ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Разработка новой технологии получения природного арабиногалактана – биологически активного полисахарида»

Рекомендуемая область пременения

Медицина
- в качестве иммуномодулятора, в частности, для коррекции дефектов фагоцитарной системы организма при псевдотуберкулезнои инфекции;
Фармацевтическая промышленность
- в качестве связующего при производстве таблеток;
Косметическая промышленность
- при изготовлении кремов и масок как эмульгатор для стабилизации масляных эмульсий;
Пищевая промышленность
- как загуститель при производстве соусов, кетчупов;
- как пищевая гемицеллюлозная добавка для улучшения деятельности желудочно-кишечного тракта
Органический синтез
- в качестве синтона для синтеза оптически активных металлокомплексных катализаторов.
АРАБИНОГАЛАКТАН может быть использован как полимерный носитель дяя получения терапевтических препаратов с улучшенными фармакологическими свойствами. Достигается снижение токсичности и побочных эффектов.
Соединение АРАБИНОГАЛАКТАНА с железом, ФЕРРО-ГАЛ, проявляет противоанемическую активность, хорошо растворимо в воде, обладает пролонгированным действием, рекомендуется для купирования анемий различной этиологии.
Производные АРАБИНОГАЛАКТАНА с никелем, кобальтом, медью могут быть использованы для улучшения формулы крови.

Назначение, цели и задачи проекта

Проект относится к лесохимической промышленности и касается выделения из древесины лиственницы арабиногалактана.

 Основной целью проекта является упрощение и модификация технологии получения арабиногалактана.

Реализация данной цели предполагает выполнение следующих задач:

- использование в качестве сырья отходов производства дигидрокверцетина (ДКВ);

- сокращение числа стадий и снижение материальных затрат;

- отказ от дорогостоящих оборудования и реагентов;

- сокращение расхода электроэнергии при обеспечении высокой чистоты получаемого продукта.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Известен способ (RU 2143437 C1), согласно которому арабиногалактан извлекают из измельченной технологической щепы лиственницы водной экстракцией при температуре 80-90°С в режиме непрерывной циркуляции в течение 2 ч. после удаления из нее дигидрокверцетина (ДКВ) органическим растворителем и сушки щепы в щадящем режиме. Водный экстракт АГ концентрируют при пониженном давлении, обрабатывают водными растворами коагулянта - сульфата алюминия и флокулянта "Sunfloc" с последующей фильтрацией и осаждением АГ четырехкратным объемом этилового спирта, декантацией надосадочной жидкости, промыванием осадка спиртом и высушиванием.

Недостатками этого способа являются:

- высокие энергозатраты на концентрирование водного экстракта АГ методом выпаривания при пониженном давлении;

- специальные условия хранения и особый режим работы с ним;

 -использование совместно с флокулянтом коагулянта, что удорожает процесс и ведет к загрязнению продукта.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения арабиногалактана из древесины лиственницы, заключающийся в экстракции древесины лиственницы водой в течение 1 ч. при температуре 95°С, фильтрации и центрифугировании от тонких механических примесей, обработке экстракта полиамидным сорбентом в турбулентном режиме с последующей фильтрацией, концентрировании фильтрата ультрафильтрацией и выделении целевого продукта распылительной сушкой (RU 2143437 С1).

Этот способ имеет существенные недостатки:

- для получения АГ используется необессмоленная древесина лиственницы, что приводит к потере чрезвычайно ценного продукта - дигидрокверцетина и не обеспечивает достаточной чистоты экстракта АГ;

- многоступенчатость процесса и использование дорогостоящего оборудования (центрифуг непрерывного действия);

- использование порошкообразного полиамидного сорбента, требующего частой регенерации и не имеющего промышленного производства в РФ;

- использование для регенерации полиамидного сорбента больших количеств метилэтилкетона - токсичного, легковоспламеняющегося и дорогого органического растворителя;

- невысокая степень концентрирования экстракта ультрафильтрацией (содержание АГ в концентрате 10.5%).

В настоящее время промышленного производства арабиногалактана в России нет. В связи с внедрением технологии получения из древесины лиственницы дигидрокверцетина экстракт АГ стал отходом производства и поступает в сточные воды.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Проект относится к лесохимической промышленности и касается выделения из древесины лиственницы арабиногалактана.

Арабиногалактан (AГ) - водорастворимый полисахарид растительного происхождения, обладающий комплексом разнообразных ценных свойств (биологическая активность, поверхностно-активные и клеящие свойства, хорошая растворимость в воде, низкая вязкость концентрированных водных растворов), благодаря которым находит применение в медицине, пищевой, фармацевтической, косметической промышленности, в ветеринарии, а также в целлюлозно-бумажной промышленности и полиграфии (Антонова Г.Ф., Тюкавкина Н.А. Водорастворимые вещества лиственницы и возможности их использования // Химия древесины. 1983. №2. С.89-96. Веб-страница компании "Larex". 1999; 2000. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Малков Ю.А., Иванова С.З., Онучина Н.А., Бабкин Д.В. Биологически активные вещества из древесины лиственницы // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т.9, №3. С.363-367).

Задачей проекта является упрощение процесса получения арабиногалактана при использовании в качестве сырья отходов производства ДКВ за счет сокращения числа стадий и снижение материальных затрат за счет отказа от дорогостоящих оборудования, реагентов и сокращения расхода электроэнергии при обеспечении высокой чистоты получаемого продукта.

Поставленная задача решается тем, что экстракцию древесины лиственницы в виде измельченной технологической щепы после удаления из нее ДКВ и других мономерных экстрактивных веществ органическим растворителем (этилацетатом) осуществляют водой (гидромодуль от 1:1.5 до 1:3.6 к массе абсолютно сухого сырья) при температуре 80-90°С в режиме непрерывной циркуляции в течение 2 ч. При этом одновременно с экстракцией АГ происходит удаление из щепы остаточного количества этилацетата. Водный экстракт, не охлаждая, обрабатывают при перемешивании водным раствором катионного флокулянта, фильтруют, затем осуществляют концентрирование и дополнительную очистку экстракта методом ультрафильтрации, например, с использованием промышленных ацетатцеллюлозных или полисульфонамидных мембран, а выделение из концентрата порошкообразного целевого продукта - распылительной сушкой. Прошедший через ультрафильтрационную мембрану фильтрат без дополнительной обработки смешивается со свежей водой и повторно используется для экстракции.

Заявляемая технология сохраняет все достоинства прототипа и характеризуется следующими преимуществами:

- экстракция АГ осуществляется из древесины лиственницы после извлечения из нее дигидрокверцетина и смолистых веществ, что позволяет получать экстракт достаточно высокой степени чистоты;

- исключаются стадии фильтрации и центрифугирования экстракта, что позволяет сократить количество стадий, отказаться от дорогостоящего оборудования и снизить энергетические затраты;

- исключается использование дорогостоящего полиамидного сорбента, требующего частой регенерации;

- исключается использование токсичного, легковоспламеняющегося и дорогого органического растворителя - метилэтилкетона;

- позволяет получать концентрат с содержанием АГ до 40%;

- позволяет осуществить замкнутый водооборот, что приводит к снижению расхода воды и значительному сокращению количества сточных вод.

Количественный анализ компонентного состава неочищенного экстракта, полученного заявляемым способом, показал, что, в зависимости от состава сырья, он содержит 3.8-9.5% AГ (содержание сухих веществ 4-10%) и 0.05-0.36% фенольных примесей.

Для получения товарного продукта выбран способ концентрирования и дополнительной очистки экстракта АГ методом ультрафильтрации с последующей распылительной сушкой. Распылительная сушка является экономически выгодной, если высушиваемые растворы имеют концентрацию не ниже 40%.

Мембранные методы разделения и концентрирования, в частности, ультрафильтрация, являются одним из перспективных направлений научно-технического прогресса, поскольку открывают пути к созданию ресурсосберегающих и безотходных производств, позволяя решать ряд экологических проблем. Быстрое распространение в последние годы ультрафильтрации среди мембранных процессов связано не только с ее универсальностью, но и с простотой аппаратурного оформления, малой энергоемкостью, возможностью проведения процессов при температуре окружающей среды.

Получаемый по предлагаемой технолгии водный экстракт АГ содержит мелкодисперсные и коллоидные примеси, не удаляющиеся обычным фильтрованием. Ультрафильтрация неочищенного экстракта протекает с низкой скоростью, мембрана быстро блокируется и требует частой регенерации. Для эффективного использования метода ультрафильтрации требуется предварительная очистка экстракта. В заявляемом способе для удаления примесей перед ультрафильтрацией экстракт обрабатывали растворами промышленных синтетических флокулянтов - катионных полиэлектролитов. Метод флокуляции является простым, высокоэффективным и не требует специального оборудования. Катионные флокулянты имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с неионными и анионными флокулянтами. Их использование позволяет достичь высокой степени очистки экстрактов от мелкодисперсных и коллоидных примесей без применения низкомолекулярных коагулянтов. Осветление дисперсных систем катионными флокулянтами эффективно осуществляется при более низких расходах реагентов. Кроме того, они более удобны при практическом использовании (Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат. 1984. - 200 c.).

В качестве катионных флокулянтов могут быть использованы такие известные флокулянты, как Praestol, Zetag, Fennopol, Entec и др. Для катионных флокулянтов Praestol известно, что они представляют собой сополимеры акриламида с катионными производными акриловой кислоты (веб-страница фирмы www.stockhausen-inc.com/Products/Industrial/Msds/PRAESTOL). Для флокулянтов марок Zetag (www.water-technology.net/contractors/water chem/ciba) и Fennopol (www.exponet.ru exhibitions/online/technochem98/chemicals.ru.html) имеется указание на их принадлежность к катионному типу. Сведения о флокулянтах взяты из книги - Бутова С.А., Гнатюк П.П., Кротов А.П., Малий В.А., Маслов А.П. Флокулянты. Свойства. Получение. Применение. М.: Стройиздат. 1998.

Заявляемая технолгия имеет ряд преимуществ по сравнению с известным (RU 2143437 C1):

- исключается стадия выпаривания экстракта при пониженном давлении, что позволяет снизить энергетические затраты;

- использование катионного флокулянта вместо неионного флокулянта "Sunfloc" позволяет исключить применение коагулянта - сульфата алюминия, расход которого по известному способу составляет 1 г/л экстракта.

- флокуляция осуществляется перед концентрированием, в водных растворах, имеющих по сравнению с известным способом более низкую концентрацию АГ, а следовательно, и более низкую вязкость, что позволяет снизить расход флокулянта;

- флокуляция осуществляется без предварительного охлаждения экстракта (при 40-70°С), что также приводит к снижению расхода флокулянта.

- использование катионного флокулянта и изменение условий флокуляции позволяет снизить расход флокулянта в 1.5-2.5 раза (0.04-0.08 г/л вместо 0.1-0.13 г/л) [4].

- исключается стадия переосаждения AГ, а следовательно, и необходимость использования больших количеств этанола - легковоспламеняющегося растворителя, требующего особых условий хранения и правил работы.

Следующие примеры иллюстрируют предлагаемую технологию.

Пример 1. Экстракцию проводили на опытно-промышленной установке для получения ДКВ. В экстрактор, содержащий 1390 кг лиственничной щепы (содержание сухих веществ 54%) после извлечения из нее ДКВ экстракцией этилацетатом, подавали 1250 кг деминерализованной воды, непрерывно циркулирующей при температуре 80-90°С, для одновременной экстракции АГ и удаления из щепы оставшегося этилацетата. Обработку проводили в течение 2 ч. Получили 1000 кг горячего водного экстракта АГ с содержанием сухих веществ 5.26%. Содержание АГ в сухом остатке 95% (50 кг), фенольных примесей - 0.05%. К 1 л экстракта, имеющего температуру 70°С, при перемешивании добавляли 40 мл 0.1%-ного водного раствора катионного флокулянта Praestol 851 ВС и оставляли на 30 мин. Образовавшийся осадок отфильтровывали. Полученный прозрачный фильтрат с содержанием сухих веществ 4.89% подвергали ультрафильтрации с использованием ацетатцеллюлозной мембраны УАМ-150 в герметичной ячейке без протока при постоянном перемешивании; перепад давления составлял 2 атм. Полученный после ультрафильтрации концентрат (110.15 г) содержал 40.06% (44.0 г) арабиногалактана. После распылительной сушки при 40°С получено 43.12 г арабиногалактана (выход 86.2% от АГ в исходном экстракте). Содержание фенольных примесей в сухом продукте составляет 0.028%, зольность отсутствует.

Пример 2. В условиях примера 1 получили 1000 кг экстракта АГ, имеющего температуру 60°С, с содержанием сухих веществ 8.42%. Содержание АГ в сухом остатке 95%, фенольных примесей - 0.36%. К 1 л экстракта, не охлаждая его, прибавляли 55 мл 0.1% водного раствора флокулянта и оставляли на 30 мин Образовавшийся осадок отфильтровывали. Полученный прозрачный фильтрат с содержанием сухих веществ 7.74% подвергали ультрафильтрации, как описано в примере 1, с использованием мембраны УАМ-200. Получили 163.9 г концентрата с содержанием сухих веществ 44.08%. После распылительной сушки получили 70.6 г арабиногалактата (выход 88.3% от АГ в исходном экстракте) с содержанием фенольных примесей 0.05%; зольность отсутствует.

Пример 3. В условиях примеров 1,2 получили 1000 кг экстракта АГ, имеющего температуру 50 °С, с содержанием сухих веществ 4.11% (содержание АГ 39 г, фенольных примесей 0.06%). К 1 л экстракта, не охлаждая его, при перемешивании прибавляли 50 мл 0.1%-ного водного раствора флокулянта и оставляли на 30 мин. Осадок отфильтровывали. Полученный осветленный фильтрат с содержанием сухих веществ 3.83% подвергали ультрафильтрации, как описано в примерах 1,2, с использованием мембраны УАМ-150. Получили 85.13 г концентрата с содержанием сухих веществ 39.96%. После распылительной сушки получили 33.2 г арабиногалактана (выход 85.1% от АГ в исходном экстракте). Содержание фенольных примесей в готовом продукте 0.024%, зольность отсутствует.

Пример 4. В условиях примеров 1-3 получили 1000 кг экстракта АГ, имеющего температуру 40°С, с содержанием сухих веществ 10%. К 1 л экстракта, не охлаждая его, при перемешивании прибавляли 80 мл 0.1%-ного водного раствора флокулянта и оставляли на 30 мин. Осадок отфильтровывали, осветленный экстракт, содержащий 8.8% сухих веществ, подвергали ультрафильтрации, как описано в примерах 1-3, с использованием мембраны УАМ-150. Получено 206.8 г концентрата с содержанием сухих веществ 41.26%. После сушки получено 83.4 г арабиногалактана (выход 89.6% от АГ в исходном экстракте). Полученный по предлагаемому способу арабиногалактан охарактеризован физико-химическими методами (УФ-, ИК-, ¹³С ЯМР-спектроскопия) как высокочистое вещество, соответствующее требованиям фармацевтической промышленности.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Себестоимость арабиногалактана, получаемого по предлагаемой технологии ниже, чем при его получении с использованием флоакулянта по традиционным технологиям в 2-3 раза

Применение новой технологии позволяет снизить эксплуатационные расходы, исключить поставку дорогостоящих реагентов (основа получения арабиногалактана – дешевый дигидрокверцетин), что экономит от 8 до 12 млн. рублей в год.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Применение инновационной технологии позволит обеспечить:

- энергетические затраты за исключается стадии выпаривания экстракта при пониженном давлении;

- исключить применение коагулянта - сульфата алюминия, расход которого по известному способу составляет 1 г/л экстракта, за счет использование катионного флокулянта вместо неионного флокулянта "Sunfloc"

- снизить расход флокулянта за счет того, флокуляция осуществляется перед концентрированием, в водных растворах, имеющих по сравнению с известным способом более низкую концентрацию АГ, а следовательно, и более низкую вязкость;

- исключается стадия переосаждения AГ, а следовательно, и необходимость использования больших количеств этанола - легковоспламеняющегося растворителя, требующего особых условий хранения и правил работы.

Новые потребительские свойства продукции

По данным испытаний, проведенными в Иркутском институте химии им. А. Е. Фаворского СО РАН новая продукция характеризуется следующими свойствами:
- экстракция АГ осуществляется из древесины лиственницы после извлечения из нее дигидрокверцетина и смолистых веществ, что позволяет получать экстракт достаточно высокой степени чистоты;
- исключаются стадии фильтрации и центрифугирования экстракта, что позволяет сократить количество стадий, отказаться от дорогостоящего оборудования и снизить энергетические затраты;
- исключается использование дорогостоящего полиамидного сорбента, требующего частой регенерации;
- исключается использование токсичного, легковоспламеняющегося и дорогого органического растворителя - метилэтилкетона;
- позволяет получать концентрат с содержанием АГ до 40%;
- позволяет осуществить замкнутый водооборот, что приводит к снижению расхода воды и значительному сокращению количества сточных вод.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Технология прошла ряд испытаний на пилотных произодствах Восточной Сибири

Предлагаемые инвестиции

0,3 млн. руб.

Рынки сбыта

Российская федерация: все регионы, Китай, Корея, Монголия

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг, поскольку является единственной, где исключается применение коагулянта - сульфата алюминия (расход которого по известным способам составляет 1 г/л экстракта), что значительно экономит энергозатраты при производстве.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

14.08.2007