автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Влияние микроорганизмов в технологических средах на качество тарного картона из макулатуры

На правах рукописи

Овсянникова Екатерина Анатольевна

/'У / /

V../'

ВЛИЯНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ НА КАЧЕСТВО ТАРНОГО КАРТОНА ИЗ МАКУЛАТУРЫ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНЗ 20

Архангельск - 2015

005557255

Рабата выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова», в ГК «Объединенные Бумажные Фабрики»

Научный руководитель

доктор технических наук Дулькин Дмитрий Александрович

Официальные оппоненты: Бурындин Виктор Гаврилович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» г.Екатеринбург, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс

Гусакова Мария Аркадиевна

канди дат технических наук, институт экологических проблем Севера УрО РАН г.Архангельск, заведующая лабораторией химии растительных биополимеров

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Защита состоится 12 февраля 2015 года, в 1300 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова», http://narfu.ru/university/

Автореферат разослан «¿Си 2014 г.

Ученый секретарь у*

диссертационного совета, к.х.н., доцент х э скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главной современной тенденцией индустрии бумаги и картона является повышение доли макулатуры, вовлекаемой в производство бумажно-картонной' ¿1родукций. Техлолошя изготовления тарного картона из макулатуры (вследствие ее повышенной температуры и наличия питательных веществ) служит оптимальной средой для размножения микроорганизмов. Непрерывное поступление микроорганизмов с воздухом, водой, волокнистыми видами сырья и добавками приводит к специфическому микробиологическому равновесию, характерному для каждого технологического процесса бумажного производства. Неконтролируемое увеличение содержания микроорганизмов некоторых видов может вести к нарушениям в технологии и снижению качества продукции. В настоящее время в связи с увеличением циклов переработки макулатуры и снижением расхода свежей воды на 1 тонну продукции эта проблема стала особенно актуальной.

В научно-технической литературе уделено внимание негативному влиянию микроорганизмов в технологических средах бумажно-картонного производства, прежде всего на образование слизи и связанные с этим явлением последствия в работе бумагоделательной машины (пятна слизи и отверстия в бумажном полотне, неприятный запах, обрывы полотна, коррозия, засорение сукон и сит, скользкие полы и площадки обслуживания). Однако, практически не рассмотрено влияние жизнедеятельности микроорганизмов на поверхностно активные свойства макулатурной массы в технологических средах бумажного производства и физико — механические характеристики тарного картона. Вместе с тем, локальные изменения температуры, рН, уровня растворенных органических веществ в технологических средах производства бумаги могут влиять на развитие популяций бактерий. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов, и, в частности, ферменты, могут существенно влиять на электрокинетические свойства волокнистой суспензии из макулатуры, вызывать биодеградацию волокон и, соответственно, отрицательно влиять на качество готового продукта.

В этой связи изучение влияния микроорганизмов в технологических средах на качество тарного картона из макулатуры является весьма актуальным.

Цель в задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение влияния микроорганизмов в технологических средах бумажно-картонного производства на свойства макулатурной массы и качество тарного картона из макулатуры.

Для реализации данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Определить источники заражения и питания микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик и их влияние на популяцию микроорганизмов;

2. Определить влияние микроорганизмов на биодеградацию растворенного крахмала в мшсулатурной массе;

3. Определить влияние микроорганизмов на электрокинетические свойства макулатурной массы;

4. Определить влияние температуры и продолжительности выдерживания макулатурной массы на физико-механические свойства тарного картона;

5. Определить влияние химических вспомогательных веществ на физико-механические свойства тарного картона, изготовленного из макулатурной массы после ее хранения;

6. Определить влияние биоцидов на физико-механические свойства тарного картона, изготовленного из макулатурной массы после ее хранения;

7. Разработать практические рекомендации по предотвращению негативных изменений свойств волокнистой макулатурной массы и качества тарного картона.

Научная новизна. Впервые показано влияние микроорганизмов, содержащихся в технологических средах бумажных фабрик, на электрокинетические свойства и агрегативную устойчивость макулатурной массы. Установлено, что биодесгрукция растворенного крахмала является ограниченной, основная часть крахмала при продолжительном хранении сохраняется в оборотной воде. Установлена взаимосвязь физико-механических свойств тарного картона со свойствами макулатурной массы, подвергшейся изменениям при длительном хранении. Показано, что сохранение механической прочности тарного картона возможно путем предотвращения микробиологической деструкции компонентов макулатурной массы за счет введения биоцидов.

Практическая ценность. Разработанные практические рекомендации по контролю популяции микроорганизмов в технологических средах Б ДМ позволяют предотвратить нежелательные изменения свойств макулатурной массы и изготовленного из нее тарного картона и рекомендуются к использованию на предприятиях по производству бумаги и картона.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку XII... XV — й Международных научно-технических конференций, касающихся научного обоснования эффективных систем производства флютинга, тест-лайнера и гофрокартона (Караваево, 2011...2014 гг); 1-й и 11-й Международных научно-технических конференций «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2011, 2013 гг.); ежегодных научно-практических семинаров, проводимых в УК «Объединенные бумажные фабрики» (2014 г. -д.Караваево ОАО «Караваево»; 2013 г. - г.Кондрэво ОАО «ПЗБФ»; 2012 г. -г.Кондрово ОАО «ПЗБФ»; 2011 г. - г.Сокол ОАО "Сухонский ЦБК").

Публикации. По теме диссертаций опубликовано 18 работ, в том числе 7 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 5 разделов; общие выводы и список использованных источников. Содержание работы изложено на 112 страницах, включая 26 рисунков и 10 таблиц, библиография содержит 182 наименования.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

1. Установленная взаимосвязь популяции микроорганизмов в технологических средах производства тарного картона с источниками питательных веществ;

2. Установленное влияние микроорганизмов на биодеградацию растворенного крахмала в макулатурной массе;

3. Установленное влияние микроорганизмов на электрокинетические свойства макулатурной массы;

4. Полученные закономерности влияния температуры и продолжительности выдерживания макулатурной массы на физико-механические свойства тарного картона;

5. Установленные закономерности влияния химических вспомогательных веществ на физико-механические свойства тарного картона, изготовленного из макулатурной массы после ее хранения;

6. Установленное влияние биоцидов на физико-механические свойства тарного картона, изготовленного из макулатурной массы после ее хранения;

7. Разработанные практические рекомендации по предотвращению негативных изменений свойств волокнистой макулатурной массы и качества тарного картона.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, задачи исследований и положения, выносимые на защиту.

Обзор литературы. Систематизированы микроорганизмы материальных потоков производства тарного картона из макулатуры. Изучены факторы, способствующие росту и воспроизводству микроорганизмов в системе бумагоделательной машины. Выявлены проблемы, вызываемые микроорганизмами в производстве бумаги и картона. Установлены причины образования биопленок (слизи) в материальных потоках производства бумаги и картона. Приведены основные методы контроля популяции микроорганизмов в материальных потоках производства бумаги и картона.

Проведен анализ тенденций применения дезинфицирующих добавок в производстве бумаги и картона из макулатуры. Рассмотрены принципы действия химических дезинфицирующих добавок. Указаны оптимальные условия их применения для регулирования популяции микроорганизмов в материальных потоках бумажного производства.

Проанализированы способы снижения контаминации (заражения) микроорганизмами технологической воды, крахмала, минеральных веществ и химических добавок, а также при приготовлении волокнистой массы и формовании бумаги и картона.

В работе выдвинута гипотеза о возможном влиянии жизнедеятельности микроорганизмов на электрокинетические свойства волокнистой суспензии и качество тарного картона из макулатуры. Для подтверждения выдвинутой

гипотезы эксперименты проводились как на реальных технологических средах производства картона на предприятии ООО «Сухонский ЦБК», так и на модельных средах.

Методики исследования. Исследования проводили на макулатуре марки МС-5Б, соответствующей стандарту ГОСТ 10700 «Макулатура бумажная и картонная/Технические условия». Использовали биоцид марки Неомид 151 на основе действующих веществ дибром-нитрилопропионамида и изотиозо-лина, обладающий широким спектром действия.

Роспуск и размол макулатуры проводили в гадроразбивателе и мельнице лабораторного комплекта ЛКР-2 на оборотной и для сравнения на дистиллированной и технической воде при концентрации массы 3 %. Оборотную воду отбирали из технологического потока Сухонского ЦБК на входе в гидроразбива-тель производства картона.

Волокнистую массу из макулатуры выдерживали в климатической камере, поддерживая температуру 35 и 42 °С и отбирая пробы массы на исследования через 16, 24 и 40 часов. Выбранные температуры соответствуют средним значениям температуры в контуре короткой циркуляции БДМ в зимний и летний периоды. Продолжительность выдерживания массы взята исходя из опыта эксплуатации БДМ и вероятных аварийных ситуаций, вызывающих необходимость хранения массы в бассейнах.

В волокнистой массе из макулатуры определяли БПК5 в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после п-днёй инкубации (БПКполн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах» и ХПК - в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.100-97 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод».

Катионная потребность (КП) определялась методом титрования с использованием в качестве электролита (титранта) полидадмака на приборе Mütek PCD-04 (Компания BTG Instruments GmbH, Германия).

Измерение водородного показателя (pH) проводили потенциометриче-ским методом на приборе РНТ-028.

