Высокотемпературный гидролиз пшеничной соломы фосфорной кислотой

БИОХИМИЯ, БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

УДК 663.1

Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, С. Ю. Михайлова ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГИДРОЛИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТОЙ

Ключевые слова: гидролиз, солома, редуцирующие вещества, рН, давление, гидролизат.

Проведены исследования по высокотемпературному гидролизу соломы, при варьировании температуры и концентрации фосфорной кислоты с целью получения гидролизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ.

Key words: hydrolysis, straw, reducing substances,рН, pressure, hydrolysate.

The studies on high temperature hydrolysis of straw with varying temperature and concentration of phosphoric acid was carried out to produce hydrolysates with a maximum content of reducing substances.

Аграрный сектор играет важную роль в экономике РТ. Республика входит в тройку лидеров среди других регионов России по объему производства зерна и другой продукции. В последние в средне-климатические годы в РТ производили 4,5 млн. тонн зерна, 1,8 млн. тонн сахарной свеклы. Так, в 2011 году валовой сбор зерна превысил 5млн. тонн (зерно в весе после доработки составило 4867,7тыс. тонн), а посевные площади зерновых и зернобобовых культур составляли 1647,3 тыс. га (53,5% сельхозугодий).

С учетом данных и полученных ранее результатов анализа проведенных процессов высокотемпературного гидролиза целлюлозы фосфорной кислотой [1] и высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы сернистой, серной и соляной кислотами, были продолжены исследования кинетики высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы [2-6].

В микробиологических производствах от наличия фосфора в питательной среде зависят интенсивность ассимиляции источников углерода и рост микроорганизмов. Потребность

микроорганизмов в фосфоре может полностью обеспечиваться внесением в среды солей фосфорной кислоты [7].

Исследования кинетики

высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы трехосновной фосфорной кислотой проведены при варьировании технологических параметров: температуры в диапазоне 150°С - 190 °С, концентрации фосфорной кислоты 1 - 3% масс. и гидромодуле 1:5,8. Все эксперименты были проведены по отработанным методикам, аналогично ранее выполненным исследованиям по гидролизу пшеничной соломы и целлюлозы минеральными кислотами [2 - 6, 8, 9] на лабораторной установке высокотемпературного гидролиза [10-11] в термостатируемых капсулах.

Исследование процессов высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы выявило следующие различия в динамике накопления РВ от концентрации фосфорной кислоты (рис.1 - рис.3).

Как следует из графиков, представленных на рис.1 - 3, при концентрации фосфорной кислоты 1% и варьировании температуры в пределах 150 -190°С, максимум концентрации РВ в фугате гидролизата пшеничной соломы достигается через 20 - 40 минут после начала процесса гидролиза.

Рис. 1 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза пшеничной соломы при разных температурах и при концентрации фосфорной кислоты 1% масс.

Рис. 2 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза пшеничной соломы при разных температурах и при концентрации фосфорной кислоты 2% масс.

3,5

и

О 10 20 30 "10 50 60 70 80 90 100 110 120 Время, мин

-в— 150 —©— 160 —В—170 —Ж— 183 —А— 1Э0

Рис. 3 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза пшеничной соломы при разных температурах и при концентрации фосфорной кислоты 3% масс.

При концентрации фосфорной кислоты 3% и при варьировании температуры в тех же пределах, максимум концентрации РВ в фугате гидролизата пшеничной соломы достигается через 10 - 20 минут после начала процесса гидролиза. При этом наблюдается содержание редуцирующих веществ достигает 2,98 % масс.

Образование побочных продуктов контролировали по давлению в капсулах (рис.4). Во всех экспериментах существенного роста давления не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии образования значительных количеств фурфурола и других побочных летучих продуктов, содержание которых могло бы снизить биологическую доброкачественность гидролизатов.

, _П— |- —--'-1

[

-

О 20 40 60 80 100 120 Бремя гидролиза, мин

^—150 —160 —В—170 —Ж— 1Б0 —Л— 190

Рис. 4 - Изменение давления в процессах гидролиза пшеничной соломы при разных температурах и при концентрации фосфорной кислоты 3% масс.

Расчетные данные по конверсии полисахаридов и скорости проведенных процессов гидролиза представлены в таблице 1, а по содержанию сухих веществ в фильтрованных гидролизатах в таблице 2.

В процессах высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы фосфорной кислотой, аналогично процессам с использованием других минеральных кислот, с увеличением времени процесса гидролиза рН гидролизата возрастал.

Таблица 1 - Расчетные данные по конверсии РВ и скорости проведенных процессов

№ экс. Конц. кислоты, % Температура , 0С Время, мин РВ тах,% Конверсия, % с а ей -5 ЕР Р

1 1 150 40 2,209 19,77 33,13

2 1 160 30 2,591 23,19 51,82

3 1 170 30 2,463 22,05 49,27

4 1 180 20 2,656 23,77 79,66

5 1 190 20 2,720 24,35 81,60

6 2 150 40 2,336 20,91 35,04

7 2 160 20 2,431 21,76 72,94

8 2 170 20 2,521 22,57 75,64

9 2 180 20 2,623 23,48 78,70

10 2 190 20 2,817 25,21 84,50

11 3 150 30 2,784 24,92 55,69

12 3 160 20 2,752 24,63 82,56

13 3 170 20 2,882 25,79 86,44

14 3 180 20 2,914 26,08 87,41

15 3 190 10 2,979 26,66 178,73

Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах

Концентрация кислоты, % Температура, °С Средняя концентрация СВ, % Содержание РВ в СВ, %

150 22,73 37,89

160 23,25 52,14

1 170 24,79 42,62

180 23,98 64,45

190 24,25 64,45

150 23,78 32,04

160 20,82 27,98

2 170 28,14 41,81

180 28,14 43,50

190 30,16 48,65

150 30,67 30,09

160 25,47 30,52

3 170 22,67 35,96

180 36,55 41,75

190 29,60 46,64

Усредненное значение: 42,70

В проведенных исследованиях высоко -температурного гидролиза пшеничной соломы среднее содержание редуцирующих веществ от общей массы растворимых веществ составило около 42,70%, но при температурах 180 - 190 °С содержание редуцирующих веществ от общей массы растворимых веществ возрастает.

Из полученных данных, представленных в таблице 1 и на рис 1 - 3, можно заключить, что предпочтительным является режим гидролиза пшеничной соломы фосфорной кислотой при 180 -190°С и концентрации кислоты не менее 2%.

Литература

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

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

3. С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, Производство спирта и ликероводочных изделий, 3, 2023, (2011).

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

5. Р.Т. Валеева, А.С. Понкратов, О.В. Красильникова Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 150 - 152, (2014).

6. Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, И.В. Логинова, Вестник Казанского технологического университета, 15, 11, 133 - 134, (2012).

7. В.А. Выслоух Микробиологическая промышленность, 3, 9 - 11, (1975).

8. Р.М. Нуртдинов, Л.Т. Фаттахова, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 8, 124 - 125, (2013).

9. Р.М. Нуртдинов, Н.С. Залалдинов, Р.Т. Валеева, Вестник Казанского технологического университета, 16, 19, 126 - 127, (2013).

10. Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, Шавалиев М.Ф., И.В., Шагивалеев, И.А Якушев, Вестник Казанского технологического университета, 2, 143 - 147, (2011).

11. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М. Буйлин, Вестник Каз. технол. ун-та, 6, 180 -190, (2009).

© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук доцент той же кафедры; С. Ю. Михайлова - студ. той же кафедры.