Способ переработки растительного сырья Российский патент 2024 года по МПК A61K36/15 B01D11/02 

Изобретение относится к лесохимической промышленности, а именно к способам комплексной переработки растительного сырья с получением ценных продуктов, которые могут быть использованы в фармацевтической, пищевой, косметической промышленности и сельском хозяйстве. Растительное сырье представляет собой отходы лесозаготовки, представленные смесью щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород.

Известен способ переработки древесной зелени пихты сибирской (Abies Sibirica) с получением биологически активной липидной фракции экстракта, включающий экстракцию сухого измельченного растительного сырья при двукратном выдерживании в растворителе при комнатной температуре в течение 8 часов, промывку раствором щелочного агента, разделение слоев на органическую и водно-щелочную фазы. Из органической фазы отгоняют экстрагент в вакууме 0,1-0,3 бар и температуре не выше 50°С с получением липидной фракции, водно-щелочной слой обрабатывают кислотой, отделяют формирующуюся органическую фазу и получают сумму тритерпеновых кислот, далее накапливают липидную фракцию экстракта, гидролизуют ее водой, освобождают от летучих компонентов и получают частично гидролизованную липидную фракцию, далее частично гидролизованную липидную фракцию обрабатывают водно-спиртовой щелочью при кипячении, концентрируют путем отгонки, экстрагируют дважды, экстракт высушивают, осушитель отфильтровывают, раствор концентрируют и получают исчерпывающе гидролизованную липидную фракцию. Вышеописанный способ позволяет получить эффективную биологически активную липидную фракцию (Патент РФ №2336889 от 31.10.2006).

Недостатками способа являются низкая степень экстракции целевых компонентов ввиду использования неполярного экстрагента (метил-трет-бутиловый эфир), длительность экстракции, многостадийность процесса обработки получаемого экстракта.

Известен способ переработки растительного сырья с получением биологически активных веществ и кормовой муки из древесной зелени различных пород. Данный способ включает измельчение древесной зелени в состоянии естественной влажности, прогрев перед подачей в экстрактор, противоточный процесс экстракции раствором этанола в течение 6-8 часов при температуре 20-40°C с последующей повторной его подачей в обрабатываемую зелень. Полученный экстракт выпаривают путем удаления этанола и воды. Этанол удаляют эжекторным насосом эжектированием охлажденным раствором этанола. Воду удаляют вакуумным водокольцевым насосом. Оборотную воду вакуумного водокольцевого насоса охлаждают эжектированием раствором этанола. Тепловую энергию эжектирующего раствора этанола отводят на выпаривание экстракта, на прогрев древесной зелени и экстрагента перед подачей в экстрактор. Остаточное давление, создаваемое эжекторным насосом, составляет 1,9-8,1 кПа, а остаточное давление, создаваемое вакуумным водокольцевым насосом, составляет 1,2-4,2 кПа. Отработанную зелень отжимают, подсушивают в разреженной среде путем удаления пара эжекторным насосом, с последующей конденсацией пара с выделением тепловой энергии и подачей ее на предварительный нагрев древесной зелени, и сушат до влажности 10-15%. После сушки древесную зелень измельчают и фасуют (Патент РФ на изобретение №2655343 от 30.12.2016).

Недостатками способа являются узкий спектр выделяемых продуктов экстракции и сложность аппаратурного оформления технологического процесса.

Все упомянутые аналоги имеют существенный недостаток, такой как использование древесного сырья только одного типа, что ограничивает применимость способов к переработке отходов лесозаготовки.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ переработки растительного сырья, включающий измельчение сырья, смешение измельченного сырья с экстрагентом, нагревание с экстрагентом при температуре кипения экстрагента, охлаждение, упаривание экстракта, гидролиз экстракта спиртовым раствором гидроксида натрия, нейтрализацию водно-щелочной фазы, экстракцию углеводородным растворителем (С₅-С₈), разделение водной и органической фазы, отгонку экстрагента из органической фазы (патент RU № 2238291 от 06.06.2003).

Экстракцию растительного сырья органическим растворителем выполняют в экстракторе Сокслета или оросительно-дефлегмационном аппарате в течение 6-8 часов, Выделяют воски отстаиванием в течение 6 часов при охлаждении до 10-12°С и фильтровании. Отделяют свободные кислоты от полученного раствора экстрактивных веществ в углеводородном растворителе раствором щелочи при температуре 65-70°С, разделяют полученный нейтрализованный раствор на раствор нейтральных веществ в углеводородном растворителе и водно-щелочной раствор солей органических кислот. Подкисляют водно-щелочной раствор солей неорганической или органической кислотой, например, серной кислотой при нагревании до 60-65°С, выделяют отстаиванием из него хлорофиллиновых кислот и фракции жирных и смоляных кислот, разделяют суммы дитерпеновых и высших жирных кислот, выполняют отгонку растворителя от нейтральных веществ и разделяют нейтральные вещества. Далее сумма дитерпеновых и высших жирных кислот подвергается обработке в низкомолекулярном спирте с добавкой в качестве катализатора серной кислоты. Затем спирт отгоняют и нейтрализуют неорганическим основанием дитерпеновые кислоты и катализатор, проводят экстракцию эфиров высших жирных кислот углеводородным экстрагентом, подкисляют водно-щелочной раствор и экстрагируют выделившиеся дитерпеновые кислоты углеводородным растворителем. Далее нейтральные вещества последовательно экстрагируют ацетоном и спиртом C₁-С₃ при 40-50°С, при этом массовое соотношение нейтральные вещества: экстрагент варьируется от 1:2 до 1:5. Затем получают при обработке ацетоном концентраты сложных эфиров высших жирных кислот с тритерпеновыми спиртами, стеринами и высшими жирными спиртами и остаток, растворимый в ацетоне. При переработке остатка спиртом отделяют сумму дитерпеновых спиртов от соединений нерастворимых в спирте, омылением которых спиртовым раствором щелочи получают концентрат полипренолов, хроматографей на силикагеле, из которого при соотношении вещество : сорбент 1:10 и использовании гексана и гексана с добавкой 5 об.% диэтилового эфира и гексана с добавкой 10 об.% диэтилового эфира в соотношении сорбент : растворитель 1:1 выделяют полипренолы.

Способ, включающий экстракцию растительного сырья, состоящего из древесной зелени хвойных или лиственных пород, органическим растворителем с последующей обработкой экстракта и выделением концентратов сложных эфиров высших жирных кислот с тритерпеновыми спиртами, стеринами и высшими жирными спиртами, концентрата дитерпеновых спиртов и концентрата полипренолов.

Недостатками данного способа являются:

- низкая эффективность способа из-за использования в качестве растительного сырья только древесной зелени одного вида хвойных или лиственных пород, что усложняет процесс переработки, а также значительно сужает область применения данного подхода к переработке отходов лесозаготовки и выход основных продуктов переработки;

- способ основан на использовании экстрактора Сокслета или оросительно-дефлегмационного аппарата, что повышает требования к аппаратурному оформлению технологического процесса, и, в итоге, приводит к увеличению стоимости конечного продукта;

- способ характеризуется высокими трудозатратами при выделении целевых продуктов.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности процесса переработки растительных ресурсов за счет более полного использования отходов деревообрабатывающей промышленности, путем выделения экстрактивных веществ из растительного сырья, представляющего собой отходы лесозаготовки, состоящие из щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, увеличения выхода основных продуктов – липидного концентрата жирных кислот и лабданоидов, в особенности лупеола, бетулина, бетулиновой кислоты при снижении трудоемкости и трудозатрат процесса. А также в расширении арсенала средств переработки растительного сырья.

Технический результат достигается способом переработки растительного сырья, включающим измельчение сырья, смешение измельченного сырья с экстрагентом, нагревание с экстрагентом при температуре кипения экстрагента, охлаждение, упаривание экстракта, гидролиз экстракта спиртовым раствором гидроксида натрия, нейтрализацию водно-щелочной фазы, экстракцию углеводородным растворителем (С5-С8), разделение водной и органической фазы, отгонку экстрагента из органической фазы.

Новым является то, что в качестве растительного сырья применяют без предварительной сортировки отходы лесозаготовки, представляющие собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, экстракцию смеси проводят органическим растворителем или смесью органического и неорганического растворителя в емкостном аппарате с нагревом.

Также новым является то, что процесс экстракции растительного сырья проводят в при температуре кипения растворителя.

Также новым является то, что в качестве экстрагента используют органические растворители различной полярности.

Также новым является то, что в качестве экстрагента используют смесь органического и неорганического растворителя.

Также новым является то, что в качестве экстрагента используют смеси воды со спиртами С₁-С₃.

Также новым является то, что в качестве экстрагента используют водный раствор этанола 70%.

Также новым является то, что из органического экстракта отгоняют экстрагент при разрежении 0,1-0,2 бар и температуре не выше 50°С с получением липидной фракции, далее полученную липидную фракцию гидролизуют водно-спиртовой щелочью при кипячении, экстрагируют дважды метил-трет-бутиловым эфиром, сушат, осушитель отфильтровывают, раствор концентрируют и получают гидролизованный липидный концентрат.

Также новым является то, что в качестве продукта получают биологически активный липидный концентрат, обогащенный жирными кислотами и лабданоидами, и водный экстракт, содержащий сахара и гликозиды, а также лигноцеллюлозный шрот.

Способ осуществляют следующей последовательностью операций и режимов.

В качестве исходного растительного сырья целесообразно использовать отходы лесозаготовки, представленные смесью щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород (далее растительное сырье), что позволяет избежать стадии предварительной сортировки растительного сырья.

Целесообразно в качестве экстрагентов использовать органический растворитель или смесь органического и неорганического растворителей, в том числе 70%-водный раствор этанола, 88%-водный раствор 2-пропанола, метил-трет-бутиловый эфир, дихлорметан, этилацетат, насыщенные и ароматические углеводороды С₅-С₈.

Растительное сырье предварительно измельчается на ножевой дробилке до средней фракции 0,3-1,0 см, обеспечивающей сокращение времени процесса экстракции за счет увеличения площади контакта сырья с экстрагентом. Измельченное растительное сырье в количестве 300 г помещается в экстрактор, представляющий собой емкостный аппарат, например плоскодонную колбу объемом 10 л. Далее выполняют смешение растительного сырья с экстрагентом добавляя в емкостный аппарат растворитель в объеме 3,6 л (1:12). Смесь нагревают до температуры кипения растворителя. Экстракция проводится методом мацерации при температуре кипения растворителя в течение двух часов для интенсификации массопереноса и сокращения времени процесса, а также повышения эффективности извлечения ценных компонентов с получением органического экстракта, а также лигноцеллюлозного материала, пригодного для дальнейшей переработки.

По окончании экстракции смесь охлаждают, сырье отфильтровывают. Растворитель удаляют в вакууме водокольцевого насоса. Сухой экстракт гидролизуют спиртовым раствором гидроокиси натрия при кипячении в течение двух часов. Далее разбавляют эквивалентным объемом воды и нейтрализуют получившийся раствор до рН 6-8. Полученную массу экстрагируют дважды диэтиловым эфиром. Экстракты объединяют и промывают дистиллированной водой 2-3 раза до рН промывных вод 6-7. Экстракт сушат безводным сульфатом магния, фильтруют, упаривают и получают липидный концентрат.

Способ экстракционного извлечения ценных компонентов из отходов лесозаготовки, состоящих из щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, без предварительной сортировки с использованием емкостных аппаратов с нагревом приводит к значительному сокращению времени экстракции ценных компонентов за счет интенсификации массопереноса, упрощению масштабирования технологического процесса, расширению спектра получаемых продуктов (липидный концентрат, обогащенный жирными кислотами и лабданоидами, водный экстракт, содержащий сахара и гликозиды, а также лигноцеллюлозный шрот, пригодный для дальнейшего применения в производстве ценных материалов на основе целлюлозы) и повышению рентабельности процесса переработки отходов в целом. Предложение позволяет расширить арсенал средств переработки растительных ресурсов.

Для оценки эффективности предложенного способа переработки была проведена экстракция растительного сырья в аппарате Сокслета с использованием метил-трет-бутилового эфира в качестве экстрагента. Экспериментально установлено, что проведение экстракции методом мацерации кипящим растворителем в течение двух часов дает выход экстракта сопоставимый с экстракцией в аппарате Сокслета с десятикратной экстракцией.

Предложенный способ экстракционной переработки растительного сырья, представляющего собой отходы лесозаготовки, представленные смесью щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1.

Растительное сырье преимущественно смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельченное до фракции 0,3-1,0 см, в количестве 300 г помещают в экстрактор, представляющий собой плоскодонную стеклянную колбу объемом 10 л. Готовят 10 л 70%-водного этанола путем смешения 7 л этанола и 3 л воды. 3,6 л 70%-водного этанола переносят в экстрактор с растительным сырьем. Колбу закрывают обратным холодильником для конденсации паров. Растворитель нагревают до кипения. Экстракцию проводят при температуре кипения растворителя в течение двух часов. Нагрев выключают. После охлаждения аппарата до комнатной температуры фильтруют растительное сырье на пористом стеклянном фильтре. Полученный отфильтрованный экстракт упаривают досуха на ротационном испарителе в вакууме водокольцевого насоса. Получают 9,2 г сухого экстракта (3,1%). Полученный сухой экстракт растворяют в 12 мл этанола, прибавляют 3 г гидроксида натрия. Полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение двух часов. Раствор охлаждают. Нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7. Экстрагируют метил-трет-бутиловым эфиром. Экстракт сушат сульфатом магния. Осушитель фильтруют, растворитель отгоняют в вакууме водокольцевого насоса. Получают 4,8 г (1,6%) липидного концентрата. Для анализа навеску липидного концентрата обрабатывают эфирным раствором диазометана и анализируют методом хромато-масс-спектрометрии. Основными компонентами являются гексадекановая (пальмитиновая) кислота (4%), цис, цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота (9%), бетулиновая кислота (10%), лупеол (12%) и бетулин (41%).

Пример 2.

Растительное сырье, представляющее собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельченное до фракции 0,3-1,0 см, в количестве 300 г помещают в экстрактор, представляющий собой плоскодонную стеклянную колбу объемом 10 л. Готовят 10 л 88%-водного 2-пропанола путем смешения 8,8 л 2-пропанола и 1,2 л воды. 3,6 л 88%-водного 2-пропанола переносят в экстрактор с растительным сырьем. Колбу закрывают обратным холодильником для конденсации паров. Растворитель нагревают до кипения. Экстракцию проводят при температуре кипения растворителя в течение двух часов. Нагрев выключают. После охлаждения аппарата до комнатной температуры фильтруют растительное сырье на пористом стеклянном фильтре. Полученный отфильтрованный экстракт упаривают досуха на ротационном испарителе в вакууме водокольцевого насоса. Получают 9,6 г сухого экстракта (3,2%). Полученный сухой экстракт растворяют в 12 мл этанола, прибавляют 3 г гидроксида натрия. Полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение двух часов. Раствор охлаждают. Нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7. Экстрагируют метил-трет-бутиловым эфиром. Экстракт сушат сульфатом магния. Осушитель фильтруют, растворитель отгоняют в вакууме водокольцевого насоса. Получают 5,1 г (1,7%) липидного концентрата. Для анализа навеску липидного концентрата обрабатывают эфирным раствором диазометана и анализируют методом хромато-масс-спектрометрии. Основными компонентами являются гексадекановая (пальмитиновая) кислота (14%), цис, цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота (39%), октадекановая кислота (6%), эйкозановая кислота (6%).

Пример 3.

Растительное сырье, представляющее собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельченное до фракции 0,3-1,0 см, в количестве 300 г помещают в экстрактор, представляющий собой плоскодонную стеклянную колбу объемом 10 л. 3,6 л метил-трет-бутилового эфира переносят в экстрактор с растительным сырьем. Колбу закрывают обратным холодильником для конденсации паров. Растворитель нагревают до кипения. Экстракцию проводят при температуре кипения растворителя в течение двух часов. Нагрев выключают. После охлаждения аппарата до комнатной температуры фильтруют растительное сырье на пористом стеклянном фильтре. Полученный отфильтрованный экстракт упаривают досуха на ротационном испарителе в вакууме водокольцевого насоса. Получают 7,5 г сухого экстракта (2,5%). Полученный сухой экстракт растворяют в 10 мл этанола, прибавляют 2,5 г гидроксида натрия. Полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение двух часов. Раствор охлаждают. Нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7. Экстрагируют метил-трет-бутиловым эфиром. Экстракт сушат сульфатом магния. Осушитель фильтруют, растворитель отгоняют в вакууме водокольцевого насоса. Получают 3,9 г (1,3%) липидного концентрата. Для анализа навеску липидного концентрата обрабатывают эфирным раствором диазометана и анализируют методом хромато-масс-спектрометрии. Основными компонентами являются гексадекановая (пальмитиновая) кислота (14%), цис, цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота (27%), бетулин (15%), бетулиновая кислота (6%), лупеол (7%).

Пример 4.

Растительное сырье, представляющее собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, преимущественно лиственных пород, измельченное до фракции 0,3-1,0 см, в количестве 300 г помещают в экстрактор, представляющий собой плоскодонную стеклянную колбу объемом 10 л. 3,6 л дихлорметана переносят в экстрактор с растительным сырьем. Колбу закрывают обратным холодильником для конденсации паров. Растворитель нагревают до кипения. Экстракцию проводят при температуре кипения растворителя в течение двух часов. Нагрев выключают. После охлаждения аппарата до комнатной температуры фильтруют растительное сырье на пористом стеклянном фильтре. Полученный отфильтрованный экстракт упаривают досуха на ротационном испарителе в вакууме водокольцевого насоса. Получают 6,3 г сухого экстракта (2,1%). Полученный сухой экстракт растворяют в 12 мл этанола, прибавляют 3 г гидроксида натрия. Полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение двух часов. Раствор охлаждают. Нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7. Экстрагируют метил-трет-бутиловым эфиром. Экстракт сушат сульфатом магния. Осушитель фильтруют, растворитель отгоняют в вакууме водокольцевого насоса. Получают 3,3 г (1,1%) липидного концентрата. Для анализа навеску липидного концентрата обрабатывают эфирным раствором диазометана и анализируют методом хромато-масс-спектрометрии. Основными компонентами являются гексадекановая (пальмитиновая) кислота (19%), цис, цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота (6%), олеиновая кислота (6%).

Пример 5.

Растительное сырье, представляющее собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельченное до фракции 0,3-1,0 см, в количестве 300 г помещают в экстрактор, представляющий собой плоскодонную стеклянную колбу объемом 10 л. 3,6 л этилацетата переносят в экстрактор с растительным сырьем. Колбу закрывают обратным холодильником для конденсации паров. Растворитель нагревают до кипения. Экстракцию проводят при температуре кипения растворителя в течение двух часов. Нагрев выключают. После охлаждения аппарата до комнатной температуры фильтруют растительное сырье на пористом стеклянном фильтре. Полученный отфильтрованный экстракт упаривают досуха на ротационном испарителе в вакууме водокольцевого насоса. Получают 7,2 г сухого экстракта (2,4%). Полученный сухой экстракт растворяют в 12 мл этанола, прибавляют 3 г гидроксида натрия. Полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение двух часов. Раствор охлаждают. Нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7. Экстрагируют метил-трет-бутиловым эфиром. Экстракт сушат сульфатом магния. Осушитель фильтруют, растворитель отгоняют в вакууме водокольцевого насоса. Получают 3,6 г (1,2%) липидного концентрата. Для анализа навеску липидного концентрата обрабатывают эфирным раствором диазометана и анализируют методом хромато-масс-спектрометрии. Основными компонентами являются цис-9-октадеценовая (олеиновая) кислота (13%), цис, цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота (36%), цис,цис,цис-5,9,12-октадекатриеновая (пиноленовая) кислота (11%), бетулиновая кислота (14%).

Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса переработки растительных ресурсов за счет более полного использования отходов деревообрабатывающей промышленности, путем выделения экстрактивных веществ из растительного сырья, представляющего собой отходы лесозаготовки, состоящие из щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, увеличения выхода основных продуктов – липидного концентрата жирных кислот и лабданоидов, в особенности лупеола, бетулина, бетулиновой кислоты при снижении трудоемкости и трудозатрат процесса.

Изобретение относится к лесохимической промышленности, а именно к способу переработки растительного сырья. Предлагается способ переработки растительного сырья, включающий измельчение сырья, смешение измельченного сырья с экстрагентом, нагревание с экстрагентом при температуре кипения экстрагента, охлаждение, упаривание экстракта, гидролиз экстракта спиртовым раствором гидроксида натрия, нейтрализацию водно-щелочной фазы, экстракцию углеводородным растворителем, разделение водной и органической фазы, отгонку экстрагента из органической фазы, при этом в качестве растительного сырья применяют без предварительной сортировки отходы лесозаготовки, представляющие собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельчение сырья выполняют до фракции 0,3-1,0 см, смешивают 300 г измельченного сырья с 3,6 л экстрагента, выбранного из группы: 70%-водный этанол, 88%-водный 2-пропанол, метил-трет-бутиловый эфир, дихлорметан, этилацетат, экстрагируют при температуре кипения экстрагента в течение двух часов, после стадии нейтрализации водно-щелочной фазы проводят экстракцию метил-трет-бутиловым эфиром. Вышеописанный способ повышает эффективность процесса переработки растительных ресурсов за счет более полного использования отходов деревообрабатывающей промышленности путем выделения экстрактивных веществ из растительного сырья, представляющего собой отходы лесозаготовки, состоящие из щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, увеличивает выход основных продуктов - липидного концентрата жирных кислот и лабданоидов, в особенности лупеола, бетулина, бетулиновой кислоты, при снижении трудоемкости и трудозатрат процесса, а также расширяет арсенал средств переработки растительного сырья. 5 пр.

Способ переработки растительного сырья, включающий измельчение сырья, смешение измельченного сырья с экстрагентом, нагревание с экстрагентом при температуре кипения экстрагента, охлаждение, упаривание экстракта, гидролиз экстракта спиртовым раствором гидроксида натрия, нейтрализацию водно-щелочной фазы, экстракцию углеводородным растворителем, разделение водной и органической фазы, отгонку экстрагента из органической фазы, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья применяют без предварительной сортировки отходы лесозаготовки, представляющие собой смесь щепы, побегов и древесной зелени лиственных и хвойных пород, измельчение сырья выполняют до фракции 0,3-1,0 см, смешивают 300 г измельченного сырья с 3,6 л экстрагента, выбранного из группы: 70%-водный этанол, 88%-водный 2-пропанол, метил-трет-бутиловый эфир, дихлорметан, этилацетат, экстрагируют при температуре кипения экстрагента в течение двух часов, после стадии нейтрализации водно-щелочной фазы проводят экстракцию метил-трет-бутиловым эфиром.