Исследование кинетических закономерностей процесса СВЧ-экстракции луба в сравнении с березовой корой

УДК

66.061.4

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2017.3.164

Аннотация

Представлены общие сведения о березовой коре. Изучены кинетические закономерности процесса сверхвысокочастотной экстракции березовой коры и луба. Для проведения опытов использовалась березовая кора – отход окорки древесины фанерного производства, которая была вручную разделена на луб и бересту. Экстракция проводилась в сверхвысокочастотной камере при оптимальных условиях, установленных ранее. Для изучения зависимости степени извлечения экстрактивных веществ от продолжительности экстракции луба были определены следующие показатели: концентрация экстрактивных веществ в твердом теле, степень недоизвлечения, полученная расчетным и опытным путем. Аналогичные показатели были найдены для березовой коры (совмещенная переработка бересты и луба без предварительного их разделения) для фракций менее 1, 1…2, 2…3 мм. Получен характерный вид логарифмической зависимости симплекса концентрации экстрактивных веществ от продолжительности экстракции для используемых фракций луба и березовой коры. Приведены зависимости степени недоизвлечения от продолжительности экстракции для фракций луба и березовой коры. Установлено, что регулярный режим и линейная зависимость наблюдаются уже после первой минуты проведения сверхвысокочастотной экстракции как для луба, так и для березовой коры. При изучении зависимостей степени недоизвлечения от продолжительности экстракции для различных фракций луба и березовой коры, зафиксировано максимальное значение данного показателя на начальном этапе сверхвысокочастотной экстракции, ближе к ее концу – его уменьшение. С понижением фракции луба меньше степень недоизвлечения, с уменьшением фракции березовой коры больше степень недоизвлечения. Для березовой коры процесс экстракции при достижении продолжительности 10 мин близится к завершению, для луба – еще продолжается. К моменту завершения экстракции степень недоизвлечения экстрактивных веществ из луба в несколько раз больше, чем из березовой коры. Наибольшее значение коэффициента внутренней диффузии в лубе отмечено для фракции менее 1 мм, наименьшее – для фракции 2…3 мм, в березовой коре наибольшее – для фракции 2…3 мм, наименьшее – для фракции менее 1 мм. 

Сведения об авторах

А.И. Бадогина, асп.

С.И. Третьяков, канд. техн. наук, проф.

Н.А. Кутакова, канд. техн. наук, проф.

Е.Н. Коптелова, канд. техн. наук, доц.

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: a.badogina@narfu.ru

Ключевые слова

луб, кора, экстрактивные вещества, сверхвысокочастотная экстракция

Для цитирования

Бадогина А.И., Третьяков С.И., Кутакова Н.А., Коптелова Е.Н. Исследование кинетических закономерностей процесса СВЧ-экстракции луба в сравнении с березовой корой // Лесн. журн. 2017. № 3. С. 164–175. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.164

Литература

1. Ведерников Д.Н., Шабанова Н.Ю., Рощин В.И. Изменение химического состава корки и луба березы повислой Betula pendula Roth. (Betulaceae) по высоте дерева // Химия растит. сырья. 2010. № 2. С. 43–48.

2. Захарова А.И., Третьяков С.И., Кутакова Н.А., Коптелова Е.Н. Выделение экстрактивных веществ из луба коры березы при воздействии СВЧ-поля // Лесн. журн. 2015. № 4. С. 148–155. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Кислицын А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, свойства, применение. Обзор // Химия древесины. 1994. № 3. С. 3–28.

4. Коптелова Е.Н., Кутакова Н.А., Третьяков С.И. Извлечение экстрактивных веществ и бетулина из бересты при воздействии СВЧ-поля // Химия растит. сырья. 2013. № 4. С. 159–164.

5. Коптелова Е.Н., Кутакова Н.А., Третьяков С.И. Исследование кинетики массопереноса в процессе экстрагирования бересты // Лесн. журн. 2013. № 4. С. 119–128. (Изв. высш. учеб. заведений).

6. Коптелова Е.Н., Третьяков С.И., Кутакова Н.А. Влияние вида измельчения на процесс экстракции бересты // X Междунар. науч.-практ. конф. «Современные концепции научных исследований». Москва, 30-31 янв. 2015 г. Ч. 1. Техн. науки.
С. 59–62.

7. Похило Н.Д., Денисенко В.А., Баранов В.И., Уварова Н.И. Тритерпеноиды внешней коры Betula maximowicziana // Химия природ. соединений. 1986. № 5. С. 650–652.

8. Похило Н.Д., Уварова Н.И. Изопреноиды различных видов рода Betula // Химия природ. соединений. 1988. Т. 3. С. 325–341.

9. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. Л.: Химия, 1983. 256 с.

