Исследование кинетики и оптимизация условий проведения процесса высокотемпературного гидролиза целлюлозы сернистой кислотой

Р. М. Нуртдинов, Л. Т. Фаттахова, Р. Т. Валеева,

С. Г. Мухачев

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ СЕРНИСТОЙ КИСЛОТОЙ

Ключевые слова: гидролиз, целлюлоза, редуцирующие вещества, гидролизат.

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

Key words: hydrolysis, cellulose, reducing substances, hydrolysate.

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

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.

С целью определения характеристик процессов получения питательных сред для биотехнологических производств на основе кислотных гидролизатов растительного сырья были проведены процессы высоко-температурного гидролиза измельченной целлюлозы сернистой кислотой при варьировании технологических параметров: температуры в диапазоне 150°С - 190°С, концентрации сернистой кислоты 1 - 3% мас. и гидромодуле 1:6,8.

Процессы гидролиза проводили на лабораторной установке высоко-температурного гидролиза [1 - 3] в термостатируемых капсулах объемом 30 мл. Общая масса загрузки каждой капсулы составляла 22,5 г [4].

В качестве целлюлозы использовали фильтровальную бумагу. Бумага предварительно измельчалась и просушивалась до постоянной величины в сушильном шкафу при температуре 120 °С в течение 2 часов с целью получения точной навески сухого материала. Образцы фугата анализировали на содержание редуцирующих веществ по методу Бертрана [3], рН и содержание сухих веществ.

Абсолютная погрешность химического анализа РВ во всех экспериментах составляла ± 0,3% масс. Погрешность реализации экспериментов (максимальное среднеквадратичное отклонение по группам точек для разных моментов времени) составила по РВ от ± 0,4% масс. до ± 0,53% масс..

Оценка воспроизводимости экспериментов при реализации процессов высокотемпературного гидролиза была проведена по трем проворностям эксперимента для каждой температуры.

Исследование процессов высокотемпературного гидролиза выявило различия в зависимости

динамики накопления РВ от концентрации сернистой кислоты (рис.1 - рис.3).

150°С 4D— 160°С _д_ 170-С -х-180"С -ж-190"С

Время гидролиза, мин

Рис. 1 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза целлюлозы при разных температурах и при концентрации сернистой кислоты 1% мас.

_0_ 150-С -о— 160-С -Ът- 170°С -х- 180°С -ж-190°С Время гидролиза, мин

Рис. 2 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза целлюлозы при разных температурах и при концентрации сернистой кислоты 2% мас.

Для определения конверсии и скорости гидролиза определяли массу полисахаридов и массу РВ. При этом учитывали, что в состав бумаги по литературным данным входят 100 % целлюлозы, или 1 массовая доля [5].

Расчетные данные по конверсии РВ и скорости проведенных процессов представлены в таблице

1.

Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах

Концентрация кислоты, % Темпе- ратура, оС Средняя концентрация СВ, % Содержание PВ в СВ,%

1 190 б,11 7б,б

2 190 9,24 б2,0б

3 190 S,SS 6S,2

Усредненное значение: 6S,95

Рис. 3 - Изменение концентрации РВ в процессах гидролиза целлюлозы при разных температурах и при концентрации сернистой кислоты 3% мас.

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

Концентрация кислоты, % T с^ °С Время, мин PВ max, % Конверсия, % R, ^В/л*час

1 190 40 4,б84 27,2557 70,2б857

2 190 30 5,735 33,3701 114,7098

3 190 30 6,05s 35,2466 121,1б03

Увеличение концентрации сернистой кислоты приводит к смещению максимума концентрации РВ. При 150°С и изменении концентрации сернистой кислоты в пределах 1 - 3% мас., максимум концентрации РВ в фугате гидролизата целлюлозы достигается соответственно через 80 и 60 минут после начала процесса гидролиза целлюлозы (рис. 13). При 190°С и изменении концентрации сернистой кислоты в пределах 1 - 3% мас., максимум концентрации РВ в фугате гидролизата целлюлозы достигается соответственно через 40 и 30 минут после начала процесса гидролиза целлюлозы (рис. 1-3).

Во всех экспериментах высокотемпературного гидролиза целлюлозы наилучшие результаты достигнуты при температуре 190°С и концентрации сернистой кислоты 3%.

С увеличение концентрации сернистой кислоты 1-2%, СВ увеличивается в 2 раза первые 40 минут, далее увеличение снижается. С увеличение концентрации сернистой кислоты 1-3%, СВ увеличивается в 3 раза.

В проведенных исследованиях высокотемпературного гидролиза целлюлозы редуцирующие вещества составляли около 68,95 % от общей массы растворимых веществ (табл. 2).

Литература

1. Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, Вестник Каз. технол. ун-та, 10, 204 - 208, (2011).

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

3. 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).

4. Р. Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, И.В. Логинова, Вестник Каз. технол. ун-та,

11, 135-136, (2012).

5. С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Р.М.Нуртдинов, Производство спирта и ликероводочных изделий, 3, 20-23, (2011).

© Р. М. Нуртдинов - канд. техн. наук, м.н.с., асс. каф. химической кибернетики КНИТУ; Л. Т. Фаттахова - магистр КНИТУ; Р. Т. Валеева канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лабораторией «Инженерные проблемы биотехнологии» КНИТУ.