Исследование кинетики и оптимизация процесса высокотемпературного гидролиза смеси пшеничной соломы и отрубей серной кислотой

УДК 663.1

Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, Р. М. Нуртдинов, О. В. Красильникова

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА СМЕСИ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ И ОТРУБЕЙ СЕРНОЙ КИСЛОТОЙ

Ключевые слова: гидролиз, пшеничная солома и отруби, редуцирующие вещества, гидролизат.

Проведены исследования по высокотемпературному гидролизу смеси пшеничной соломы и отрубей, при варьировании температуры и концентрации серной кислоты с целью получения гидролизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ

Key words: hydrolysis, wheat straw and bran, reducing substances, hydrolyzate.

The studies on high temperature hydrolysis of mixture of wheat straw and bran with varying temperature and concentration of sulfuric acid were carried out to produce hydrolyzates with maximum content of reducing substances.

Тема переработки и утилизации отходов на протяжении последних лет остается одной из самых важных и актуальных как для Республики Татарстан, России, так и для стран с большими ресурсами растительной биомассы.

Учитывая значимость данной темы в рамках реализации комплексной безотходной технологии вторичного сырья были продолжены работы по исследованию высокотемпературного гидролиза измельченной смеси пшеничной соломы и отрубей в соотношении 1:1 серной кислотой при варьировании технологических параметров: температуры в диапазоне 150°С - 190 °С, концентрации сернистой кислоты 1 - 3% мас. и гидромодуле 1: 5,8.

Все экспериментальные исследования были проведены по отработанным методикам, аналогично ранее выполненным исследованиям по гидролизу соломы, отрубей и целлюлозы серной кислотой [1 - 3] на лабораторной установке высокотемпературного гидролиза [ 4].

В работе использовались измельченные пшеничная солома и отруби с размерами частиц 1 - 3 мм. и с целью получения точной навески сухого материала просушенные до постоянной величины [5].

Зависимости динамики накопления РВ в процессах гидролиза смеси пшеничной соломы и отрубей от концентрации серной кислоты представлены на рис.1 - 3.

0 20 40 60 80 100

Время пиролиза, мин

О— 150 -В—160 —А— 170 —X— 180 —Ж— 190

Рис. 1 - Изменение концентрации РВ при варьировании температуры и при концентрации серной кислоты 1% мас.

а 0 20 40 60 80 100

Время пиролиза, мвв

—«— 150 —В—160 —й— 170 —X— 180 —Ж— 190

Рис. 2 - Изменение концентрации РВ при варьировании температуры и при концентрации серной кислоты 2% мас.

Рис. 3 - Изменение концентрации РВ при варьировании температуры и при концентрации серной кислоты 3% мас.

Образцы полученных гидролизатов анализировали по отработанным методикам [5].

Оценка воспроизводимости проведенных экспериментов при реализации процессов высокотемпературного гидролиза была проведена по трем повторностям всех экспериментов.

Для каждого проведенного процесса так же были определены: масса полисахаридов и масса редуцирующих веществ, конверсия сырья, скорость процессов гидролиза и содержание РВ в сухих веществах.

Расчетные данные по конверсии сырья и скорости проведенных процессов представлены в

таблице 1, а содержание редуцирующих веществ в гидролизатах в процентах от общей массы растворимых веществ в таблице 2.

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

Концентрация кислоты, % T ср, °C Время, мин РВ max, % Конверсия, % R, гРВ/л*час

1 150 20 4,14 46,74 124,14

1 160 30 4,48 50,58 89,56

1 170 10 4,38 49,43 262,56

1 180 10 3,84 43,33 230,16

1 190 15 3,80 42,95 152,08

2 150 25 4,62 52,13 110,76

2 160 15 4,72 53,31 188,76

2 170 15 4,58 51,75 183,24

2 180 10 3,80 51,75 274,86

2 190 10 4,82 54,47 289,32

3 150 40 4,72 53,31 70,78

3 160 15 4,96 55,53 198,44

3 170 20 5,17 58,36 154,98

3 180 5 4,27 48,28 512,88

3 190 5 5,63 63,58 675,36

Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах

Концентрация кислоты, % Темпе-рату-ра, °С Средняя концентрация СВ, % Содержание РВ в СВ, %

1 160 8,93 50,17

2 190 10,2 47,26

3 190 10,96 51,37

Усредненное значение: 49,60

При 150 °С и изменении концентрации серной кислоты в пределах 1 - 3% масс., максимум концентрации РВ в фугате гидролизата смеси соломы отрубей достигается соответственно через 20 и 40 минут после начала процесса гидролиза, а при 190 °С через 5 и 15 минут соответственно (рис.1-3).

Наилучшие результаты достигнуты при температуре 190 °С и концентрации серной кислоты 3% на 5 минуте процесса.

В проведенных исследованиях высокотемпературного гидролиза смеси пшеничной соломы и отрубей серной кислотой были получены гид-ролизаты, в которых редуцирующие вещества составляли около 49,60% от общей массы растворимых веществ.

При раздельном гидролизе пшеничной соломы и пшеничных отрубей максимальные концентрации редуцирующих веществ соответственно составили 5,56% и 7,68% [1, 2].

Таким образом, процессы гидролиза отдельных компонентов сырья (соломы и отрубей) по характеристикам близки к процессу гидролиза смеси соломы и отрубей, что позволяет упростить процесс получения сложных по составу и высоко доброкачественных гидролизатов.

Литература

1. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, О. В Красильникова, Вестник Каз. технол. ун-та, 17, 1, с.219 - 221, (2014).

2. Р.Т. Валеева, А.С Понкратов, О. В Красильникова, Вестник Каз. технол. ун-та, 17, 3, с.150 - 152, (2014).

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

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

5. И.З. Емельянова, Химико-технологический контроль гидролизных производств, Лесная промышленность, Москва, 1976, 405 с.

© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев -канд. техн. наук, доцент, зав. лабораторией «Инженерные проблемы биотехнологии» КНИТУ; Р. М. Нуртдинов - канд. техн. наук, ассистент кафедры химической кибернетики, КНИТУ; О. В. Красильникова - аспирант той же кафедры.

© R. T. Valeeva - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru; S. G. Mukhachev - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics, KNRTU; R. M. Nurtdinov - candidate of technical sciences, assistant department of chemical cybernetics, KNRTU; O. V. Krasilnikova - graduate student department of chemical cybernetics, KNRTU.