Исследование влияние гидромодуля на процессы высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Р. Т. Валеева, А. Р. Минмуллина, О. В. Ананьева, Э. Р. Гайфуллина, Ч. Р. Зайдуллина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОМОДУЛЯ НА ПРОЦЕССЫ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК

Ключевые слова: гидромодуль, кукурузные кочерыжки, гидролиз, редуцирующие вещества, гидролизат.

Проведены экспериментальные лабораторные исследования по оценке влияния величин гидромодуля в процессах высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек различными гидролизующими агентами на выход редуцирующих веществ. Определены показатели величин гидромодулей от 1:2,5 до 1:5,8.

Key words: the ratio of solid to liquid, corn cobs, hydrolysis, reducing substances, hydrolyzate.

Experimental laboratory assessment studies effect the ratio of solid to liquid of the high temperature processes of hydrolysis of corn cobs various hydrolyzing agents to yield reducing substances. Indices values the ratio of solid to liquid of from 1: 2.5 to 1: 5.8.

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 663.1

Введение

Гидромодуль (отношение массы растительного сырья к массе или объему водного раствора кислоты) имеет важное технологическое значение, так как в зависимости от его величины довольно существенно меняются не только выход сахара из сырья и его концентрация в гидролизате, но и расход кислоты, пара и другие технологические параметры. Практическую величину гидромодуля необходимо выбирать по экономическим соображениям [1, 2].

Вопросы изучения влияния величины гидромодуля на процессы гидролиза при малом модуле рассматривались и представляли практический интерес еще в работах 70 годов прошлого столетия [3, 4] для выяснения возможности достижения таким путем экономии в расходе пара и гидролизующего агента - кислоты. Так авторами показано, что на выход сахара при гидролизе целлюлозы разбавленными кислотами некоторое влияние оказывает гидромодуль [3]. Впервые установлен факт значительного снижения скорости гидролиза полисахаридов при уменьшении величины гидромодуля с 20 до 2 при гидролизе гемицеллюлоз натурального растительного сырья -древесины и показано, что влияние малого модуля уменьшается при увеличении концентрации кислоты и это действие его связано с уменьшением активности раствора кислоты [4].

Несмотря на то, что по литературным данным одним из факторов, увеличивающих выход редуцирующих веществ, является увеличение гидромодуля, но полученные экспериментальные данные авторов работы [1, 2] расходятся с этими данными. Однако влияние гидромодуля особенно сильно сказывается при низких концентрациях кислоты, чем выше концентрация кислоты, тем меньше влияние модуля на выход редуцирующих веществ. Исчерпывающего объяснения влияния гидромодуля на выход редуцирующих веществ пока не существует. Возможно, что на выход

редуциру их ве еств при ал х гидро одулях влияет степень равномерности пропитки массы и увеличение массообмена за счет постоянного перемешивания. Так, замечено, что при гидролизе во вращающихся аппаратах, где масса перемешивается и истирается, выход редуцирующих веществ при малом гидромодуле получается несколько выше, чем при отсутствии перемешивания [1, 2].

Материалы и методы исследования

Проведены экспериментальные исследования процессов высокотемпературного гидролиза измельченных и просушенных до постоянного веса кукурузных кочерыжек при варьировании величины гидромодуля от 1:2,5 до 1:5,8 и продолжительности процессов гидролиза различными гидролизующими агентами, такими как серная, соляная и фосфорная кислота.

Все экспериментальные исследования были проведены по отработанным методикам и аналогично ранее проведенным исследованиям по гидролизу кукурузных кочерыжек серной, соляной и фосфорной кислотами [5-7] на лабораторной установке с тепловым аккумулятором, предназначенной для исследования кинетики процессов высокотемпературного гидролиза [8].

Результаты и обсуждение

Параметры процессов гидролиза кукурузных кочерыжек были выбраны с учетом ранее полученных данных [5-7], процессы гидролиза проводили:

- при температуре 190°С и концентрации серной кислоты 0,5% мас.;

- при температуре 150°С и концентрации соляной кислоты 4% мас.;

- при температуре 170°С и концентрации фосфорной кислоты 3% мас.

Зависимости влияния величины гидромодулей на выход редуцирующих веществ в процессах

гидролиза кукурузных кочерыжек разбавленными минеральными кислотами представлены на рис. 1-3, где значения гидромодулей соответствуют

следующим обозначениям:

—е—1:5,8 □ 1:5 А 1:4

X 1:3,5 ж 1:3 о 1:2,5

В полученных образцах гидролизатов анализировали рН, содержание редуцирующих веществ по методу Бертрана и сухих веществ. Оценка воспроизводимости экспериментальных данных при реализации процессов гидролиза была проведена по трем аналогичным процессам. Также определяли массу полисахаридов и массу редуцирующих веществ, конверсию исследуемого сырья, скорость проведенных процессов гидролиза и содержание РВ в сухих веществах для каждого проведенного процесса гидролиза.

Рис. 3 - Зависимости влияния гидромодулей на выход РВ в процессах гидролиза кукурузных кочерыжек фосфорной кислотой

Таблица 1 - Расчетные данные процессов

Кислота Время, мин РВ тах, % Конверсия, % с а ¡г * В % ^ Концентрация СВ, % Содержание РВ в СВ, %

Н^04 20 5,35 18,44 160,38 9,14 58,49

Н^ 5 7,42 25,59 890,32 9,34 79,44

Н3Р04 10 7,83 31,51 469,80 14,71 53,23

Рис. 1 - Зависимости влияния гидромодулей на выход РВ в процессах гидролиза кукурузных кочерыжек серной кислотой

О 10 20 30 40 50 60

Время гилролиза, мин

Рис. 2 - Зависимости влияния гидромодулей на выход РВ в процессах гидролиза кукурузных кочерыжек соляной кислотой

Расчетные данные по конверсии сырья, скорости проведенных процессов и содержание РВ в гидролизатах в процентах от общей массы растворимых веществ представлены в таблице 1. Изменения концентрации РВ в гидролизатах кукурузных кочерыжек при варьировании гидромодуля представлены на рис.4.

£¡2 3 4 5 б

Гидромодуль

—©— Н2504 -В-НС1 * —А— НЗР04

Рис. 4 - Изменение концентрации РВ в гидролизатах кукурузных кочерыжек при варьировании гидромодуля

Из полученных данных экспериментальных исследований влияния величины гидромодуля на показатели процессов гидролиза кукурузных кочерыжек следуют выводы:

1. Величина гидромодуля, особенно в области малых значений, существенно влияет на концентрацию РВ в гидролизате.

2. Это влияние более резко выражено при использовании в качестве гидролизующего агента слабых кислот.

3. Варьируя величинами гидромодуля и продолжительностью гидролиза при использовании слабых кислот можно получить высокие значения конверсии сырья и концентрации РВ даже при относительно небольшой скорости гидролиза.

Литература

1. В.И. Шарков, Технология гидролизного и сульфитно-спиртового производства, Гослесбумиздат, Москва, 1959, 439 с.

2. Н.Н. Трофимова, И.И. Гордиенко, В.А. Бабкин, Химия растительного сырья, 4, 25-28, (2005).

3. В.И. Шарков, С.А, Сапотницкий, О.А. Дмитриева, И.Ф. Туманов, Технология гидролизных производств, Лесная промышленность, Москва, 1973, 408 с.

4. И.И. Корольков, Перколяционный гидролиз растительного сырья, Лесная промышленность, Москва, 1978, 263 с.

5. Р.Т. Валеева, О.В. Красильникова, А.Р. Минмуллина, Р.М. Нуртдинов, С. Г. Мухачев, Вестник технологического университета, 18, 7, 281 - 282, (2015).

6. Р.Т. Валеева, О.В. Красильникова, А. Ф. Мухутдинова, Р.М. Нуртдинов Вестник технологического университета, 18, 9, 267 - 268, (2015).

7. О.В. Красильникова, Р.Т. Валеева, Э.Р. Батыршина, С. Г. Мухачев, Р.М. Нуртдинов Вестник технологического университета, 18, 8, 234 - 235, (2015).

8. И.В. Шагивалеев, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 190 - 192, (2014).

© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; А. Р. Минмуллина - магистр той же кафедры; О. В. Ананьева - аспирант той же кафедры; Э. Р. Гайфуллина - магистр той же кафедры; Ч. Р. Зайдуллина - магистр той же кафедры.

© R. T. Valeeva - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, [email protected]; A. R. Minmullina - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; O. V. Ananeva postgraduate, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; E. R. Gaifullina - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; Ch. R. Zaidullina - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU.