авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностью

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УШАНОВА Валентина Михайловна

Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностью

05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Репях Степан Михайлович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Рощин Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор

Богданович Николай Иванович

доктор технических наук, профессор

Вураско Алеся Валерьевна

Ведущая организация: Институт химии и химической технологии СО РАН г. Красноярск

Защита диссертации состоится «06» марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.01 в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова по адресу:

194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Ученый Совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук Е. Г. Смирнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Про­блема рационального использования дре­вес­ного сырья - одна из перво­степенных задач лесного комплекса. Ее ре­шение пре­ду­сматривает утилизацию от­ходов лесо­заготовок, лесопиления, ЦБК, кото­рые мо­гут служить сырьем для произ­вод­ства ценных веществ. Такими отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской, запасы которых только в Краснояр­ском крае составляют 1170 и 129,7 млн. м3 соответственно. Ежегодно на предпри­ятиях лесопромышлен­ного ком­плекса образуется около 30 млн. м3 коры в виде от­ходов окорки. По хими­ческому составу и другим свойствам отходы окорки прак­тиче­ски не отличаются от древес­ной коры. ДЗ и кора пихты содержат комплекс ве­ществ, обладающих высокой биоло­гической активно­стью и представляющих прак­тически все классы органических соединений, встре­чающихся в растениях. Благо­даря этому эти отходы могут использоваться для получения продуктов, находящих применение в различных отраслях народного хозяйства. Перспективным направле­ни­ем является химическая перера­ботка такого сырья с применением экологически чистых экстрагентов и утилизацией послеэкстракционных остатков.

Обработка расти­тельного сырья сжиженными газами с целью извлечения от­дельных компо­нентов в нативном виде относится к высокоэффек­тивным тех­ноло­гическим процес­сам, обеспечивающим снижение трудовых затрат, улучшающим качество продук­ции, способствующим комплексному исполь­зова­нию сырьевых ре­сурсов и мате­риалов. Возмож­ность регенерации рас­творителя делает этот способ дешевым, простым и доступ­ным для промышленно­сти. Одним из направлений в этой области является исполь­зование для экстрак­ции диоксида углерода, который находит все большее приме­нение в различных от­рас­лях промышленности как в виде газа, так и в виде жидко­сти. Присутствие не­боль­шого количества диоксида углерода в готовых экстрактах оказывает консер­ви­рующее действие на лабильные вещества, препятствует про­горканию жиров и по­зволяет сохранять экстракты в те­чение 4-5 лет. Использова­ние таких экстрактов приводит к более мягкому и естест­венному воздействию на организм человека при проведении как лечебных, так и профилактических меро­приятий.

Количество экстрактивных веществ можно увеличить, используя по­следова­тельную экстракцию сырья разными по полярности растворителями. В целях ра­ционального использования сырья и более полного извлечения веществ, со­держа­щихся в древесных отходах, в качестве экстра­ген­тов предлагается ис­пользовались диоксид угле­рода, воду и этиловый спирт с получением углекислотных, водных и спир­товых экстрактов. Для обеспечения экономической эффективности использо­вания ДЗ и коры пихты сибирской необходима их комплексная переработка с полу­чением не только экстрактов, но и утилизацией твердых остатков, что значительно повысит рентабель­ность пред­приятий за счет во­влечения в оборот древес­ных отхо­дов и увеличения ас­сорти­мента продуктов на основе экологически чистого сырья и экстрагентов. Получаемые продукты востребованы, так как в настоящее время на­блюдается дефицит в натуральных продуктах, получаемых из растительного сырья и содержащих БАВ, а также в биологических препаратах защиты растений. При­оритетным направлением в борьбе с вредителями и болезнями растений считается биологическая защита. Биопрепараты, в отличие от химических инсектицидов, без­вредны для человека, животных, птиц, рыб, быстро разлагаются в почве, не вызы­вают эффект привыкания к ним насекомых. По качеству отечественные биопрепа­раты не уступают зарубежным, при этом используется отечественное экологически чистое сырье, стоимость их ниже. В отличие от синтетических препаратов получаемые углекислотные экстракты являются нативными продуктами и могут использо­ваться как в пищевой промышленности, так и в медицине.

На различных этапах выполнения диссертационная работа была поддержана грантами Красноярского краевого фонда науки: «Химия и технология переработки древесной зелени» (1994 г.), «Фундаментальные исследования в области химиче­ской технологии» (1994-1996 г.г.), «Исследование закономерностей изменения хи­мического состава запасных липидов в древесных тканях хвойных в ходе онтоге­неза» (1996-1997 г.г.), «Влияние эколого-биологических факторов на метаболизм мембранных липидов фотосинтетических тканей хвойных растений Сибири (на примере пихты сибирской)» (1997-2000 г.г.); грант Красноярского краевого фонда науки «Научные проекты» на подго­товку монографии (16 F 54) (2008 г.); грант Министерства образования и науки РФ (2004 г.). Работа по исследованию выхода пихтового масла выполнена при поддержке гранта проекта «ФОРЕСТ» № GA-RU-5225-03-03 Винрокского ме­ждународного института сельскохозяйственного развития «Винрок Интернешнл» (США, 2003 г.).

Область исследования – химия и технология переработки древесной зелени и коры пихты сибирской.

Цель исследования – экспериментально-теоретическое обоснование комплекс­ной пе­реработки древесной зелени и коры пихты сибирской с приме­нением эколо­гически чистых экстрагентов (жидкого диоксида углерода, воды и этило­вого спирта) с получением биологически активных продуктов и утилизацией твердых остатков.

Основные задачи исследований:

– разработать технологию комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибир­ской и отходов окорки с использованием в качестве экстрагентов жидкого диок­сида углерода, воды и этилового спирта, с получением продуктов, обладающих биологической активностью, и утилизацией твердых послеэкстракционных остат­ков;

– исследование влияния эколого-биологических факторов, условий заготовки и хранения сырья на его состав;

– установить закономерности изменения химического состава ДЗ пихты сибир­ской в зависимости от среднеме­сячной темпера­туры и величины эффективного излучения в годовом цикле;

– разработать теоретические основы комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской с обоснованием влияния подготовки сырья и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ;

изучить динамику извлечения БАВ из ДЗ и коры пихты си­бирской жидким диоксидом углерода и водно-этанольными смесями различ­ной концентра­ции;

– исследовать продукты комплексной переработки древесной зелени и коры пихты сибирской и направления их использования;

– разработать способы утилизации твердых послеэкстракци­онных остатков древесной зелени и коры пихты сибирской методом биокон­версии с получением кормового продукта и биопрепаратов защиты растений;

– оценить экономическую эффективность предлагаемой технологии переработки ДЗ и коры пихты сибирской;

– разработать нормативную документацию и провести апробацию техноло­гии и продукции.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы ресурсосберегающей комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской, позволяющей в едином технологическом процессе получать продукты, обладающие биологической актив­ностью. С использованием метода главных ком­понент показаны связи ме­жду химическим составом ДЗ пихты, среднеме­сячной темпера­турой и величиной эффективного излучения в годовом цикле, что позволяет сделать выбор эффективного направления переработки сырья.

Установлено влияние размера сырья, вида экстрагента и про­должительно­сти экс­тракции на выход и состав БАВ из ДЗ и коры пихты. Даны рекомендации по повыше­нию эффектив­ности процесса экстрак­ции за счет изменения фракционного состава сырья.

Получены адекватные математические модели зависимости выхода летучих компонен­тов, сесквитерпеновых и монотерпеновых угле­водородов, кислородсодержащих соеди­нений от размера сырья и продолжитель­ности экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода. Определены коэффициенты диффузии летучих ком­по­нентов, мо­нотер­пеновых и се­сквитерпеновых углеводородов, кислородсодержа­щих со­едине­ний при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода и этанолом. Установлены зависимо­сти выхода экстрактивных веществ и ко­эффициента диффузии от концентрации этилового спирта.

Впервые, используя жидкий диоксид углерода, из коры пихты выделено и идентифицировано душистое вещество мальтол.

Методом твер­дофазной ферментации на ДЗ и коре пихты получен новый биопрепарат латерин на основе про­дуцента 19/97-М Strepto­myces lat­eritius (ВКПМ Ас-1637) и установлено влияние предварительной обработки ДЗ и коры пихты на биоконверсию.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации по повышению эффективности процесса экстракции, а также получению продуктов экстракции определенного состава.

Практическая значимость. Разработаны альтернативные технологии ком­плексной переработки ДЗ и коры пихты и отходов окорки с получением следую­щих про­дуктов: углекислотных, спиртовых и водных экстрактов, содер­жащих БАВ; эфирного масла, хвойной пасты, соляно-хвойных брикетов, мальтола, пек­тина, кормовой добавки, биопрепаратов защиты и стимуляции растений, топлив­ных брикетов.

ДЗ и кора пихты, а также от­ходы окорки использованы в качестве субстратов для получения биопре­паратов защиты и стиму­ляции роста растений, кормового белка и биогуму­сов. Опытные партии био­препаратов, полу­ченные путем твердофазной фермен­тации штамма МГ 97/6 Tricho­derma asperellum на коре пихты и на коре пихты по­сле СО2-экстракции, ис­пытаны на посевах Picea obovata L., о чем имеются акты испытаний. Результаты иссле­дований показали, что выход здоро­вых сеянцев Picea obovata L. в сравнении с кон­тролем увеличился: при внесе­нии чистого спо­рового биопрепарата триходермин-с в 1,6 раза; триходермина, по­лу­ченного на коре пихты – в 4 раза; триходермина, полученного на коре пихты по­сле СО2-экс­тракции – в 3,4 раза.

Универсальность предлагаемой технологии комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской подтверждена использованием ее для переработки недревес­ного расти­тельного сырья (травы, семена), продуктов пчеловодства (пропо­лис и воск) и гри­бов (лиственничная губка) с получением экстрактов (угле­кислотных, водных, спир­товых).

Внедрение в промышленное производство продуктов переработки ДЗ и коры пихты сибирской в соответствии с разработанной нормативной документацией на них (техно­логиче­ский регламент, технические условия) расширяет ассортимент экологически чистой продукции, содержащей БАВ.

Новизна научно-практических концепций ряда технических решений подтверждена 11 патентами РФ на изобретение.

Результаты исследований внедрены и при­няты к использованию на ООО «Флора Биотех» (г. Красноярск»), ООО «Эковит» (п. Еловое, Красноярского края), АО «Канский биохимический завод» (г. Канск), АОЗТ «ПроТех» (г. Красноярск), ООО НПЦ «Восточно-Сибирская ме­довая компания» (г. Красноярск), Мининском опытно-механизированном лесхозе (п. Минино, Красноярского края), ООО «Бойдус» (г. Кызыл, Республика Тыва), Департаменте природных ресурсов и лесного комплекса администрации Краснояр­ского края (г. Красноярск), Городской больнице скорой медицинской помощи им. Н.С. Карповича главного управления здравоохранения администрации г. Красно­ярска (г. Красноярск).

Разработанные автором науч­ные положения и практические решения ис­пользуются в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов, в учебном процессе ФГОУ ВПО «Сибирского государственного технологического университета» при подготовке инженеров-экологов специальности 280201 и инженеров-технологов специальности 240406.

На защиту выносятся:

– ресурсосберегающая технология комплексной переработки ДЗ и коры пихты си­бирской и отходов окорки с получением продуктов, обладающих биологической активностью, и утилизацией твердых послеэкстракционных остатков;

– результаты исследования влияния эколого-биологических факторов на химический состав ДЗ пихты и получаемые продукты экстрагирования;

– теоретические основы комплексной переработки ДЗ и коры пихты с обоснованием влияния подготовки сырья и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ;

– результаты исследования извлечения биологически активных ве­ществ из ДЗ и коры пихты жидким диоксидом угле­рода и водно-этанольными смесями различной концентрации;

–способы утилизации отходов пихты методом биоконверсии с получением кормового продукта и биопрепаратов защиты растений.

Достоверность научных положений, выводов и результатов определяется применением современных мето­дов химического, физико-химического, структур­ного анализов, ГЖХ, ЯМР-, УФ- и ИК-спектроскопии, используемых в химии дре­весины, а также корректным применением методов математического моделирова­ния и статистических методов обработки результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуж­дались на Всесоюзной научно-технической конференции «Химия и использование экс­трак­тивных веществ дерева» (Горький, 1990); Региональном совещании республик Средней Азии и Казахстана по химическим реактивам (Ташкент, 1990); Всесоюз­ных научно-практических конференциях: «Использование и восстановление ресур­сов Ангаро-Енисейского региона» (Красноярск-Лесосибирск, 1991), «Интенсивные безотходные технологии и оборудование» (Волгоград, 1991); Региональных конфе­ренциях: «Эколого-экономические проблемы лесного комплекса» (Санкт-Петер­бург, 1997), «Комплексное использование растительных ресурсов лесных экоси­стем» (Красноярск, 2004); Межрегиональной научно-методической конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Краснояр­ского края» (Красноярск, 2000, 2002, 2003, 2007); Международных симпозиумах: «Лист­венница-98» (Красноярск, 1998), «Каталитические преобразования натураль­ных органических полиме­ров» (Красноярск, 2000); Российской научно-практиче­ской конференции «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск, 1994); Всероссийских на­учно-практических конференциях: «Проблемы сертификации и управления качест­вом» (Красноярск, 1997), «Лесной комплекс – проблемы и реше­ния» (Красноярск, 1999, 2000), «Проблемы экологии и развития городов» (Красно­ярск, 2001), «Хи­мико-лесной комплекс – проблемы и решения» (Красноярск, 2001 - 2006), «Не­прерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2004, 2007 - 2009); Всероссийской конференции «Новые достижения в хи­мии и химиче­ской технологии растительного сырья» (Барнаул, 2005); Все­россий­ском совеща­нии «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар, 1998); Между­народных научно-практических конференциях: «Химико-лесной комплекс – науч­ное и кадровое обеспечение в XXI веке» (Красно­ярск, 2000), «Биоразнообра­зие и сохранение генофонда флоры, фауны и народона­селения центрально-азиат­ского региона» (Кызыл, 2002), «Современные средства, методы и технологии за­щиты растений» (Новосибирск, 2008); Международной конференции «Грибы в природ­ных и антропогенных экосистемах» (Санкт-Петер­бург, 2005); конференции «Химия и полная переработка биомассы леса» (Санкт-Петер­бург, 2010, 2011).

Под руководством автора подготовлена к защите и защищена кандидатская диссертация (Ооржак У.С., 2006 г.)

Учебное пособие «Основы научных исследований» в трех книгах и ма­те­риалы монографий «Углекислотные экстракты как источники биологиче­ски актив­ных веществ», «Состав и переработка древесной зелени и коры пихты сибирской» и «Экстрагирование древесной зелени и коры пихты сибирской сжиженным диок­сидом углерода и водно-спиртовыми растворами» ис­пользуются научными, инже­нерно-техническими ра­ботниками и студентами, а также в системе образования при подготовке ин­женеров – экологов и инженеров – технологов.

Публикации. Общее число публикаций по теме диссертации – 106. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 77 научных трудах, включая 3 монографии, 1 учебное пособие (в трех книгах), 18 патентов, 2 заявки на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 28 работ.

Личный вклад автора. Исследования проводились в течение 1990-2010 г.г. лично автором и/или при его непосредственном участии в качестве руководителя или ответственного исполнителя. Вклад автора в работы, выполненные в соавтор­стве, состоял в непо­средст­венном участии во всех стадиях работы, начиная от по­становки задач, выполнения теоретических и экспериментальных исследований и внедрения полученных ре­зультатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основ­ных выводов, списка литературы из 553 наименований и приложений. Работа изложена на 333 страницах, содержит 54 таблицы и 126 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель и сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.