СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО РАФИНИРОВАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2013 года по МПК B01D39/04 

Заявленное изобретение относится к технологии получения из древесины фильтрующего материала, который может использоваться в качестве вспомогательного фильтрующего порошка для очистки жидких продуктов от взвешенных или коллоидных частиц. Технология основана на измельчении и рафинации древесины. Фильтрующий материал предназначен преимущественно для использования в пищевой и фармацевтической промышленности.

Очистка жидких продуктов от сопутствующих веществ, присутствующих в виде коллоидных или взвешенных частиц, путем фильтрации является важной технологической стадией. Под понятием вспомогательный фильтровальный материал следует понимать ряд материалов, которые в виде порошков, гранул или волокнистых частиц применяются в качестве намывного слоя при фильтрации. При этом вспомогательный фильтровальный материал должен быть химически нейтральным по отношению к целевому продукту и другим компонентам среды, не должен оказывать отрицательного влияния на качество и органолептические показатели целевого продукта.

Вспомогательный фильтровальный материал можно наносить перед началом фильтрации в качестве дренажного слоя (намывной фильтр) на фильтровальное средство, чтобы получать рыхлый фильтровальный осадок, или непрерывно подмешивать к подлежащей фильтрации жидкости.

В качестве вспомогательного фильтровального материала применяют минеральные порошки: кизельгур (диатомная или инфузорная земля) и перлит (Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. - М. «Химия», изд.4, 1980, с.345-349). Минеральные порошки содержат окислы зольных элементов, полученные при обжиге порошков, и поэтому обладают существенным недостатком, поскольку могут взаимодействовать с компонентами фильтрата, имеющими кислотные или щелочные свойства. Продукты взаимодействия ухудшают качество продукции, а в отдельных случаях обладают канцерогенными свойствами. Кроме того, отработанные минеральные порошки при больших объемах применения загрязняют окружающую среду при захоронении.

В качестве вспомогательного фильтрующего материала используют целлюлозу, полученную главным образом из хлопкового волокна (Kretzschmar H., Die Filtrhilfsmittel und ihre Anwendung. Osterreichische chemiker Zeitung, v.65, №10, j.1964. s.312.). Целлюлоза не содержит зольных элементов и может использоваться для фильтрации продуктов с кислотными или щелочными свойствами. Основным недостатком данного фильтровального порошка является значительная набухаемость и сжимаемость целлюлозных волокон из-за отсутствия в их структуре лигнина и, как следствие, низкие дренажные свойства.

Известен древесный порошок в виде муки, используемый как фильтрующий материал, полученный из древесины хвойных и, или лиственных пород путем сушки древесины до влажности не более 8,1% и измельчения до муки с преимущественным размером частиц 560 и 1250 мкм 1 (ГОСТ 16361-87. Мука древесная. Технические условия). Фильтрующий материал, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 16361-87, содержит 1,0% зольных элементов, до 5,0% смол и жирных и эфирных масел, а концентрация кислот не нормируется. Высокое содержание примесей, способных переходить в продукт, оказывает отрицательное влияние на качество фильтруемой продукции. В связи с этим, известный фильтрующий материал непригоден для использования в пищевой или фармацевтической промышленности и используется в основном для фильтрации технических жидкостей.

Традиционные способы получения древесной муки (Цывин М.М., Котцов С.Г., Шмаков И.В. Производство древесной муки. М. ВНИПИЭИлеспром, 1977, 46 с.; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 3rd edition (1951), first volume, page 492, key word "felted layers" and page 493) путем дробления древесины, сушки и фракционирования порошка не позволяют производить рафинированный фильтрующий материал, пригодный для использования в пищевой или фармацевтической промышленности. Фильтрующий материал, полученный этими способами, содержит химически активные компоненты, которые переходят в фильтруемый продукт, ухудшая его качественные показатели. Порошок сжимаем и разбухает в водной среде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ получения вспомогательного фильтрующего материала (Патент США US №6,871,746, B01D 39/04, B01D 39/00, опубл. 29.03.2005 г.). Известный способ предусматривает измельчение древесины до размера частиц (волокон) преимущественно до 1 или 3 мм и последующую их обработку слабым водным раствором щелочи при температуре ниже 100°C и атмосферном давлении с целью удаления химически активных веществ, которые при фильтрации могут переходить в фильтрат и влиять на качество продукта (цвет, запах, вкус и др.). После обработки раствором щелочи древесный порошок промывают водой, нейтрализуют кислотой до нейтральной pH водной вытяжки, а затем высушивают до влажности не более 10%. Одним из основных условий данного способа является сохранение лигнина после обработки раствором щелочи в фильтрующем материале на уровне исходной древесины. Для сохранения дренажных свойств намывного слоя вспомогательного фильтрующего материала в известном способе предусматривается возможность добавлять к нему несжимаемые минеральные фильтровальные порошки типа кизельгура, перлита и др.

Известный способ имеет следующие недостатки:

- во-первых, температурный режим обработки древесного порошка разбавленным водным раствором щелочи находится в пределах от 20 до 100°C. Только щелочная обработка и низкая температура обработки не дает возможности в полной мере омылять высокомолекулярные спирты, масла и смолы. Не экстрагируются нейтральные и гидролизуемые кислотой вещества. В связи с этим, неомыленные высокомолекулярные вещества не переходят в водорастворимую форму, не экстрагируются щелочным водным раствором и водой при последующей промывке, а остаются в значительном количестве в фильтрующем порошке, а при использовании таких порошков для фильтрования органических жидкостей и масел возможно загрязнение фильтрата;

- во-вторых, в процессе щелочной обработки и последующей нейтрализации кислотой для обеспечения нейтральной pH водной вытяжки порошка происходит частичное разрыхление материала за счет удаления водорастворимых и омыленных не структурообразующих веществ - смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот, частичный гидролиз гемицеллюлоз до олигосахаридов, что приводит к нарушению химической связи клетчатки с лигнином. Указанные процессы снижают упругость древесных волокон, способствуют их набуханию. Набухшие волокна при фильтрации образуют сжимаемый намывной слой с низкой фильтрующей способностью;

- в-третьих, при всем многообразии химического состава древесины, определяющего его свойства и физические характеристики, а также нестабильность этих показателей даже для одной породы не только от возраста, но и от места нахождения в стволе древесины, не обеспечивают стабильного качества фильтрующих порошков только обработкой древесного порошка разбавленным водным раствором щелочи. Известный способ применим только для узкого класса хвойных пород древесины, содержащих пониженное количество смол и экстрактивных веществ, как нами установлено, это ель европейская, поэтому не применим для широкого спектра сырья и отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.

К указанным недостаткам можно также добавить сложность и высокую стоимость размола, деструктивное повреждение поверхности частиц, увеличивающее их удельную поверхность, низкую плотность исходного сырья (для сухих хвойников ель-сосна 450-550 кг/м³), связанную с высокой капиллярной пористостью частиц после испарения влаги из сырой древесины, что ведет к увеличению потерь фильтруемого материала.

Техническим результатом изобретения является повышение степени очистки фильтрующего материала, полученного из древесного сырья, в том числе древесных заготовок, опилочных или стружечных отходов древесины прессованных или пеллетированных с целью использования фильтрующего материала в пищевой и фармацевтической промышленности и без ухудшения качества продукции, и обеспечение его высокой фильтрующей способности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения древесного рафинированного фильтрующего материала первоначально проводят водно-химическое экстрагирование водорастворимых, омыляемых и гидролизуемых веществ из дробленого древесного сырья путем его обработки при кипении водным раствором гидроксида натрия или уксусной кислоты при концентрации 0,2-1 г/л, затем отделяют твердую фазу от жидкого экстракта, проводят сушку твердой фазы и ее обработку перегретым паром при температуре 130-160°C до удаления летучих примесей.

В качестве сырья используют древесные заготовки и обрезки, дробленые предпочтительно до максимального линейного размера 5-15 мм, а также опилочные или стружечные отходы древесины, в том числе прессованные или пеллетированные.

Сырье мягких пород древесины перед или после водно-химического экстрагирования подвергают экструзивному пеллетированию.

Водно-химическое экстрагирование проводят с помощью воды. При водно-химическом экстрагировании воду, водный раствор гидроксида натрия или уксусной кислоты берут в количестве 30÷100% от массы дробленого древесного сырья.

Сушку совмещают с дезодорацией.

Обработку перегретым паром проводят в нейтральной атмосфере или вакууме со скоростью возрастания температуры до 2÷10°C/мин.

Обработку перегретым паром осуществляют путем продувки перегретого пара через слои древесного сырья.

После обработки перегретым паром полученное рафинированное сырье измельчают и разделяют на рафинированные фильтрующие порошки различной проницаемости.

Продувку перегретого пара осуществляют через сформированные на сетчатых фильтровальных перегородках дренируемые слои древесного сырья.

Обработку перегретым паром осуществляют при температуре 130°-160°C со скоростью возрастания температуры до конечной 2÷10°C/мин.

При этом границы температурного интервала определяются породой исходного дерева, для лиственных пород и сибирской лиственницы нижняя и средняя температурная зона, для хвойных пород ели, сосны, пихты, в особенности из сибирского региона, средняя и верхняя температурная зона.

Границы интервала скорости возрастания температуры (возгонки с испарением остаточной влаги) определяются влажностью поступающего на эту операцию сырья, для обеспечения ускорения испарения веществ, не обуславливающих структуру древесины, - смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот.

При этом если сырье поступает с влажностью менее 50%, то применяют средние и верхние границы интервала скорости возрастания температуры, если сырье поступает с влажностью до 100%, применяют нижние и средние границы этого интервала.

Обработка перегретым паром или дезодорация путем возгонки приводит к уплотнению и снижению степени сжимаемости материала за счет испарения смол, воска, дегтя, эфирных масел и кислот, придающих цитоскелету древесных клеток гидрофильные или гидрофобные свойства, а снижение влажности до 5-8% приводит к снижению способности частиц порошка из древесины впитывать влагу и разбухать.

Пример 1

В лабораторных условиях воспроизводились водно-химическая рафинация и последующая дезодорация образцов различных пород дерева измельченными до размера 1 мм частицами. Количество экстрагирующего водного раствора щелочи концентрацией 1,0 г/л составляло 90% от веса сухого образца.

Водно-химическую рафинацию проводили в течение 20 минут при кипении, далее отделяли фильтрацией водный раствор экстракта и образцы древесного порошка сушили при 105°C в вакуумном сушильном шкафу.

Одновременно с сушкой посредством уходящего водяного пара и возгонки летучих компонентов проходила дезодорация древесного порошка.

Аналогично провели рафинацию образцов древесного порошка с применением для экстрагирования водного раствора, содержащего 1,0 г/л уксусной кислоты (CH₃COOH).

Полученные образцы исследованы в соответствии с Кодом 21 CRF §1177.2260 Положения о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах.

Результаты анализа экстрактов образцов древесных порошков, рафинированных с применением для экстрагирования воды, водных растворов щелочи и кислоты, представлены в табл.1.

Таблица 1     Содержание сухих веществ в экстрактах Наименование образца и условия обработки Ед. изм Экстракция с дистиллир. водой, 100°C Экстракция гексаном, 69°C Экстракция 5% уксусной кислотой, 20°C Экстракция 50% этиловым спиртом, 20°C 1.1. Фильтрацель           EFC-950- %         СТ./1300СТ. Образец фирмы JRS по их патенту   2,19 0,54 0,99 2,13 США US №6871746           2.1. Опилки           сосновые в пеллетах исходные % 4,0 2,63 2,84 4,47 2.2. опилки по п.2.1. после водно-химической           обработки плюс           дезодорация 170°C, %         а) вода (t°-100°C,)   1,9 1,4 1,14 2,39 б) укс. кислота 1 г/л   2,4 1,8 2,8 2,81 B)pH=10, NaOH 1 г/л   1,89 0,7 0,85 1,58 2.3. опилки по п.2.2.           после дезодорации 170°C,           а) вода (t°-100°C,) % 1,9 0,56 ' 0,95 2,0 б) укс. кислота 1 г/л   2,1 1,18 1,18 2,21 B) pH=10, NaOH 1 г/л   0,75 0,13 0,43 0,57 3.1. Опилки лиственницы % 19 1,2 8,5 10,5 3.2. Опилки           лиственницы после водно-химической обработки:           а) вода (t°-100°C,) % 8,0 0,61 5,4 5,5 б) укс. кислота 1 г/л   3,65 0,32 1,94 2,29 в) pH=10, NaOH 1 г/л   1,3 0.22 7.0 7,44

3.3 Дезодорация           образца, полученного по п.3.2 б). % 1,3 0,11 0,82 1,33 4.1. Образец из           осиновой древесины % 1,65 0,86 1,20 1,92 исходный           4.2. Образец из           осиновой древесины после в/х обработки           а) вода (t°-100°C,) /о 0,75 0,45 0,80 0,37 б) укс. кислота 1 г/л   1,18 0,56 0,69 1,01 в) pH=10, NaOH 1 г/л   1,95 0,64 0,85 0,93 Дезодорация образца по п.4.2 а). % 0,3 0,11 0,3 0,15

Данные таблицы показывают, что фильтрующий материал, полученный по предлагаемому способу, содержит значительно меньше примесей, способных переходить в фильтрат, чем фильтрующий материал, полученный по известному способу. Об этом свидетельствует низкое содержание сухих веществ в экстрактах, полученных из рафинированных древесных порошков после их экстрагирования дистиллированной водой при 100°C, гексаном при 69°C, 5%-ной уксусной кислотой при 20°C и 50%-ным этиловым спиртом при 20°C и, особенно, последующей дезодорации.

Из приведенных результатов следует, что предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру используемых древесных пород путем целенаправленного применения растворов кислоты или щелочи, максимально экстрагирующих гидролизуемые или омыляемые вещества: так хвойные породы эффективно рафинируются слабыми щелочами, породы лиственниц кислотами, некоторые лиственные породы, как осины, просто водой. Последующая дезодорация позволяет получить порошки, минимально загрязняющие очищаемую среду.

Пример 2

Провели по предлагаемому способу водно-химическую рафинацию и последующую дезодорацию образца сосновых опилок, измельченных до размера частиц 1 мм. Количество экстрагирующего водного раствора щелочи концентрацией 0,2 г/л составляло 100% от веса сухого образца.

Водно-химическую рафинацию проводили в течение 20 минут при кипении, далее отделяли фильтрацией водный раствор экстракта и древесный порошок сушили и дезодорировали при 160°C в вакуумном сушильном шкафу со скоростью возрастания температуры 5°C/мин от 100°C до конечной 160°C.

Полученный таким образом образец рафинированного дезодорированного древесного порошка доизмельчали, отбирали фракцию - 0,1 мм и использовали ее в качестве вспомогательного фильтрующего материала для фильтрации вымороженного подсолнечного масла и 25%-ного водного раствора глюкозы. В процессе фильтрования вымороженного масла и раствора глюкозы измеряли скорость фильтрации, а в полученных фильтратах изменение качественных показателей.

Одновременно проводилась фильтрация вымороженного подсолнечного масла и водного раствора глюкозы с применением в качестве вспомогательного фильтрующего материала порошка, полученного по известному способу.

Результаты анализов фильтратов вымороженного масла, маслоемкости фильтрующего порошка и определения скоростей фильтрации приведены в таблице 2.

Таблица 2 Показатели Фильтрация с применением фильтрующего порошка полученного по способу предлагаемому известному Влажность масла, % 0,17 0,17 Кислотное число масла, мг KOH 1,84 1,96 Перекисное число масла, ¹/₂ O₂ ммоль/кг 2,48 2,97 Цветное число, ед J₂ 4,0 4,0

Анизидиновое число, у.е. 3,4 4,1 Массовая доля неомыляемых вещества, % 0,86 0,97 Масличность фильтрующего     порошка после фильтрации и 57,4 61,6 продувки воздухом, %     Скорость фильтрации, кг/м²*с 0,12 0,08

Как видно из данных таблицы 2, качественные показатели вымороженного масла по ГОСТ (кислотное число, перекисное и анизидиновое числа и массовая доля неомыляемых веществ), отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу, отличаются в лучшую сторону при сравнении с качественными показателями вымороженного масла отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по известному способу.

Масличность фильтрующего порошка, полученного по известному способу, после фильтрации на 4.2% больше, чем порошка, полученного по предлагаемому способу. Этим обеспечивается снижение потерь масла в процессе его фильтрации.

Скорость фильтрации вымороженного масла на 50% выше в случае применения фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу.

В таблице 3 приведены результаты анализа фильтрации раствора глюкозы.

Таблица 3 Показатели Фильтрация с применением фильтрующего порошка полученного по способу предлагаемому известному Запах свойственный глюкозе свойственный глюкозе Цветность в ед. плотности 0,11 0,12 Прозрачность, светопропускание, % 86 80 Массовая доля железа в пересчете на сухое вещество, % 0,002 0,003

Массовая доля золы в пересчете на сухое вещество, % 0,05 0,07 Скорость фильтрации, кг/м²*с 0,32 0,24

Как видно из данных таблицы, качественные показатели раствора глюкозы (прозрачность, светопропускание, массовая доля железа и массовая доля золы), отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу, отличаются в лучшую сторону при сравнении с качественными показателями раствора глюкозы отфильтрованного с применением фильтрующего порошка, полученного по известному способу.

Скорость фильтрации глюкозы на 33,3% выше в случае применения фильтрующего порошка, полученного по предлагаемому способу.

Опытным путем нами установлено, что использование для водно-химической экстракции растворов щелочи или кислоты с концентрацией менее 0,2 г/л приводит к недостаточному удалению из фильтрующего порошка сопутствующих веществ, загрязняющих фильтруемые продукты. Применение растворов щелочи или кислоты с концентрацией более 1,0 г/л приводит к перерасходу реагента, к потере лигнина и снижению дренажных свойств фильтровального порошка. Нагрев порошка при высушивании и дезодорации более 160°C может привести к полимеризации части возгоняемых веществ, появлению продуктов термогидролиза древесины и, впоследствии, ухудшению качества фильтруемого продукта.

Изобретение относится к технологии получения из древесины фильтрующего материала. Первоначально экстрагируют водорастворимые, омыляемые и гидролизуемые вещества из дробленого древесного сырья обработкой растворами гидроксида натрия или уксусной кислоты или водой при кипении. Полученный продукт сушат и дезодорируют путем возгонки оставшихся летучих примесей при обработке перегретым паром. Далее продукт разделяют на рафинированные фильтрующие порошки различной проницаемости. Техническим результатом является повышение степени чистоты фильтрующего материала, полученного из древесного сырья, и обеспечение его высокой фильтрующей способности. 7 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 пр.

1. Способ получения древесного рафинированного фильтрующего материала для пищевой и фармацевтической промышленности, в котором первоначально проводят воднохимическое экстрагирование водорастворимых, омыляемых и гидролизуемых веществ из дробленого древесного сырья путем его обработки при кипении водным раствором гидроксида натрия или уксусной кислоты при концентрации 0,2-1 г/л, или водой, затем отделяют твердую фазу от жидкого экстракта, проводят сушку твердой фазы и ее обработку перегретым паром при температуре 130-160°C до удаления летучих примесей.

2. Способ по п.1, в котором в качестве сырья используют древесные заготовки и обрезки, дробленые предпочтительно до максимального линейного размера 5-15 мм, а также опилочные или стружечные отходы древесины, в том числе прессованные или пеллетированные.

3. Способ по п.1, в котором сырье мягких пород древесины перед или после воднохимического экстрагирования подвергают экструзивному пеллетированию.

4. Способ по п.1, в котором при экстрагировании воду, водный раствор гидроксида натрия или уксусной кислоты берут в количестве 30-100% от массы дробленого древесного сырья.

5. Способ по п.1, в котором сушку совмещают с дезодорацией.

6. Способ по п.1, в котором обработку перегретым паром проводят в нейтральной атмосфере или вакууме со скоростью возрастания температуры до 2-10°C/мин.

7. Способ по п.1, в котором обработку перегретым паром осуществляют путем продувки перегретого пара через слои древесного сырья.

8. Способ по п.1, в котором после обработки перегретым паром полученное рафинированное сырье измельчают и разделяют на рафинированные фильтрующие порошки различной проницаемости.