10. Третьяков С.И., Коптелова Е.Н., Кутакова Н.А., Бадогина А.И., Макаре-вич Н.А. Кинетические закономерности процесса экстрагирования луба березовой коры // Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения: материалы науч. конф. проф.-преподават. состава, науч. сотр. и асп. САФУ им. М.В. Ломоносова / сост. С.В. Тевлина, С.В. Рябченко. Архангельск: САФУ, 2016. С. 378–382.

11. Dan C., Guoling Z., Weidong Y. Solubilities of Betulin in Fourteen Organic Solvents at Different Temperatures // J. of Сhemical Еngineering Data. 2007. Vol. 52, nо. 4.
Pр. 1366–1368.

12. Drebushchak T.N., Mikhailenko M.A., Brezgunova M.E., Shakhtshneider T.P., Kuznetsova S.A. Crystal Structure Of Betulin Ethanol Solvate // J. of Structural Chemistry. 2010. Vol. 51, nо. 4. Pр. 798–801.

13. Guoling Z., Weidong Y., Dan C. Simultaneous Determination of Betulin and Betulinic Acid in White Birch Bark using RP-HPLC // J. of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 2007. Vol. 43, nо. 3. Pр. 959–962.

14. Kuznetsova S.A., Levdansky V.A., Kuznetsov B.N., Shchipko. M.L., Ryazano-
va T.V., Kovalchuk N.M. Obtaining Tanning Agents, Dyes, and Enterosorbents from Bast of a Birch Bark // Chemistry for Sustainable Development. 2005. nо. 3. Pр. 399–407.

15. Tolstikov G.A., Flekhter O.B., Shultz E.E., Baltina L.A., Tolstikov A.G. Betulin and Its Derivatives. Chemistry and Biological Activity // Chemistry for Sustainable Development. 2005. Vol. 13, nо. 1. Pр. 1–29. 

Поступила 22.12.16

Ссылка на английскую версию:

The Comparison of Kinetics of Microwave-Assisted Extraction of Bast and Birch Bark

UDC 66.061.4

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.164

The Comparison of Kinetics of Microwave-Assisted Extraction of Bast

and Birch Bark

A.I. Badogina, Postgraduate Student

S.I. Tret’yakov, Candidate of Engineering Sciences, Professor

N.A. Kutakova, Candidate of Engineering Sciences, Professor

E.N. Koptelova, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: a.badogina@narfu.ru

The overview of birch bark is presented. Kinetics of the microwave extraction process of birch bark and bast are studied. For the experiments we use wood bark residual of the plywood production manually divided into bast and bark. The extraction is carried out in a microwave chamber under the earlier determined optimal conditions. The following parameters are calculated to investigate the dependence of the degree of extraction of extractives on the duration of bast extraction: the concentration of extractives in solids, the degree of insufficient extraction, obtained by the calculated and experimental methods. Similar indicators are determined for birch bark (combined processing of birch bark and bast without prior separation) for fractions of less than 1 mm, 1...2 mm, 2...3 mm. The characteristic form of the logarithmic dependence of the concentration simplex of extractives on the duration of extraction for the fractions of bast and birch bark is obtained. Dependences of the degree of insufficient extraction on the duration of extraction for fractions of bast and birch bark are presented. A regular mode and linear relationship are observed even after the first minute of microwave extraction for bast and for birch bark. When studying the dependences of the degree of insufficient extraction on the duration of extraction for different factions of bast and birch bark we observe a maximum value of this index in the initial phase of the microwave extraction, and towards the end of the process – its reduction. With a decrease in the bast fraction, the degree of insufficient extraction is less; with a decrease in the fraction of birch bark the degree of insufficient extraction is greater. For birch bark the extraction process lasts for about 600 s, and for bast it lasts for a considerable time. By the time the extraction is completed, the degree of insufficient extractives from bast is several times greater than from birch bark. The greatest value of the internal diffusion coefficient in bast is observed for the fraction of less than 1 mm, and the least – for the fraction of 2…3 mm; the greatest value in birch bark is observed for the fraction of 2…3 mm, and the least – for the fraction of less than 1 mm.

Keywords: bast, bark, extractives, microwave extraction. 

REFERENCES 

1. Vedernikov D.N., Shabanova N.Yu., Roshchin V.I. Izmenenie khimicheskogo sostava korki i luba berezy povisloy Betula pendula Roth. (Betulaceae) po vysote dereva [Alteration of Group Chemical Composition of Birch (Betula Pendula Roth.) Bark Parts on the Height of Tree]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2010, no. 2, pp. 43–48.

2. Zakharova A.I., Tret'yakov S.I., Kutakova N.A., Koptelova E.N. Vydelenie ekstraktivnykh veshchestv iz luba kory berezy pri vozdeystvii SVCh-polya [Extractives Isolation Procedure from Birchbark Bast on Exposure to the Microwave Field]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2015, no. 4, pp. 148–155.

