Сравнительная оценка параметров процессов гидролиза кукурузных кочерыжек минеральными кислотами

УДК 663.1

О. В. Ананьева, А. Р. Минмуллина, Э. Р. Гайфуллина, Э. И. Нуретдинова, Р. Т. Валеева

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ГИДРОЛИЗА

КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК МИНЕРАЛЬНЫМИ КИСЛОТАМИ

Ключевые слова: гидролиз, кукурузные кочерыжки, минеральные кислоты, редуцирующие вещества, гидролизат.

Проведена сравнительная оценка полученных экспериментальных и расчетных данных процессов высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек различными минеральными кислотами: соляной, серной, фосфорной кислотами и оценка соотношении максимальных значений конверсии и концентраций редуцирующих веществ кукурузных кочерыжек и чистой целлюлозы.

Key words: hydrolysis, corn cobs, mineral acids, reducing agents, hydrolysates.

Conducted comparative evaluation experimental and calculated of data ofprocesses of high-temperature hydrolysis of corn cobs with different mineral acids, such as hydrochloric, sulfuric, phosphoric acids. Also conducted evaluation of ratio the maximum values of conversion, concentrations reducing substances of corn cobs and pure cellulose.

В связи с возрастанием требований к охране окружающей среды приобретает все большую актуальность поиск доступных, экологически безопасных источников сырья. К таким источникам сырья относятся кукурузные кочерыжки - один из перспективных, дешевых и легко возобновляемых видов растительного сырья - отход крахмало-паточного производства [1].

Исходя из химического состава, кукурузные кочерыжки могут быть использованы в качестве сырья для производства ферментационных сред на основе ксилозы [2].

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, что обеспечивает не только более полное использование сырья, но и снижение себестоимости получаемых продуктов, утилизацию жидких и твёрдых отходов, повышение конкурентоспособности продукции в соответствии с рыночным спросом [3, 4].

Одним из основных способов комплексной переработки отходов растительного сырья является предварительная обработка сырья перед ферментативным гидролизом разбавленными кислотами [5, 6]. Наиболее часто в гидролизных производствах используют в качестве гидролизущего агента серную кислоту [7], хотя применяются и другие кислоты, такие как соляная [8] и фосфорная [9, 10].

Привлекательность использования фосфорной кислоты заключается в том, что после нейтрализации гидролизатов добавлением №ОН или КОН, образуются соли, которые используются в качестве минерального питания микроорганизмами.

С учетом актуальности проблемы утилизации вторичных ресурсов растительного сырья проведены процессы высокотемпературного

гидролиза измельченных и просушенных до постоянного веса кукурузных кочерыжек разбавленными растворами соляной, серной, фосфорной кислотой при следующих технологических параметрах: температура - 135, 150, 160, 170, 180, 190°С при использовании соляной кислоты; 160, 170, 180, 190, 220°С при использовании серной кислоты; 135, 150, 160, 170, 180, 190, 220°С при использовании фосфорной кислоты. Концентрации минеральных кислот составляли 1, 2, 3% масс., гидромодуль во всех процессах был равен 1: 5,8 [11-13].

Все экспериментальные исследования были проведены по отработанным методикам и аналогично ранее проведенным исследованиям по гидролизу отходов переработки растительного сырья: пшеничной соломы данными кислотами [1416] на лабораторной установке, предназначенной для высокотемпературного гидролиза с тепловым аккумулятором [17].

Полученные гидролизаты разделяли центрифугированием и образцы полученных фугатов анализировали на содержание редуцирующих веществ, рН и содержание сухих веществ. Оценка воспроизводимости экспериментов при реализации процессов гидролиза проводилась по данным трех повторных экспериментальных замеров при каждой температуре и концентрации кислоты.

Для каждого проведенного процесса гидролиза кукурузных кочерыжек определяли концентрации полисахаридов и редуцирующих веществ, конверсию исследуемого сырья, скорость проведенных процессов гидролиза и содержание редуцирующих веществ в сухих веществах.

Экспериментальные и расчетные данные проведенных процессов гидролиза кукурузных кочерыжек представлены в таблице 1.

Для сравнительного анализа сделаны расчеты соотношения концентрации РВ и конверсии в процессах гидролиза кукурузных кочерыжек к РВ и конверсии в процессах гидролиза целлюлозы (рис. 1-2). При расчетах использованы

экспериментальные данные процессов гидролиза

целлюлозы серной и фосфорной кислотой полученные ранее авторами [18-19].

Таблица 1 - Экспериментальные и расчетные данные проведенных процессов

« % с а F * m % ей я

Концентрац] кислоты,% и О ,р с H Время, мин РВ max, % Конверсия, ( Концентрац СВ, % Содержани РВ в СВ, %

Соляная

1 150 10 4,04 30,12 242,26 4,64 87,02

2 150 10 3,67 27,37 220,16 5,24 70,03

3 150 10 4,17 31,12 250,36 6,76 61,73

Серная

1 220 5 3,34 24,59 400,62 5,53 60,37

2 220 5 2,88 21,22 345,77 5,64 51,09

3 190 5 3,27 24,10 392,73 8,88 36,86

Фосфорная

1 190 20 3,87 28,5 116,09 5,38 71,93

2 220 5 4,34 31,98 521,08 8,35 52,00

3 170 10 4,34 31,98 260,54 8,87 48,96

2,5

0,5

160 165 170 175 180 185 190 Температура, °С

—э—Серная 1% —В— Соляная 3% —ФосфорнаяЗУа

Рис. 1 - Соотношение максимальных значений конверсии кукурузных кочерыжек и целлюлозы при использовании различных кислот

160 165 170 175 180 185 190

Температура, °С

Рис. 2 - Соотношение концентраций РВ в процессе гидролиза кукурузных кочерыжек и целлюлозы при использовании различных кислот

Из полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. В процессе гидролиза соляной кислотой максимальные и близкие значения РВ получены при 150°С на 10-й минуте. Получены гидролизаты кукурузных кочерыжек, содержащие редуцирующие вещества в количестве 61% - 87% от общей массы растворимых веществ. Таким образом, может быть обеспечена достаточно высокая конверсия сырья в целевые продукты биосинтеза при использовании гидролизатов в качестве основы питательных сред.

2. Процесс высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек серной кислотой должен быть коротким, длительностью не более 5 минут, чтобы образующиеся пентозы не трансформировались в фурфурол.

3. В процессе гидролиза фосфорной кислотой максимальные и близкие значения РВ получены при 220°С на 5-ю минуту процесса и 170°С на 10-ю минуту процесса, соответственно. При этом нагрев гидролизуемой массы до температуры 220°С потребует примерно на 30% больше энергии, чем нагрев до 170 °С. Получены гидролизаты кукурузных кочерыжек содержащие редуцирующие вещества в количестве 52% - 72% от общей массы растворимых веществ.

Содержание редуцирующих веществ от общей массы растворимых веществ в проведенных исследованиях высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек соляной кислотой составило в среднем около 73%, серной кислотой - 50%. фосфорной кислотой - около 58%.

Литература

1. Н. С. Николаева, Гидролизное производство, 2, 5-8 (1972).

2. P. Jeevan1, R. Nelson, A. Edith Journal of Microbiology and Biotechnology Research, 4, 1, 114-123 (2011).

3. И.Н Ковернинский Комплексная химическая переработка древесины. Архангельск, Арханг. гос. техн. ун-т, 2002, 347c.

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

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

6. А. Boonsombuti, A.Luengnaraemitchaia, S. Wongkasemjita, Preparative Biochemistry and Biotechnolog, 1-43 (2014).

7. J. Nantapipat, A. Luengnaruemitchai, S. Wongkasemjit, International Science Index International Journal. 7, 4, 479483 (2013).

8. Shuai Zu, Wen-zhi Li, , Mingjian Zhang , Zihong Li, Ziyu Wang, Hasan Jameel, Hou-min Chang, Bioresource Technology, 152, 364-370 (2014).

9. S. Sirikarn, A. Luengnaruemitchai, S. Wongkasemjit, World Academy of Science, Engineering and Technology, 6, 472-4766 (2012).

10. Е. Kahar, K. Taku, S.Tanaka, Journal of Bioscience and Bioengineering, 110, 4, 453-458 (2010).

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

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

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

14. А. А. Галева, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 19, 246 - 247, (2013).

15. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, О. В. Красильникова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 219 - 221 (2014).

16. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, С.Ю. Михайлова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 10, 101 - 103, (2014).

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

18. Р.М. Нуртдинов, Н.С. Залалдинов, Р.Т. Валеева Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 8, 126 - 127, (2013).

19. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, С.Ю. Михайлова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 5, 135-137 (2014).

© О. В. Ананьева - асп. каф. химической кибернетики КНИТУ; А. Р. Минмуллина - магистр той же кафедры; Э. Р. Гайфуллина - магистр той же кафедры; Э. И. Нуретдинова - магистр той же кафедры; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, valrt2008@rambler.ru.

© O. V. Ananyeva postgraduate, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; A. R. Minmullina master of first course, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; E. R. Gaifullina master of first course, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; E. 1 Nuretdinova master of first course, Department of Chemical Cybernetics. R. T. Valeeva candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru.