Извлечение биологически активных веществ из отходов древесины лиственницы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
К. В. Валеев, Р. Г. Сафин 
ИЗВЛЕЧЕНИЕ  
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ 
ВЕЩЕСТВ ИЗ ОТХОДОВ 
ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 674.8 
ББК 37.13 
В15 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. техн. наук В. В. Леонтьев 
канд. техн. наук К. В. Ершов 
В15 
Валеев К. В. 
Извлечение биологически активных веществ из отходов древесины 
лиственницы : монография / К. В. Валеев, Р. Г. Сафин; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2022. – 108 с. 
ISBN 978-5-7882-3214-0 
Рассмотрены известные в отечественной и зарубежной практике методы и технологии извлечения биологически активных веществ из отходов 
древесины лиственницы. Представлено современное состояние техники и технологии производства биологически активных веществ. Предложена математическая модель, представленная совокупностью математических описаний 
стадий пропитки, экстракции, выпаривания и сушки извлекаемых компонентов. Приведены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований. Спроектирована пилотная установка, которая использовалась для отработки режимов процесса для промышленной реализации. 
Предназначена для ИТР, аспирантов и студентов, обучающихся по лесотехническим специальностям. 
Подготовлена на кафедре переработки древесных материалов. 
УДК 674.8 
ББК 37.13 
ISBN 978-5-7882-3214-0 
© Валеев К. В., Сафин Р. Г., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение ...................................................................................................... 6 
Глава Ι. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И 
ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ 
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ 
ЛИСТВЕННИЦЫ ....................................................................................... 7 
1.1. Современное состояние теории экстрагирования ценных 
компонентов из сырья растительного происхождения 
............................. 
7 
1.2. Биологически активные вещества древесины лиственницы 
и области их применения ............................................................................. 
10 
1.3. Технологическое и аппаратурное оформление процессов 
экстракции биологически активных веществ из отходов  
древесины лиственницы 
............................................................................... 
14 
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА 
ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 
ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ 
.................................. 29 
2.1. Физическая картина процесса извлечения биологически 
активных веществ из отходов древесины лиственницы 
......................... 
29 
2.2. Формализация процесса ........................................................................ 
31 
2.3. Математическое описание процессов извлечения  
биологически активных веществ из отходов древесины 
лиственницы ................................................................................................... 
33 
2.3.1. Математическое описание процесса пропитки частиц 
экстрагентом 
..................................................................................... 33 
2.3.2. Математическое описание процесса экстракции 
биологически активных веществ 
.................................................... 36 
2.3.3. Математическое описание процесса выпаривания 
экстракта ........................................................................................... 38 
2.3.4. Математическое описание процесса сушки 
извлекаемых компонентов .............................................................. 39 
2.4. Алгоритм расчета математической модели процесса 
извлечения биологически активных веществ из лиственницы ............. 
40 
3 

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 
ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 
ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ 
.................................. 42 
3.1. Описание лабораторных установок для проведения  
процесса извлечения биологически активных веществ из  
отходов древесины лиственницы ............................................................. 42 
3.2. Методика проведения экспериментов и обработка 
экспериментальных данных ...................................................................... 44 
3.3 Анализ результатов математического моделирования и 
экспериментальных исследований ........................................................... 48 
3.3.1. Экспериментальные исследования процесса извлечения 
смеси биологически активных веществ 
......................................... 49 
3.3.2. Экспериментальные исследования процесса извлечения 
арабиногалактана ............................................................................. 55 
3.3.3. Определение коэффициентов массопроводности  
древесины лиственницы при извлечении биологически  
активных веществ и арабиногалактана 
.......................................... 58 
3.3.4. Анализ результатов математического моделирования 
процесса пропитки древесного сырья 
............................................ 61 
3.3.5. Анализ результатов математического моделирования 
процесса экстракции 
........................................................................ 63 
ГЛАВА IV. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА 
ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 
ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ 
.................................. 68 
4.1. Описание пилотной установки для извлечения  
биологически активных веществ в периодическом режиме 
................. 68 
4.2. Методика проведения исследований на пилотной установке ....... 71 
4.3. Анализ результатов испытаний пилотной установки 
для извлечения биологически активных веществ .................................. 73 
4.4. Промышленная установка для извлечения биологически  
активных веществ из отходов древесины лиственницы 
........................ 77 
4 

4.5 Технико-экономическое обоснование предложенного 
способа извлечения биологически активных веществ из 
отходов древесины лиственницы ............................................................. 80 
4.5.1. Обоснование экономической эффективности  
извлечения биологически активных веществ на пилотной 
установке .......................................................................................... 80 
4.5.2. Оценка энергетической эффективности промышленной 
установки для извлечения биологически активных веществ 
из отходов древесины лиственницы .............................................. 83 
Заключение 
................................................................................................ 85 
Основные обозначения............................................................................. 88 
Список использованной литературы и источников .............................. 90 
5 

В В Е Д Е Н И Е
Ежегодно на предприятиях деревообрабатывающей промышленности после распиловки древесины лиственницы образуется около 
30 млн м3 отходов, которые содержат комплекс веществ с высокой биологической активностью. Одним из перспективных направлений утилизации и комплексной переработки образующихся отходов лиственницы является извлечение ценных компонентов для широкого применения их в фармацевтической, косметической, пищевой и сельскохозяйственной отраслях промышленности в качестве биологических добавок и сырья для медицинских препаратов. 
Наиболее важной группой биологически активных веществ 
(БАВ) древесины лиственницы являются флавоноиды, содержание которых доходит до 2,5 % от общей массы древесины, представленные 
в основном в виде дигидрокверцетина (ДКВ), кверцетина и дигидрокемфорола. Также немаловажным ценным компонентом в древесине 
лиственницы является арабиногалактан (АГ), содержание которого доходит до 19 % от общей массы древесины.  
Помимо вышеуказанных биологически активных веществ 
в древесине лиственницы содержатся и побочные продукты в виде 
эфирного масла (ЭМ) и лиственничной смолы (ЛС). Их содержание может достигать 1,93 % от общей массы флавоноидов. 
Высокие терапевтические свойства биологически активных веществ, содержащихся в лиственнице, обусловливают широкий интерес 
исследователей к теме их извлечения. Существующие методы извлечения из нее ценных компонентов не всегда обеспечивают высокий выход 
биологически активных веществ, а также сопровождаются рядом проблем, связанных с: регенерацией растворителей, высокими энергозатратами на проведение процесса, обеспечением экологичности производства и переработкой образующихся отходов экстракции. 
В связи с вышеизложенным актуальной задачей как с научной, 
так и с практической точки зрения является изучение кинетики процесса извлечения экстрактивных веществ из биомассы лиственницы, 
разработка энергоэффективной технологии комплексной переработки 
лиственницы. 
6 

Г л а в а  Ι .  С О В Р Е М Е Н Н О Е  С О С Т О Я Н И Е  Т Е Х Н И К И  
И  Т Е Х Н О Л О Г И И  П Р О Ц Е С С А  И З В Л Е Ч Е Н И Я  
Б И О Л О Г И Ч Е С К И  А К Т И В Н Ы Х  В Е Щ Е С Т В  
И З  О Т Х О Д О В  Д Р Е В Е С И Н Ы  Л И С Т В Е Н Н И Ц Ы  
1 . 1 .  С о в р е м е н н о е  с о с т о я н и е  т е о р и и  
э к с т р а г и р о в а н и я  ц е н н ы х  к о м п о н е н т о в  
и з  с ы р ь я  р а с т и т е л ь н о г о  п р о и с х о ж д е н и я  
Процесс извлечения биологически активных веществ из растительного сырья широко применяется в различных отраслях промышленности. В настоящее время проведено большое количество исследований по изучению закономерностей процесса экстракции растительных материалов. Этот процесс относится к системе «твердое тело – 
жидкость» [15, 35, 88].  
В работе В. Д. Пономарева [86] описан способ извлечения лекарственных веществ из растительного сырья путем экстракции, включающий стадии: смачивания сырья, пропитки извлекаемых веществ 
и их растворение, массоперенос биологически активных веществ молекулярной диффузией, массотдачу веществ в экстрагент. 
В результате были получены кинетические характеристики процесса экстракции, которые позволили рассмотреть процесс извлечения 
биологически активных веществ из растительного сырья. 
Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии в общем виде записывается соотношением  
∂С
∂2C
Г
∂C
∂ 2 +
 ∙
∂ ).                              (1.1) 
∂τ = D ∙(
При обтекании сырья экстрагентом можно применить граничное условие третьего рода: 
𝜕𝐶
−𝐷𝑚(
= 𝛽(𝐶П −𝐶1).                             (1.2) 
𝜕)
П
7 

Величина коэффициента массоотдачи зависит от гидродинамики обтекания частицы экстрагентом. При больших скоростях обтекания 𝛽 → , скорость извлечения лимитируется диффузией в частице.  
Для описания кинетики процесса извлечения применялись 
также уравнения первого и второго порядка, модель Пелега, модель 
Минчева и Минюкова.  
Ю. А. Тепляковым, С. П. Рудобаштовым с соавт. [103] проводился расчет процессов экстрагирования из твердых материалов различной структуры. Для определения плотности потока использовали  
уравнение массопроводности, а значение коэффициента массопроводности вычисляли по формуле 
𝐸𝑘
𝑅∗𝑇.                              (1.3) 
𝑘= (𝜀𝑀−0,325)𝑘∞𝑒
Расчет внутридиффузионной кинетики выполнялся из расчета 
модельных кинетических кривых экстрагирования по формуле 
𝐹𝑜𝑚𝑅2
𝜏𝑖=
𝑘𝑖
.                                             (1.4) 
Авторами Wenjuan Qu, Pan Zhongli [136] кинетика процессов водной экстракции гранатового сока описывалась при вариации таких параметров, как сушка перед экстракцией, размер частиц, температура и соотношение сырье : экстрагент. Для количественной оценки скорости извлечения антиоксидантов был использован закон второго порядка: 
𝑑𝐶𝑒
𝑑𝑡= 𝑘(𝐶𝑒−𝐶𝑡)2.                                   (1.5) 
Уравнение Аррениуса было использовано для описания зависимости между константой скорости экстракции k и температурой T. Скорость экстракции записывается как 
1000𝐸
𝑘= 𝑘0exp (−
𝑅𝑇
𝑎).                                     (1.6) 
В работе [45] Ю. А. Малковым исследованы кинетические процессы экстракции коры лиственницы этилацетатом и определены диффузионные критерии. Для определения диффузионного критерия использовали уравнение 
8 

6𝑏
.                                 (1.7) 
𝐵1 =
𝜇1
2
(3𝑏−
𝐵𝑖)2+𝜇1
2(1−1
𝐵𝑖)+9𝑏
Установлено, что размеры частиц влияют на внутридиффузионное сопротивление и гидродинамику процесса. Также в ходе работы 
были определены коэффициенты диффузии процесса экстракции сухой 
и влажной коры: 
𝐷= 𝐷0[1 + (0,2𝑊−0,06)(𝑡−𝑡0)],                      (1.8) 
где 
𝑡0 = 293𝐾, 𝐷0 = 1,3 ∙10−7 см2
с  для 
сухой 
коры; 
𝑡0 =  293𝐾, 𝐷0 =  7,9 ∙10−7 см2
с  для влажной коры. 
D. T. Velickovic, D. M. Milenovic [138] описывали кинетикау 
ультразвуковой экстракции биологически активных веществ из сухих 
трав садового и клейкого шалфея с использованием экстрагента (петролейный эфир, 70 % раствор этанола, дистиллированная вода) при 
температуре 40 °С. В качестве начальных условий рассматривали полярность экстрагента и различные условия экстракции. Процесс описания математической модели извлечения БАВ разделяли на две части: 
в первой части рассматривали промывку и растворение БАВ вблизи поверхности частиц, а во второй – медленную экстракцию или диффузию 
из твердых частиц в жидкий экстракт. Ультразвуковая экстракция 
успешно описана математически с использованием нестационарной 
диффузии через растительный материал, теории пленок и эмпирического уравнения Пономарева, которые чаще всего используются для 
описания кинетики классической мацерации.  
В работе Balyan Upasna [120] была рассмотрена кинетика водной экстракции фенольных соединений из семян джамуна. Было исследовано влияние различных параметров, таких как температура, время, 
соотношение сырье : экстрагент, на процесс экстракции. В ходе работы 
была исследована кинетика общей экстракции полифенолов из растительного сырья. Экспериментальные данные описаны и проанализированы с помощью четырех кинетических моделей, таких как модель первого порядка, модель второго порядка, модель Пелега и модель Минчева и Минкова. В ходе моделирования выявлено, что модель первого 
порядка является более подходящей для извлечения полифенолов из семян джамуна. 
9 

Для определения содержания влаги в зависимости от времени 
замачивания семян использовалась линеаризованная форма уравнения 
Пелега: 
𝜏
𝑀−𝑀0 = 𝐾1 + 𝐾2.                                     (1.9) 
В работе Ю. И. Шишацкого [112] был определен коэффициент 
диффузии экстрактивных веществ в люпине. В ходе работы рассматривалась задача распределения концентрации биологически активных веществ в твердом теле. Выявлена зависимость молекулярного коэффициента диффузии от строения твердого тела, температуры процесса 
и находящихся в сырье биологически активных веществ. Также определено, что коэффициент диффузии не зависит от поверхности сырья 
и конструкции аппарата. Для описания обобщенного уравнения для 
шара, бесконечной пластины и бесконечного цилиндра использовали 
дифференциальное уравнение молекулярной диффузии Фика.  
И. В. Новиковой [50] были исследованы диффузионные характеристики процесса, которые позволили не учитывать сопротивление 
переноса веществ в растворитель при экстрагировании древесины 
вишни и сливы. Для описания математической модели использовалось 
уравнение нестационарной диффузии в неограниченной пластине. 
Представленные выше материалы свидетельствуют о многообразии подходов к описанию кинетики извлечения БАВ из растительного сырья и подчеркивают актуальность совершенствования существующих подходов.  При этом дальнейшее исследование в данном 
направлении с учетом строения растительного материалов, условий 
протекания процессов, используемых экстрагентов является актуальными.  
1 . 2 .  Б и о л о г и ч е с к и  а к т и в н ы е  в е щ е с т в а  
д р е в е с и н ы  л и с т в е н н и ц ы  и  о б л а с т и  
и х  п р и м е н е н и я  
Лиственница (Larix) относится к хвойным породам семейства 
Сосновые (Pinaceae), является одним из наиболее распространенных 
10