CC BY
55
И. И. Фазлиев, С. Т. Минзанова, Ф. Ю. Ахмадуллина,
Л. Г. Миронова, К. В. Холин, Р. К. Закиров
ПРОМЫВНЫЕ ВОДЫ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ - КАК ИСТОЧНИК БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
В ПРОЦЕССАХ ВОДООЧИСТКИ
Ключевые слова: пивная дробина, промывные воды.
Исследован состав промывных вод, получаемых при промывке пивной дробины с целью возможности их использования в качестве вторичного сырья, богатыми биогенными веществами.
Keywords: Brewers’ Spent Grain, wash water.
The composition of the wash water obtained by washing the spent grains to their possible use as a secondary raw material, rich in biogenic substances.
Введение
Для промышленно развитых районов характерно наличие большой массы отходов различной природы, включая органические, что оказывает существенное негативное влияние на экологическую ситуацию в регионе. Среди них можно выделить крупнотоннажные отходы пивоваренной промышленности - пивную дробину, состав которой позволяет использовать ее в качестве вторичных материалов для получения различной полезной продукции [1]. Как было показано ранее [2], для Республики Татарстан одно из перспективных направлений утилизации пивной дробины - получение ксилозы для производства широко востребованного ксилита, незаменимого сахарозаменителя для больных диабетом, так как в настоящее время Россия не располагает промышленными объектами по их производству, которые ранее были расположены в союзных республиках Советского Союза [3]. В то время как Татарстан имеет широко развитую пивоваренную промышленность, что обусловливает возможность и целесообразность создания инженерных модулей по производству ксилита для нужд республики.
Процесс получения ксилозы из пивной дробины включает следующие стадии:
предварительная обработка сырья; гидролиз; фильтрование; центрифугирование; очистка гидролизата; перекристаллизация моносахаров. При гидролизе пивной дробины - основной стадией получения ксилозы, образуются отходы, основная часть которых приходится на промывные воды, расход которых во много раз превышает расход перерабатываемой пивной дробины ( гидромодуль -1:5). С позиции внедрения в практику малоотходных ресурсосберегающих технологий, что диктует условия развития современного общества, представляет интерес изыскания возможности рекуперации этого многотоннажного отхода.
В работе представлены результаты комплексных исследований состава пивной дробины, осуществляемых совокупностью физикохимических методов.
Методы исследования
Определение элементного состава промывной воды пивной дробины проводили на
приборе Euro EA - Elemental Analyzer 3028-HT-OM. Определение сухого остатка и зольности осуществляли весовым методом по общепринятым методикам [4]. Определение химического потребления кислорода (ХПК) проводили согласно [5].
Содержание белка в промывной воде определяли методом Лоури [6]. Определение
свободных аминокислот осуществляли
титриметрическим методом [7].
При определении содержания металлов в промывной воде использовали метод атомноэмиссионной спектроскопии [8] на атомно-
эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6300 DUO (фирма Thermo Scientific, США). В спектрометре используются оптическая схема Эшелле и полупроводниковый CID-детектор. Конструкция спектрометра обеспечивает одновременное измерение аналитических линий в диапазоне от 166 до 867нм. Оптическое разрешение
- менее 0,007 нм на длине волны 200 нм, что дает возможность анализировать материалы с самыми сложными спектрами. Частота индукционной катушки составляет 27,12 МГц. Двойное наблюдение плазмы (аксиальное и радиальное) позволяет оптимизировать процесс измерения интенсивности спектральных линий и подавления спектральных шумов. Градуировочные графики, связывающие содержание аналита в плазме с инструментальным откликом, обычно линейны в интервале пяти порядков величины концентрации. Для многих элементов пределы обнаружения - 1 ч 100 мкг/л. Возможно одновременное определение большого числа элементов. Выбор спектральных линий обусловливается малыми шумами и отсутствием спектральных наложений. Измерения проводятся по 3 раза, после чего результат усредняется. Стандартизация проводится с помощью 5 многоэлементных стандартов по 3 точкам для каждого из элементов. Относительная ошибка измерений, состоящая из случайных ошибок при разбавлении и ошибки прибора, не превышает 10 %. Анализ проводится в аксиальном режиме. Время промывки капилляров перед анализом 30 с. Скорость насоса при промывке 100 об/мин, во время анализа 50 об/мин. Поток аргона на распылителе и вспомогательный поток составляет примерно 0,7
л/мин и 0,5 л/мин соответственно. Мощность подаваемая на плазму 1150 Вт. Интегрирование сигнала проводится в течении 15 с.
Результаты экспериментов были обработаны с помощью методов математической статистики. В связи со сравнительно небольшим числом наблюдений был использован метод статистической обработки, основанный на распределении Стьюдента [9] при помощи программы Origin 7.0.
Результаты исследований и их обсуждение
Промывные воды относятся к неконцентрированным жидким отходам на основании данных определения сухого остатка, величина которого варьировала в пределах 0,2511,017 % для различных проб исследованного объекта (табл. 1).
Таблица 1 - Содержание сухих веществ
Пробы Содержание сухих веществ, %
1 0,253±0,007
2 0,800±0,024
3 0,251±0,007
4 0,570±0,017
5 1,017±0,031
При этом следует отметить хорошее
согласование вышеупомянутых данных с величиной ХПК. Содержание кислород потребляющих веществ изменялась в диапазоне 2900-3100 мг/дм3, что свидетельствует о необходимости рекуперации промывных вод, так как сброс высококонцентрированных сточных вод [10] в систему канализации может привести к дополнительной нагрузке на очистные сооружения и дестабилизировать их работу.
С целью выявления возможного пути их утилизации в работе определяли содержание биогенных веществ в промывных водах (табл. 2).
Таблица 2 - Содержание биогенных веществ
Биогенные вещества Пробы
1 2 3
Белок, % 0,406±0,012 0,146±0,004 ),021±0,0006
Свободные аминокислоты, % 0,044±0,001 0,161±0,005 0,002±6*10-
Сахара, % 0,083±0,002 0,060±0,002 0,107±0,003
Наличие белков, сахаров и, особенно, свободных аминокислот обусловливает
возможность применения промывных вод для обогащения сред биостимулирующими добавками [11], а также биогенными элементами, согласно данным элементного анализа (табл. 3).
Таблица 3 - Содержание элементов в промывных вод
Элемент
С N
54,48±1,63 6,87±0,29
48,90±1,47 3,57±0,11
47,81±1,43 6,96±0,21
48,85±1,47 3,56±0,11
39,78±1,19 1,42±0,04
Исходя из полученных данных, можно предположить, что промывные воды можно использовать как вторичное сырье, обогащенное азотом. Его применение в этом качестве, например, в процессах биохимической очистки сточных вод, сбраживания осадка [12] должно приводить к снижению себестоимости обработки отходов за счет снижения расхода биогенных элементов. Для подтверждения возможности использования промывных вод в выше указанных процессах нами были проведены исследования по содержанию в них различных металлов, включая тяжелые - основных экотоксикантов ингибирующих рост активной биомассы (таблица 4). Как известно, тяжелые металлы подавляют дыхание микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект, могут выступать как мутагенный фактор. При избыточном содержании тяжелых металлов снижается активность метаболических процессов, происходят морфологические трансформации в строении репродуктивных органов и другие изменения биоты. Они в значительной степени могут подавлять активность ферментов (амилазы, дегидрогеназы, каталазы и др.) и вызывать изменения общей численности микроорганизмов.
Таблица 4 - Результаты атомно-эмиссионного анализа
Элемент Содержание, мг/дм3 ПДКбов, мг/дм3 [14]
Ag 0,003±3*10-4
AI 0,35±0,035 5
Ca 5,2±0,52
Cr 0,01±0,001 2,5
Cu 0,07±0,007 0,5
Fe 0,86±0,086 5
K 9,0±0,9
Mg 4,5±0,45 30
Mn 0,08±0,008 30
Mo 0,02±0,002
Na 7,1±0,71
Ni 0,004±4*10-4 0,5
Ba 0,04±0,004 10
Si 2,9±0,29
Sr 0,06±0,006 26
Zn 0,27±0,027 1
Табличные данные свидетельствуют, что содержание тяжелых металлов не превышают допустимых концентраций, для биостанций и, тем самым, подтверждают ранее высказанное предположение о возможности использования промывных вод для обогащения сред биогенными веществами, тем более, что атомно-эмиссионный анализ выявил достаточно высокое содержание фосфора, которое составил 36 мг/дм3. А согласно нормативной документации [13] сбалансированное соотношение углерода и биогенных элементов должно соответствовать соотношению
С:№Р=100:5:1.
Таким образом, в результате исследования состава промывных вод, осуществленных совокупностью физико-химических методов,
показана возможность рекомендовать их в качестве источников биогенных элементов, и тем самым решить задачу ресурсосбережения в процессах водоочистки.
Литература
1. А.П Колпакчи, Н.В Голикова, О.П. Андреева Вторичные материальные ресурсы пивоварения. Агропромиздат, Москва, 1986. 160 с.
2. . И.И. Фазлиев, Ф.Ю.Ахмадуллина, С.Т. Минзанова, Р.З. Мусин, Л.Г. Миронова, Вестник КГТУ, №11, 307311 (2010).
3. Г. С Рысбаева., Б. Ш. Кедельбаев, Г. Р.Рахманбердиев, Н. А.Приходько, Узб. хим. ж., № 6, 61-64 (2009).
4. Г.В.Лазурьевский, И.В. Терентьева, А.А. Шамшурин Практические работы по химии природных. Высшая школа Москва, 1966. 336 с.
5. Ю. Ю Лурье. Аналитическая химия промышленных сточных вод. Химия, Москва, 1984. 448 с.
6. Ю.Б. Филлипович Практикум по общей биохимии: учеб. пособие для студентов хим. специальностей пед. институтов. Просвещение, Москва, 1975. 318 с.
7. А.Н. Обоймковой Государственная фармакопея СССР.
Медгиз, Москва, 1996. 686 с.
8. К.В Холин, А.З.Миндубаев, С.Т.Минзанова,
A.Д.Волошина, Д.Е.Белостоцкий, В.В.Зобов,
B.Ф.Миронов, А.И.Коновалов, Ф.К.Алимова,
Э.И.Галеева, Е.С.Нефедьев, Вестник КГТУ, № 2, С. 457
- 464 (2010).
9. В.П.Васильев Аналит. Химия. В 2 ч. Ч. 1.
Гравиметрический и титриметрический методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. Вузов. Высш. шк., Москва, 1989. 320 с.
10. Л.И.Жуков, И.Л. Монгайт, И.Д. Родзимер. Методы очистки производственных сточных вод, Стройиздат, Москва, 1975. 204 с.
11. Ю.М. Варежкин, А.Н. Михайлова, А.М. Терентьев. Методы интенсификации процесса биологической очистки сточных вод,: НИИТЭХИМ, Москва, 1987. 39 с.
12. И. С. Туровский, Обработка осадков сточных вод, Стройиздат, Москва, 1988. 256 с.
13. СНиП 2.04.03-85. - Канализация. Наружные сети и сооружения. - Введ.с 01.07.1986. - М.: ГПЦПП, 1985. -72 с.
© И. И. Фазлиев - асп. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, ranli87@rambler.ru; С. Т. Минзанова - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, minzanova@iopc.knc.ru; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ; Л. Г. Миронова - инж.-исследователь ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; К. В. Холин - канд. хим. наук, мл. науч. сотр. ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, kholin@iopc.ru; Р. К. Закиров - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ.
