Способ определения коэффициента диффузии целевых компонентов в древесине

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к производству древесных экстрактов для приготовления крепких алкогольных напитков, и может быть использовано для определения диффузионных свойств древесины. Способ включает изготовление образца, выдержку образца в течение 24 ч. с водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50% для набухания, экстрагирование целевых компонентов водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50%, определение диффузионного потока целевых компонентов, расчет коэффициента диффузии. Образец вырезают из древесины в продольном или поперечном направлении относительно волокон в виде диска с отношением толщины к диаметру 1:20. Перед экстрагированием помещают на торцевой поверхности подложки цилиндрической формы так, чтобы экранировать его боковую поверхность и закрепляют на валу экспериментальной установки. После определения удельного диффузионного потока извлекаемых компонентов осуществляют расчет коэффициента диффузии в продольном либо поперечном направлении переноса при количественном описании процесса дифференциальным уравнением нестационарной одномерной диффузии в пластине по формуле где С⁰ _тв - начальная концентрация экстрагируемой части веществ в образце, г/см³ сухой древесины; - средняя к моменту τ концентрация в жидкости, г/см³, β=V_тв/V_ж; V_тв - объем твердой фазы, см³, V_ж - объем жидкой фазы, см³; F_o=(D_m·τ)/(δ/2)² - число Фурье, D - коэффициент диффузии в образце, м²/с, τ - время, с; δ - толщина пластины,м; μ_n - постоянная, величина которой варьируется в зависимости от значений β. Способ позволяет повысить точность определения коэффициента диффузии целевых компонентов в древесине за счет того, что учитывается направление переноса веществ в образце, а также при реализации способа снижается трудоемкость и продолжительность определения.

 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к производству древесных экстрактов для приготовления крепких алкогольных напитков, и может быть использовано для определения диффузионных свойств древесины различных видов.

Наиболее близким способом к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения коэффициента диффузии целевых компонентов из древесины, включающий изготовление образца, выдержку образца в течение 24 ч с водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50% для набухания [Корниенко Т.С. Исследование кинетики набухания древесного сырья в водно-спиртовых растворах и воде. / Корниенко Т.С., Новикова И.В., Востриков С.В. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 4. - С.52-53], экстрагирование целевых компонентов водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50% (Корниенко Т.С. Изучение кинетики извлечения экстрактивных веществ из щепы дуба [Текст] / Т.С.Корниенко, И.В.Новикова, С.В.Востриков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 9. - С.58-60), определение диффузионного потока целевых компонентов, расчет коэффициента диффузии.

Недостатком способа является недостаточная точность определения усредненного по объему образца коэффициента диффузии за счет того, что не учитывается направление переноса веществ в древесине, а также большая продолжительность процесса диффузии.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента диффузии целевых компонентов в древесине за счет того, что учитывается направление переноса веществ в образце, а также снижение трудоемкости и продолжительности определения.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии в древесине, включающем изготовление образца, выдержку образца в течение 24 ч с водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50% для набухания, экстрагирование целевых компонентов водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50%, определение диффузионного потока целевых компонентов, расчет коэффициента диффузии, новым является то, что образец вырезают из древесины в продольном или поперечном направлении относительно волокон в виде диска с отношением толщины к диаметру 1:20, перед экстрагированием помещают на торцевой поверхности подложки цилиндрической формы таким образом, чтобы экранировать его боковую поверхность, и закрепляют на валу экспериментальной установки, после определения удельного диффузионного потока извлекаемых компонентов осуществляют расчет коэффициента диффузии в продольном либо поперечном направлении переноса при количественном описании процесса дифференциальным уравнением нестационарной одномерной диффузии в пластине по формуле

где С⁰ _тв - начальная концентрация экстрагируемой части веществ в образце, г/см³ сухой древесины; - средняя к моменту τ концентрация в жидкости, г/см³, β=V_тв/V_ж; V_тв - объем твердой фазы, см³, V_ж - объем жидкой фазы, см³; Fo=(D_m·τ)/(δ/2)² - число Фурье, D - коэффициент диффузии в образце, м²/c, τ - время, с; δ - толщина пластины, м; μ_n - постоянная, величина которой варьируется в зависимости от значений β [Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость). - Л.: Химия, 1974. - 254 с].

Способ реализуют следующим образом. Из древесины вырезают образцы в виде дисков диаметром 0,02 м, толщиной 1·10^-3 м, которые в количестве 1-5 шт. помещают на торцевую поверхность подложки цилиндрической формы таким образом, чтобы экранировать их боковую поверхность с целью направления переноса компонентов в образцах древесины по их минимальному размеру - толщине. Образцы на подложке помещают в экспериментальную установку, включающую сосуд с рубашкой для термостатирования и крышкой из оргстекла, который крепится к вертикальному валу, проходящему через ось подложки и соединенному с электродвигателем. Сосуд с образцом заливают экстракционной жидкостью, объем которой равен 150·10^-6- 500·10^-6 м³. Экстрагирование проводят в течение 0,2-1,0 ч, затем определяют величину удельного диффузионного потока извлекаемых компонентов с помощью спектрофотометра. На основании найденной концентрации в пробе и по результатам анализа общей концентрации целевых компонентов в древесине рассчитывают отношение среднеобъемных концентраций компонентов в экстрагенте и древесине и осуществляют расчет коэффициента диффузии в продольном либо поперечном направлении переноса при количественном описании процесса дифференциальным уравнением нестационарной одномерной диффузии в пластине по формуле (1).

При реализации предлагаемого способа повышается точность определения коэффициента диффузии в древесине, упрощается устройство экспериментальной установки, уменьшается продолжительность определения коэффициента диффузии.

Способ поясняется примерами.

Пример 1

Для определения коэффициента диффузии D целевых компонентов в продольном направлении переноса из древесины дуба Q.robur вырезают 5 дисков диаметром 0,02 м, толщиной 1·10^-3 м каждый, плоскость среза которых перпендикулярна направлению волокон, закрепляют на торцевой поверхности подложки. Объем одного диска V_тв=3,14·10^-7 м³, объем залитой водно-спиртовой жидкости с объемной долей этанола 50% V_ж=500·10^-6 м³, соотношение β=V_тв/V_ж=2,86·10^-3. Продолжительность экстрагирования веществ из древесины 0,75 ч. Полученная концентрация целевых компонентов в экстрагенте .

По уравнению рассчитывают коэффициент диффузии D, учитывающий перенос целевых компонентов в древесине в продольном направлении относительно волокон, равен 1·10^-12 м²/c.

Пример 2

Образец вырезают из древесины так, что плоскость среза дисков параллельна направлению волокон, и определяют по уравнению (1) значение коэффициента диффузии целевых компонентов в древесине дуба Q.robur в поперечном направлении переноса относительно волокон. Остальное осуществляют по примеру 1. Коэффициент диффузии D, учитывающий перенос целевых компонентов в древесине в поперечном направлении относительно волокон, равен 2·10^-13 м²/с.

Как видно из примеров 1, 2, полученные значения коэффициента диффузии в древесине по предлагаемому способу являются более точными, чем указанные в прототипе.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения коэффициента диффузии целевых компонентов в древесине за счет того, что учитывается направление переноса веществ в образце, а также при реализации способа снижается трудоемкость и продолжительность определения.

Способ может быть использован в ликероводочной промышленности для расчета коэффициента диффузии целевых компонентов в различных видах обработанной и необработанной древесины, а также необходимой продолжительности экстрагирования при производстве древесных экстрактов.

Способ определения коэффициента диффузии в древесине, включающий изготовление образца, выдержку образца в течение 24 ч с водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50% для набухания, экстрагирование целевых компонентов водно-спиртовым раствором с объемной долей этанола 50%, определение диффузионного потока целевых компонентов, расчет коэффициента диффузии, отличающийся тем, что образец вырезают из древесины в продольном или поперечном направлении относительно волокон в виде диска с отношением толщины к диаметру 1:20, перед экстрагированием помещают на торцевой поверхности подложки цилиндрической формы таким образом, чтобы экранировать его боковую поверхность и закрепляют на валу экспериментальной установки, после определения удельного диффузионного потока извлекаемых компонентов осуществляют расчет коэффициента диффузии в продольном либо поперечном направлении переноса при количественном описании процесса дифференциальным уравнением нестационарной одномерной диффузии в пластине по формуле

где С⁰ _тв - начальная концентрация экстрагируемой части веществ в образце, г/см³, сухой древесины; - средняя к моменту τ концентрация в жидкости, г/см³; β=V_тв/V_ж; V_тв - объем твердой фазы, см³; V_ж - объем жидкой фазы, см³; Fo=(D_m·τ)/(δ/2)² - число Фурье, D - коэффициент диффузии в образце, м²/с; τ - время, с; δ - толщина пластины, м; μ_n - постоянная, величина которой варьируется в зависимости от значений β.