Таблица 16 - Результаты расчёта теплового баланса стадии охлаждения отработанной смеси

Определение площади теплообмена реактора

Из трех рассчитанных ранее значений тепловой нагрузки выбираем наибольшую. Рассчитаем тепловую нагрузку для стадии проведения реакции.

Нагрев осуществляется на воздушной бане с температурой 120 0С.

Согласно литературным данным для нагрева паром коэффициент теплопередачи изменяется в пределах 120 - 640 Вт/(м2•К). Принимаем коэффициент теплопередачи 120 Вт/(м2•К).

Расчет объема реактора

В реакторе идеального смешения периодического действия (РИС-П) исходная смесь загружается в реактор, где происходит мгновенное выравнивание всех параметров вследствие интенсивного перемешивания.

Объем реактора РИС-П рассчитывается по формуле:

,

где Gv,o - объемный расход реакционной массы;

фполн.= ф+фвспом. - время нахождения реагентов в реакторе, ч (ф - время реакции, фвспом. - время вспомогательных процессов);

z - коэффициент запаса мощности 0,15;

ц - 0,7 - коэффициент заполнения.

Рассчитываем объём реактора:

Вывод: расчёт теплового баланса показал, что реакция является экзотермической и для её протекания необходимо подводить тепло в количестве 21661,69 Дж (2,13 %) к реактору, обладающему площадью теплообменной поверхности 2,94 м2.

4.4 Операторная схема процесса

I. Стадия подготовки.

На данной стадии происходит измельчение растительного сырья в измельчителе (1). При работе измельчителя сырье попадает в измельчающую камеру, в которой находятся два вращающихся металлических ножа. Проходя сквозь них сырье измельчается до размера частиц 3-5 мм. При этом недостаточно измельчённое сырьё отправляется на повторное измельчение.

Измельчённое растительное сырьё смешивается в смесителе (2) с предварительно соединёнными в смесителе (3) водой и ферментами.

II. Стадия синтеза

Полученная смесь, состоящая из измельчённого растительного сырья, воды и ферментов, поступает в реактор (4) с мешалкой, где происходит ферментативный гидролиз целлюлозы в течение 12-32 часов при температуре 30 - 40 ?С.

III. Стадия выделения.

Реакционная масса поступает в сепаратор (5), где путём фильтрования через решётки происходит отделение непрореагировавшей целлюлозы, которая возвращается на стадию смешения с ферментами и водой в смеситель (2).

Рисунок 14 - Операторная схема получения раствора глюкозы, где I - стадия подготовки; II - стадия синтеза; III - стадия выделения;

1 - измельчитель; 2,3 - смесители; 4 - реактор; 5 - сепаратор.

Выводы

1. Гидролиз целлюлозы до глюкозы является важнейшей стадией процесса получения спиртов из растительных отходов.

2. Анализ результатов проведённых экспериментов позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективным методом получения глюкозы из растительных отходов является ферментативный гидролиз. Ферментативный гидролиз перспективен с точки зрения создания самостоятельных малоотходных технологий, даёт лучшие выходы целевого продукта (90 %), проводится в мягких условиях (низкие температуры, атмосферное давление).

3. Сравнив эффективность проведения гидролиза тремя разными штаммами микроорганизмов можно сделать вывод о том, что для древесины и травы наиболее эффективным оказался Aspergillum, для водорослей - Trichoderma. Из рассмотренных микроорганизмов наименьшую эффективность показали бактерии рода Clostridium, но даже этот микроорганизм гидролизует целлюлозу лучше, чем кислоты.

4. Наибольшая скорость гидролиза и самый высокий процент конверсии полисахаридов в моносахариды получены в результате проведения ферментативного гидролиза биомассы высшей водной растительности, следовательно пресноводные водоросли являются достаточно перспективным сырьём для получения глюкозы.

5. Расчёт материального баланса показал, что для получения единицы продукции глюкозы требуется взять 187,5 г целлюлозы и 562,5 мл воды.

6. Расчёт теплового баланса показал, что реакция является экзотермической и для её протекания необходимо подводить тепло в количестве 21661,69 Дж (2,13 %) к реактору, обладающему площадью теплообменной поверхности 2,94 м2.

7. Для проведения процесса выбран реактор идеального смешения периодического действия, объёмом 676 л.

8. Предложена операторная схема процесса получения глюкозы гидролизом целлюлозосодержащего сырья.

Библиографический список

1. Роговин, З. А. Химия целлюлозы. - М.: Химия, 1972. - 520 с.

2. Лобанок, А. Г. Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты / А. Г. Лобанок, В. Г. Бабицкая, Ж. Н. Богдановская - М.: Наука и техника, 1988. - 261 с.

3. Племенков, В. В. Введение в химию природных соединений. - Казань: Химия, 2001. - 376 с.

4. Ким, А. М. Органическая химия: учебное пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2002. - 971 с.

5. Физер, Л. Органическая химия: углубленный курс. - М.: Химия, 1986. - 782 с.

6. Грандберг, И. И. Органическая химия: учеб. для студ. вузов, обучающихся по агроном. спец. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2001. - 672 с.

7. Сорочинская, Е. И. Биоорганическая химия: учебное пособие. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 1998. - 148 с.

8. Краткий справочник по химии. // Под. ред. Уреленко О.Д. - Киев: Наукова думка, 1974 - 991с.

9. Энциклопедия полимеров./ Под. ред. Кабанова. ? М.: Советская энциклопедия, 1974, Том 2-3.

10. Никитин, В. М. Химия древесины и целлюлозы / В. М. Никитин, А. В. Оболенская, В. П. Щеголев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность, 2002. - 368 с.

11. Азаров, В. И. Химия древесины и синтетических полимеров / В. И. Азаров, А. В. Буров, А. В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.

12. Рабинович, М. Л. Теоретические основы биотехнологии древесных композитов. Древесина и разрушающие её грибы. В 2-х ч. Ч. 1 / М. Л. Рабинович, А. В. Болобова, В. И. Кондращенко - М.: Наука, 2001. - 264 с.

13. Современные представления о строении целлюлоз / Л. А. Алешина [и др.] // Химия растительного сырья. - 2001. - № 1. - С. 5 - 36.

14. Аким, Э. Л. Реакционная способность и физическое состояние целлюлозы / Аким, Э. Л. // Химия древесины. - 1984. - №4. - с. 3 - 17.

15. Байклз, Н. Целлюлоза и её производные. В 2-х ч. Ч. 2 / Н. Байклз, Л. Сегал - М.: Мир, 1974. - 510 с.

16. Кочева, Л. С. Структурная организация и свойства лигнина и целлюлозы травянистых растений семейства злаковых: автореф. дис. канд. хим. наук: 05.21.03 / Кочева Людмила Сергеевна. - Архангельск, 2008. - 42 с.

17. Гауптман, З. Органическая химия / З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1999. - 832 с.

18. Преображенский, Н. А. Химия биологически активных природных соединений / Н. А. Преображенский, Р. П. Евстигнеева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 2000. - 456 с.

19. Егоров, А.С. Химия. - М.: Феникс, 1996. - 736 с.

20. Березов, Т. Т. Биоорганическая химия: учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1998. - 704 с.

21. Нейланд, О. Я. Органическая химия: учеб. для хим. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 751 с.

22. Эриньш, П. П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы / Эриньш, П. П. // Химия древесины. - 1977. - №1 - с. 8 - 25.

23. Овчинников, Ю. А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987. - 815 с.

24. Инженерная энзимология / И. В. Березин [и др.] - М.: Высшая школа, 1987 - 143 с.

25. Синицын, А. П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов / А. П. Синицын, А. В. Гусаков, В. М. Черноглазов - М.: МГУ, 1995. - 224 с.

26. Сухарькова, В. А. Совершенствование процесса гидролиза древесины / Сухарькова, В. А., Антонов, Г. А. // Химия древесины. - 2002. - №3 - с. 14 - 28.

27. Биомасса как источник энергии: Пер. с англ. / Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М.: Мир, 1985. - 368 с.

28. Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Д. Джонса. - М.: Мир, 1988. - 480 с.

29. Егоров, А. П. Практикум по микробиологии. - М.: Наука, 1996. - 448 с.

30. Айбазов, О. А Ферментативный способ обработки пшеничной соломы. - М.: Россельхозиздат, 1984. - 327 с.

31. Грачева, И. М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия / И. М. Грачева, Л. А. Иванова, В. М. Кантере - М.: Колос, 1992. - 383 с.

32. Беккер, М. Е. Введение в биотехнологию. - М.: Химия, 1994. - 239 с.

33. C 13K 1/02А. Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья / В. С. Орлова, Н. Н. Филатов, Р. Г. Шаимов. - № 006944; заявлено 31.07.2003 ; опубл. 19.02.2004, Бюл. № 3. - 2 с.

34. Кузнецов, Б. Н. Каталитическая химия растительной биомассы / Кузнецов, Б. Н. // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 12. - с. 47-55.

35. Оболенская, А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы / А. В. Оболенская, З. П. Ельницкая, А.А. Леонович - М.: Экология, 1991.-320 с.

36. Степанова Л. М., Саловарова В. Т., Королёва Т. С. // Использование Trichoderma longibrachiatum для биотехнологической переработки пшеничной соломы: Тезисы докладов. В сб.: Интродукция микроорганизмов в окружающую среду. - Москва, 1994. - с. 99-100.

37. Фрунзе, А. А. Рекомендации по применению гриба “Триходерма-лигнорум-19” для ферментативной обработки пшеничной соломы. - М.: Россельхозиздат, 1987. - 251 с.

38. Культивирование гриба Р. Trichoderma на растительном сырье / Е. В. Скворцов [и др.] // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. - Казань, 2002. - № 7. - С. 57-59

39. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. пособие для вузов./ П. Г. Романков, В. Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина - СПб: Химия, 1993. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru