CC BY
22
УДК 663.1
О. В. Красильникова, Р. Т. Валеева, Э. Р. Батыршина, С. Г. Мухачев, Р. М. Нуртдинов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА
КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК ФОСФОРНОЙ КИСЛОТОЙ
Ключевые слова: гидролиз, кукурузные кочерыжки, редуцирующие вещества, гидролизат.
Проведены исследования по высокотемпературному гидролизу кукурузных кочерыжек при варьировании температуры и концентрации фосфорной кислоты с целью оценки гидролизатов на содержание редуцирующих веществ.
Key words: hydrolysis, corncobs, reducing substances, hydrolyzate.
The studies on high temperature hydrolysis of corncobs
were carried out to produce hydrolyzates with evaluate
В связи с возрастанием требований к охране окружающей среды приобретает все большую актуальность поиск доступных, экологически безопасных источников сырья.
При обработке кукурузных початков образуются органические отходы - кукурузные кочерыжки. Прямое их сжигание возможно, но требует предварительной сушки. Кроме того, энергонасыщенность такого топлива невелика.
С другой стороны, исходя из химического состава, кукурузные кочерыжки могут быть использованы в качестве сырья для производства ферментационных сред на основе ксилозы [1].
Одним из основных способов переработки растительного сырья является гидролиз разбавленными кислотами. Наиболее часто в гидролизных производствах используют серную кислоту [2, 3], хотя применяются и другие кислоты, такие как HCl, HNO3, H2SO3 [4 - 6].
В настоящей работе были исследованы процессы гидролиза измельченных и просушенных кукурузных кочерыжек при изменении следующих технологических параметров: температуры в диапазоне 135 °С - 220 °С и концентрации фосфорной кислоты от 1 до 3% масс., гидромодуле закладываемого сырья 1: 5,8.
Привлекательность использования фосфорной кислоты заключается в том, что после нейтрализации гидролизатов добавлением NaOH или КОН, образуются соли, которые используются в качестве минерального питания микроорганизмами.
Все экспериментальные исследования были проведены на созданной в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» малогабаритной установке высокотемпературного гидролиза с тепловым аккумулятором [7], по отработанным экспериментальным методикам, использованных в ранее выполненных исследованиях по гидролизу отходов растительного сырья [2, 4, 8, 9].
Образцы полученных фугатов анализировали на содержание редуцирующих веществ, рН и содержание сухих веществ. Зависимости концентрации редуцирующих веществ от продолжительности гидролиза измельченных кукурузных кочерыжек, температуры и от концентрации фосфорной кислоты представлены на рис.1 - 3.
with varying temperature and concentration of phosphoric acid content of reducing substances.
Рис. 1 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации фосфорной кислоты 1% масс.
Рис. 2 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации фосфорной кислоты 2% масс.
S 4 CZ ■î &H ^ s э 1 = 1 S »0 1 W -»- 150
i
10 20 30 40 50 60 Время гидролиза, мнн —л—160 — î-o —180 îso
Рис. 3 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации фосфорной кислотой 3% масс.
Для каждого процесса гидролиза кукурузных кочерыжек фосфорной кислотой, рассчитывали массы полисахаридов и редуцирующих веществ, конверсию сырья, скорость процессов гидролиза и содержание РВ в сухих веществах.
Расчетные значения конверсии сырья и скорости проведенных процессов высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек фосфорной кислотой представлены в таблице 1, а содержание редуцирующих веществ в полученных гидролизатах в процентах от общей массы растворимых веществ в таблице 2.
Таблица 1 - Расчетные значения конверсии сырья и скорости проведенных процессов
Концентрация кислоты, % T ср, °C Время, мин РВ max, % Конверсия, % R, гРВ/л*час
1 190 20 3,87 28,5 116,09
2 220 5 4,34 31,98 521,08
3 170 10 4,34 31,98 260,54
Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах
Концентрация кислоты, % Температура, °С Концентрация СВ, % Содержание РВ в СВ, %
1 190 5,38 71,93
2 220 8,35 52
3 170 8,87 48,96
Усредненное значение: 57,63
Для сравнительного анализа был сделан расчет соотношения концентрации РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек к РВ в гидролизатах целлюлозы (рис. 4).
При расчете данные концентраций РВ в процессе гидролиза целлюлозы фосфорной кислотой были получены авторами ранее [10].
Из полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
- максимальные и близкие концентрации РВ получены при 220°С на 5-ю минуту процесса и 170°С на 10-ю минуту процесса;
- очевидно, что нагрев гидролизуемой массы до температуры 220°С потребует примерно на 30%
больше энергии, чем нагрев до 170°С, поэтому является нерациональным.
- получены гидролизаты кукурузных кочерыжек содержащие редуцирующие вещества в количестве 52% - 72 % от общей массы растворимых веществ, что обеспечит при использовании гидроли-затов в процесса микробиологического синтеза достаточно высокую конверсию сырья в целевые продукты.
Л---
-Е
150 160 170 180 190 Температура, °С —»—1% —В—2°/о —aS— 3%
Рис. 4 - Соотношение концентраций РВ гидролиза-
тов кукурузных кочерыжек и целлюлозы при
варьировании концентрации фосфорной кислоты
Литература
1. P. Jeevanl, R. Nelson, A.Edith Journal of Microbiology and Biotechnology Research, 4, 1, 114-123 (2011).
2. Р.М. Нуртдинов, Н.С. Залалдинов, Р.Т. Валеева Вестник Каз. технол. ун-та, 16, 8, 126 - 127 (2013).
3. S.J. Tellez-Luis a, J.A. Ramirez , M. Vazquez Journal of Food Engineering, 52, 285-291 (2002).
4. А. А. Галева, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 19, 246 -247, (2013).
5. A.Rodriguez-Chong, J. А. Ramirez , G. Garrote c, M. Vazquez Journal of Food Engineering, 61, 143-152 (2004).
6. С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, Производство спирта и ликероводочных изделий, 3, 20-23, (2011).
7. И.В. Шагивалеев, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 190 - 192, (2014).
8. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, О. В. Красильникова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 219 - 221 (2014).
9. Р.Т. Валеева, А.С. Понкратов, О.В. Красильникова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 150-152, (2014).
10. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, С.Ю. Михайлова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 5, 135137 (2014)
© О. В. Красильникова - асп. каф. химической кибернетики КНИТУ; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, valrt2008@rambler.ru; Э. Р. Батыршина - студ. той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Р. М. Нуртдинов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
© O. V. Krasilnikova - postgraduate, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; R. T. Valeeva - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru; E. R. Batirshina - student, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; S. G. Mukhachev - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; R. M. Nurtdinov - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU.
