МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОВЫШЕНИЯ

Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 65–68
УДК 636.086.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
КОРМОВОЙ ЦЕННОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
МЕТОДОМ «АВТОГИДРОЛИЗ – ВЗРЫВ» В ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ
УСЛОВИЯХ

А.Н. Трофимов1, А.М. Белоусов2*
1
Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, Бийск
(Россия) E-mail: [email protected]
2
Бийский технологический институт (филиал) Алтайского
государственного технического университета им. И.И. Ползунова (БТИ
АлтГТУ) Бийск (Россия) E-mail: [email protected]
Исследована возможность делигнификации растительного материала методом «автогидролиз-взрыв» в опытнопромышленных условиях для дальнейшего ферментативного гидролиза и биосинтеза белка на получаемом субстрате.
Введение
Основной целью политики развития агропромышленного комплекса края на период до 2010 г. является
стабилизация и дальнейшее развитие сельскохозяйственной отрасли для обеспечения населения
продуктами питания по доступным ценам, достижения конкурентных преимуществ сельскохозяйственной
продукции региона.
Немаловажное значение при этом отводится внедрению новых технологий [1], что потребует
разработки принципиально новых технологических процессов, использующих в качестве исходного сырья
такой мало востребованный потенциал, как сельскохозяйственные отходы (например солома) для
получения разнообразных целевых продуктов, в том числе кормовых.
Анализ перспективных направлений трансформации растительного материала, описанных в литературе
[2], показал, что каждый из процессов, таких как термолиз [3], радиолиз [4], автогидролиз − взрыв [5] и
иные имеет свои достоинства и недостатки.
Однако наиболее соответствующим современным требованиям, а именно: малым энергозатратам,
безотходности, увеличению выхода и повышению качества промежуточных и целевых продуктов,
минимизации использования агрессивных сред, является автогидролиз − взрыв. Сущность его заключается
в воздействии на целлюлозную массу комплекса параметров «давление − температура» в присутствии
водяного пара с последующим дросселированием (резким сбросом давления). Такая обработка ведёт к
деполимеризации ангидридопентоз и создаёт условия для проведения наиболее полного ферментативного
гидролиза [6].
*
Автор, с которым следует вести переписку.
66
А.Н. ТРОФИМОВ, А.М. БЕЛОУСОВ
Экспериментальная часть
На основании лабораторных исследований была предпринята попытка проверки способа обработки
соломы методом «автогидролиз − взрыв» на установке большей мощности.
Для проведения эксперимента был смонтирован предварительный смеситель аппарата СНД – 1000 без
привода мешалок. На выгрузочную горловину смесителя установлено дросселирующее устройство для
создания сопротивления движущейся шнекуемой массы (рис.). Для выхода субстрата в дросселирующем
устройстве предусмотрены прорези шириной 40 мм с режущими кромками, расположенными
диаметрально. Дросселирующее устройство изготовлено так, что образует с головкой шнека кольцевой
зазор δ (дельта) = 1 мм, при монтаже был установлен зазор между устройством и конечными витками
шнека 1 мм.
Увлажненная солома, выдержанная в щелочном водном растворе 1,5–2 ч, загружается в корзину
смесителя, шнеком транспортируется из зоны загрузки в зону выгрузки к дросселирующему устройству.
По мере продвижения она уплотняется шнеком, достигая максимальной плотности перед дросселем, и
разогревается до 60 °С. В момент, когда спрессованная солома попадает в прорезь дросселя, происходит
резкий сброс давления, она срезается режущей кромкой и выгружается в приемник. Таким образом, в
шнеке происходит сжатие соломы, разогрев ее и последующий сброс давления.
В целях повышения температуры соломы в момент наибольшего сжатия в рубашку выходной головки
аппарата была подведена горячая вода температурой 90 °С.
Проводимые исследования биопродуктивности полученных субстратов осуществлялись инокуляцией
пекарских дрожжей с определением прироста их биомассы. Размножение дрожжей было начато с чистой
культуры по известной методике [7] с получением накопительной культуры и соблюдением правил
стерильности. Биомасса накопительной культуры определялась весовым методом.
После размножения дрожжей полученная культуральная жидкость накопительной культуры по 1 мм
помещалась в стаканы с приготовленными средами. Среды содержали одну из навесок образца соломы (по
0,2 г) и 75 мл неполной среды для дрожжей, не содержащей органических соединений (глюкоза,
дрожжевой автолизат).
Стаканы с содержимым оставлялись на 3 суток при комнатной температуре. По истечении 72 ч из
каждого стакана отбирались пробы для определения биомассы весовым методом.
Горловина смесителя
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ …
67
Обсуждение результатов
В результате эксперимента были получены в различных режимах и проанализированы образцы
растительного материала (овсяной и пшеничной соломы) (табл. 1).
Из данных таблицы 1 видно, что даже замоченная в холодной воде солома (опыт 1) дает снижение
клетчатки на 6,7% при пропускании через шнековый аппарат. Больший эффект достигается при
предварительной обработке образца исходного материала водным раствором щелочи (2,5% КОН) (опыт 2),
содержание клетчатки в этом случае падает на 9,3%.
Увеличивая температуру в сырьевой пробке на выходе из аппарата путем подачи в рубашку корпуса
шнека горячей воды (90 °С), достигаем снижения содержания клетчатки на 9,4% (опыт 3) и на 11,7%
(опыт 4).
Сравнивая данные опытов 1 и 3, можно сказать, что, чем больше температура (и давление,
соответственно) в сырьевой пробке, тем больше деструктируется обрабатываемый материал. Эффект
деструкции увеличивается, если исходный материал предварительно обработать слабым раствором
щелочи. Это видно из данных опытов 2 и 4. Такое снижение содержания сырой клетчатки объясняется
прежде всего освобождением полисахаридной части клетчатки от инкрустов (лигнинов и т.п.), а также
частичной деструкцией самих полисахаридных звеньев.
Полученные результаты биопродуктивности приведены в таблице 2.
Таблица 1. Влияние режимов обработки образцов овсяной и пшеничной соломы на содержание сырой
клетчатки
Исходное
сырье
№
опыта
1
Пшеничная
солома
2
№ образца
(отборы
проб через
5 мин)
Исходная солома
Солома замочена в воде в
течение 1,5 ч при
температуре 20 °С
1
2
3
4
1
2
3
4
Исходная солома замочена в
2,5% растворе КОН в
течение 1,5 ч при
температуре 50 °С
Исходная солома
Исходная солома замочена в
воде в течение 1,5 ч при
температуре 50 °С,
принудительный обогрев
90 °С
Исходная солома замочена в
2,5% растворе КОН в
течение 1,5 ч при
температуре 50 °С,
принудительный обогрев
90 °С
1
3
2
Овсяная
солома
Режим
1
4
2
Содержание
Сухое
Сырая
вещество, %
клетчатка, %
с.в.
94,37
46,6
94,05
42,9
92,95
41,7
93,85
42,0
92,30
39,9
89,60
43,0
93,73
40,1
91,61
38,7
90,12
37,3
93,02
39,4
94,10
31,5
Уменьшение
содержания
клетчатки, %
6,7
9,3
9,4
93,87
30,0
91,10
27,9
11,7
93,16
27,7
Таблица 2. Биопродуктивность образцов овсяной соломы, полученных методом автогидролиз−взрыв
(начальная биомасса 0,031 г/л)
№ опыта
Температура, °С
Биомасса через 72 ч, г/л
Прирост биомассы, г/л
1
2
3
4
23
90
90
0,110
0,500
0,330
0,690
0,079
0,469
0,299
0,659
68
А.Н. ТРОФИМОВ, А.М. БЕЛОУСОВ
Из данных таблицы 2 видно, что дрожжи, выращенные на соломе, предварительно обработанной
щелочью (опыты 2 и 4), дают больший прирост биомассы (0,469 и 0,659 г/л) по сравнению с дрожжами,
посаженными на солому, обработанную только водой (опыты 1 и 3). Прирост биомассы в последнем
случае составил 0,079 и 0,299 г/л соответственно. Следует также отметить влияние температуры.
Очевидно, что чем выше температура обработки, тем больше прирост биомассы, полученной в результате
проведенного дрожжевания. Наибольший прирост биомассы дрожжевой культуры получен на образце
соломы, который был подвергнут щелочной обработке при повышенной температуре, что привело к
дополнительной деструкции азотсодержащих соединений растительного волокна, что, в свою очередь,
повысило содержание свободного азота, являющегося одним из компонентов биосинтеза дрожжевых
структур.
Выводы
В итоге отметим, что полученный материал удовлетворяет основным требованиям ферментативного
гидролиза, а именно:
− имеет развитую поверхность, обеспечивает доступность атакующим ферментам;
− имеет повышенное содержание аморфных участков целлюлозного комплекса растительного
волокна;
− в достаточной степени освобожден от лигнин.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Стратегия социально-экономического развития Алтайского края на период до 2010 г.Барнаул, 2002. С. 4–33.
Огарков В.И., Киселёв О.И., Басков В.А. // Биотехнология. 1985. №3. C. 1−15.
Energy from Biomass. Soler Energy R. in European Community / ED5. Palt W. Classic. – Dordeclot / Boston / Lancaster:
D. Reidel Publ. Comp. 1992
Trumps G. Nuclear techniques far assessing and improving feeds. Vienna: Iutern Atomic // Energy Ageney. 1983.
P. 203−255.
Clechlein H.E // Biotechnology. Aud. 1994. №1. P. 43−62.
Lipinsky E.Y. // In.: Hydrolysis of Cellulose: Mechanism of Enzymatic and Acid Catalysis. Ser. 181. American Chemical
Soc. 2000. P. 1−53.
Егорова Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии. М., 1983. C. 132–148.
Поступило в редакцию 6 июля 2003 г.
После переработки 15 октября 2003 г.