Оптимизация процесса омыления таллового пека методом планирования эксперимента

УДК

66.011

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-1-173-187

Аннотация

Рациональная переработка отходов лесохимического производства является одной из актуальных проблем современной технологии. Талловый пек, побочный продукт целлюлозно-бумажного производства, нашел применение как потенциальный источник фитостеринов. Фитостерины, или растительные стеролы, – природные соединения, полициклические спирты, по строению близкие к стероидам. Благодаря своей биологической активности фитостерины используются в таких сферах, как фармацевтика, косметология, в качестве функциональных продуктов и др., что делает их коммерчески привлекательными. Рассмотрена стадия омыления таллового пека, в результате которой удается получить фитостерины в свободной форме из их сложных эфиров с жирными и смоляными кислотами. Центральный композиционный план, дополненный шестью звездными точками, был выбран для определения совокупного влияния трех факторов и для планирования минимального количества опытов, а методология поверхности отклика использована для нахождения оптимальных значений переменных. На основании экспериментальных данных разработаны регрессионные модели, отражающие влияние основных технологических факторов (избыток щелочи, температура и время омыления) на степень омыления фитостеринов в омыленном талловом пеке и сложных эфиров в получаемом экстракте. Проведен статистический анализ этих моделей. При помощи дисперсионного анализа доказана их адекватность. Экспериментальные и предсказанные значения находились в тесном согласии. Разработанные математические модели в виде регрессионного полинома посредством программного обеспечения Minitab позволяют найти оптимальные значения входных переменных процесса при одновременном достижении максимальной степени омыления фитостеринов (98,1 %) с минимальным значением эфирного числа в экстракте (4 мг KOH/г): температура омыления – 121,7 °С, продолжительность процесса – 3,18 ч и избыток щелочи – 100 %. Таким образом, были получены надежные модели для прогнозирования степени омыления фитостеринов и эфирного числа в экстракте, которые могут быть использованы в промышленном процессе омыления таллового пека.

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

А.О. Коршунов¹, аспирант, инж.; ResearcherID: 0-8530-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4819-9106
Е.А. Лаврентьева^1,2, инж.; ResearcherID: AAZ-2913-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7645-1831
М.А. Лазарев^1,2, канд. хим. наук, зав. лаб.; ResearcherID: AAZ-2946-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9252-4359
А.Б. Радбиль^1,2, д-р техн. наук, вед. науч. сотр.; ResearcherID: AAZ-6166-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4949-633X
¹НИИ химии Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, просп. Гагарина, д. 23, корп. 5, г. Нижний Новгород, Россия, 603950; e-mail: korshalexey@gmail.com
²Управляющая компания Биохимического холдинга «Оргхим», ул. Белинского, д. 55 а, г. Нижний Новгород, Россия, 603950; e-mail: m.lazarev@orgkhim.com

Ключевые слова

талловый пек, фитостерины, омыление, оптимизация процесса, центральный композиционный план, методология поверхности отклика

Для цитирования

Коршунов А.О., Лаврентьева Е.А., Лазарев М.А., Радбиль А.Б. Оптимизация процесса омыления таллового пека методом планирования эксперимента // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 1. С 173–187. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-1-173-187

Литература

1. Богомолов Б.Д., Сапотинцкий С.А., Соколов О.М. и др. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков / под. ред. Б.Д. Богомолова, С.А. Сапотницкого. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 360 с. Bogomolov B.D., Sapotintskiy S.A., Sokolov O.M. et al. Processing of Sulphate and Sulphite Liquors. Ed. by B.D. Bogomolov, S.A. Sapotnitskiy. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1989. 360 p.
2. Веденяпина М.Д., Стопп П., Вайхгребе Д., Веденяпин А.А. Применение метода поверхности отклика для изучения адсорбции диклофенака натрия из водных растворов на активированном угле // Химия твердого топлива. 2016. № 4. С. 61–63. Vedenyapina M.D., Vedenyapin A.A., Stopp P., Weichgrebe D. Application of a Response Surface Method to Studying the Adsorption of Diclofenac Sodium from Aqueous Solutions on Activated Carbon. Khimiya tverdogo topliva [Solid Fuel Chemistry], 2016, no. 4, pp. 61–63. DOI: https://doi.org/10.7868/S0023117716040113
3. Гордон Л.В., Скворцов С.О., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств. 5-е изд., перераб. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 360 с. Gordon L.V., Skvortsov S.O., Lisov V.I. Technology and Equipment for Chemical Production. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1988. 360 p.
4. ГОСТ 17823.1–72. Продукты лесохимические. Метод определения кислотного числа: дата введения 1973–07–01. М.: Изд-во стандартов, 1999. 4 с. State Standard. GOST 17823.1–72. Wood Chemical Products. Method of Acid Number Determination. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1999. 4 p.
5. ГОСТ 5478–2014. Масла растительные и натуральные жирные кислоты. Метод определения числа омыления: дата введения 2016–01–01. М.: Стандартинформ, 2015. 8 с. State Standard. GOST 5478–2014. Vegetable Oils and Natural Fatty Acids. Method for Determination of Saponification Value. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 8 p.
6. Дымент О.Н., Казанский К.С., Мирошников А.М. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена. М.: Химия, 1976. 376 с. Dyment O.N., Kazanskiy K.S., Miroshnikov A.M. Glycols and Other Derivatives of Ethylene and Propylene Oxides. Moscow, Khimiya Publ., 1976. 376 p.
7. Исмагилов Р.М. Технология получения новых продуктов на основе таллового пека: дис. … канд. техн. наук. Нейво-Рудянка, 2004. 125 с. Ismagilov R.M. Technology for Obtaining New Products Based on Tall Oil Pitch: Cand. Eng. Sci. Diss. Neyvo-Rudyanka, 2004. 125 p.
8. Исмагилов Р.М., Радбиль А.Б., Радбиль Б.А. Пути квалифицированного использования таллового пека // Химия растит. сырья. 2004. № 2. C. 73–76. Ismagilov R.M., Radbil’ A.B., Radbil’ B.A. Ways of Qualified Use of Tall Oil Pitch. Khimija rastitel’nogo syr’ja [Chemistry of plant raw material], 2004, no. 2, pp. 73–76.
9. Клюев А.Ю., Скаковский Е.Д., Козлов Н.Г., Прокопчук Н.Р., Латышевич И.А. Получение и антисептические свойства состава на основе таллового пека // Изв. Нац. акад. наук Беларуси. Сер. хим. наук. 2016. № 1. С. 82–87. Kliuyeu A.Yu., Skakovskiy E.D., Kozlov N.G., Prokopchuk N.R., Latyshevich I.A. Preparation and Antiseptic Properties of the Composition Based on Tall Pitch. Vescì Nacyânalʹnaj akadèmìì navuk Belarusì. Seryâ hìmìčnyh navuk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series], 2016, no. 1, pp. 82–87.
10. Некрасова В.Б., Безбородова Т.Г. Получение и применение биокорректоров питания из биомассы дерева // Изв. СП бЛТА . 2012. № 198. С. 190–201. Nekrasova V.B., Bezborodova T.G. Preparation and Application of Biocorrector Supply from Wood Biomass. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2012, no. 198, pp. 190–201.
11. Некрасова В.Б., Евстигнеев Э.И. Определение оптимальных параметров процесса омыления таллового пека // Изв. вузов. Лесн. журн. 1976. № 4. С. 113–116. Nekrasova V.B., Evstigneyev E.I. Determination of Optimal Parameters of Tall Oil Pitch Saponification. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1976, no. 4, pp. 113–116. URL: http://lesnoizhurnal.ru/apxiv/1976/1976-%E2%84%964.pdf
12. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987. 815 с. Ovchinnikov Yu.A. Bioorganic Chemistry. Moscow. Prosveshcheniye Publ., 1987. 815 p.
13. Патент 2655444 C1 РФ. МПК C07J 9/00, C07J 75/00. Способ выделения фитостеринов из таллового пека: № 2017131803: заявл. 11.09.2017: опубл. 29.05.2018 / И.Н. Чернов, А.О. Коршунов, Т.И. Долинский, М.А. Лазарев, Е.А. Маврина, И.С. Ильичев, А.Б. Радбиль. Chernov I.N., Korshunov A.O., Dolinskij T.I., Lazarev M.A., Mavrina E.A., Ilichev I.S., Radbil A.B. Method for the Isolation of Phytosterols from Tall Pitch. Patent RF no. RU 2655444 C1, 2018.
14. Barriuso B., Ansorena D., Astiasaran I. Oxysterols Formation: A Review of a Multifactorial Process. The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology, 2017, vol. 169, pp. 39–45. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsbmb.2016.02.027
15. Candioti L.V., De Zan M.M.D., Cámara M.S., Goicoechea H.C. Experimental Design and Multiple Response Optimization. Using the Desirability Function in Analytical Methods Development. Talanta, 2014, vol. 124, pp. 123–138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2014.01.034
16. Derringer G., Suich R. Simultaneous Optimization of Several Response Variables. Journal of Quality Technology, 1980, vol. 12, iss. 4, pp. 214–219. DOI: https://doi.org/10.1080/00224065.1980.11980968
17. Fernandes P., Cabral J.M.S. Phytosterols: Applications and Recovery Methods. Bioresource Technology, 2007, vol. 98, iss. 12, pp. 2335–2350. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.10.006
18. Holmbom B., Erä V. Composition of Tall Oil Pitch. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 1978, vol. 55, iss. 3, pp. 342–344. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02669926
19. Laakso P.H. Determination of Plant Stanols and Plant Sterols in Phytosterol Enriched Foods with a Gas Chromatographic-Flame Ionization Detection Method: NMKL Collaborative Study. Journal of AOAC INTERNATIONAL, 2014, vol. 97, iss. 4, pp. 1097–1108. DOI: https://doi.org/10.5740/jaoacint.14-011
20. Montgomery D.C. Design and Analysis of Experiments. Wiley, 2013. 752 p.
21. Rudzinska M., Przybylski R., Zhao Y.Y., Curtis J.M. Sitosterol Thermo-Oxidative Degradation Leads to the Formation of Dimers, Trimers and Oligomers: A Study Using Combined Size Exclusion Chromatography/Mass Spectrometry. Lipids, 2010, vol. 45, iss. 6, pp. 549–558. DOI: https://doi.org/10.1007/s11745-010-3433-0
22. Shoichi Y. Method for Recovering Non-Saponified Product from Tall Oil Pitch and Method for Producing Sterols. Patent JP no. JP 2002194384 A, 2002.
23. Swamy G.J., Sangamithra A., Chandrasekar V. Response Surface Modeling and Process Optimization of Aqueous Extraction of Natural Pigments from Beta Vulgaris Using Box-Behnken Design of Experiments. Dyes and Pigments, 2014, vol. 111, pp. 64–74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2014.05.028
24. Ullah I., Ahmad M.I., Younas M. Optimization of Saponification Reaction in a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) Using Design of Experiments. PJEAS, 2015, vol. 16, pp. 84–92.
25. Zinkel D.F., Russell J. Naval Stores: Production, Chemistry, Utilization. New York, Pulp Chemicals Association, 1989. 1060 p.