Удельную электропроводность (УЭ) измеряли на приборе РНТ-028 с использованием автоматического термокомпенсатора, применение которого исключало влияние температуры при измерении удельной электропроводности.

Дзета-потенциал определяли методом, основанным на измерении потенциала протекания между двумя электродами на приборе Mütek SZP-06 (Компания BTG Instruments GmbH, Германия).

Измерение общей жесткости фильтратов макулатурной массы производили в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.98-97 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений жесткости в пробах природных и очищенных сточных вод».

Микробиологический анализ производили стандартными методами. В оборотной воде определялось общее микробное число (ОМЧ), общие коли-формные бактерии (ОКБ) и термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ) в соответствии с МУК 4.2.1884-04 «Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов». В волокнистой массе из макулатуры определяли показатель КМАФАнМ (мезо-фильно аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы) - по ГОСТ 10444.15-94 «Продукты пищевые. Методы определения количества мезо-фильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов».

Оргаполептические исследования макулатурной массы проводили по запаху в соответствии с СП№ 4105-86 «Санитарные правила по производству и оценке качества бумаги и картона, выработанных с использованием макулатуры и предназначенных для упаковки сухих пищевых продуктов.

Содержание крахмала в макулатурной массе определяли фотометрическим методом, основанным на способности крахмала окрашивать йод в синий цвет.

Из макулатурной массы изготовляли принятыми в лабораторной практике методами бумагу и картон. Прочностные характеристики определяли стандартными методами.

Для обработки результатов экспериментов использовали методы математической статистики с использованием программы статистической обработки MS Excel.

1. Изучение источников заражения и питания микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик

Анализ представленных в таблице 1 результатов исследований показывает, что в технической воде после 8 часов выдерживания общее микробное число выросло в 6 раз, через 24 часа - в 20 раз, через 32 часа рост числа микроорганизмов прекратился. В оборотной воде после 8 часов хранения общее микробное число выросло в 100 раз, через 24 часа - в 4500 раз, а после 32 часов - в 6200 раз.

В растворе крахмала, приготовленного на технической воде для внесения в картон, после 8 часов хранения общее микробное число выросло в 21 раз, через 24 часа - в 1677 раз, а после 32 часов выдержки - в 9845 раз.

В гидроразбивателе после 8 часов хранения макулатурной массы количество микроорганизмов выросло в 3,6 раза, через 24 часа - в 4,4 раз, через 32 часа - в 5,2 раза. , ;

Таким образом, результаты исследований показывают, что маесные потоки и система водопользования БДМ являются благоприятной средой для развития и роста микроорганизмов, а их компоненты могут быть источниками контаминации (заражения) системы. При этом наибольший рост числа микроорганизмов в течение 24 часов наблюдается в оборотной воде, после

чего темпы роста значительно снижаются. К концу выдерживания наиболь-

шии рост микроорганизмов отмечается в растворе крахмала, что свидетельствует, о том, что крахмал, используемый в производстве картона, является доступным источником питания для микроорганизмов.

Таблица 1. Популяция микроорганизмов в технологических средах при их хранении

Вид пробы Время хранения пробы, ч 1,0С Запах ОМЧ, КОЕ/мл КМАФАнМ, КОЕ/г

Техническая вода 0 24 без запаха 85- ; ' -

8 35 без запаха 520 . -

24 35 без запаха 1680 -

32 35 без запаха 1520 -

Оборотная вода 0 32 запах макул.массы 3000 -

8 35 слабый гнилостный 3000000 -

24 35 гнилостный 13400000 -

32 35 сильный гнилостный 18500000 -

Рабочий раствор крахмала 0 40 без запаха - 1610

8 35 слабый гнилостный - 33550

24 35 гнилостный - 2700000

32 35 сильный гнилостный - 5850000

Масса гидроразбивателя 0 32 запах макул.массы - 14900000

8 35 запах макул.массы - 53500000

24 35 кислый 65500000

32 35 сильный кислый - 77500000

Мезофильные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы (КМАФАнМ) и общее микробное число (ОМЧ) относятся к оценке численности микроорганизмов и свидетельствуют о степени обсемененности объекта исследований микрофлорой. Установлено, что в составе КМАФАнМ (ОМЧ) представлены различные группы микроорганизмов — бактерии, дрожжи, плесневые грибы.

Увеличение КМАФАнМ и ОМЧ свидетельствует о размножении микроорганизмов, в числе которых могут оказаться микроорганизмы, вызывающие изменения в средах, которые установлены экспериментально. Органо-лептическая оценка технологических сред по запаху показала, что биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, взаимосвязаны с их видовым составом. В оборотной воде и рабочем растворе крахмала микроорганизмы вызывают гниение органических компонентов. Гнилостный запах усиливается с увеличением продолжительности хранения оборотной воды и рабочего раствора крахмала, и, соответственно, с увеличением популяции этих микроорганизмов. Мезофильные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы в волокнистой массе из макулатуры, взятой из гидроразби-

вателя, с увеличением продолжительности хранения приводили к закисанию волокнистой массы.

2. Влияние микроорганизмов на биодеградацию растворенного крахмала в макулатурной массе

При производстве бумаги и картона для гофрированной тары используются различные виды крахмала в целях повышения прочности, склейки слоев картона и поверхностной проклейки. При повторном использовании гофрированного картона в виде макулатуры марки МС-5Б отработанный крахмал накапливается в микроструктуре вторичных волокон и в оборотной воде. При этом, накапливаясь в жидкой среде в виде коллоидных частиц и агрегатов с другими компонентами макулатурной массы, фрагменты растворенного крахмала при повторной переработке приобретают отрицательный заряд, становясь источником анионных зафязнений. Кроме того, потенциально крахмал может являться питательной средой для микроорганизмов в технологических средах БДМ.

Экспериментально установлено, что при выдерживании макулатурной массы в течение 18 часов при температуре 35°С концентрация растворенного крахмала уменьшилась на 21 %, при температуре 42 °С - на 32 % (рисунок 1). Результаты исследований показали, что снижение содержания растворенного крахмала в макулатурной массе взаимосвязано с жизнедеятельностью микроорганизмов. При добавлении в макулатурную массу биоцида марки Неомид 151 существенной деструкции растворенного крахмала не происходит.

Деструкция крахмала в массе больше при более высокой температуре, что можно объяснить большей активностью микроорганизмов в рассматрива-

600 500 400

! 300

200 100 0

выдерживания: 1 - контроль,2- при35°С,3 -при42°С

Содержание крахмала, мг/л

■ без биоцида Ос биоцидом

'исунок 1. Изменение содержания растворенного крахмала в макул атурной массе от температуры

емых условиях Следует отметить, что в изученных условиях выдерживания макулатурной массы растворенный крахмал разрушается только частично, значительная часть его сохраняется в жидкой среде и, соответственно, оказывает влияние на свойства оборотной воды.

3. Влияние продолжительности выдерживания и температуры на свойства макулатурной массы

Влияние продолжительности выдерживания на содержание органических веществ в макулатурной массе. Экспериментально показано (таблица 2), что увеличение продолжительности выдерживания волокнистой массы из макулатуры приводит к изменению содержания органических веществ в массе. Органолептическая оценка макулатурной масс показала, что микроорганизмы приводят к ее закисаншо, при этом кислый запах усиливается с увеличением продолжительности хранения массы.

Таблица 2. Влияние продолжительности выдерживания на содержание органических веществ в макулатурной массе*_

Вид пробы Продолжительность выдерживания, ч ХПК, мЮ2/л БПК5, МГ0;/Л КП, мг/л Запах

Масса на дистиллированной воде 0 948 388 290 запах мак. массы

16 751 480 230 запах макмассы

24 777 359 220 слабый кислый

40 816 678 190 кислый

Масса на технической воде 0 988 450 360 запах мак.массы

16 830 458 210 слабый кислый

24 971 454 280 слабый кислый

40 777 749 250 кислый

Масса на оборотной воде 0 2252 1616 360 запах мак.массы

16 1620 1164 250 слабый кислый

24 1786 1295 350 кислый

40 1437 1263 290 сильный кислый

* Температуравьщерживання-35 °С

Судя по значению показателя БПК5, волокнистая масса из макулатуры достаточно богата доступными питательными веществами для микроорганизмов. На это указывает и снижение величины показателей БПК5 и ХПК, которое происходит с увеличением продолжительности хранения массы на оборотной воде. Катионная потребность тфильтрата волокнистой массы из макулатуры снижается, что указывает на биоконверсию крахмала внеклеточными ферментами микроорганизмов. -|г.

Показатели ХПК и БПК5 волокнистой массы, приготовленной на оборотной воде, выше показателей ХПК и БПК5 волокнистой массы, приготовленной на дистиллированной и технической воде, что свидетельствует о большем содержании растворенных органических веществ в массе на оборотной воде. Данный факт определяет дальнейшее изменение этих показателей при увеличении продолжительности хранения массы.

Так, при выдерживании макулатуры в дистиллированной и технической воде наблюдалось постепенное увеличение показателя БПК5. Это свидетельствует о том, что, несмотря на биологическую деструкцию и экспериментально установленное увеличение содержания микроорганизмов в этих средах, одновременно идет накопление органических веществ в растворе, за 40 часов хранения прирост БПК5 составил 1,7 раза. Вероятнее всего, это на-

ю

бухают и растворяются компоненты отработанного крахмального связующего.

