Текст книги "Технология и товароведение продуктов малоотходной переработки хвойной древесной зелени"

Основной вектор лесопромышленного производства настоящего времени направлен на глубокую переработку древесной биомассы с использованием ее главных компонентов [303]. Он включает совершенствование традиционных и создание новых технологий переработки некондиционной и другой малоценной древесины, древесных и лесосечных отходов. Исторически сложившаяся роль России как поставщика сырья, а также насыщенность рынка в развитых странах могут затруднить выход российских производителей на мировой рынок продукции глубокой степени переработки. Ситуацию усугубляет неструктурированный экспорт необработанной древесины из России, что фактически субсидирует развитие обрабатывающих производств в Китае, Финляндии и Корее. Перспективы развития лесопромышленного комплекса связаны с ожидаемым ростом внутреннего спроса на лесобумажную продукцию, а также [118] :

● c обеспечением комплексной переработки всего заготавливаемого сырья, увеличением глубины его переработки, удовлетворительным достижением рационального использования природных ресурсов;

_● c освоением производства новых видов продукции, в том числе экспортоориентированной;

_● оптимизацией территориального размещения предприятий лесопромышленного комплекса;

_● созданием соответствующей транспортной и социальной инфраструктуры;

_● развитием внутреннего рынка продукции механической обработки древесины, прежде всего деревянного домостроения в экономичном и бизнес-сегментах;

_● импортозамещением целлюлозно-бумажной продукции;

_● расширением присутствия продукции российского лесопромышленного комплекса на мировом рынке.

Таблица 2.4

Прогноз динамики производства и потребления основных видов продукции лесного комплекса [21]

Без преувеличения огромное значение имеют фундаментальные и прикладные исследования в области химии и технологии природных соединений, которые представляют собой научную основу комплексной переработки возобновляемого растительного сырья. Они могут стать неисчерпаемым источником производства биологически активных препаратов. В решении актуальной задачи рационального и экономного использования лесных ресурсов можно выделить несколько направлений: вовлечение в хозяйственный оборот древесных отходов; разработка новых технологий переработки отходов лесозаготовительных предприятий; развитие перерабатывающих производств в районах основных лесозаготовок; организация производства сопутствующей продукции; повышение технико-экономической эффективности основных производств и решение экологических проблем. Продукция лесохимической промышленности востребована в различных сферах народного хозяйства. Для глубокой переработки древесины необходима база в виде инновационных научных разработок. Основное направление развития отрасли в мире – «зеленая» и «белая» лесохимия – это экологически чистые продукты, получаемые на основе экстрактивных веществ. Компоненты экстрактивных веществ древесной зелени хвойных пород обладают высокой физиологической активностью и могут быть использованы в различных областях [278].

2.3. Сырье для выработки эфирного масла. Его структура и использование

Эфирное масло находится во всех органах хвойных древесных пород, но экономически обоснованным является его выработка из древесной зелени и коры пихты сибирской. Последнему способствует его скопление на промышленных площадках деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных комбинатов.

Лесосечные отходы состоят из мелких неутилизируемых (опилки, кора, шишки и пр.) и крупных остатков. Последние по структуре и способам переработки представляют собой три основные группы:

_● сучья, вершинки, древесная зелень;

_● околоземные ресурсы: откомлевки, пни, корни;

_● маломерную древесину: тонкомерную древесину, отмершие сучья, опад.

К ним условно можно отнести и оставленные на лесосеке в некоторых случаях пихтовые и еловые древостои.

Объем элементов лесосечных остатков достаточно большой. По этой причине их образование несет как финансовую (уборка территории), так и экологическую (пожары, размножение насекомых-вредителей и пр.) нагрузку. Среднее соотношение этих и других элементов к стволу (нередко единственный товарный продукт) и ко всей биомассе дерева сосны обыкновенной приведено в табл. 2.5 [147].

Таблица 2.5

Отношение основных компонентов лесосечных отходов, %

В табл. 2.5 приведены средние показатели, которые отличаются для разных природно-климатических зон. В Северном регионе на крону (по отношению к стволовой части), где протекают фотосинтетические превращения и образуется большое число ценных компонентов, приходится 16,6 %, в Восточно-Сибирском – 13,3 %. Для темнохвойных пород (пихта, ель) ее вклад возрастает до 15–18 % [198]. Эти данные свидетельствуют об огромном ресурсном потенциале древесной зелени.

Важным элементом рационального проведения рубок главного пользования, тонкомерной древесины, ухода и санитарных рубок может стать внедрение передвижных установок переработки крон деревьев [159]. Применение данных линий дает возможность приблизить их утилизацию к сырьевой базе. Их сырьем может служить древесная зелень и кора всех хвойных деревьев с получением большого ассортимента продукции. Предполагается, что внедрение таких линий позволит проводить наряду с паровой и экстракционную переработку сырья.

Предлагаемая линия представляет собой комплект блоков полной готовности. Блочное исполнение дает возможность проводить сборку оборудования в нужной технологической последовательности. При этом оборудование монтируется на санях, что обеспечивает его транспортирование по лесосеке. Предполагается, что применение передвижных линий окажется весьма эффективным при очистке лесосек и лесосводки зон лож водохранилищ.

Приходится констатировать, что пока значительная часть кроны не находит широкого потребления. Сучья, ветви, как и откомлевки, в лучшем случае будут использоваться в качестве топлива, хотя приводятся сведения и о их переработке в технологическую щепу. Полезнее других элементов кроны, хотя и недостаточно эффективно, утилизируется древесная зелень – охвоенные побеги с диаметром в отрубе до 10 мм. Даже в конце 1980-х г. при максимальном развитии лесохимической отрасли в стране из 12 млн т ее экономически доступных ресурсов потреблялось всего около 80 тыс. т. Из них менее 10 тыс. т перерабатывалось на лечебные экстракты и другие биологически активные препараты и 60 тыс. т – для получения эфирного масла [158]. На Урале и в Сибири для получения эфирного масла служит, как правило, древесная зелень пихты сибирской. Лишь незначительное его количество вырабатывается из коры и окорки пихты. Остальное используется как подкормка для сельскохозяйственных животных и птицы, а также в качестве укрывного материала и разрыхлителя почвы, добавки к силосам и компостам [69, 204, 265, 270 и др.].

Высокое содержание в древесной зелени эфирного масла и смолистых веществ затрудняет ее более эффективное потребление в животноводстве, поскольку они убивают микрофлору пищевого тракта [117]. Вместе с тем их малая добавка, возбуждающая аппетит, плодотворно сказывается на организме животных. По этой причине паровая обработка древесной зелени, снижая содержание эфирного масла, делает ее благоприятной для скармливания. Отработанный твердый остаток считается также лучшим сырьем для компостирования [145].

Из трех основных элементов древесной зелени (хвоя, кора, неодревесневевшая древесина) более богатой энергетическими и биологически активными соединениями является хвоя [255, 301]. Соотношение элементов (8 :3 :2[116]) изменяется в зависимости от времени года, способа заготовки, породного состава, диаметра побегов и пр., из которых более значимы два последних фактора. Данные по фракционному составу двух принятых в ГОСТах диаметров (в отрубе) древесной зелени главных хвойных лесообразующих пород Восточной Сибири приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Влияние породного состава и диаметра побегов на вклад элементов древесной зелени (абс. сухая масса), %

Сравнение показывает, что в охвоенных побегах всех древесных пород динамика вклада компонентов одинакова. Их масса снижается от хвои к коре и неохвоенной древесине. Однако характер изменения различный. Если в древесной зелени сосны и кедра масса хвои больше суммы остальных компонентов в 4,0, пихты и ели – 2,7, то лиственницы в 1,1 раза. Фракционный состав древесной зелени существенным образом изменяется в течение сезона. Помимо нарастания и опада хвои, одревеснения побегов и пр. в начале вегетации появляются генеративные органы, которые значительно трансформируются в дальнейшем.

Меньшее влияние на соотношение компонентов древесной зелени оказывает географическое положение, что вытекает из сравнения древостоев Восточной Сибири и европейской части России (табл. 2.7 [220]).

Таблица 2.7

Фракционный состав древесной зелени хвойных пород европейской части России, %

Отклонения относятся преимущественно к темнохвойным породам, которые выражаются в незначительном снижении вклада хвои.

Большое значение для качества древесной зелени и соотношения в сырье элементов древесной зелени имеют технологические факторы – сбор и транспортирование ветвей и вершин с лесосеки на рабочую площадку предприятия [220]. До настоящего времени в связи с существенным вкладом ручного труда при обрубке сучьев, отделении от них древесной зелени, сборе в кучи и погрузке в автотранспорт она остается самой трудоемкой и дорогой операцией таких производств [37, 25 1].

В промышленных условиях обеспечение такого предприятия сырьем проводится по четырем технологиям. Они отличаются заготовкой древесной зелени, которая осуществляется либо непосредственно на лесосеке, либо на рабочей площадке, куда доставляются ветви или крона в целом. Для всех вариантов присущи серьезные потери (табл. 2.8 [251]).

Проведение рубок, особенно в зимнее время, происходит со значительными потерями наиболее ценной части кроны – древесной зелени и прежде всего ее хвои. Они нарастают от валки к трелевке и вывозке деревьев, составляя летом 30–40%, возрастая зимой до 50–60% кроны [16].

Масса потерь может быть значительно снижена при переработке кроны механизированным путем непосредственно на лесосеке. При механизации процесса значительно снижается доля ручного труда и удешевляется эта дорогостоящая операция.

Таблица 2.8

Влияние валки и транспортировки на потерю биомассы кроны, %

Данное решение может реализоваться при рубке совместно произрастающих древесных пород, древесная зелень которых является близким по значимости сырьем при выработке какого-либо конкретного товарного продукта. Например, это возможно на северо-западе страны при переработке охвоенных побегов сосны и ели на хвойную витаминную муку. Вместе с тем из-за малого масштаба оно вряд ли будет успешным при заготовке сырья обрезкой ветвей с растущих деревьев. Указывается также на реальную возможность совместной заготовки и переработки древесной зелени пихты белокорой и ели аянской с получением эфирного масла. Охвоенные побеги этих пород сравнительно близки по содержанию эфирного масла (2, 1 и 1,3 % соответственно), практически одинаковы по физико-химическим показателям и потребительским свойствам [57, 87, 259]. В Красноярском крае совместная переработка древесной зелени произрастающих на одних площадях сосны и ели экономически не целесообразна в связи с отсутствием спроса на хвойную муку пихты и ели по существующей технологии пихтоварения [215] из-за низкого содержания эфирного масла в охвоенных побегах ели [27, 195, 248]. Производство масла в таком случае практически означает его отгонку из древесной зелени пихты с введением нейтрального сырья, т. е. из частично загруженного перегонного чана. Повышение эффективности при этом может быть достигнуто при совершенствовании технологии с выработкой дополнительных товарных продуктов [194].

Реальным и экономически обоснованным сырьем для крупномашабного производства эфирного масла является древесная зелень пихты сибирской. В нашей стране, особенно в Сибирском регионе, пихтовые насаждения занимают обширные территории [111]. Хотя по содержанию масла ее охвоенные побеги несколько уступают древесной зелени пихты сахалинской и белокорой, однако эти массивы существенно уступают по ресурсным возможностям. Кроме того, в эфирных маслах указанных видов пихты меньше их наиболее ценного компонента – борнилацетата.

Эфирное масло в хвое побегов и коре ствола находится в желваках (смолоходах) различной формы [34, 67, 232]. Их диаметр в хвое в зависимости от возраста и условий произрастания изменяется от 0,05 до 0,20 мм, длина определяется размерами хвои. На обоих концах толщина смолохода существенно снижается, и в первом году жизни он проникает в кору побега. В дальнейшем этот проход перекрывается пробковой прослойкой. Хвоя пихты удерживается на ветке 8–10 лет, что соответствует длине охвоенного побега 26–30 см. В прикладном плане представляет интерес тот факт, что вклад эфирного масла в хвое разных лет практически одинаков.

