Разработка биотехнологического комплекса переработки растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства

БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.1.094.941

Р. М. Нуртдинов, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, В. М. Емельянов,

М. Ф. Шавалиев, И. В. Шагивалеев, И. А. Якушев

РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ключевые слова: растительное сырье, технология переработки сырья, гидролизеры,

ферментолизер.

Для изучения процессов подготовки питательных сред создан единый лабораторный комплекс учебного и научно-исследовательского назначения с компьютерными системами управления.

Key words: plant raw materials, technology for processing of plant raw materials, hydrolyzers,

fermentolizer.

The consistent laboratory complex for educational and research purposes with computer control systems was constructed for studying the process of preparation of nutrient mediums.

За последние годы в Российской Федерации произошла переориентация в использовании сырьевых источников для биотехнологии с невозобновляемых источников (парафин, нефть, газ, синтетические спирты и органические кислоты) на возобновляемые. Одной из причин развала отечественной промышленной биотехнологии как раз и послужила ориентация на дешевое углеводородное сырье и продукты его химического превращения.

Отсутствие в достаточных количествах в прошлые годы углеводного сырья послужило второй причиной неконкурентоспособности созданных технологий и прекращения производства ферментов, аминокислот, антибиотиков и других продуктов крупнотоннажной биотехнологии. За постсоветский период наряду с определенными успехами пищевой биотехнологии (производство пива, кисломолочных продуктов и сыра, пищевого спирта) создалась ситуация тотальной зависимости России от продуктов крупнотоннажной биотехнологии, в том числе лекарственных препаратов. Тем не менее, за эти годы Россия, обладая вторым в мире после США масштабом плодородных площадей, смогла увеличить урожайность зерновых и собрать в 2008 году более 105 млн. тонн.

Но в связи с вступлением России, как и всего мира, в глобальный кризис, нельзя не отметить серьезных отрицательных тенденций. Главная из которых - отсутствие прочной углеводной сырьевой базы для развития крупнотоннажных биотехнологических процессов. Это развитие концептуально возможно только в случае комплексной глубокой переработки зерна и других целлюлозо- и крахмалсодержащих сельскохозяйственных

продуктов и отходов. Сравнение показателей такой переработки с традиционной приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительная таблица по выходу продукции при переработке 1 млн. тонн пшеницы

Традиционная технология Альтернативная технология

Основные продукты Основные продукты

Продукция % выхо- да Тоннаж, т Цена в руб. Стоимость в тыс.руб. Продукция % выхода Тоннаж, т Цена в руб. Стоимость в тыс. руб.

Протеин 6,83 68340 31600 2157000 Протеин 6,83 68340 31600 2157000

Этанол 27,00 270000 22400 6039000 Этанол 6,55 65535 22400 1465000

ГФС 0,00 ГФС 35,42 354195 10700 3772000

Нативный крахмал 0,00 Нативный крахмал 16,14 161415 9800 1576000

ИТОГО: 33,83 338340 8195000 ИТОГО: 64,95 649485 8970000

Вспомогательные продукты Вспомогательные продукты

Кормовые продукты 30,00 300000 3 700 1118000 Кормовые продукты 30,00 300 000 3700 1118000

Всего: 63,83 1103151 9313000 Всего: 94,95 1103151 10088000

Углекислый газ 26,6 266600 Углекислый газ 6,26 62 645

Зерновое производство продуцирует и большое количество отходов. Большая часть соломы запахивается для улучшения структурирования почв. А ведь это ценное сырье, которое может стать дополнительным источником сахаросодержащих кормов, белка и биоэтанола после гидролиза и биотехнологической переработки. Ведь из 5 тонн соломы можно получить топливного биоэтанола в количестве, достаточном для покрытия годовой потребности одного автомобиля. Это огромная сырьевая база. При использовании только ржаной соломы на территории Республики Татарстан можно получить 425 тыс. тонн гидролизата с содержанием редуцирующих веществ 12%, которые можно пустить на корм скоту, получение кормовых дрожжей или биоэтанола.

Другой источник углеводов - это сахарная свекла, в результате ее переработки полученный свекловичный жом бесплатно возвращается производителям в качестве корма для скота. Так из 1 тонны сухого жома, посредством кислого гидролиза лимонной кислотой, либо ферментативного гидролиза, можно получить 100-120 кг пектина.

В условиях рыночной экономики на первый план выходят задачи повышения конкурентоспособности отечественного производства, для чего необходимо увеличить эффективность использования сырья и энергии, в том числе и за счет внедрения современных биохимических и микробиологических технологий. Проблемы снижения себестоимости продукции особенно остро стоят перед предприятиями спиртовой, сахарной и молочной отраслей.

В КГТУ ведутся работы по интенсификации и аппаратурному оформлению процессов микробиологического синтеза, утилизации и обезвреживанию промышленных отходов микробиологическими способами, математическому моделированию и применению компьютерных технологий для исследования стехиометрии и кинетики

биореакторных процессов, выполняются фундаментальные исследования в области расчетов энерго-материальных балансов микробного роста и синтеза экзометаболитов.

Для изучения процессов подготовки питательных сред создан единый лабораторный комплекс учебного и научно-исследовательского назначения с компьютерными системами управления в составе: лабораторной мельницы для

измельчения растительного сырья, установки для подготовки гидролизующих агентов, установки для исследования процессов низкотемпературного кислотного гидролиза растительного сырья, установки для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза растительного сырья, установки для исследования кинетики ферментативного гидролиза растительного сырья.

В гидролизерах могут быть реализованы процессы гидролиза и ферментолиза измельченных растительных (целлюлозо- и крахмалсодержащих) материалов и органическими кислотами, щелочами и ферментными препаратами.

На рис.1 показана установка для исследования процессов низкотемпературного кислотного гидролиза растительного сырья - лабораторный гидролизер объемом 6 л, в котором могут быть реализованы процессы гидролиза при избыточных давлениях до 0,35 МПа и температуре до 145 °С. После одновременной загрузки всех компонентов, образовавшаяся суспензия гидролизуемого материала быстро нагревается до заданной

Рис. 1 - Лабораторный Рис. 2 - Установка для ферментативного гидроролиза

гидролизер для

низкотемпературного

гидролиза

температуры с помощью «внешнего» нагревателя, представляющего собой спираль в керамической изоляции, намотанную вокруг корпуса аппарата. При достижении заданной температуры, «внешний» нагреватель отключается и включается автоматический

терморегулятор, подающий напряжение на встроенный нагреватель патронного типа. В ходе процесса гидролиза отбор проб осуществляется через сетчатый фильтр, установленный на уровне середины столба жидкой фазы, и холодильник типа «труба в

трубе». При загрязнении фильтра его очистка осуществляется за счет кратковременной

подачи сжатого воздуха в пробоотборное устройство.

Изучение процессов

гидролиза и их оптимизация предполагают получение

информации об энергозатратах. С этой целью обеспечена

возможность измерения мощности, потребляемой приводом мешалки гидролизера.

На рис. 2 показана установка для исследования кинетики ферментативного гидролиза

растительного сырья.

На рис.3 показана установка для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза растительного сырья. Установка позволяет проводить процессы химического гидролиза в рабочем диапазоне температур от 100°С до 180 °С при избыточном давлении 0 - 1,2 МПа.

Разработанный комплекс позволяет проводить работы по повышению энерго- и

ресурсоэффективностии и

снижению уровня отходов производства биоэтанола,

сахаросодержащих и белковых кормовых добавок на основе малоценного растительного сырья, по комплексной переработке зернового сырья, соломы и других отходов сельского хозяйства

Разработанная аппаратура может быть использована в лабораториях промышленных предприятий биотехнологического профиля, в научно-исследовательских институтах и вузах.

В Казанском государственном технологическом университете разработанный комплекс аппаратуры обеспечивает выполнение лабораторных практикумов в рамках курсов «Энерго- и ресурсосбережение в биотехнологии», «Микробиологический синтез», «Экологическая биотехнология». Наиболее значимым является то, что сами установки, входящие в комплекс, их технические испытания и наладка осуществлены при участии студентов в ходе выполнения ими курсовых и дипломных работ.

Найденные оригинальные технические решения могут послужить основой разработки типового комплекта аппаратуры для биотехнологических лабораторий вузов России.

Рис. З - Гидролизер

высокотемпературного гидролиза

для

Литература

1. Мухачев, С.Г. Биотехнологический комплекс учебной лаборатории энерго- и

ресурсосбережения / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М. Буйлин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009.- №5. - С. 21 -26.

2. Мухачев, С.Г. Разработка биотехнологического комплекса для научно-учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С. Г. Мухачев, М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев, Р. М. Нуртдинов, А. М. Буйлин, А. А. Степанова, Б. В. Кузнецов, Р. Т. Валеева // Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч. - практ. конф. - Казань: ТГГПУ, 2009. - С. 248-253.

3. Шавалиев, М. Ф. Лабораторный реактор вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев // II Всероссийская студенческая научно -техническая конференция «Интенсификация тепло - массообменных процессов, промышленная безопасность и экология»: докл. - Казань: Бутлеровское наследие, 2007. - С. 45.

© Р. М. Нуртдинов - асп. каф. химической кибернетики КГТУ, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лабораторией «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» каф. химической кибернетики КГТУ; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц., программист той же кафедры; В. М. Емельянов -д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ; М. Ф. Шавалиев - асп. той же кафедры; И. В. Шагивалеев - инж. той же кафедры; И. А. Якушев - проф. той же кафедры.