CC BY
30
УДК 663.1.093.8:66.067.85
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ДОБРОКАЧЕСТВЕННОСТИ ГИДРОЛИЗАТОВ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКОЙ
© В.Л. Левдикова, П.В. Миронов, Т.М. Тарченкова
Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск (Россия) E-mail: repeyakh@sibstu.kts.ru
Объектом исследования служили гидролизные среды биохимического завода и отходы производства. Целью работы явилось сравнительное исследование сорбционных возможностей одубины, лигнина из коры лиственницы, гидролизного лигнина и активированного угля, направленные на очистку и улучшение доброкачественности гидролизатов. Предложена 2-ступенчатая схема очистки гидролизатов, позволяющая значительно улучшить их качество, утилизировать такие отходы производства, как лигнин, и значительно оздоровить окружающую среду вследствие уменьшения токсичных выбросов. Работа может быть внедрена в технологию действующих биохимзаводов.
Важнейшими проблемами гидролизных производств являются повышение качества технологических сред и готовой продукции, утилизация отходов производства и уменьшение нагрузки на окружающую среду. Способы решения указанных проблем самые разнообразные. В частности, очистку гидролизатов от ингибиторов роста дрожжей и других нежелательных примесей предлагают проводить с помощью ионизирующей радиации, озонированием, аэрацией, продувкой паром, воздухом, облучением УФ-светом, упариванием под вакуумом, центрифугированием, фильтрованием через капроновый порошок, опилки и натуральный гидролизный лигнин, ультрафильтрацией через полупроницаемые мембраны, обработкой поверхностно-активными веществами, добавкой коагулянтов и флокулянтов, сорбцией самыми разнообразными сорбентами.
Однако до настоящего времени полностью не решены вопросы облагораживания гидролизатов, используемых в производстве технического спирта и для приготовления питательных субстратов в производстве кормовых дрожжей. В связи с этим проблема повышения качества гидролизных сред
остается актуальной и требует дальнейших поисков дешевых методов очистки гидролизных сред от взвешенных, коллоидных частиц, а также от ингибиторов роста микроорганизмов.
Экспериментальная часть наших исследований посвящена апробации способов облагораживания гидролизатов с целью выявления потенциальных сорбционных возможностей таких отходов производства, как одубина из коры лиственницы сибирской и лигнин из одубины. Для сравнения эффективности очистки в качестве традиционного сорбента был использован активированный уголь марки БАУ [1-3] и гидролизный лигнин как сорбент, уже испытанный на близких к исследуемым средах [4]. Гидролизный лигнин Красноярского БХЗ перед применением предварительно отмывали проточной водой до нейтральной реакции и высушивали на воздухе. Гидролизаты для опытов отбирали из общего потока Канского биохимзавода. Одубину, представляющую собой измельченную до 1—3 мм кору после спирто-щелочной экстракции, и лигнин из коры — продукт кислотного гидролиза одубины, получали на кафедре химической технологии древесины СибГТУ.
Как известно, при биохимической переработке древесины образуются вещества, положительно (моносахариды) и отрицательно (ингибиторы роста дрожжей) влияющие на доброкачественность гидролизатов. Авторы исследовали качественные и количественные изменения тех и других до и после сорбционной очистки, проводимой в динамическом режиме. С этой целью заполняли сорбентами стеклянные колонки высотой 16 см, диаметром 9 см и пропускали через них исходный заводской гидролизат до «истощения» сорбентов, т. е. до появления активной десорбции примесей.
Сравнение результатов проводили по сорби-руемости общих редуцирующих веществ, редуци-
рующих веществ сахарной природы, индивидуальных моносахаридов, а также летучих ингибиторов до и после очистки вышеперечисленными сорбирующими агентами.
Кроме того, критерием эффективности очистки служили степень осветления гидролизатов от взвешенных, коллоидных и красящих веществ, вычисленная исходя из оптической плотности растворов, и доброкачественность субстратов, полученных из гидролизатов. Доброкачественность определяли биологическим методом [5].
Основные результаты исследований представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Зависимость степени осветления от объема исходного гидролизата, приходящегося на единицу сорбента
Сорбент Степень осветления, % при пропускании гидролизата, мл/г сорбента
25 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450
Одубина 95 86 85 84 80 84 84 83 82 80 79 72
Лигнин из коры 94 94 90 93 90 87 80 74 69 69 71 68
Активированный уголь марки БАУ 60 62 56 55 50 40 42 40 45 43 40 38
Гидролизный лигнин 86 83 93 90 88 90 92 88 88 86 89 82
Таблица 2
Влияние сорбционной очистки на изменение содержания редуцирующих веществ гидролизата
Сорбент Сорбция, %
общих РВ при объеме гидролизата на 1 г сорбента, мл РВ сахарной природы при объеме гидролизата на 1 г сорбента, мл
25 50 100 150 200 250 25 50 100 150 200 250
Одубина 32 50 52 60 59 50 13 25 30 35 — 30
Лигнин из коры 45 40 33 40 58 65 18 19 20 22 28 27
Активированный уголь 21 15 20 12 — 10 10 8 7 — 5 4
Гидролизный лигнин — 8 — 7 6 — — 2 1 0 0
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что степень осветления — величина непостоянная и зависит от объема пропущенного гидролизата, приходящегося на единицу сорбента. В начале процесса степень осветления технологических сред составляет для одубины, лигнина из коры,
активированного угля и гидролизного лигнина 95, 94, 60 и 86% соответственно при пропускании первых 25 мл гидролизата на 1 г сорбента. В дальнейшем наблюдается тенденция «вымывания» примесей последующими порциями гидролизата. Так, при пропускании 450 мл гидролизата на 1 г
сорбента эти показатели снижаются до 72, 68, 38 и 82% соответственно. Наилучшие и наиболее стабильные результаты получены для гидролизного лигнина. При пропускании до 450 мл гидролизата на 1 г сорбента степень осветления меняется всего на 11% — с 93 до 82%. Соответствуюшие показатели для одубины, лигнина из коры и активированного угля снижаются на 23, 26 и 22%. По абсолютным показателям меньше всего для осветления гидролизатов подходит активированный уголь.
Это объясняется тем, что молекулы красящих и коллоидных примесей имеют малое сродство к поверхности угля по соображениям полярности, поэтому хуже сорбируются и легче вымываются последующими порциями очищаемой среды.
Из данных, приведенных в таблице 2, видно, что в процессе очистки происходит изменение содержания редуцирующих веществ, связанное с явлениями сорбции - десорбции.
Наибольшей сорбционной активностью в отношении РВ сахарной природы обладают одубина и лигнин из коры. Так, при пропускании до 250 мл очищаемой среды на 1 г сорбента, удерживание ими моносахаридов составляет соответственно 30 и 27%. На угле - 4% и на гидролизном лигнине -отсутствует.
По данным ГЖХ-анализа на одубине в большей степени сорбируется ксилоза, на лигнине из коры - манноза и арабиноза.
Полученные данные исключают возможность практического использования в немодифициро-ванном виде одубины и лигнина из коры лиственницы сибирской для очистки гидролизатов. В связи с этим изучение влияния сорбционной очистки на содержание летучих ингибиторов роста микроорганизмов (в частности, метанола и фурфурола) было проведено только на активированном угле и гидролизном лигнине.
Как и следовало было ожидать, сорбция метанола на неполярной поверхности угля была невысока и составляла всего 25% при пропускании
125 мл гидролизата на 1 г сорбента. По фурфуролу этот показатель намного выше — 88%. Для гидролизного лигнина сорбция метанола и фурфурола в аналогичных условиях составила 86 и 98% соответственно.
Учитывая особенности поведения исследуемых сорбентов, можно предложить двухступенчатую схему очистки гидролизатов: на первой ступени удаление взвесей, коллоидных и красящих веществ, т. е. осветление, проводить модифицированным проточной водой до нейтральной реакции гидролизным лигнином, а на второй ступени доочистку от неполярных и малополярных ингибиторов роста дрожжей (например, фурфурола) — активированным углем.
Целесообразность данного предложения подтверждена результатами определения доброкачественности субстратов, приготовленных на исходных и очищенных в одну и две ступени средах. Так, удельная скорость роста дрожжей в порядке упоминания сред составляла соответственно
0,026; 0,069 и 0,099 ч-1. Возрастание доброкачественности субстратов на 30,0% при очистке в одну ступень и на 73,9% - при очистке в две ступени (прирост составляет почти 44%) указывает на явные преимущества комбинированной схемы облагораживания гидролизатов.
Таким образом, проведенные исследования показали, что несмотря на отличные сорбционные свойства одубины и лигнина из коры лиственницы сибирской, применять их в немодифицированном виде для очистки гидролизатов нецелесообразно вследствие значительной сорбции ими редуцирующих веществ сахарной природы. Однако вполне можно использовать эти дешевые сорбенты для очистки, к примеру, сточных вод тех же гидролизных производств с последующим сжиганием отработанных сорбентов. Этот вариант позволит утилизировать значительные скопления указанных отходов.
Наиболее существенного улучшения доброкачественности питательных субстратов (почти на
74%) можно добиться, используя для их приготовления гидролизаты, очищенные в две ступени: в начале - осветленные на 92-82% от исходного состояния модифицированным гидролизным лигнином и далее доочищенные от малополярных и неполярных ингибиторов роста дрожжей активированным углем.
Предложенные мероприятия будут способствовать оздоровлению окружающей среды вследствие уменьшения токсичности выбросов. Кроме того, помогут решить задачи утилизации многотоннажных отходов гидролизного производства.
Улучшением состава гидролизных сред, предложением по утилизации отходов, используемых в качестве дешевых сорбентов, а также оздоровлением окружающей среды и определяется, по мнению авторов, народнохозяйственная и научная значимость выполненных исследований. Работа может быть внедрена в технологию действующих биохимических заводов, что должно привести к улучшению качества и выхода товарного спирта и дрожжей.
Авторы выражают благодарность за помощь в работе Марии Михайловне Торгашиной.
Литература
1. Сидорова Е.К., Дубинская И.П. Новые марки активных углей, применяемых в крахмалопаточном производстве // Гидролизн. и лесохи-мич. пром-сть. 1980. № 3. С. 18.
2. Глущенко Н.В., Бобореко Э.Аэ, Кузьмина М. А. др. Подготовка производственных гидролизатов и выращивание на них дрожжей пищевого достоинства // Сб. тр. ВНИИГидролиз. Вып. 26. М., 1976. С. 37-46.
3. Аристович В.Ю., Ахмина Е.И. Исследование сорбционной очистки этилового спирта активными углями // Гидролиз. Биотехнология: Сб. тр. ВНИИГидролиз. Вып. 32. М., 1982. С. 113-120.
4. А.с. № 710983 СССР, МКИ С 02 С 5/10. Способ двухступенчатой биохимической очистки сточных вод. / В.И. Степаненко, В.Я. Якушин, Н.П. Кокаулин и др. №2608721/29-26; Опубл. 25.01.80 // Открытия. Изобретения. 1980. № 3. С. 94.
5. Семушина Т.Н., Монахова Н.И., Гусарова Л.А. Микробиологический контроль гидролизнодрожжевого производства. 2-е изд., доп. М., 1991. 208 с.
Поступило в редакцию 27.05.98