Средние запасы древесной зелени, приходящийся на 1 м³ стволовой древесины, зависят от многих факторов, основными из которых являются состав, возраст и полнота насаждений. В значительной мере ее запасы определяются универсальным показателем – диаметром деревьев (табл. 2.9 [285]).

Таблица 2.9

Зависимость запасов древесной зелени от диаметра ствола деревьев и бонитета насаждений

Сопоставление данных показывает, что количество охвоенных побегов на одном дереве и приходящееся на 1 м³ древесины в онтогенезе изменяются в разных направлениях. Так, при диаметре деревьев 16 и 44 см 2-го бонитета их масса на дереве возрастает в 4,5 раза, в то время как ее вклад для 1 м³ ствола убывает почти в 3 раза. Иначе выражается влияние бонитета насаждения: до диаметра 20 см повышение бонитета в обоих вариантах ведет к нарастанию охвоенных побегов, выше – к снижению их массы.

Нарастание запасов древесной зелени на отдельных деревьях в процессе онтогенеза ведет к повышению ее количества в фитоценозе. Обработка статистических данных позволяет оценить возрастную динамику накопления биомассы отдельных органов сибирских хвойных древостоев [243, 295]. Результаты оценки ресурсов охвоенных побегов на 1 га пихтовых фитоценозов разного возраста приведены в табл. 2. 10 [158].

Таблица 2. 10

Запасы древесной зелени в пихтовых насаждениях разного возраста лесостепной зоны Средней Сибири

Максимальное накопление охвоенных побегов отмечается в перестойных древостоях, где их запасы почти в три раза больше по сравнению с подростом. Определение количества древесной зелени на 1 га насаждений дает возможность ориентировочно оценить его ресурсный потенциал, в частности по эфирному маслу, что важно для практических целей.

Содержание эфирного масла в охвоенных побегах определяется также возрастом хвои [85]. Наиболее богата им хвоя первого года. При старении происходит его постепенное снижение, так что в хвое 4–5-го года содержание масла сокращается на 30–40%. Снижение вклада происходит преимущественно за счет испарения и частичного осмоления. Такая динамика логично объясняется уменьшением активности фотосинтетических процессов в клетках.

Кроме того, на выход и качество масла серьезное влияние оказывают условия хранения древесной зелени и их продолжительность перед переработкой сырья. Г. Н. Черняева [285] приводит сведения об ухудшении этих показателей при увеличении срока хранения охвоенных побегов (табл. 2. 11).

Таблица 2. 11

Влияние срока хранения древесной зелени пихты на выход и качество эфирного масла

Результаты анализа свидетельствуют о существенной потере масла при сокращении в нем борнилацетата и повышении борнеола при хранении, за исключением первых 10 дней. Изменение вклада компонентов объясняется омылением борнилацетата с образованием борнеола. Потери масла связываются с их испарением. Обращается внимание на снижение темпов его убывания: в первые 10 дней эксперимента – на 0, 15 % (0,015 %/дн), последующие 20 дней – на 0, 15 % (0,008 %/дн) и 150 дней – на 0,83 % (0,005 %/дн). Эти данные отличаются от закономерности, выявленной в более поздних исследованиях, согласно которым убыли эфирного масла предшествует существенное повышение его содержания [158, 301]. В летнее время его максимум отмечается на 1–3-е сутки хранения, зимой – возрастает до месяца.

Помимо древесной зелени пихты серьезным источником получения эфирного масла может служить кора пихты сибирской. Ее значимость в жизни растения отличается коренным образом, что делает не совсем понятным наличие в коре летучих терпеноидов. Если роль охвоенных побегов как генератора необходимых растению продуктов очевидна, то биологические функции коры пока недостаточны понятны.

К коре относится наружная часть ствола и ветвей, окружающих древесину. Ее максимальная толщина у основания перестойных деревьев, которая постепенно уменьшается к вершине, а ее минимальное значение – у ветвей. Кора приспевающих, спелых и перестойных деревьев условно разделяется два слоя: мертвую внешнюю корку и живую внутреннюю – луб, или флоэму [122, 273]. Корка состоит из пробки, пробкового камбия и феллодермы, за которой располагается первичная кора. Последняя может содержать хлоропласты. Основной функцией внешней коры является защита древесины и луба от механических повреждений и других неблагоприятных факторов [122, 273].

В первичной коре молодых, а иногда и приспевающих деревьев отмечается наличие смоляных ходов, которые в дальнейшем превращаются в смоловместилища. В коре пихты сибирской они имеют округлую форму. В местах их скопления смоловместилища связываются между собой узкими смоляными ходами.

Основной функцией живых клеток внутренней коры является транспортирование воды с находящимися в ней питательными веществами из кроны в корневую систему. Кроме того, ее роль заключается в способности запасать питательные вещества [200].

Химический состав корки и луба отличается существенным образом [200]. В этой связи при научных исследованиях и в некоторых практических случаях кора пихты разделяется на составные части. При получении эфирного масла она используется без разделения.

В практическом плане кора обладает серьезным достоинством, поскольку запасы окорки концентрируются в локальных точках на территории предприятия и, следовательно, не требуется дополнительных затрат на ее сбор и транспортирование для переработки.

Кора пихты подобно древесной зелени также является многотоннажным отходом. В зависимости от вида заготовки она разделяется на кору, которая снимается со стволовой древесины с помощью лопатки или топора, и окорку. Их различие заключается в доле находящейся вместе с ней древесины. Минимальное количество древесины будет при заготовке коры лопаткой, больше – топором и максимальное количество (до 30%) – с использованием корообдировочных станков. В этом случае в ее массе происходит снижение эфирного масла.

Существенную роль на выход эфирного масла оказывает и продолжительность пребывания сырья перед переработкой. Влияние способа заготовки и срока хранения коры на его содержание иллюстрирует табл. 2. 12.

Таблица 2. 12

Влияние способа заготовки и продолжительности пребывания перед переработкой на выход эфирного масла

При заготовке коры лопаткой выход эфирного масла по сравнению с ее заготовкой топором возрастает на 0, 16 %, т. е. почти на 10%_отн.. Помимо балласта в виде древесины снижение выхода объясняется увеличением числа поврежденных смоловместилищ в коре при работе топором.

Вклад коры оценивается от 10 до 25 % от массы ствола. При переработке деловых сортиментов с диаметром ствола 20 см и выше интервал сокращается с 11 до 14 см. Толщина коры при этом уменьшается с 13,5 до 6,5 мм. Данный показатель существенно изменяется по высоте дерева [34, 67, 232]. При удалении от комля толщина коры заметно убывает. У дерева с диаметром 60 см толщина у основания 17 мм, на половине – 11 мм и на ¾ высоты – 8 мм. Для коры в эксплуатируемых пихтовых древостоях в среднем масса коры оценивается в 12–14 % от массы дерева, а ее плотность равна 0,47 т/м³.

В отличие от других хвойных деревьев в пихте сибирской смоляные ходы находятся не в древесине, а в коре, где они проявляются в виде желваков (вздутий) [232]. В них содержится живица, летучая часть которой является коровым пихтовым маслом. При проколе желвака заостренной трубочкой живица вытекает. В течение сезона с одного дерева можно добыть 100–300 г этого продукта. Коровое масло можно получить отгонкой как из живицы, так и непосредственно из пихтовой коры [285].

Отметим, что в коре пихты сибирской существует два типа смоловместилищ, присутствие которых в основном определяется возрастом деревьев. Мелкие смоловместилища, образующиеся при слиянии смолоходов, присущи молоднякам и средневозрастным насаждениям. В спелых и перестойных деревьях они объединяются, в связи с чем укрупняются. Их число при этом сокращается до 13–15 шт. [232].

Начиная с 30-х гг. прошлого века кора пихты привлекала внимание исследователей в качестве источника живицы, бальзам которой по составу и потребительским свойствам соответствует канадскому. Он служит его полноценным заменителем и основой для многих ранозаживляющих и противоожоговых препаратов [59, 289].

Одновременно с бальзамом исследовалась и летучая часть живицы, отгоняемая из нее острым паром [48, 192]. Согласно полученным данным, ее выход у отдельных деревьев даже превосходит содержание масла, отгоняемого из древесной зелени. В целом же выход последнего в 1,5–2 раза выше корового масла. Установлено также, что в отличие от нарастания в онтогенезе вклад пихтового корового масла значительно (в 3–3,5 раза) снижается от молодняков к зрелым спелым древостоям [99]. Содержание масла в коре ветвей молодых и стволовой части 30– и 50-летних деревьев приведены в табл. 2. 13 [285]).

Таблица 2. 13

Содержание эфирного масла в коре ветвей и коры пихты сибирской

Кроме того, выход корового масла зависит от расположения коры по высоте ствола. Повышение его содержания к вершине объясняется улучшением условий протекания биосинтеза в верхней части кроны деревьев. При изучении насыщенности эфирного масла древесной зелени и коры выявлена интересная закономерность. Установлено, что вклад летучих терпеновых соединений убывает от хвои к коре ветвей, коре вершин и вниз по стволу к комлевой части.

После 30–40-х гг. ХХ в. исследования по эфирному маслу коры пихты продолжились в 70-х гг. в Институте леса и древесины СО АН СССР [22, 24, 101]. При выделении масла наряду с перегонными лабораторными установками использовалась и крупнолабораторная установка. Применение хроматографического и спектроскопического методов анализа позволило уточнить компонентный состав корового масла. Его более низкое содержание (1,5–2%) по сравнению с предыдущими исследователями, по-видимому, объясняется условиями произрастания насаждений и их возрастом.

Состав корового масла в течение сезона остается достаточно близким, за исключением периода вегетации, когда вклад моноциклических углеродов уменьшается при увеличении доли борнилацетата [287]. Такая закономерность свойственна и другим хвойным породам [265]. Отмечаются также изменения компонентного состава в онтогенезе. В частности, в масле коры перестойных деревьев больше пиненов и меньше камфена и 3-карена [202].

С учетом наличия в коре пихты до 20% борнилацетата проведены эксперименты по получению на его основе как из эфирного масла древесной зелени, медицинской камфоры [287]. Несмотря на положительный результат, низкий выход (менее 1%) этого продукта свидетельствует о нецелесообразности синтеза. Более эффективно его использование в других отраслях.

Рис. 2.3. Схема отгонки корового масла

В заключение следует обратить внимание на близкое содержание основных компонентов древесной зелени и коры пихты сибирской, что указывает на целесообразность их переработки с использованием одинаковой технологии [15 1, 233, 25 1, 288]. Принципиальная схема посредством отгонки из сырья эфирного масла острым паром представлена на рис. 2.3.

Технология включает заготовку сырья, его доставку на промплощадку, подготовку к переработке, саму переработку и утилизацию образующихся отходов. Заготовка и доставка окорки при ее переработке на одном предприятии малозатратны и существенно удешевляют себестоимость эфирного масла и других продуктов. В случае древесной зелени на эти операции приходится до половины всех затрат. Расходы, связанные с измельчением сырья, его переработкой и утилизацией отходов, практически одинаковы как при использовании древесной зелени, так и окорки.

Безусловно, при сопоставлении этих производств по переработке лесосечных и деревообрабатывающих отходов важную роль играет выход, качество и, следовательно, стоимость вырабатываемых продуктов. Для пихтового масла она в 2–3 раза выше, чем для корового. В обоих случаях эффективность этих производств не вызывает сомнения. Высказывается даже мнение, что переработка древесной зелени и коры пихты сибирской может оказаться локомотивом развития лесохимической отрасли [298].