автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Технология гидролизно-дрожжевого производства с оборотным водопользованием



Санкт - Петербургская лесотехническая академия

На правах рукописи

ЗАНЬКО Наталья Георгиевна

ТЕХНОЛОГИЯ ГИДР0ЛИЗН0-ДР0ЖЖЕВ0Г0 ПРОИЗВОДСТВА С ОБОРОТНЫМ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ

05.21.03 "Технология и оборудование химической переработки древесины, химия древесины"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученор степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 1992

Работа выполнена на кафедре технологии гидролизных и микробиологических производств Санкт-Петербургской лесотехнической академии

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

-кандидат технических наук, доцент ЁЛКИН В.А.

-доктор химических наук, профессор ДМИТРЕИКО Л.В.

-кандидат технических наук, доцент ФИЛАТОВ Б.Н.

-ЕНИИГидролиз

/Всесоюзный научно-исследовательский институт гидролиза растительных материалов/

Защита диссертации состоится "¿23 ¿¿-^а ^Л 1993 г. в " часов на заседании специализированного Совета Д 063.50.02 при Санкт-Петербургской лесотехнической академии /Институтский пер.,5, 2-ё учебное здание, библиотека кафедры целлюлозно-бумажного производства /.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "Я" 199^ Г.

Ученый секретарь специализированного Совета

Пономарев Д.А.

Актуальность темы. Важнейшим условием производства продукции животноводства является всемерное укрепление кормовой базы. В настоящее время производство кормового белка из цел-люлозосодержащего сырья, основанное на гидролизе последнего разбавленной серной кислотой, с последующей биотехнологической переработкой субстрата с получением микробной биомассы, имеет серьезные недостатки, в числе которых наряду с отсутствием технологичности - образование большого количества сточных вод, которые после соответствующей очистки сбрасываются в водоем.

Разработка экологически прогрессивной технологии получения кормовых дрожжей является одной из важнейших задач современного промышленного производства. Причем для гидролизной промышленности экологичность имеет не только медико-биологический, но и технический аспект, поскольку вода - необходимый технологический компонент биологического синтеза.

Работа выполнялась в рамках целевой программы исследований "Комплексное использование древесины и оптимизация ее воспроизводства" на 1986-1995 гг. и в соответствии с координационным планом научных исследований по проблеме "Научные основы переработки и использования древесины" на 1986-1990 г.

Цель работы» Разработать технологию получения кормовых дрожжей с оборотным водоснабжением, в которой очистные сооружения являются завершающей стадией технологического процесса, где происходит подготовка сточных вод к их дальнейшему использованию.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- исследовать химический состав химикатов и водных полупродуктов гидролизных производств с различной схемой водопользования для оценки возможности использлвания биологически очищенных вод в качестве основного источника технического водоснабжения;

- определить потребность растущей культуры в источниках минерального питания и изучить кинетику потребления неорганических элементов для определения диапазона их оптималь-

ных концентраций в среде культивирования;

- изучить возможность получения сбалансированных сред при использовании в качестве минерального питания новых источников азота, фосфора и калия;

- изучить кинетику процесса гидролиза растительного сырья при использовании биологически очищенных сточных вод в качестве технической воды;

- изучить возможность использования метода электродиализа для доочистки биологически очищенных сточных вод;

-создать математическую модель и провести теоретические расчеты предельного содержания неорганических компонентов в биологически очищенных сточных водах в условиях оборотного водоснабжения;

- разработать принципиальную технологическую схему ги-дролизно-дрожжевого производства с оборотным водопользованием.

Научная новизна. Проведено углубленное изучение химического состава водных полупродуктов гидролизно-дрожжевого производства. Предложено и обосновано применение в качестве питательных солей новых источников азота, фосфора и калия, в составе которых отсутствуют неассимилируемые микроорганизмами анионы и катионы, что позволяет получить сбалансированные по неорганическим компонентам субстраты. Установлены основные кинетические пареметры культивирования дрожжей С. ьсойсс. на полученных субстратах. Изучена кинетика процесса гидролиза в условиях оборотного водоснабжения с использованием в качестве питательных солей нетрадиционных источников минерального питания. Установлена возможность доочистки биологически очищенных сточных вод методом электродиализа и использования их на основных стадиях технологического процесс.

На защиту выносятся следующие положения:

- кинетика процессов гидролиза растительного сырья и ферментации полученных субстратов в условиях .оборотного водоснабжения с использованием в качестве технической воды биологичесю очищенных сточных вод, а в качестве питательных солей нетрадиционных источников минерального питания;

- математическая модель матераиального баланса гидролизно-дрожжевого производства, позволяющая расчитать предельное

содержание неорганических компонентов в оборотных водах;

- технология получения кормовых дрожжей с системой оборотного водоснабжения.

Практическая ценность. Проведенные исследования являются теоретическим и экспериментальным обоснованием бессточной технологической схемы гидролизно-дрожгевого производства с использованием биологически очищенных сточных вод в качестве основного источника технического водоснабжения в условиях применения в качестве питательных солей нетрадиционных источников минеральйого питания. Разработанная технология гидро-лизно-дрожжевого производства с оборотным водопользованием сокращает потребность производства в свежей воде на 85%, полностью исключает сброс сточных вод в водоем. Предлагаемая технология пригодна для реализации как на существующих предприятиях гидролизно-дрожжевого профиля, так и на вновьсоэдаваемых. Ввданы исходные данные для разработки проекта реконструкции Губахинского гидролизного завода. Рекомендации использованы при разработке плана опытно-промышленных испытаний на Онежском гидролизном заводе.

Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены и обсуждены на: ежегодных научно-технических конференциях ЛТА /г.Ленинград,1985-1989 гг./; на конференциях:"Пути повышения эффективности лесохимических и гидролизных производств "/г.Свердловск,1985г.//'Исследования в области химии древесины" /г.Рига,1988 г./, "Биотехнология получения кормового белка, премиксов,ферментов кормового назначения"/г.Николаев,1991 г./; на международном симпозиуме "Строение, гидролиз биотехнология растительной биомассы"/г.Санкт-Петербург,1992г./.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, получено 2 авторских свидетельства.

Объем и стцуктура работы. Диссертационная работа состоит из введения,обзора литературы,5 глав экспериментальной части, выводов,библиографии /172 наименования/ и 3 приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста и включает 25 таблиц и 24 рисунка.

ЭКСПИШЙНГАЛЬНЛЯ ЧАСТЬ

I. Исследование химического состава водных полупродуктов гидролизного производства

В настоящей работе проведено глубокое исследование качественного и количественного состава неорганических компонентов, которые могут лимитировать стабильное функционирование бессточных систем водоснабжения. В качестве объектов исследования были выбраны биологически очищенные сточные воды /ВОВ/ гидролизных предприятий с различной схемой водопользования.

Обобщая данные по химическому составу водных полупродуктов и используемых химикатов, можно сделать следующие выводы:

- традиционно используемые в гидролизном производстве питательные соли и нейтрализующие агенты имеют в своем составе неассимилируемые в процессе биосинтеза анионы и катионы,

в том числе и тяжелые металлы;

- высокие остаточные концентрации биогенных элементов и неассимилируемых компонентов обусловливают повышенную мине-рализованность сточных вод, что в условиях организации оборотного технологического водоснабжения мощет привести к нарушению процесса гидролиза растительного сырья или культивирования дрожжей, а значит к снижению качества готовой продукции.

Для соблюдения баланса по неорганическим веществам необходимо исключить попадание в систему различных минеральных примесей и обеспечить выведение из нее неассимилируемых соедине- . ний. В связи с этим следует:

- использовать в качестве питательных солей соединения, полностью ассимилируемые при многоступенчатой биохимической переработке гидролизных сред /ферментация, биоокисление отработанной культуральной жидкости, биологическая очистка сточных вод/ и высококачественные нейтрализующие агенты с минимальным содержанием примесей;

- проводить деминерализацию оборотных вод.

2. Изучение возможности создания сбалансированных сред при использовании нетрадиционных источников минерального питания

В этом разделе приведены результаты определения потребностей растущей культуры в источниках минерального питания и их оптимальных концентраций в среде культивирования. Проводилось периодическое культивирование с подпиткой питательной средой. Скорость потребления каждого компонента минерального питания растущей культуры определялась по уравнению:

где CoL , Cl ~ концентрации исследуемых компонентов в. среде, подаваемой в ферментатор и в среде культивирования, г/л; р - поток среды, подаваемый в ферментатор,л/час; \Х/ - рабочий объем ферментатора; <Aii - удельная потребность выращиваемой культуры в исследуемых компонентах питания, г/г сухого вещества; jd - удельная скорость роста культуры, час } X - количество биомассы в ферментаторе, г.

Результаты исследований приведены на обобщенном графике /рис Л/, где по оси абсцисс для приведения полученных дан-, ных к одному масштабу, отложены относительные концентрации компонентов минерального питания / Cl ]Jií /» а по оси ординат - относительные значения удельной скорости роста дрожжей рода С. AcoHi-i. / № (/• Как видно из рисунка концентрации источников минерального питания в среде культивирования,соответствующие максимальной скорости роста культуры, лежат в диапазоне /5,0-8,0/cCi г/л. Следует отметить сильное ингиби-рующие влияние на рост культуры ионов кадмия и меди, область оптимальных концентраций для которых наиболее узкая, что указывает на необходимость четкого регулирования их содержания в среде культивирования. Показано /рис.2/, что добавление ионов меди в среду, содержащую ион кадмия, усиливает торможение роста микроорганизмов, а при концентрациях близких к 0,075 мМ практически прекращается.

Установлено, что использование гидро- и дигидрофосфата калия и карбамида в качестве источников фосфора, калия и азо-

6 ЭЛ ?? Jg Ti 24

Cl/Í^L

Рис.1. Обобщенная зависимость удельной скорости роста дрожжей С. ¿со-tío. от концентрации неорганических компонентов в субстрате.

та на стадии подготовки гидролизага к биохимической переработке позволяет получить не только биомассу дрожжей с высоким содержанием белка - 45,1%, но и отработанную культуральную жидкость /010К/ с низким содержанием биогенных элементов /табл.1/, что обусловлено лучшей ассимиляцией микроорганизмами питательных веществ субстрата. Экспериментально установлено, что применение двухступенчатой /Са -JÍН^/ нейтрализации в сочетании с ферментацией на субстрате, полученном на основе предлагаемых солей, позволяет получить ОЮЙ с содержанием в ней до 840 мг/л минеральных примесей.

Г

Рис.2. Кинетика роста дрожжей С. ieott¿L

АН

- i

-о г

при совместном присутствии ионов кадмия и меди. Среда Ридер с содержанием кадмия 0,099 ми1 /I/,

3 0,0027 мМ /2/, 0,0044 мМ /3/.

О,Otó" О.ОЗО О.ОЧГ O.DSO 0,015" Концентрация. -Uecju, мМ

Таблица I

Показатели роста дрожжей в зависимости от состава питательной среды

Показатели

Питательные смеси

I

КОНГр.

3 4

Состав смеси.мг/д /в пересчете на К20, Хлорид калия Сульфат аммония Суперфосфат Карбамид Дигидрофосфат

калия Гидрофосфат калия

р2о5,^/

188 700 200

188

200

К2° Р2°5

к2о

Р2°5

Результаты ферментации Выход дрожжей от РВ, % Содержание истинного бе Удельная скорость роста,ч

Состав ОКЖ, мг/я Азот

Калий /К20/ Босфор

-I

700 700 700 700 700

180 90 45

272 69 34

180 90 45

136 69 68

49,3 49,5 48,8 49,3 50,4 38,7

44,3 45,0 44,3 44,6 45,1 41,3

0,36 0,40 0,38 0,35 0,48 0,31

70 68 76 77 40 20

40 37 67 32 20 II

50 45 43 23 23 Сл.

Таким образом показано, чго полученные питательные среды являются сбалансированными по всем неорганическим компонентам, так как обеспечивают высокую продуктивность процесса и содержание элементов в низких, но не лимитирующих остаточных концентрациях.

3. Изучение влияния неорганических компонентов оборотных вод на кинетику процесса гидролиза растительного сырья

Исследовалось влияние тех неорганических компонентов оборотных вод, избыток которых возможно будет, присутствовать в реакционной среде в условиях замкнутого цикла при переходе

6

на новые питательные соли. Показано /табл.2/, что их присутствие влияет как на скорость гидролиза /1^/, так и распада моносахаридов /К^/, замедляя эти реакции. Однако следует отметить, что в условиях стационарного процесса, когда максимальный выход моносахаридов зависит от отношения /на основании уравнения Тирша/, внесение в реакционную среду солей неорганических кислот несколько увеличивает это соотношение. Оценка суммарного влияния различных неорганических компонентов оборотных вод на примере БОВ с солесодержанием 2,6 г/л показала, что величина отношения констант К^/^ осталась на том же уровне, что получена для варочной кислоты без добавки солей.

Таблица 2

Влияние неорганических компонентов оборотных вод на процесс гидролиза растительного сырья

Варочная кислота /0,5% Нх?0и / в присутствии Количество добавляемой соли, мг/100 мл Константа скорости гидролиза, мин-1 d кг/к2

- - 0,0225 1,0 2,89

Сульфата натрия 500 0,0174 0,77 2,95

Гидрофосфат калия 200 0,0201 0,89 2,92

Дигидрофосфат калия 200 0,0185 0,82 2,98

Карбамид 400 0,0136 0,60 3,00

БОВ 260* 0,0181 0,80 2,92

* Солесодержание БОВ.

Таким образом показано, что присутствие в оборотных водах неорганических компонентов /до 2,6 г/л/ не оказывает существенного влияния на кинетику процесса гидролиза.

4. Исследование возможности использования метода электродиализа для доочистки биологически очищенных сточных вод

В данном разделе приведены результаты изучения физико-химических свойств ионитовык мембран и оценка-их способности работать в гидролизных средах. Исследованы рабочие характе-

ристики электродиализных установок и материалы электродов. Показано, что обработку биологически очищенных сточных вод гидролизно-дрожжевого производства следует проводить в электродиализаторах и с использованием ионообменных мембран МК-40 и МА-41, а в качестве электродов применять титан, покрытый окислами рутения /ОРТА/.

Электродиализная обработка ВОВ позволяет не только снизить солесодержание в среднем на 35%, что дает возможность достигнуть требований, предъявляемых к подпиточной воде для охлаждающих систем оборотного водоснабжения, но и частично регенерировать кислоты и щелочи из солей, растворенных в БОВ. На основании изучения свойств полученных растворов было предложено использовать анолит в качестве варочной кислоты для процесса гидролиза, а католит в качестве нейтрализующего агента на стадии нейтрализации гидролиэата. При этом удельный расход серной кислоты на процесс гидролиза снизится на 18%, а удельный расход нейтрализующих агентов на 16%.

Таким образом показано, что электродиализная доочистка является завершающей технологической стадией производства кормовых дрожжей, на которой происходит подготовка БОВ к их дальнейшему использованию.

5. Матератическое моделирование разработанной технологии и ее эколого-экономическая оценка

Для моделирования была принята упрощенная биотехнологическая система гидролизного производства, состоящая из 4-х подсистем /рис.3/. В основу построения математической модели были положены уравнения материального баланса, описывающие каждую подсистему. При этом было сделано два допущения:

- в процессе подготовки субстрата к биохимической переработке степень изменения концентраций его компонентов сохраняется постоянной с увеличением числа циклов;

- изменение концентраций того или иного компонента среды протекает независимо от изменения концентрации других компонентов.

Расчетные кривые предельного содержания неорганических

компонентов оборотных вод, приведенные на рис.4, свидетельствуют о том, что ни по одному из соединений не достигается ПДК процесса гидролиза или ферментации. Как было показано ранее, величина накопления примесей зависит от исходной концентрации их в системе. Разработанная технология получения кормовых дрожжей, предусматривающая использование ассимилируемых питательных солей и злектродиализную доочистку ВОВ, позволяет значительно снизить начальное солесодержание, а значит и величину предельного содержания неорганических компонентов в оборотных водах.

Результаты исследований и теоретические расчеты показали принципиальную возможность создания оборотного технологического водоснабжения с использованием биологически очищенных сточных вод на основных стадиях технологического процесса при числе циклов ^ ■—.

В табл.3 представлены данные экологической оценки существующей технологии получения кормовых дрожжей, разработанной, а также технологии, предусматривающей выпарку отработанной культуральной жидкости, часто рассматриваемую как перспективное направление по снижению загрязненности сточных вод.

Таблица 3

Показатели экологической чистоты технологии получения кормовых дрожжей

Технология получения Расход Объем сточных Направление кормовых дрожжей свежей вод,поступающих использования

589* водоем основное шлам, актив. _ '__пр-во лигнин ил

Прямоточная схема

водопользования 210-230 170-190 30-40 в отвал, -

сжигание

Вакуум-выпарка отра- органоми-

боганной культураль- неральное -

ной жидкости 130-150 70-80 80-90 удобрение

Разработанная органоми- на гид-

схема 10-30 - 170-190 неральное ролиз

удобрение преобр. ржавчины

Рис. 3. Операторная схема биотехнологической системы:

1-гидролиз; П-подготовка субстрата к биохимической переработке;Ш-ферменгация; 1У- очистка СВ.

Материальные потоки: 1-гидролизат,2-сырье,3-лигнин,4-сусло до разбавления, 5-шлам,6-питательные соли,7-сусло после разбавления, 8-дрожжи,9-01ш, 10-активный ил, II- сточные воды.

Рис. 4. Расчетные кривые предельного содержания неорганических компонентов в оборотных водах.

Содержание /С,мг/л/: 1-минеральные вещества, 2-сульфаты, 3- хлориды, 4- соли жесткости, 5 - сумма тяжелых металлов, б- соединения фосфора,7-соединения калия, 8-соединения азота.

Как видно из табл.З разработанная технология позволяет прекратить сброс сточных вод в окружающую среду, свести к минимуму забор свежей воды и рационально использовать твердые отходы и осадки.

ВЫВОДЫ

1. Исследован качественный и количественный состав неорганических примесей, содержащихся в водных полупродуктах и химикатах, традиционно используемых в гидролизно-дрожжевом производстве. Выявлены источники загрязнения гидролизных сред токсичными элементами. Сравнительный анализ химического состава примесей, с точки зрения их ингибирующего влияния на биохимические процессы и стабильное функционирование бессточной системы, показал необходимость снижения солесодержания сточных вод.

2. Показано, что замена традиционных питательных солей на новые источники азота, фосфора и калия позволяет получать сбалансированные по неорганическим компонентйм субстраты и .увеличить ассимиляцию микроорганизмами биогенных и других элементов на 30-40%, снизить солесодержание ОКЖ на 36%.

3. Установлено, что метод электродиализа позволяет регулировать минеральный состав сточных вод. При снижении солесодержания в среднем на 35% биологически очищенные сточные воды соответствуют требованиям, предъявляемым к подпиточной воде для оборотных охлаждающих систем. Изменение других характеристик биологически очищенных сточных вод, достигаемых в результате электродиализной обработки, обусловливает возможность их использования в качестве варочной смеси и в качестве нейтрализующего агента.

4. Сравнительные исследования по кинетике гидролиза полисахаридов растительного сырья разбавленной серной кислотой /контроль/ и в присутствии неорганических компонентов оборотных воп, показали, что внесение в реакционную среду неорганических компонентов оказывает влияние как на константу скорости гидролиза полисахаридов, так и на константу скорости распада моно-

сахаридов,уменьшая их. Однако соотношение этих констант остается практически на том же уровне, что и в случае гидролиза растительного сырья разбавленной серной кислотой. Следовательно, присутствие в варочной кислоте неорганических компонентов в концентрациях не превышающих 2,6 г/л не оказывает существенного влияния на процесс гидролиза растительного сырья.

5. Разработан алгоритм и составлена программа для расчета предельного содержания неорганических компонентов в сточных водах гидролизно-дрожжевого производства в условиях оборотного водоснабжения. Показано, что по разработанной технологии предельная концентрация неорганических примесей ниже их ПДК для процессов гидролиза и ферментации.

6. Предложена принципиальная технологическая схема гидролизно-дрожжевого производства с оборотным водоснабжением, обеспечивающая снижение расхода свежей воды на технологические нужды и увеличение выхода товарной продукции, исключающая сброс сточных вод и загрязнений в окружающую среду, что дает высокий социальный и экономический эффект.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Занько Н.Г., Таничева Р.В., Макаров В.Л. и др.Влияние состава питательных солей на выход кормовых дрожжей при бессточной схеме водопользования.//Гидролизная и лесохимическая пром-сть,1991,№I,с.14-15,

2. Занько Н.Г., Ёлкин В.А., Таничева Р.В. Исследование продуктов микробного синтеза, полученных на нетрадиционных источниках минерального питания.//Передовой опыт в медицинской прои-сти, рекомендуемый для внедрения: Научно-технический сборник статей.-М.:1990,с.18-24.

3. Занько Н.Г..Мирошниченко А.С.,Ёлкин В.А. и др.Электродиализ как метод доочистки стоков гидролизных предприятий. //Химическая технология древесины.-Л.-1986,с.83-85.

4.- Занько Н.Г.,Мирошниченко A.C., Ёлкин В.А. и др.Изучение технологических свойств ионитовых мембран.//Химия и технология целлюлозы и ее производных.-Л.-1Э85,с.110-113.

5. A.c. MI69992 Способ получения гидролизага из растительного сырья /Ёлкин В.А.,Занько Н.Г. и др./В.И. -1985,№28.

6. A.c. М588763 Способ нейтрализации гидролизата / Занько Н.Г., Ёлкин В.А. и др./ Б.И. - 1990, №32.

7. Занько Н.Г. Математическая модель гидролизно-дрожже-вого производства с элементами бессточной технологии //Исследования в области химии древесины.Тезисы докл. 6-й Межреспубликанской конф.молодых ученых. -Рига, 1988, с.107.

8. Ёлкин В.А., Макаров B_JL, Занько Н.Г. Элементы бессточной технологии в гидролизно-дрожжевом производстве.//Пути повышения эффективности лесохимических и гидролизных производств. Тезисы докл. - Свердловск, 1985,с.15.

9. Занько Н.Г., Ёлкин В.А., Макаров В.Л.-и др. Эколого-экономический аспект гидролитической и биотехнологической переработки растительного сырья. //Строение, гидролиз и биотехнология растительной биомассы. Тезисы докл. -Санкт-Петербург, 1992, с.48.

Просим принять участие в работе специализированного Совета Д 063.50.02 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194018* Санкт-Петербург, Институтский пер.,5, Лесотехническая академия, Ученый Совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 28.12.92. Формат 60x90 1/16. Бумага писчая "О". ПечаТь офсетная. Изд.№5] Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Тираж 100 якз.

Заказ № 1650. С 51.

Редакционно-издательский отдел ЛТА