Главная Коллекция "Otherreferats" Производство и технологии Переработка целлюлозосодержащих отходов производства

Переработка целлюлозосодержащих отходов производства

Повышение рентабельности производства путем утилизации отходов. Проблемы переработки целлюлозосодержащих отходов в Украине, их биодеградация для получения технических продуктов. Утилизация целлюлозосодержащих и органических отходов производства.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 01.10.2011
Размер файла 100,7 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Глава 1. Альтернативные пути рациональной переработки древесных отходов
  • Глава 2. Проблемы переработки целлюлозосодержащих отходов производства на Украине
  • Глава 3. Утилизация целлюлозосодержащих и органических отходов
  • Глава 4. Биодеградация целлюлозосодержащих отходов для получения технических продуктов
  • Список литературы

Глава 1. Альтернативные пути рациональной переработки древесных отходов

При существующих способах переработки древесного сырья в целом по России полезно используется около половины, а в сибирском регионе лишь третья часть биомассы дерева, что свидетельствует о неудовлетворительном состоянии отрасли. Основные потери приходятся на древесную зелень (лесосечные отходы), кору (отходы деревообработки), опилки и стружки (отходы лесопиления), на каждый из которых приходится 20-25 % от общей массы. Запасы отходов в стране чрезвычайно велики. В частности, только масса древесной зелени спелых древостоев оценивается в России свыше 3 млрд. т, из которых 30,4 млн. т являются экономически доступными, в том числе в Красноярском крае - до 1,5-2 млн. т.

В работе систематизированы результаты многолетних исследований по составу и путях рациональной переработки древесных отходов.

К настоящему времени разработаны и реализованы многие схемы переработки различных видов древесного сырья. Среди них есть и весьма эффективные, базирующиеся на глубокой химической переработке древесной зелени, коры, опилок, стружек хвойных и лиственных пород. Известны разработки по получению хлорофилло-каротиновой массы, хлорофиллина натрия, СИЛКа, инсектицидов, кормовых продуктов и т.д. Однако внедрение этих производств хотя и предполагает значительный экономический эффект, но требует больших капитальных и эксплутационных затрат, квалифицированных кадров, сложного оборудования. Обеспечение этих условий для многих лесопромышленных хозяйств пока затруднено. Доступнее организация производств, вырабатывающих продукцию с использованием сравнительно простых средств и с привлечением незначительных вложений.

Одним из таких производств является отгонка эфирных масел. Интегрально эта технология заключается в выделении водяным паром находящихся в сырье летучих терпеноидов, конденсации водомасляного потока и разделении его органической и водной фаз. Однако практически единственным продуктом существующего в промышленных масштабах пихтоваренного производства является пихтовое масло. Неиспользуемые жидкие и твердые отходы пихтоварения, составляющие свыше 95 % сырья, загрязняют природную среду. Помимо штрафов жидкие отходы (остаток и флорентинная вода), сбрасываемые в водоёмы, угнетают флору и фауну. Отработанная твердая масса занимает территорию под складирование, создает пожароопасную ситуацию, а при горении существенно задымляет атмосферу.

Помимо пихтового и корового масел, вырабатываемых из древесной зелени и коры пихты сибирской в промышленных и полупромышленных условиях, экономически оправданным в нашем крае может быть получение эфирных масел из древесной зелени и коры кедра и древесной зелени сосны. Безусловно, основной задачей таких производств является оптимизация условий выделения этих товарных продуктов. Наряду с соблюдением регламента это достигается благодаря многократному потреблению флорентинной воды. Её использование при незначительных материальных затратах в 10-15 раз снижает забор свежей и сброс сточной воды, несколько повышает выход и качество масла, увеличивает межремонтный период оборудования и выгодно энергетически.

Повышение рентабельности лесохимических производств достигается путем утилизации образующихся вторичных отходов. Переработка кубового остатка в хвойный экстракт и отработанного сырья в кормовую муку удваивает стоимость выпускаемой продукции. Увеличение доходов возможно и за счет продажи флорентинной воды. Благодаря своим бактерицидным и другим положительным свойствам она оказывает профилактическое и лечебное, в том числе противотуберкулёзное действие на людей и животных.

целлюлозосодержащий органический отход утилизация

Кубовый остаток (конденсат), скапливающийся на дне перегонных чанов при варке, представляет собой сумму растворенных в воде при длительном кипячении и высокой температуре веществ. Многие из них обладают биологической активностью - провитамины, витамины, хлорофиллы, каротины, органические кислоты и т.д., благоприятно воздействующие на организм. При концентрировании конденсата до 50%-го содержания сухого остатка и стабилизации 0,05%-ми эфирного масла во избежание поражения микроорганизмами он превращается в хвойный экстракт. Выход последнего из любого вида сырья равен в среднем удвоенной массе соответствующего эфирного масла, а его потребительские свойства близки традиционному товарному продукту. Высокое содержание биологически активных и энергетических компонентов и приятный хвойный аромат предполагают возможность использования экстракта в качестве препарата для хвойных лечебных ванн, а также как кормовую добавку для сельскохозяйственных животных и птиц. В частности, введение экстракта из древесной зелени пихты в количестве 0. 4 % в полноценный рацион цыплят - повышает их сохранность, повышает категорийность тушек и обеспечивает до 9-10 % привеса. Экстракт успешно применяется в промышленном производстве антибиотиков для животных.

В отработанных твердых отходах, составляющих свыше 90 % от массы исходного сырья, в связи с частичным гидролизом полисахаридов и реконструированием целлюлозо-лиглинного комплекса при гидротермообработке повышается содержание углеводов. В них больше безазотистых экстрактивных веществ и клетчатки, что приближает их питательную ценность к люцерновому сену. Полученная при переработке этого сырья мука может служить полноценной заменой грубых кормов, являясь резервом при засухе и других неблагоприятных погодных условиях.

Обоснованы и другие технологические решения рациональной утилизации отработанной массы древесных отходов. В зависимости от финансовых, технических и кадровых возможностей она может использоваться как топливо в котельных, субстрат для выращивания белковой массы, сырьё для активных углей или подвергаться экстрагированию. Кроме того, вторичные отходы могут вывозиться в отвалы или перерабатываться в компост.

Однако при непосредственном сжигании сырых древесных отходов нельзя получить больших объемов качественного пара. Их транспортировка и складирование требует дополнительных затрат без получения какой-либо продукции. Для выращивания грибной биомассы необходимы сравнительно продолжительное время, производственные площади, температурно-влажностные условия проведения процесса и реактивы. При экстрагировании или выработке активных углей используется достаточно сложное оборудование и большое количество растворителей.

Помимо непосредственного скармливания животным при ограниченных финансовых вложениях наиболее реальным является приготовление на основе отработанных древесных отходов удобрения путем компостирования. Основные затраты здесь связаны с оборудованием траншей и их закладкой. Гидротермообработка сырья обеспечивает ускорение деструкции полисахаридов в простые сахара, что способствует их превращению в субстрат для микроорганизмов. Развитие этих процессов интенсифицируется благодаря измельчению материала при подготовке и обессмоливанию - удалению из отходов терпеноидов, смолистых и дубильных веществ и восков, в значительной мере угнетающих микрофлору. Важным следствием их развития является накопление в субстрате азота, обеспечивающего существенное повышение почвенного потенциала. При этом серьёзным преимуществом древесных отходов, прежде всего древесной зелени служит близкое к оптимальному соотношение С: N. Применение таких компостов особенно целесообразно для улучшения плодородия сильноминерализованных и тяжелых суглинистых грунтов.

Для повышения производительного потенциала почв практикуется внесение древесных отходов и без предварительной обработки. Однако их включение в экосистему вызывает азотное голодание растений, хотя наличие там целлюлозно-лигнинного комплекса способствует обогащению почвы гумусом и её структурированию. В связи с этим важной характеристикой субстрата, применяемого для формирования удобрений, является вклад азота, его соотношение в биомассе с углеродом. Данные для некоторых древесных отходов сведены в таблицу.

Вклад азота в биомассе некоторых отходов

Древесные отходы

Содержание азота, %

Соотношение углерода и азота

Кора хвойных пород

0. 40

115

Кора лиственных пород

0. 65

65

Отходы окорки с большим вкладом древесины и гнили

0.20

240

Опилки

0. 10

500

Лигнин гидролизный

0. 10

550

Отработанная древесная зелень пихты

1. 60

28

Очевидно, опилки, другие древесные материалы, лигнин не являются ценным сырьем для получения компостов. Однако их скопление на промплощадке может рассматриваться как серьёзный аргумент в пользу использования таких отходов для почвообразовательных целей. Более эффективна для компостирования кора хвойных и лиственных деревьев, а ещё лучше древесная зелень после гидротермообработки. Их утилизации по данному направлению благоприятствует и более высокое содержание в них по сравнению с древесиной минеральных веществ (3-5 %), необходимых для развития сельскохозяйственных растений. Кора и древесная зелень являются эффективными источниками дотирования почвы микро - и макроэлементами. Кроме того, отходы способны фильтровать и адсорбировать вредные для культур приносимые почвенной водой компоненты и постепенно отдавать находящиеся здесь полезные для растений элементы, прежде всего калий и магний.

Ценность таких субстратов заметно возрастает с продолжительностью хранения древесных отходов или после гидротермообработки. Благодаря протеканию микробиологических и биохимических процессов органическая масса превращается в гумусовый ил. По биогенности этот продукт практически одинаков с плодороднейшими почвами и содержит сообщества микроорганизмов, способных к глубокой трансформации трудногидролизуемых компонентов. Положительным свойством образующихся в обоих случаях продуктов является снижение их кислотности. Оно происходит в связи с вымыванием и деструкцией кислотных соединений растительного материала.

Немаловажно, что внесение коры, опилок, других древесных отходов улучшает структуру почвы, делает её комковатой. На таких почвах, как правило, не отмечается подкисления, возрастает влагоёмкость и рыхлость. Всё это обеспечивает повышение урожайности. Наращивание продуктивности обусловлено в том числе и активизацией микробиологических процессов, особенно связанных с превращением углерода. Вместе с тем ускоренная деструкция увеличивает потребность микроорганизмов в азоте и создает его дефицит.

Следует также обратить внимание ещё на один из аспектов использования древесных отходов при выращивании сельскохозяйственной продукции как в открытом грунте, так и в теплицах. Его суть заключается в теплообеспечении корнеобитаемой среды. Теплота образуется за счет протекания биологических экзотермических реакций компонентов растительных тканей. Справедливость такого представления доказана экспериментально.

Для оптимизации протекания микробиологических превращений целлюлозосодержащих материалов целесообразно внесение полного минерального комплекса, в том числе азота в виде аммиачной воды и карбамида. Подобный эффект достигается и при использовании отходов животноводства, чему способствует близкое территориальное расположение лесохимических цехов с животноводческими хозяйствами. Важную роль в активизации микробиологических процессов играет влажность, аэрация компостируемой массы и температура. Определяющей в данном случае является влажность, поскольку для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов требуются водные растворы питательных веществ.

Глава 2. Проблемы переработки целлюлозосодержащих отходов производства на Украине

Украина располагает значительными ресурсами целлюлозосодержащих материалов в виде отходов, образующихся при переработке растительных видов сырья. Заметное истощение запасов древесины при одновременном обострении экологической обстановки обусловливает необходимость рационального использования отходов производства растительного происхождения в полном объеме. Такие отходы, как правило, образуются при лесопилении и деревообработке, на мебельных фабриках, при переработке сельскохозяйственной продукции, в пищевой промышленности и т.п.

До 70% отходов в виде костры и пакли образуется в производстве лубяных волокон на заводах первичной переработки. В Украине вопросами утилизации, использования свободных остатков костры начали заниматься с начала 60-х годов. С 1965 г. на пенькозаводах Краснодарского края с применением конопляной костры выпускаются строительные плиты типа "арболит". В настоящее время из нее изготавливают топливные брикеты, на основе фенолформальдегидных смол освоено производство теплоизоляционных строительных плит.

Большой эффект ожидается от переработки костры на кормовые дрожжи.

Однако основная масса костры используется как топливо в котельных и в качестве утеплительного подстилочного материала.

В развитых странах, где возделывается лен и конопля, отходы их переработки в качестве топлива не используются, считается более рентабельным перерабатывать костру в изделия промышленного и бытового назначения. Например, в Аргентине на основе конопляной костры производится высококачественная бумага, в том числе гербовая и картон. В Венгрии измельченная костра применяется как наполнитель при изготовлении изделий из пластмасс, деталей, мебели, фурнитуры, декоративной плитки и др. В Бельгии и Франции из костры на основе фенолформальдегидных смол прессуют детали для замены цельной древесины при производстве предметов широкого потребления, оформлении интерьеров общественных и жилых зданий. В Германии изучается возможность получения из измельченной древесины жидкого топлива - заменителя нефтепродуктов.

Учитывая богатый химический состав, а также дешевизну и доступность костры, целесообразно было бы использовать ее в качестве сырья для лесохимической и целлюлозобумажной промышленности. Это позволит существенно сократить объем переработки цельной древесины, так как, по данным ассоциации "Укрльноконоплепром", на льно - и пенькозаводах Украины накопилось 95,038 тыс. тонн костры. В течение года было переработано только 11,601 тыс. тонн, что составляет 12,2% общего количества. Однако и эти показатели не отображают практического состояния проблемы в связи с тем, что эти целлюлозосодержащие отходы производства используются в качестве топлива. При этом перечень товарной продукции, получаемой при термолизной переработке древесины, насчитывает несколько десятков наименований. Главными продуктами являются древесный уголь, целлюлоза для текстильной и бумажной промышленности, пищевая уксусная кислота, смола и различные смолопродукты.

Весьма важен и положительный эффект, обусловленный экологическими и социальными причинами. В отсутствие переработки жидкие отходы загрязняют естественные водоемы, за что предприятия платят штрафы. Накапливающиеся твердые отходы нуждаются в транспортировке. Помимо дополнительных затрат это способствует развитию пожароопасных ситуаций. Социальная значимость состоит в организации новых остронеобходимых рабочих мест

Глава 3. Утилизация целлюлозосодержащих и органических отходов

Известен способ переработки БИО, включающий их смешение с целлюлозосодержащими материалами, взятыми в количестве до 95% в расчете на сухую массу, с последующим перетиранием полученной смеси до гомогенной массы. Далее эту массу обезвоживают и подвергают газификации в газогенераторных установках при температуре не более 950oС с последующим сжиганием образующихся генераторных газов отдельно или совместно с другими топливами при температуре не менее 1100oС. Однако описанный способ трудно реализовать на практике из-за необходимости доставки на очистные сооружения больших объемов целлюлозосодержащих материалов. Кроме того, стадия подготовки сырья для газификации требует больших затрат энергии и механического труда (патент РФ 2176264, опубл. 27. 11.2001 г.).

Наиболее близким к данному изобретению является способ переработки отходов в т. ч. БИО, включающий их газификацию при 350-1050oС, обработку газифицирующим агентом до содержания органических веществ в отходах ниже 100 г/т. Далее полученную газовую смесь подвергают расщеплению при 950-1050oС в течение 1 с на низкомолекулярные соединения и/или элементы, которые вводят в воду при 200-800oС для разделения на синтез-газ и низкомолекулярные соединения. Синтез-газ обрабатывают в присутствии катализатора с получением жидких углеводородов и/или спиртов, газообразных углеводородов и СO2 (патент РФ 2014346, опубл. 15. 06. 94 г.).

Наиболее типичным является следующий пример из прототипа. Пример 1. (из прототипа). Задержанную фильтрами пыль, состоящую из 65 мас. % осадка сточных вод, содержащего 40 мас. % сухого вещества, и 35 мас. % задержанной фильтрами пыли, которая поступила из установок мокрой очистки продуктов сжигания мусора, подают в конвертор и при температуре 850-1000oС в течение 0,5 ч ("время пребывания") подвергают действию потока, состоящего из 30 об. % пара, 10 об. % метана, 10 об. % водорода, 45 об. % диоксида углерода и 5 об. % кислорода. Ячейки электролизера поставляют 160 нм3 водорода и 80 нм3 кислорода на 1 т смеси перерабатываемых материалов при расходе 720 кВт·ч электроэнергии. Парогенератор поставляет 480 нм3 насыщенного пара при давлении 10 бар, причем расход газа соответствует около 30 нм3 синтез-газа или водорода. В целом получают 460 нм3 синтез-газа и из него добывают 80 кг бутана. В общем и целом по способу переработки задержанной фильтрами пыли было газифицировано 650 кг осадка сточных вод и дезактивировано 350 кг задержанной фильтрами пыли, причем расход электроэнергии составляет 720 кВт·ч при выходе бутана, равном 80 кг (960 кВт·ч запасенной энергии).

Описанный способ имеет ряд недостатков, заключающихся в следующем:

1) для поддержания теплового баланса процесса газификации органических отходов (в частности, БИО) в конвертор подают кислород и водород, полученные путем электролиза воды, который является весьма дорогим процессом и применяется, главным образом, при производстве и продаже сверхчистых продуктов - водорода и кислорода;

2) при паро-кислородо-углекислотной газификации органической составляющей БИО может быть получен синтез-газ с низким содержанием водорода (от 20 до 50 об. %) и высоким содержанием СО (25-40 об. %) и СO2 (15-20 об. % и более), который является малопригодным сырьем для синтеза жидких и газообразных углеводородов, имеющих атомное отношение Н/С, равное или большее 2;

3) в описании технологии процесса и приведенных примерах конечными продуктами превращения БИО через синтез-газ являются легкие углеводороды (от метана до бутана), которые авторы прототипа предлагают использовать не как товарные продукты, а как источник запасенной тепловой энергии, что является экономически малоэффективным.

4) многостадийность, большое количество материальных потоков, подаваемых в конвертор БИО, сложность управления процессом и составом конечных продуктов, низкая степень использования углерода на стадии превращения синтез-газа, высокие энергетические затраты при отделении пропан-бутановой фракции от газообразных продуктов (метана, оксидов углерода, водорода) и т.д.

Все перечисленные недостатки прототипа не позволяют перерабатывать органические отходы и, в частности, БИО с относительно высокой экономической эффективностью.

Определяющую роль в превращении первичных продуктов конверсии синтез-газа (спиртов, легких олефинов) в компоненты моторных топлив и базы масел играют цеолиты. Типы цеолитов, такие как ZSM-5, Beta и модернит, являются классическими в теории и практике кислотно-основного катализа. Структура и свойства цеолитов типа ZSM-5, Beta, модернит и силикоалюмофосфатов SAPO-5, SAPO-11, SAPO-31 широко известны из уровня техники, например, WM Meier and D. H. Olson "Atlas of zeolite structure types", 1992, патент US 4172843, 1979 и т.д.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков при переработке органических отходов (в частности, БИО), а также повышение качества получаемого синтез-газа путем увеличения содержания водорода и снижения содержания СО2, необходимое для увеличения выхода товарных продуктов на последующей каталитической стадии синтеза углеводородов.

Поставленная задача достигается способом, включающим стадию термической или плазмотермической газификации, путем обработки отходов газифицирующим агентом в присутствии горючего газа с получением газовой смеси (синтез-газа) и твердых неорганических продуктов, каталитическую переработку синтез-газа в газообразные и жидкие углеводороды, при этом газифицирующий агент содержит кислород, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, а в качестве горючего газа используют природный газ при объемном отношении кислород/природный газ, равном 0,01-0,5, полученный после газификации синтез-газ компримируют, подвергают глубокой очистке от механических примесей и соединений серы, азота, тяжелых металлов, затем сжатый очищенный синтез-газ или синтез-газ вместе с жидкими органическими отходами подают в реактор синтеза углеводородов и подвергают превращению на бифункциональном катализаторе, содержащем оксиды цинка и хрома или цинка, хрома и меди, или железа, или кобальта и рутения в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типа ZSM-5, Beta, морденит или силикоалюмофосфатом типа SAPO-5, SAPO-11 или SAPO-31, в жидкие моторные топлива или жидкие моторные топлива и компоненты базы масел, при этом в качестве органических отходов используются осадки городских сточных вод, частично обезвоженные, с остаточной влажностью не менее 50 маc. %, а газификацию осадков городских сточных вод ведут при массовом отношении к природному газу, равном 1-10, при этом в качестве отходов используется смесь органических отходов, например городского мусора или осадков городских сточных вод, с горючими материалами, выбранными из группы: мазут, отработанные масла, тяжелые нефтяные остатки, угольные шламы, причем в реактор синтеза углеводородов одновременно подают синтез-газ и жидкие органические отходы, состоящие из водных или безводных смесей спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и их производных, сложных и простых эфиров, углеводородов, побочно образующихся на химических, нефтехимических, коксохимических, пищевых и других предприятиях и процесс в реакторе синтеза углеводородов проводят при давлении 2-100 атм и температуре 200-500oС, а газообразные побочные продукты, получаемые на стадии синтеза углеводородов, используют на стадии газификации или направляют в топливную сеть предприятия.

Отличительными признаками изобретения являются:

а) использование природного газа и объемного отношения кислород/природный газ, равного 0,01-0,5;

б) глубокая очистка полученного после газификации синтез-газа от механических примесей и соединений серы, азота, тяжелых металлов;

в) газификация отходов плазмотермическим способом;

г) в качестве органических отходов используют: частично обезвоженные до остаточной влажности не менее 50 мас. % осадки городских сточных вод; смесь органических отходов с горючими материалами, выбранными из группы: мазут, отработанные масла, тяжелые нефтяные остатки, угольные шламы;

д) газификация органических отходов при массовом отношении к природному газу равному 1-10;

е) в реактор синтеза углеводородов подают сжатый очищенный синтез-газ или синтез-газ вместе с жидкими органическими отходами, а в качестве жидких органических отходов используют водные или безводные смеси спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и их производных, сложных и простых эфиров, углеводородов, побочно образующихся на химических, нефтехимических, коксохимических, пищевых и других предприятиях;

ж) превращение синтез-газа или синтез-газа вместе с жидкими органическими отходами ведут на бифункциональном катализаторе, содержащем оксиды цинка и хрома или цинка, хрома и меди, или железа, или кобальта и рутения в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типа ZSM-5, Beta, морденит или силикоалюмофосфатом типа SAPO-5, SAPO-11 или SAPO-31 при давлении 2-100 атм и температуре 200-500oС, целевыми продуктами превращения являются жидкие моторные топлива или жидкие моторные топлива и компоненты базы масел;

з) использование газообразных побочных продуктов, получаемых на стадии синтеза углеводородов, для получения синтез-газа или топливных нужд предприятия.

Выбор условий газификации отходов в т. ч. БИО определяется, во-первых, максимальной степенью превращения органической составляющей отходов, во-вторых, составом получаемого синтез-газа, который должен быть пригоден для синтеза углеводородов. Повышение температуры в конверторе до 1000oС и более увеличивает глубину превращения исходного сырья. Использование кислорода в качестве газифицирующего агента способствует протеканию экзотермических реакций, но приводит к образованию диоксида углерода и снижению содержания водорода в продуктах газификации отходов (синтез-газе). Реакции конверсии органических отходов с Н2O и СO2 протекают с поглощением тепла, причем применение водяного пара способствует увеличению содержания водорода в синтез-газе, а диоксид углерода повышает долю СО в синтез-газе. При паро-кислородо-углекислотной газификации отходов образуется синтез-газ с низким содержанием водорода (от 20 до 50 об. %) и высоким содержанием СО (25-40 об. %) и СO2 (15-20 об. % и более), который является малопригодным сырьем для синтеза жидких и газообразных углеводородов, имеющих атомное отношение Н/С равное или большее 2. С целью увеличения содержания водорода в синтез-газе предлагается добавлять в реактор газификации природный газ при низком объемном отношении кислород/природный газ. При паровой конверсии природного газа образуется по стехиометрии 3 объема водорода и 1 объем монооксида углерода.

Замена кислорода как газифицирующего агента на водяной пар ухудшает тепловой баланс в конверторе, но способствует увеличению содержания водорода в синтез-газе. В традиционных бескислородных способах газификации углеродсодержащих материалов, в т. ч. органических отходов, необходима постоянная подача дополнительного тепла в зону реакции. Это тепло получают за счет сжигания органического сырья (природного газа, мазута, тяжелых нефтяных остатков, кокса и т.д.) в выносных аппаратах. В настоящем изобретении кроме паро-кислородо-углекислотной газификации предлагается применение плазмотронов для газификации органических отходов. При плазмотермическом способе газификации в зоне паровой конверсии органического сырья достигается температура 1200-1300oС, которая позволяет довести степень превращения органики до 96-99%. Поэтому в зависимости от типа сырья и требований к получаемому синтез-газу рассматриваются два различных варианта газификации отходов - паро-кислородо-углекислотная (паро-кислородная) или плазмотермическая.

Комбинация кислородсодержащих органических отходов, например городского мусора или осадков городских сточных вод, с горючими материалами, выбранными из группы: мазут, отработанные масла, тяжелые нефтяные остатки, угольные шламы позволяет вести процесс газификации в оптимальном соотношении между водой и другими кислородсодержащими веществами, содержащимися в отходах, и углеводородными горючими материалами. Соотношения между подаваемыми в конвертор отходами, газифицирующими агентами (Н2О, О2, СО2), природным газом и горючими материалами подбираются расчетным путем так, чтобы увеличить выход синтез-газа и содержание в нем водорода.

Синтез-газ, полученный после газификации отходов, подвергают глубокой очистке от механических примесей и соединений серы, азота, тяжелых металлов. Эта стадия необходима, чтобы предотвратить дезактивацию катализатора синтеза углеводородов. Процесс в реакторе синтеза углеводородов проводят под давлением 2-100 атм и температурах от 200 до 500oС на бифункциональном катализаторе, содержащем оксиды цинка и хрома, или цинка, хрома и меди, или железа, или кобальта и рутения в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типа ZSM-5, Вета, морденит или силикоалюмофосфатом типа SAPO-5, SAPO-11 или SAPO-31. В указанном диапазоне параметров процесса и в зависимости от состава катализатора синтез-газ может быть превращен в жидкие моторные топлива или жидкие моторные топлива и компоненты базы масел.

На химических, нефтехимических, коксохимических, пищевых и других предприятиях побочно образуются жидкие органические отходы, состоящие из водных или безводных смесей спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и их производных, сложных и простых эфиров, углеводородов. Эти органические отходы можно направить на конверсию в реактор газификации и получить синтез-газ по любому из предложенных вариантов. В настоящем изобретении предлагается более рациональный путь переработки жидких органических отходов, а именно их превращение совместно с синтез-газом в реакторе синтеза углеводородов в указанном выше диапазоне параметров процесса на бифункциональном катализаторе, содержащем оксиды цинка и хрома, или цинка, хрома и меди, или железа, или кобальта и рутения в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типа ZSM-5, Beta, морденит или силикоалюмофосфатом. Предложенный комбинированный способ переработки жидких органических отходов позволяет сохранить углеводородный скелет составляющих их соединений, изменяя только функциональные группы веществ. Например, по реакции дегидратации спиртов образуются олефины, которые далее превращаются в изопарафины и/или ароматические углеводороды. В результате сочетания реакций конверсии синтез-газа и жидких органических отходов значительно повышается выход целевых продуктов и производительность процесса.

Принципиальная схема процесса переработки органических отходов (см. чертеж) и примеры 2-6 иллюстрируют предложенный способ.

Глава 4. Биодеградация целлюлозосодержащих отходов для получения технических продуктов

Биодеградация представляет собой естественный способ утилизации целлюлозосодержащих отходов, основанный на разрушении органического субстрата микроорганизмами. Она позволяет решить две основные задачи: создание экономически выгодного процесса производства целевого продукта и утилизацию потенциальных экологических загрязнителей.

С помощью биологических катализаторов (ферментов) микроорганизмы расщепляют целлюлозу с образованием целого комплекса ценных технических продуктов. В зависимости от поставленной цели такими продуктами могут быть технические ферменты (целлюлазы), глюкоза или биоэтанол.

Промышленное получение технических ферментов является экологически и экономически выгодным. Об этом свидетельствует возрастающий объем продаж технических ферментов на мировом рынке, который увеличивается с ежегодной динамикой в 10% [1,2].

Наиболее широко используемыми ферментами являются протеазы (45%) и карбогидразы (более 32%), в том числе целлюлазы, глюканазы и гемицеллюлазы (ксиланазы). В настоящее время эти ферментные препараты находят широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве - в качестве компонентов моющих средств, для обработки текстильных изделий, в производстве первичной и вторичной целлюлозы; в пищевой промышленности (производстве спирта, пивоварении, кондитерской, хлебопекарной и мясомолочной промышленности), в качестве кормовых добавок [3].

Стоимость получаемых технических ферментов зависит от затрат, производимых при их производстве. В значительной степени цена конечного продукта - фермента определяется стоимостью среды, на которой культивируют штамм-продуцент. Поэтому для получения технических ферментов обычно используют дешевые и доступные субстраты, основным компонентом которых является целлюлоза или целлюлозосодержащие субстраты [4,5].

В России производство целлюлозы практически отсутствует, и для получения ферментов либо используют дорогую импортную целлюлозу, что повышает цену получаемых продуктов, либо процесс получения ферментов ведут без целлюлозного компонента среды, что существенно снижает продуктивность штаммов [6].

В то же время в Калужской области имеются предприятия, отходы которых не находят иного применения, кроме утилизации. Например, только Троицкая бумажная фабрика ежедневно вынуждена вывозить до 1,5 тонн обрезков пергамента, который является хорошим источником микрокристаллической целлюлозы [7]. Эти отходы могут заменить дорогостоящую микрокристаллическую целлюлозу в технологиях получения целого ряда технических ферментов, а калужские предприятия смогут не просто вывозить свои отходы на свалку и при этом платить за загрязнение окружающей среды, но выгодно продавать эти отходы. И, следовательно, в таком случае можно будет говорить о выгодном для Калужской области инвестиционном проекте.

Не менее важным продуктом биодеградации целлюлозосодержащих отходов является глюкоза, которую в зависимости от чистоты и экономической эффективности процесса используют в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии или технической микробиологии.

Процесс биодеградации целлюлозосодержащих отходов может быть ориентирован на получение биоэтанола, который является потенциальным источником возобновляемой энергии. Биоэтанол во многих странах мира используется как экологически чистая биоприсадка к бензинам, получаемая из зерновых культур. Помимо экологической выгоды (уменьшение выбросов на 30%) применение биоэтанола повышает октановое число топлива, увеличивая эффективность работы двигателя. Поэтому производству биоэтанола во всем мире уделяется огромное внимание. Например, только в США действуют 134 завода по производству биоэтанола. Их производственные мощности позволяют выпускать 27,4 млрд. литров топливного этанола ежегодно. Еще 77 заводов, общей мощностью 23,5 млрд. литров находятся в стадии строительства. Ожидаемый объем потребления биоэтанола в США в 2020 г. составит 111,4 млрд. литров.

В Бразилии объем производства биоэтанола составляет более 20 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 54,0 млрд. литров), в странах ЕС - 2,2 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 10,0 млрд. литров), а в Китае - 1,8 млрд. литров (в 2020 году ожидаемый объем потребления биоэтанола - 7,4 млрд. литров). Ожидаемый объем производства биоэтанола в мире в 2020 г. составит 281,5 млрд. литров, а в России - всего 2,2 млрд. литров.

Сейчас все крупнейшие автомобильные компании мира - "Toyota", "Mitsubishi", "Nissan", "Mazda", "BMW", "Daimler Chrysler", "Volkswagen", "Renault", "Ford", "General Motors" и другие допускают использование горючего с добавлением до 10% этилового спирта.

Однако, технология производства биоэтанола основана на использовании кукурузы, рапса и других ценных зерновых культур. Это повышает спрос, а, следовательно, и стоимость зерновых культур. По оценкам разных источников, себестоимость одного литра бензина в среднем составляет 18 центов, тогда как себестоимость биоэтанола, получаемого из зерновых культур, колеблется от 20 до 40 центов. Эквивалентное количество этанола, при получении его из целлюлозы будет стоить от 5 до 9 центов в зависимости от того, какая из технологий переработки получит промышленную реализацию, и какой тип целлюлозного сырья будет использоваться.

Таким образом, производство биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья выгодно и с экономической, и с экологической точки зрения. Это определило и актуальность, научную новизну, и практическую значимость нашего исследования.

Исследования в рамках настоящего проекта выполнены Институтом естествознания Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского совместно с Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (г. Пущино), аккредитованной испытательной лабораторией по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии (г. Калуга).

Начальный этап исследований был посвящен выяснению возможности получения технических ферментов в процессе микробиологической деградации пергаментных отходов. Для осуществления процесса нами отобраны 7 штаммов микроорганизмов - продуцентов ферментов (Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Trichoderma longibrachiatum, Trichoderma candidum, Trichoderma lignorum, Aspergillus terreus, Rapidase). Все они относятся к микроорганизмам - деструкторам целлюлозы.

Для исследования возможности ферментативного гидролиза целлюлозы, создания и контроля оптимальных условий процесса нами был использован биоферментер, предназначенный для глубинного культивирования микроорганизмов, в том числе мицелиальных грибов, участвующих в биоконверсии целлюлозосодержащих субстратов. В биоферментере был реализован путь контроля и поддержания температуры, рН, парциального давления растворенного кислорода - рО2, оборотов мешалки, аэрации, пеногашения и подпитки субстратами с помощью компьютерной программы.

В качестве субстрата нами использованы отходы пергамента, которые являются источником чистой целлюлозы. Попадая на поверхность пергамента и прикрепляясь к ней, микроорганизмы выделяют ферменты целлюлазы, под действием которых субстрат расщепляется до глюкозы. Микроорганизмы поглощают глюкозу в качестве основного продукта питания, размножаются, захватывая все большие участки поверхности субстрата, и вырабатывают все новые и новые порции ферментов.

В ходе проведения исследований было установлено, что образование конечного продукта, т.е. глюкозы, начинается после индукционного периода. Затем наступает стационарный режим культивирования, при котором происходит активное накопление глюкозы в растворе. Нами установлено, что независимо от вида используемого штамма плесневых грибов механизм гидролиза целлюлозы был принципиально одинаков. Во всех случаях наблюдаются одни и те же зависимости образования продуктов реакции.

Целлюлоза в значительной степени имеет кристаллическую структуру. Для того чтобы превратить ее в аморфную, необходимо разрушить весьма прочную упорядоченную укладку ее полимерных цепей, например, с помощью интенсивного измельчения на вибромельнице. Было установлено, что чем выше степень кристалличности или чем плотнее упаковка полимерных цепей целлюлозы, тем менее доступна ферментам поверхность субстрата. Напротив, при разрушении кристаллической структуры внутренние цепи целлюлозы раскрываются, и ее доступная поверхность возрастает.

Определяющим элементом биотехнологического процесса является биологический объект (продуцент), обеспечивающий синтез целевого продукта, т.е. синтез глюкозы и ферментов. В качестве продуцента в ходе проведения исследований нами выбран наиболее активный штамм целлюлозолитических микроорганизмов - Trichoderma reesei.

В ходе исследований и отработки технологии биодеградации было установлено, что промышленные отходы пергамента можно использовать в качестве полноценного заменителя микрокристаллической целлюлозы при производстве ферментов целлюлаз и глюкозы. В ходе экспериментов установлены наиболее эффективные формы и необходимые соотношения ингредиентов питательной среды, а также оптимальные условия культивирования микроорганизмов и наиболее рациональное аппаратурное оформление. Это дало возможность значительно увеличить биосинтез микробного фермента.

Проведен сравнительный анализ продуктивности исследуемых штаммов микроорганизмов и выявлены наиболее активные продуценты ферментов, разлагающих целлюлозу. Разработаны и проверены предварительные технологические параметры проведения биотехнологического процесса, которые позволяют осуществить проектирование ферментационной установки для дальнейшей отработки технологии получения ценных продуктов из бытовых и производственных целлюлозосодержащих отходов.

Список литературы

1. Соловьева И.В., Окунев О.Н., Бельков В.В. и др. // Сб. "Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК".М., 2004.С. 55.

2. Синицына О.А., Гусаков А.В., Окунев О.Н. // Биохимия. 2003. 68. № 12.С. 1631.

3. Обзор рынка биотехнологий в мире: www.abercade.ru/ analytics/ bioReview

4. Зайцева Е.А., Осипова Т.А. // Вестн. Моск. Ун-та, сер. 2, Химия, 2006, т. 47, №41, с. 4-11.

5. Марков А.В., Гусаков А.В., Гришутин C.Г., Кондратьева К.Г. // Текстильная химия. 2003. №2.С. 31.

6. Лапин В.В., Родионова Н.А., Загустина Н.А. // Прикл. биохим. микробиол. 2002. 38. №4.С. 452.

7. Лыков И.Н., Шестакова Г.А., Логинов А.А. и др. Технология микробиологической конверсии отходов пергамента // Приоритетные направления развития науки и техники: доклады всероссийской научно-технической конференции. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008, с. 3-5.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены