Предварительная обработка растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства с целью повышения выхода редуцирующих веществ

УДК 663.1

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

М. В. Харина

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ВЫХОДА РЕДУЦИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Ключевые слова: гидролиз, растительное сырьё, солома, редуцирующие вещества.

Для повышения эффективности процессов гидролиза была проведена предварительная обработка растительного сырья.

Key words: hydrolysis, plant raw materials, straw, reducing substances.

To improve the efficiency of hydrolysis was carried out pretreatment of plant raw materials.

Эффективность современного производства зависит от многих факторов. Но решающим фактором является уровень безотходности (ресурсооборота) и комплексный характер используемого сырья, обеспечивающего выпуск широкого ассортимента продукции. Особое значение эти факторы приобретают в связи со вступлением Российской Федерации в ВТО.

В стране ежегодно образуется огромные ресурсы растительных материалов, таких как древесина и отходы ее переработки, солома, сельскохозяйственные отходы и большое количество вторичных сырьевых ресурсов в виде свекловичного жома, которые за рубежом, в отличие от России, используются более рационально. Максимально полное комплексное использование сырья, безопасная и экономически выгодная переработка образующихся вторичных ресурсов, является актуальным вопросом агропромышленного комплекса.

В России отходы сельского хозяйства сегодня - почти невостребованный ресурс, используется лишь 10% всего объема соломы в основном, в животноводстве. При этом чаще всего солому сжигают или запахивают в землю [1].

Целлюлозосодержащие материалы - распространенный возобновляемый естественный ресурс и субстрат, доступный для преобразования в биотопливо.

Наиболее дешевым и имеющимся в наличии сырьем для производства топливного спирта является солома, масса накопления соломы злаковых и крупяных культур в России за год составляет 80 - 100 млн. тонн. В республике Татарстан объем производства соломы достигает 6,6 млн.т в год, в том числе ржаной соломы - 880 тыс.т. в год [2, 3].

Растительное сырье содержит небольшие количества жиров и белка и большое количество клетчатки и полисахаридов гемицеллюлоз, которые в принципе могли бы заменить углеводный корм, однако при скармливании данных растительных материалов в натуральном виде из-за наличия лигноуглеводных связей животные плохо их усваивают. Состав соломы различных культур приведен в Таблица 1 [4].

Таблица 1 - Состав соломы при натуральной влажности, % мас.

Вид соломы Протеин Жир Клетчатка БЭВ Зола

Овсяная 5,12 1,69 37,6 35,9 4,79

Ржаная 3,65 1,48 40,37 36,18 3,4

Пшеничная яровая 4,26 1,47 37,9 36,6 3,78

Пшеничная озимая 3,86 1,38 34,1 33,6 3,54

Физические и химические свойства сырья имеют важное значение при проведении эксперимента и, в дальнейшем, для получения качественного гидролизата. Такие физические параметры сырья, как структура, влагоемкость, влажность, определяют скорость, степень гидролиза и выход РВ.

Физическая предварительная обработка сырья может увеличить доступную площадь поверхности и размер пор, снизить кристалличность и степень полимеризации целлюлозы.

Измельчение может быть использовано для изменения характерной ультраструктуры лигноцеллюлозы и степени кристалличности, и, следовательно, сделать ее более доступной для дальнейшего гидролиза.

Чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность, открытая для гидролиза и тем быстрее происходит образование РВ. Однако очень маленькие частицы упаковываются слишком тесно, образуя материал с высокой плотностью, в результате чего скорость процесса может быть замедлена.

В зависимости от размеров частиц насыпная плотность соломы может меняться почти в 3 раза (табл.2) [5].

Таблица 1 - Насыпная плотность абсолютно сухой соломы в зависимости от степени измельчения

Показатель Размер частиц, см

5-20 2,5-5 1,5-2,5 0,5-1,5

Насыпная плотность, кг/м3 45 70 85 125

Влажность исходного сырья особенно важна в случае длительного хранения сырья. Влажность соломы и высушенных стеблей топинамбура колеблется в пределах 7 -15%. Повышение влажности сырья во время хранения до уровня более 15 - 20% создает условия для начала жизнедеятельности субстратной микрофлоры (бактерии плесени).

Влагоемкость или водоудерживающая способность - это максимальное количество воды, поглощенной единицей массы сухого вещества сырья. Влагоемкость соломы - 300%.

Механические методы предобработки целлюлозосодержащего сырья заключаются в измельчении на различных видах мельниц (шаровые, коллоидные или вибромельницы), дезинтеграторах и дробилках, диспергировании на вальцах и т.д. Измельчают целлюлозосодержащее сырье, как в сухом, так и во влажном виде. Использование механических методов приводит к разрушению кристаллической структуры целлюлозы, увеличению поверхности, доступной целлюлолитическим ферментам и, как следствие, к значительному возрастанию реакционной способности целлюлозосодержащего сырья. Тонкое измельчение соломы позволяет повысить выход редуцирующих веществ при ее гидролизе. Кроме того, улучшается работа аппаратов на дальнейших стадиях, в частности, на стадиях гидролиза, ферментации, выделения биомассы дрожжей. При этом особо тонкое измельчение соломы, хотя и повышает затраты на стадии измельчения, приводит к резкому упрощению процесса ферментации. Исключается наматывание частиц соломы на валы мешалок в ферментере. Появляется возможность ферментирования всей прогидролизованной массы.

В зависимости от физических и химических свойств сырья перед проведением гидролиза солому размалывали на лабораторной мельнице QC-114 фирмы Labor MTM и просевали через сита разных размеров. Были получены три фракции соломы с размерами 0,5 -1 мм, 1-3 мм и 3-5 (рис. 1).

Рис. 1 - Измельченная солома: а - крупная фракция; б - средняя фракция; в - мелкая фракция

Концентрация РВ, % мае. 4

3.5 3

2.5 2

1.5 1

0,5

0

—Мелкая фракция -—Средняя фракция —Л ТГгЛПТ Ч Я Я гЬ-П ЯТГ ТТ и я _

20

40

60 Время гидролиза, мин.

Рис. 2 - Зависимость редуцирующих веществ от времени при гидролизе измельченной соломы разных фракций

В соломе может развиваться различного рода инфекция: грибная, дрожжевая, бактериальная. Для уничтожения возможной субстратной микрофлоры измельченную солому предварительно просушивали в сушильном шкафу ПЭ-4610 при температуре 105-120 °С в течение 1-2 часов.

Для более полного гидролиза солома предварительно запаривалась в автоклаве при избыточном давлении 0,07 - 0,1 МПа. Длительность обработки варьировалась от одного до шести часов.

Были исследованы процессы гидролиза измельченной соломы разных фракций. При проведении сравнительных процессов гидролиза всех трех фракций измельченной соломы получили содержание редуцирующих веществ в гидролизатах с разницей 3- 3,2%. Как следует из рисунка 2, расхождение незначительно и не выходит за пределы погрешности метода анализа.

Лучшие результаты гидролиза соломы были получены у измельченной соломы с размерами частиц 1 -3 мм. Поэтому во всех последующих экспериментах использовали измельченную фракцию сырья с данными размерами частиц. В дальнейших экспериментах крупную фракцию возвращали на помол.

В течение всего процесса определяли изменение общего содержания сахаров и сухого веса в гидролизате. Выявлена оптимальная степень измельчения соломы при проведении гидролиза целлюлозосодержащего сырья.

Литература

1. Быков, В.А. Перспективы производства растительно - углеводного корма на основе гидролиза древесины и других растительных материалов / В.А.Быков, В.В.Головин, И.И. Корольков // Гидролизная и лесохимическая промышленность. - 1982. - № 5. - С.4-6.

2. Мухачев, С.Г. Организация производства топливного спирта в Республике Татарстан/ С.Г.Мухачев, И.В.Владимирова, Р.Т.Валеева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №5. - С.21 - 26.

3. Нуртдинов, Р.М. Разработка биотехнологического комплекса переработки растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства / Р.М. Нуртдинов и др..// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №2. - С.143 - 147.

4. Тарабанько, В.Е. Исследование процесса переработки пшеничной соломы в ароматические альдегиды и левулиновую кислоту/В.Е. Тарабанько [и др.] // Химия растительного сырья. - 1998. -№3. - С. 59-64.

5. Этноботаника и этномикология http://entheogen.ru/shrooms/teks

© Р. М. Нуртдинов - асп. каф. химической кибернетики КГТУ, valrt2008@rambler.ru; Р.Т. Валеева -канд. техн. наук, доц. той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лабораторией «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» той же кафедры; М. В. Харина - асп. той же кафедры.