3. Kislitsyn A.N. Ekstraktivnye veshchestva beresty: vydelenie, sostav, svaystva primenenie [Extractive Substances of Birch Bark: Isolation, Composition, Properties, Application]. Khimiya drevesiny, 1994, no. 3, pp. 3–28.

4. Koptelova E.N., Kutakova N.A., Tret'yakov S.I. Izvlechenie ekstraktivnykh veshchestv i betulina iz beresty pri vozdeystvii SVCh-polya [Removing the Extractives and Betulin from Birch Bark Exposed Microwave Field]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2013, no. 4, pp. 159–164.

5. Koptelova E.N., Kutakova N.A., Tret'yakov S.I. Issledovanie kinetiki massoperenosa v protsesse ekstragirovaniya beresty [Study of Mass Transfer Kinetics During Birch Bark Extraction]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2013, no. 4, pp. 119–128.

6. Koptelova E.N, Tret'yakov S.I., Kutakova N.A. Vliyanie vida izmel'cheniya na protsess ekstraktsii beresty [The Impact of the Grinding Type of on the Birch Bark Extracting Process]. X Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Sovremennye kontseptsii nauchnykh issledovaniy» (Moskva, 30-31 yanv. 2015 g.). Ch. 1. Tekhn. nauki [10th Int. Sci. Prac. Conf. “Modern Concepts of Scientific Research” (Moscow, January 30-31, 2015). Part 1. Engineering Sciences]. Moscow, 2015, pp. 59–62.

7. Pokhilo N.D., Denisenko V.A., Baranov V.I., Uvarova N.I. Triterpenoidy vneshney kory Betula maximowicziana [Triterpenoids of the Outer Bark of Betula maximowicziana]. Khimiya prirodnykh soedineniy, 1986, no. 5, pp. 650–652.

8. Pokhilo N.D., Uvarova N.I. Izoprenoidy razlichnykh vidov roda Betula [Isoprenoids of Various Species of the Genus Betula]. Khimiya prirodnykh soedineniy, 1988,
vol. 3, pp. 325–341.

9. Romankov P.G., Kurochkina M.I. Ekstragirovanie iz tverdykh materialov [Extraction from Solid Materials]. Leningrad, 1983. 256 p.

10. Tret'yakov S.I., Koptelova E.N., Kutakova N.A., Badogina A.I., Makarevich N.A. Kineticheskie zakonomernosti protsessa ekstragirovaniya luba berezovoy kory [Kinetics of the Extraction Process of Birch Bark Bast]. Razvitie Severo-Arkticheskogo regiona: problemy i resheniya: materialy nauch. konf. prof.-prepodavat. sostava, nauch. sotr. i asp. SAFU im. M.V. Lomonosova [Development of the North-Arctic Region: Problems and Solutions: Proc. Sci. Conf. of Higher-Education Teaching Personnel, Research Officers and Postgraduate Students of NArFU named after M.V. Lomonosov]. Ed. by S.V. Tevlina,
S.V. Ryabchenko. Arkhangelsk, 2016, pp. 378–382.

11. Dan C., Guoling Z., Weidong Y. Solubilities of Betulin in Fourteen Organic Solvents at Different Temperatures. J. of Chemical and Engineering Data, 2007, vol. 52, no. 4, pp. 1366–1368.

12. Drebushchak T.N., Mikhailenko M.A., Brezgunova M.E., Shakhtshneider T.P., Kuznetsova S.A. Crystal Structure of Betulin Ethanol Solvate. J. of Structural Chemistry, 2010, vol. 51, no. 4, pp. 798–801.

13. Guoling Z., Weidong Y., Dan C. Simultaneous Determination of Betulin and Betulinic Acid in White Birch Bark Using RP-HPLC. J. of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2007, vol. 43, no. 3, pp. 959–962.

14. Kuznetsova S.A., Levdansky V.A., Kuznetsov B.N., Shchipko M.L., Ryazano-
va T.V., Kovalchuk N.M. Obtaining Tanning Agents, Dyes, and Enterosorbents from Bast of a Birch Bark. Chemistry for Sustainable Development, 2005, no. 3, pp. 399–407.

15. Tolstikov G.A., Flekhter O.B., Shultz E.E., Baltina L.A., Tolstikov A.G. Betulin and Its Derivatives. Chemistry and Biological Activity. Chemistry for Sustainable Development, 2005, vol. 13, no. 1, pp. 1–29.

Received on December 22, 2016

---

For citation: Badogina A.I., Tret’yakov S.I., Kutakova N.A., Koptelova E.N. The Comparison of Kinetics of Microwave-Assisted Extraction of Bast and Birch Bark. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 3, pp. 164–175. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.164