При выдерживании макулатуры в оборотной воде тенденция противоположная - происходит снижение и показателя БПК5. и показателя ХПК. В этом случае значительно выше концентрация растворенных органических веществ, и процесс биологической деструкции идет более интенсивно. Извлечение крахмала из волокон также может происходить и в оборотной воде, однако это перекрывается быстро протекающей деструкцией растворенного крахмала. Уменьшение ХПК массы на дистиллированной воде составляло 14 %, в макулатурной массе на оборотной воде снижение ХПК было больше -на 36 %.

Влияние продолжительности и температуры выдерживания на рН макулатурной массы. При выдерживании макулатурной массы установлено изменение рН в кислую сторону на 0,9 - 1,7 единицы (рисунок 2). Снижение рН указывает на ферментативный гидролиз компонентов волокнистой массы из макулатуры. Распад органических веществ под воздействием ферментных систем микробов в процессе выдерживания массы приводит к образованию кислотных продуктов, что подтверждается появлением кислого запаха.

8,0 7,6 7,2 ч 6,8

V

Я 6,4

Си

6,0

5,6 4-1-т-т-т-.-I-1-1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Продолжительность выдерживания, ч Анадист.воде • натехн.воде Я на обор.ваае

8,0

7,6 7,2

3

6,8

Н.

6,4 6,0 5,6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Продолжительность выдерживания, ч Анадигт.водс • на тстводс ■ на обор.воде

а б

Рисунок2. Изменение рН ма^латурной массы с увеличением продолжительности выдержи вания при температуре: а-35 °С;б-42 °С Жизнедеятельность микроорганизмов приводит к накоплению кислотности в волокнистой массе, диспергированной в дистиллированной, технической и оборотной воде. Так, при хранении массы в дистиллированной и технической воде в условиях 35 °С рост кислотности отмечен в большей степени, на 0,6 единицы, чем при 42 "С. В суспензии на оборотной воде снижение рН при 35 и 42 °С происходило примерно одинаково и к концу эксперимента составило 1,3 единицы.

Влияние продолжительности и температуры выдерживания на удельную электропроводность макулатурной массы. Наряду с изменениями рН, при исследовании свойств макулатурной массы при ее выдерживании, отмечен рост удельной электропроводности волокнистой суспензии (рисунок 3). Удельная электропроводность является количественной мерой электрической проводимости, рост которой по мере увеличения продолжительности

выдерживания массы свидетельствует об увеличении в макулатурной массе электропроводящих ионов.

также как Гпн ГТаН0ВЛеН0' ™ вменение удельной электропроводности, также как и рН, в макулатурной массе взаимосвязано со свойствами дисперсионно и среды. д ^

О 5 10 15 20 25 30 35 < Продолжительность выдерживания, ч Анадист.воде «на техн. воде «каобор.воде

а

О 5 10 15 20 25 30 35 40 Продолжительность выдерживания, ч А на джтил.воде » га техшч.воде « на обороти воде

РисунокЗ. Изменение удельной электропроводности ма^лгпурной массы сувеличением продолжительности выдерживания при температуре: а-35 °С;б-42 °С

Так, при хранении массы в дистиллированной и технической воде при температуре 35 С рост удельной электропроводности, подобно росту рН. отмечен в большей степени, на 250 мкСм/см, чем при температуре 42 °С Изменение удельной электропроводности макулатурной массы при ее вьадер-

™Т,ГаХ°ДГЯ В° ™0СВЯЗИ с изменением РН среды. В волокнистой суспензии на оборотной воде наблюдался одинаковый рост удельной электропроводности при 35 и 42 °С и концу эксперимента разница в значениях показателя составила 620 мкСм/см. учениях

Изучены причины увеличения удельной электропроводности макута-турнои массы. Известно, что электрическая проводимость природной воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Поэтому для изучения роста удельной элеетропроводности макулатурной массы при се выдерживании было исследовано влияние, преяеде

™,ТИХ Фа,СГОРОЕ' ПРИ ЭТ°М темпеРатУРный Фактор в экспериментах исключался использованием термокомпенсатора на приборе измерения, и внимание было уделено изучению влияния солей жесткости жидкой фазы на электропроводность макулатурной массы. *

С этой целью определяли жесткость фильтрата массы, которая характеризует суммарную концентрацию ионов кальция и магаия. Понятие жест-

пеГм™Пт^°пВЯЗЫВаТЬ С КаТИ°НаМИ КаЛЬЦИЯ (Са2+) и 8 меньшей

пени магния (Mg ). В ходе исследований отмечено, wo жесткость фильтрата макулатурной массы изменяется при ее выдерживании (рисунок 4) Пои этом, подобно изменениям рН и удельной электропроводности, жесткость фильтратов из массы, приготовленной на дистиллированной и технической воде, изменяется в большей степени при температуре 35 °С (в 3 5- 6 0 па-^ чем при температуре 42 °С (в 3,0 -3,5 раза). Р V'

О 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Продолжительность выдерживания, ч Продолжительность выдерживания, ч

А на диет.воде • на техн.воде ■ на обор.воде А на диет, воде • на техн.воде ■ на обор.воде

а б

Рисунок 4. Изменение жесткости фильтрата макулатурной массы с увеличением продолжительности выдерживания при температуре: а - 35 °С; б - 42 °С

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что с увеличением продолжительности выдерживания макулатурной массы происходит увеличение содержания ионов кальция в фильтрате макулатурной массы, которые, предположительно, высвобождаются при растворении карбоната кальция, содержащегося в макулатуре, при снижении рН менее 7,6 единиц. Начальное содержание карбоната кальция в фильтрате может составить более 150 мг/л, что подтверждается исследованиями по изучению накопления ионов кальция при многократном использовании подсеточной воды (рисунок 5).

Влияние продолжительности и температуры выдерживания на электрокинетический потенциал макулатурной массы. На рисунке 6 представлено изменение электрокинетического потенциала макулатурной массы от продолжительности выдерживания. Начальное значение дзета-потенциала в макулатурной массе на дистиллированной воде составило -28... -32 мВ, на технической - 20...24 мВ и -12 мВ - на оборотной воде. Макулатурная масса на оборотной воде обладает наименьшим отрицательным значением дзета-потенциала, что можно объяснить присутствием в оборотной воде веществ катионного характера, адсорбция которых на поверхности волокон макулатурной массы приводит к нейтрализации поверхности заряда.

12 3 4

Многократность использование подсеточной воды

Рисунок 5. Содержания ионов кальция при многократном использовании подсеточной воды

со

!- -2

Продолжительность выдерживания, ч О 5 10 15 20 25

Продолжительность выдерживания, ч 0 5 10 15 20 25

- на дист.воде

- на техн.воде

а б Рисунок 6. Изменение дзета-потенциала макулатурной массы с увеличением продолжительности выдерживания при температуре: а - 35 °С; б - 42 °С (дзета-потенциал макулатурной массы на оборотной воде -12мВ)

Величина отрицательного значения дзета-потенциала макулатурной массы, приготовленной на дистиллированной и технической воде, взаимосвязана с продолжительностью и температурой выдерживания. Отрицательная величина этих значений снижается с увеличением температуры и продолжительности выдерживания. Следует отметить, что установленным изменениям значений дзета-потенциала соответствует увеличение удельной электропроводности макулатурной массы. Следовательно, присутствующие в макулатурной массе вещества, вызывающие увеличение ее электропроводности, приводят и к снижению отрицательного значения величины дзета-

. ; " " * Установлено, что агрега-

■ тивная устойчивость маку-

^'ЩвшШан ? латурной массы взаимосвязана со значением дзета" « потенциала. Макулатурная У'^рХ В' масса со снижением абсо-Я^ННН^Н ' лютной величины дзета' ' .К потенциала становится ■Г склонной к флокуляции и "^.ЧЬ-^ седиментации. Это явление особенно проявляется при а б выдерживании массы на

Рисунок 7, Изменение агрегатного состояния макула- °боР°таоЙ В0Де (рисунок турной массыдасле ее выдерживания: а - в техниче- '' ской воде; б - в оборотной воде Из представленных ранее результатов исследований (таблица 1) следует, что в макулатурной массе, приготовленной на оборотной воде, интенсивно развиваются микроорганизмы.

В этой связи можно сделать вывод об отрицательном влиянии микроорганизмов в макулатурной массе на ее электрокинетические свойства, приводящие к нарушению агрегативной устойчивости системы.

4 Влияние температуры и продолжительности выдерживания макулатурной массы на физико-механические свойства тарного картона

Результаты исследований, представленные на рисунке 8, показывают, что

прочностные характеристики картона снижаются с увеличением продолжительности и температуры выдерживания макулатурной массы, из которой они изготовлены. Так, показатели 8"ГС, абсолютное сопротивление продавливанию (П) и разрушающее усилие при сжатии кольца (ИСТ) картона из выдержанной в течение 40 часов макулатурной массы на 21 % ниже, чем из макулатурной массы без выдерживания (рисунок 8). Установленные закономерности объясняются нарушением агрегативной устойчивости макулатурной массы, вызванной негативным влиянием на электрокинетические свойства волокнистой массы микроорганизмов. Формование картона из агрега-тивно неустойчивой макулатурной массы приводит к получению неоднородного по структуре полотна картона с низкими значениями физико-

механических характеристик. Снижение показателей фи-

Продолжительность выдерживания, ч ЗИКО-меХЭНИЧеСКИХ СВОЙСТВ "Кар-

■ при 35 град «при 42 град ТОНа МОЖНО ТаКЖС объЯСНИТЬ И

Рисунок 8. Влияние продолжительности выдержи- биодеградациейволокон маку-вания и температуры на физико-механические латуры внеклеточными фермен-свойства тарного картона из макулатурной массы тами, продуцируемыми микроорганизмами.

Экспериментально установлено, что отрицательное воздействие' микроорганизмов на электрокинетические свойства макулатурной массы на-

Продолжительность выдерживания, ч ■ при 35 град • при 42 град

Продолжительность выдерживания, ч ■ при 35 град • при 42 град

ЮО -г-т-:-.-■-I-'-

0 5 10 15 20 25 30 35 40

столько значительно, что внесение химических вспомогательных веществ в выдержанную макулатурную массу перед формованием для повышения прочностных характеристик бумаги и картона не дает положительных результатов (рисунок 9). . 100

Рисунок 9. Влияние продолжительности выдерживания на относительные изменения физико-механических показателей тарного картона из макулатурной массы с использованием химических вспомогательных веществ (расходы ХВВ: Polimin SK (фиксирующий агент) - 1,5 кг/тн готовой продукции, катионный крахмал - 7,5 кг/тн, клей Fennosize KD 225YP - 2,5 кг/та)

Результаты исследований (рисунок 10) показали, что применение дезинфицирующего реагента - биоцида марки Неомид 151 для подавления жизнедеятельности микроорганизмов позволяет предотвратить снижение физико-механических показателей картона.

3,20 Т

о 10 20 30

Продолжительность выдержпвания, часы #S<T ШП ARCT

5 10 15 2 0 25 3 0 35 Продолжительность выдерживания, часы —*— без бжшкла -• с биоцидом

5 10 15 20 25 30 35 40 Продолжительность выдерживания, часы " без биоццла с биоцидом

Рисунок 10. Влияние биоцидов на физико-механические свойства тарного картона из макулатуры (расход биоцида - 100 г/тн картона)

Полученные результаты позволяют рекомендовать систематическое применение биоцидов при производстве тарного картона из макулатуры для регулирования содержания микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик. 3

5 Практические рекомендации по предотвращению негативных изменении свойств макулатурной массы и качества тарного картона из макулатуры, связанных с действием микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик

С целью минимизации отрицательного влияния микроорганизмов в технологических средах бумажно-картонного производства на качество готовой продукции разработана программа и на ОАО «Полотняно-Заводская бу-

мажная фабрика» внедрены практические рекомендации по контролю и Ограничению их популяции микроорганизмов. Программа по микробиологическому контролю на предприятии включает в себя регулярные обследования технологических сред, которые осуществляются с участием специалистов по биоцидам с периодичностью 1 раз в квартал (при возникновении проблем проводится внеплановое обследование).

Эффективный биологический контроль применяемых материалов, воды и всех материальных потоков, должен сочетаться с плановыми, систематическими мероприятиями, направленными на содержание технологических потоков БДМ в необходимом санитарно-гигиеническом состоянии. Предложено консервировать массу, которая остается в системе во время внезапных длительных остановов, связанных с внеплановым ремонтом. Разработанная концепция контроля и ограничения популяции микроорганизмов позволяет обеспечивать предотвращение ухудшения качества готовой продукции, вызванного действием микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик.

Общие выводы

1. Установлено отрицательное влияние хранения макулатурной массы на ее агрегативную устойчивость и физико-механические свойства тарного картона. Основной причиной является действие микроорганизмов, содержащихся в технологических средах бумажных фабрик;

2. Установлено, что оборотная вода, макулатурная масса, рабочий раствор крахмала являются благоприятными средами для развития микроорганизмов. При длительном выдерживании макулатурной массы наблюдается рост различных микроорганизмов, в том числе мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных;

3. Выявлено, что действие микроорганизмов способно привести к изменению состава и свойств макулатурной массы, в частности, к снижению содержания органических веществ, росту кислотности, увеличению концентрации электропроводящих веществ и повышению значения электрокинетического потенциала массы;

4. Показано, что крахмал, присутствующий в макулатурной массе, подвергается биодеструкции, этому способствует увеличение продолжительности хранения и повышение температуры волокнистой массы. Снижение содержания растворенного крахмала на 21-32 % взаимосвязано с жизнедеятельностью микроорганизмов, при добавлении биоцида существенной деструкции растворенного крахмала не происходит;

5. Показано, что снижение рН среды в результате действия микроорганизмов способствует диссоциации карбоната кальция, что приводит к изменению электрокинетических свойств макулатурной массы;

6. Выявлено снижение эффективности химических вспомогательных веществ, добавляемых в макулатурную массу, хранившуюся в условиях, благоприятных для жизнедеятельности микроорганизмов;

7. Показано, что применение биоцидов при производстве тарного картона из макулатуры с целью регулирования содержания микроорганизмов в технологических средах бумажно-картонного производства позволяет повысить качество готовой продукции на 5 — 10%.

8. Разработаны и внедрены практические рекомендации по контролю популяции микроорганизмов в технологических средах бумажных фабрик, позволяющие предотвратить нежелательные изменения свойств макулатурной массы и изготовленного из нее тарного картона. Экономический эффект при внедрении данных рекомендаций на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» составил - 2928 тыс.руб./год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Овсянникова, Е.А. Механическая оптимизация процессов при минимальном расходе химических добавок - лучший способ повышения прочности тарного картона из макулатуры [Текст] / ЕЛ. Овсянникова, A.B. Сннчук, В.А. Спиридонов, Д.Н. Жирнов // Целлюлоза. Бумага. Картон.: - 2012. - № Ю-12. - С. 56-60.

2. Овсянникова, Е.А. Бактериальная активность в системе приготовления макулатурной массы для Б ДМ и её влияние на качество тарного картона [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, A.B. Синчук, A.B. Спиридонов // Целлюлоза. Бумага. Картон.: - 2013. -№ 10-12. - С. 7.

3. Овсянникова, Е.А. Влияния технологических факторов на свойства волокнистой массы из макулатуры и бумаги для гофрирования [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, Е.В. Новожилов, Е.А. Овсянникова, В.А. Спиридонов, A.B. Канарский // Вестник Казанского технологического университета - 2014. - № 7.- С. 183-187.

4. Овсянникова, Е.А. Влияние биоцидов на эффективность применения химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулышн, В.А. Спиридонов, A.B. Канарский // Вестник Казанского технологического университета - 2014. - № 8.- С. 210-216.

5. Овсянникова, Е.А. Микроорганизмы в производстве бумаги и картона [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов, A.B. Канарский // Вестник Казанского технологического университета -2014.-№9,-С. 205-209.

6. Овсянникова, Е.А. Перспективы применения дезинфицирующих веществ в производстве бумаги и картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, ДА. Дулькин, В.А. Спиридонов, A.B. Канарский//Вестник Казанского технологического университета - 2014. - № 9._ с. 196-200.

7. Овсянникова, Е.А. Пути снижения контаминации микроорганизмами технологических потоков в производстве бумаги и картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов, A.B. Канарский // Вестник Казанского технологического университета - 2014. - № 10.- С. 144-148.

8. Овсянникова, Е.А. Современные представления о нано размерных структурах в бумажном производстве [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дуль-кин, В.А. Спиридонов, СЛ. Андреева // Научные обоснования эффективных систем производства бумаги флютинга, тест-лайнера и гофрокартона. 12-я международная научно-техническая конференция, - М.: Изд-во МГУЛ, 2011. -С. 29-39.

9. Овсянникова, Е.А. Стабильность качества тарного картона начинается со склада макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, JI.A. Блинова, Л.В.Кузнецова, С. Л. Андреева // Научные обоснования эффективных систем производства бумаги флютинга, тест-лайнера и гофрокартона. 12-я международная научно-техническая конференция, - М.: Изд-во МГУЛ, 2011. - С. 76-86.

10. Овсянникова, Е.А. Исследование водопользования и химии короткой циркуляции БДМ в производстве тарного картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов, A.B. Синчук И Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов. 1-ая международная научно-техническая конференция, Северный (Арктический) федеральный университет, - Архангельск. - 2011. - С. 183- 187.

11. Овсянникова, Е.А. Динамика компонентного состава подсеточной воды без очистки её в первом контуре циркуляции [Текст] / Е.А. Овсянникова, О.И. Блинушова, Д.А. Дулькин, A.B. Синчук // Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары. 13-я международная научно-техническая конференция, - Караваево. - 2012. - С. 2331.

12. Овсянникова, Е.А. Научное обоснование способов очистки воды в первом контуре циркуляции производства тарного картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Л.В. Молчанова, Л.А. Блинова, В.А. Спиридонов // Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары. 13-я международная научно-техническая конференция, -Караваево. - 2012.-С. 16-22.

13. Овсянникова, Е.А. Влияние изменений бактериальной активности в системе водопользования на стабильность производства тарного картона из макулатуры (часть I) [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, A.B. Синчук, В.А. Спиридонов // Макулатура как основополагающее сырье в развитии производства бумажно-картонной гофрокартонной продукции. Новые технологии, оборудование, экология на производствах ЦБП. 14-я международная научно-техническая конференция, - Караваево. - 2013. - С. 6-14.

14. Овсянникова, Е.А. Изменение электрокинетических свойств массы бактериальной активностью в контуре короткой циркуляции БДМ (часть И) [Текст] / