CC BY
27
УДК 663.1
Р. Т. Валеева, О. В. Красильникова, А. Ф. Мухутдинова, Р. М. Нуртдинов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК СОЛЯНОЙ КИСЛОТОЙ
Ключевые слова: гидролиз, кукурузные кочерыжки, редуцирующие вещества, гидролизат.
Проведены исследования по высокотемпературному гидролизу кукурузных кочерыжек при варьировании температуры и концентрации соляной кислоты с целью оценки гидролизатов на содержание редуцирующих веществ.
Key words: hydrolysis, corncobs, reducing substances, hydrolyzate.
The studies on high temperature hydrolysis of corncobs with varying temperature and concentration of hydrochloric acid were carried out to produce hydrolyzates with evaluate content of reducing substances.
В России и за рубежом еще в 20-ом столетии широкое развитие получили биотехнологические процессы, связанные с микробиологической утилизацией гидролизатов, полученных из отходов переработки возобновляемого растительного сырья. Таким образом, гидролизные заводы решали задачу комплексной переработки растительного сырья и древесных отходов [1].
В условиях рыночной экономики комплексная переработка растительного сырья приобретает особое значение и целесообразность. Разработка и реализация гибкой технологической схемы с получением нескольких видов продукции в производстве этилового спирта, позволяет производить сопутствующие виды продукции: такие, как кормовые дрожжи, фурфурол, белковые кормовые добавки, биологически активные вещества, удобрения, лигнин и др. Часть из продуктов, например, лигнин используется в качестве топлива, что позволяет не только более полно использовать сырьё, но и снижать себестоимость получаемых продуктов, утилизировать жидкие и твёрдые отходы, производить конкурентоспособную продукцию в соответствии с рыночным спросом [2, 3].
Для комплексной переработки отходов растительного и древесного сырья в основном используют кислотный способ гидролиза [4]. Из анализа существующих схем биотехнологических производств очевидно, что помимо основного продукта образуется целый побочных продуктов, которые представляют определённый интерес для народного хозяйства. С учетом актуальности проблемы утилизации вторичных ресурсов растительного сырья и опубликованных ранее параметрах процессов гидролиза, продолжена работа по исследованию процессов переработки одного из видов отходов растительного сырья - кукурузных кочерыжек - сильным гидролизущим агентом (разбавленными растворами соляной кислоты). Кукурузные кочерыжки предварительно измельчали и просушивали до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 120 °С 2 часа.
Все экспериментальные исследования были проведены на малогабаритной лабораторной установке высокотемпературного гидролиза с тепловым аккумулятором [5], созданной в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» для проведения исследования кинетики и стехиометрии реакций ки-
слотного и щелочного гидролиза дисперсных твердофазных целлюлозо- и крахмалсодержащих субстратов растительного происхождения.
Исследование процессов гидролиза проводили по отработанным экспериментальным методикам, использованным в ранее выполненных исследованиях по гидролизу кукурузных кочерыжек другими кислотами и пшеничной соломы данным гидролизующим агентом [6-8].
Чтобы получить максимальный выход редуцирующих веществ необходимо поддерживать высокий гидромодуль — отношение объёма жидкости к массе сырья [1]. С учетом литературных данных и предыдущих экспериментальных исследований процессы гидролиза кукурузных кочерыжек проводили при следующих технологических параметрах: температуры в диапазоне 135 °С - 190 °С и концентрации соляной кислоты от 1 до 3% масс., гидромодуле закладываемого сырья 1: 5,8.
Гидролизат разделяли центрифугированием. Образцы полученных фугатов анализировали на содержание редуцирующих веществ, рН и содержание сухих веществ.
Динамика концентрации редуцирующих веществ в процессе гидролиза кукурузных кочерыжек пр варьировании температуры и концентрации соляной кислоты представлена на рис.1 - 3.
4,Ь
4
i ?
1.5 1
0,5 О
ЖС-Я
-i
:о 70 .1С. до so Время гидрилнт,!, мин - -135 -Г-150 -й-160 - --170 -х-180 -"-«О
Рис. 1 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации соляной кислоты 1% мас.
Для каждого процесса гидролиза кукурузных кочерыжек соляной кислотой, рассчитывали массы
полисахаридов и редуцирующих веществ, конверсию сырья, скорость процессов гидролиза и содержание РВ в сухих веществах.
Время гидролиза, мин -С-135 -Lb 150 -£s-l«0 - -17(1 -К—180 — —l'HI
Рис. 2 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации соляной кислоты 2% мас.
í¿ Ü 10 20 30 40 50 60
Бремя гидролиза, мин -С-135 -L-150 -й-160 —У—170 -Ж-180 —О-190
Рис. 3 - Динамика концентраций РВ в гидролиза-тах кукурузных кочерыжек при концентрации соляной кислотой 3% мас.
Расчетные значения конверсии сырья и скорости проведенных процессов высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек соляной кислотой представлены в таблице 1, а содержание редуцирующих веществ в полученных гидролизатах в процентах от общей массы растворимых веществ в таблице 2.
Из полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
- максимальные и близкие значения РВ получены при 150 °С на 10 минуте процесса гидролиза;
- получены гидролизаты кукурузных кочерыжек содержащие редуцирующие вещества в количестве 61% - 87 % от общей массы растворимых веществ, что обеспечит, при использовании гидролизатов в процессах микробиологического синтеза, достаточно
высокую конверсию сырья в целевые продукты биосинтеза.
Таблица 1 - Расчетные значения конверсии сырья и скорости проведенных процессов
Концентрация кислоты, % T ср, °C Время, мин РВ max, % Конверсия, % R, гРВ/л*час
1 150 10 4,04 30,12 242,26
2 150 10 3,67 27,37 220,16
3 150 10 4,17 31,12 250,36
Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах
Концентрация кислоты, % Темпе- Концент- Содержание РВ в СВ, %
ратура, °С рация СВ, %
1 150 4,64 87,02
2 150 5,24 70,03
3 150 6,76 61,73
Усредненное значение: 72,93
Литература
1. В.И. Сушкова, Г.И. Воробьёва, Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. Дели принт, Москва, 2008, 216 с.
2. И.Н Ковернинский Комплексная химическая переработка древесины. Архангельск, Арханг. гос. техн. ун-т, 2002, 347с.
3. И.И. Корольков, Перколяционный гидролиз растительного сырья. Лесная промышленность, Москва, 1978. 263 с.
4. С.А. Сапотницкий, В.И. Шарков, О.А. Дмитриева, И.Ф. Туманов, Технология гидролизных производств. Лесная промышленность, Москва, 1973. 408 с.
5. И.В. Шагивалеев, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 190 -192, (2014).
6. А. А. Галева, Р.Т. Валеева, С. Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 19, 246 - 247, (2013).
7. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, С.Ю. Михайлова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 5, 135 -137, (2014).
8. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, С.Ю. Михайлова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 10, 101 -103, (2014).
© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; О. В. Красиль-никова - аспирант той же кафедры; А. Ф. Мухутдинова - студентка той же кафедры; Р. М. Нуртдинов - канд. техн. наук, ассистент той жекафедры.
© R. T. Valeeva - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, [email protected]; O. V. Krasilnikova - postgraduate, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; A. F. Mukhutdinova -student, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; R. M. Nurtdinov candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU.
