Высокотемпературный гидролиз растительного сырья

УДК 663.1

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

В. М. Емельянов

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГИДРОЛИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

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

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

Key words: hydrolysis, straw, wheat bran, reducing substances, hydrolysate.

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

Рыночные конкурентные отношения неизбежно побуждают вести поиск технологических решений производства спирта, обеспечивающих снижение производственных затрат, в частности экономию сырья и энергоресурсов. Особенно это актуально для производства топливных и технических спиртов на основе зерна 4 категории.

Одной из проблем спиртового производства является высокая стоимость крахмала, расходуемого не только на производство целевого продукта, но и на наработку биомассы продуцента - спиртовых дрожжей. Известен ряд подходов к экономии сырья на стадии выращивания посевной культуры дрожжей, например переход на аэробную дрожжегенерацию [1, 2]. Однако это позволяет экономить только 5 % крахмала. Замена зернового сусла на гидролизаты соломы и отрубей позволит экономить до 12-15 % зерна с одновременным повышением интенсивности процесса брожения за счет более плотного засева.

Созданная лабораторная установка для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза растительного сырья позволяет проводить процессы химического гидролиза в рабочем диапазоне температур от 100“С до 180 “С при избыточном давлении 0 - 1,2 МПа гидролиза растительного сырья состоит из: 1) лабораторной мельницы для измельчения растительного сырья QC-114 фирмы Labor MIM 2) масляного термостата объемом 3 л с датчиком температуры ДТС 035-50М.В3-250, нагревателем мощностью 600 вт и терморегулятором ТРМ1 фирмы ОВЕН, 3) капсул для гидролиза объемами по 30 мл [3, 4]. К одной из капсул подсоединен манометр типа ВПЗ-3 с диапазоном измерения избыточного давления до 16 МПа. Общий вид установки показан на рис.1. Для заливки масляного термостата использовали силиконовое масло.

Измельченное сырье (солома, отруби) взвешивали на аналитических весах. Навески сырья помещали в просушенные капсулы, куда под тягой доливали расчетные количества воды и раствора сернистой кислоты. Общая масса загрузки каждой капсулы составляла 15 - 22г.

Каждую капсулу после загрузки раствора кислоты для предотвращения испарения сернистого газа немедленно закрывали завинчивающейся пробкой. После завершения подготовительных операций капсулы одновременно (в течение времени не более 1 минуты) помещали в прогретую до заданной температуры ванну масляного термостата.

В ходе процесса гидролиза контролировали давление в одной из капсул. Съем каждой из капсул производили через интервалы времени, равные 1/5 от заданной длительности эксперимента. Последняя капсула с подключенным манометром не использовалась в анализе результатов, поскольку дополнительный объем газовой фазы, возникающий вследствие присоединенной трубной обвязки и камеры манометра, вносит неконтролируемую погрешность.

Емкость

термостата

Капсулы для

гидролизуемого

материала

Манометр

Термодатчик

Опора подвески капсул

Штатив

Рис. 1 - Общий вид установки для исследования кинетики процессов гидролиза

Извлекаемые из термостата капсулы немедленно погружали в воду, охлажденную до 10 - 15°С. Охлажденные пробы помещали в центрифужные пробирки для отделения не гидролизованного осадка. Разделение гидролизованных проб осуществляли на лабораторной автоматической центрифуге с охлаждением Ко1ша 380Я при скорости вращения ротора 2113 об/мин в течение 15 минут. Отделенный от каждой пробы фугат в количестве 13 - 15 мл помещали во флаконы и хранили до анализа в холодильнике при температуре 4°С не более 24 часов.

Образцы фугата анализировали на содержание редуцирующих веществ по методу Бертрана [5] и аминного азота по методу Кьельдаля по ГОСТ 24104 - 2001 [6]. Анализ аминного азота осуществляли на автоматическом анализаторе азота Рго-№1хо А производства фирмы “1.Р. 8е1еЙ;а Б.а.”

Были проведены эксперименты по гидролизу пшеничной соломы и пшеничных отрубей. При температуре 150°С и варьировании концентрации сернистой кислоты в пределах

1 - 3 % мас., максимум концентрации редуцирующих веществ (РВ) в фугате гидролизата достигается через 50-55 минут после начала процесса гидролиза соломы (рис.2).

При более высоких температурах (160°С - 170°С соответственно) максимумы концентрации РВ достигаются примерно через 35 минут (рис. 3, 4). Причем при температуре 170°С зависимость скорости гидролиза от концентрации кислоты незначительна, что связано, по-видимому, с десорбцией сернистого газа из жидкой фазы и отсутствием перемешивания среды внутри капсул.

Время гидролиза, мин.

1% 2% -Л-3%

Рис. 2 - Динамика концентрации РВ в процессах гидролиза соломы при 150 0С и варьировании концентрации сернистой кислоты

Рис. 3 - Динамика концентрации РВ в процессах гидролиза соломыпри 160 0С и варьировании концентрации сернистой кислоты

Во всех экспериментах наилучшие результаты достигнуты при концентрации сернистой кислоты 2 %. При этом скорости вторичных реакций карамелизации и распада сахаров не существенно зависят от температуры в исследуемом диапазоне (рис.5).

Аналогичные зависимости динамики концентрации сахаров в процессах гидролиза отрубей при температурах 150 °С - 180 °С приведены на рис.6.

Наличие в составе отрубей остаточного количества крахмала обеспечивает рост концентрации РВ в гидролизатах с 4 до 6 % масс. При переходе к промышленному гидролизеру возможно достижение более высоких концентраций редуцирующих веществ в фугатах гидролизата за счет снижения величины гидромодуля.

Динамика концентрации РВ в гидролизатах отрубей (рис. 6) показывает, что оптимальной температурой гидролиза является 160°С.

Рис. 4 - Динамика концентрации РВ в процессах гидролиза соломы при 170 С и варьировании концентрации сернистой кислоты

Рис. 5 - Динамика концентрации РВ в процессах гидролиза соломы при варьировании температуры.

О У я с 0

= 6' I— '——

со  — 0"-

/ С'

ь У

^ 2 ^ 1 -

с

2 0 4 Время 0 6 гидр ОЛИ 0 8 за, мин 0 1С

—0— 150°С -о-160°С -й-180°С

Рис. 6 - Динамика концентрации РВ в процессах гидролиза отрубей при варьировании температуры

При меньшей температуре увеличивается продолжительность процесса гидрполиза, а при более высокой недопустимо возрастает скорость побочных реакций распада и связывания сахаров.

Концентрации РВ в гидролизатах соломы и отрубей обеспечивают рост биомассы сахаромицетов примерно до 18 и 24 кг АСД/м3 соответственно. При этом за счет аминокислот, образующихся за счет гидролиза белка отрубей (табл.1), может быть получено еще примерно

2 кг АСД/м3.

Таблица 1 - Содержание аминного азота в гидролизате отрубей

№ замера 1 2 3 Среднее значение

Концентрация, г/л 0,292 0,298 0,296 0,296

Процесс получения гидролизатов соломы и отрубей с применением сернистой кислоты может быть рекомендован к использованию в производствах топливного этанола как ресурсосберегающий. Использование гидролизата отрубей в производстве пищевого спирта в принципе возможно, но требует дополнительной проверки состава примесей в готовом продукте.

Литература

1. Патент РФ № 2136746 от 10.09.99. приоритет 17.08.98. Способ культивирования дрожжей для спиртового производства. Емельянов В.М., Шайхутдинов Р.Р., Владимирова И.С., Филиппова Н.К., Валеева Р.Т., Табаков И.Е.

2. Филиппова, Н.К. Разработка интенсивной технологии аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей 8аееЬ. еегеу. / Н.К. Филиппова и др.// Биотехнология. - 2002. -№1. - С. 49-53.

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. 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.

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

6. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства / Под ред. А. П. Рухлядевой — М.: Агропромиздат, 1986 - 400 с.

© 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» той же кафедры; Р.Т. Валеева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф. зав. каф. химической кибернетики КГТУ.