Исследование кинетики и оптимизация процесса высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек серной кислотой

УДК 663.1

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

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГИДРОЛИЗА КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК СЕРНОЙ КИСЛОТОЙ

Ключевые слова: гидролиз, кукурузные кочерыжки, редуцирующие вещества, гидролизат.

Проведены исследования по высокотемпературному гидролизу кукурузных кочерыжек при варьировании температуры и концентрации серной кислоты с целью рационального использования отходов сельскохозяйственного производства на основе оценки полученных гидролизатов на содержание редуцирующих веществ.

Key words: hydrolysis, corncobs, reducing substances, hydrolyzate.

The studies on high temperature hydrolysis of corncobs with varying temperature and concentration of sulfuric acid were carried out to produce hydrolyzates with evaluate content of reducing substances.

Вопросы комплексной переработки отходов древесины и растительного сырья в производстве гидролизного спирта являлась темой обсуждения и исследования многих работ еще в 70 - 80 годы [1, 2]. Данные работы интенсивно продолжаются с креативным подходом в настоящее время как зарубежными исследователями [3, 4], так и отечественными исследователями [5, 6].

С учетом литературных данных и проведенных ранее исследований в данной работе использовали серную кислоту, которая была использована впервые Класоном для гидролиза древесины в 1906 году [7] и кукурузные кочерыжки, которые являются одним из перспективных, дешевых и легко возобновляемых видов растительного сырья - отход крахмало-паточного производства [8].

Проведены процессы высокотемпературного гидролиза измельченных и просушенных до постоянной веса кукурузных кочерыжек серной кислотой при изменении технологических параметров: температуры от 135 °С до 220 °С и концентрации серной кислоты от 1 до 3% масс. и гидромодуле 1: 5,8.

Все экспериментальные исследования были проведены по отработанным методикам и аналогично ранее проведенным исследованиям по гидролизу отходов переработки растительного сырья: соломы, отрубей и целлюлозы серной кислотой [5, 9, 10] на лабораторной установке, предназначенной для высокотемпературного гидролиза с тепловым аккумулятором [11]. Зависимости динамики концентрации РВ в процессах гидролиза кукурузных кочерыжек от концентрации серной кислоты представлены на рис.1 - 3.

В полученных образцах гидролизатов анализировали рН, содержание редуцирующих веществ по известному методу Бертрана и сухих веществ. Оценка воспроизводимости экспериментов при реализации процессов гидролиза была проведена по трем повторным экспериментальным исследованиям при каждой температуре и концентрации.

Определяли массу полисахаридов и массу редуцирующих веществ, конверсию исследуемого сырья, скорость проведенных процессов гидролиза и содержание РВ в сухих веществах для каждого проведенного процесса гидролиза.

Расчетные данные по конверсии сырья и скорости проведенных процессов представлены в таблице 1, а содержание редуцирующих веществ в гид-ролизатах в процентах от общей массы растворимых веществ в таблице 2.

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

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

Соотношение концентрации РВ кукурузных кочерыжек к целлюлозе при варьировании концентрации серной кислоты 1-3% масс. представлены на рис.4.

Из полученных экспериментальных исследований пришли к следующим выводам: - процесс высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек должен быть коротким, не более 5 минут, чтобы образующиеся пентозы не успели преобразоваться в фурфурол;

- оптимум можно искать при более высоких концентрациях сильных кислот и при меньшем реакционном времени процесса.

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

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

1 220 5 3,34 24,59 400,62

2 220 5 2,88 21,22 345,77

3 190 5 3,27 24,10 392,73

Таблица 2 - Содержание сухих веществ в фильтрованных гидролизатах

Концентрация кислоты, % Температура, °С Концентрация СВ, % Содержание РВ в СВ, %

1 220 5,53 60,37

2 220 5,64 51,09

3 190 8,88 36,86

Усредненное значение: 49,44

Рис. 4 - Соотношение концентрации РВ кукурузных кочерыжек к целлюлозе при варьировании концентрации серной кислоты 3% мас.

В проведенных исследованиях высокотемпературного гидролиза кукурузных кочерыжек серной кислотой содержание редуцирующих веществ от общей массы растворимых веществ составило в среднем около 49,44 %.

Литература

1. Е.А. Нагалюк, Л.В. Козлова, Н.В. Чалов, Химия древесины, 5, 27-29 (1979).

2. Т.Г. Савельева, H.A. Ведерников, Химия древесины, 5, 45-48 (1976).

3. Е. Kahar, K. Taku, S.Tanaka, Journal of Bioscience and Bioengineering, 110, 4, 453-458 (2010).

4. H. Chao., Ch. Fang Xue, Y. Xiao-Yan , X. Lian , L. Xiao-Qing, Y. Juan , W. Bo , Ch.Xin-De, Applied Biochemistry and Biotechnology, 172, 4, 2197-2204

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

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

7. А. В. Оболенская, В. П. Щеголев, Г. Л. Аким и др Практические работы по химии древесины и целлюлозы. Лесная промышленность; Москва,1965. 411 с.

8. Н. С. Николаева, Гидролизное производство, 2, 5-8 (1972).

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

10. Р.Т. Валеева, А.С. Понкратов, О. В. Красильникова, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 1, 150-152, (2014).

11. И.В. Шагивалеев, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 11, 190 - 192, (2014).

© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики; факультета пищевых технологии valrt2008@rambler.ru; О. В. Красильникова - аспирант той же кафедры; А. Р. Минмуллина - студ. 4 курса той же кафедры; Р. М. Нуртдинов - канд. техн. наук, асс. той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.

© R. T. Valeeva, candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics valrt2008@rambler.ru; O. V. Krasilnikova, postgraduate, Department of Chemical Cybernetics; A. R. Minmullina student, Department of Chemical Cybernetics; R. M. Nurtdinov candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics; S. G. Mukhachev, candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.02.15. по 10.04.15.