной переработки лесосечных отходов пихты сибирской с получением 5 товарных продуктов. Она включает обработку сырья водяным паром и жидкой углекислотой и утилизацию образующихся вторичных отходов. В схеме предусматривается возможность использования массы и тепла флорен-тинной воды и обогащение кормового продукта хвойным экстрактом. При внедрении технологии наряду с экономическими решаются экологические и социальные вопросы.

6. Установлено, что при углекислотной обработке твердого остатка пихтоварения извлекается 2,6% экстракта, который состоит из водной (0,70), нейтральной (0,85) и кислотной (0,94%) фракций. Водная фракция из-за низкого содержания мальтола (0,07%) перерабатывается совместно с кубовым остатком. Приятный запах и наличие хлорофиллов, стеринов, провитаминов и других биологически активных компонентов указывает на возможность использования липидного комплекса и особенно его нейтральной фракции в рецептурах парфюмерно-косметических изделий и товаров бытовой химии.

7. Рассчитана годовая выработка продукции средней по мощности установки и рассмотрена спецификация основного оборудования, а также определены технико-экономические показатели варианта с получением эфирного масла и хвойного экстракта. Рентабельность производства 28,9%, срок окупаемости около 10 мес.

Основное содержание работы изложено в публикациях:

Ушанова В.М., Лободина М.Н., Репях С.М., Бойко Н.В. Биологически активные вещества углекислотных экстрактов // Переработка растительного сырья и утилизация отходов.-Красноярск: КГТА, 1996.-С.216-220.

Бойко Н.В., Степень P.A. Углекислотная обработка твердого остатка пихтоварения // Эколого-экономические проблемы Красноярского края.-Красноярск: КГТЭИ, 1997.-С.47.

Карелина О.В., Бойко Н.В., Степень P.A. Влияние технологических факторов на выход и состав пихтового масла // Экологические проблемы Красноярского края.-Красноярск: KITA, 1997.-С.19-20.

Буракова H.A., Бойко Н.В., Степень P.A. Утилизация отходов пихтоварения // Экологические проблемы Красноярского края .-Красноярск: КГТА, 1997.-С.20-21.

Репях С.М., Степень P.A., Бойко Н.В. Комплексная переработка лесосечных отходов пихты сибирской // Эколого-экономические проблемы лесного комплекса.-СПб.: ЛТА, 1997,-С.119-121.

Репях С.М., Степень P.A., Бойко Н.В. Влияние основных биоценоти-ческих факторов на выход и состав эфирного масла/ Деп.- М.: ВИНИТИ, 1997.-27с.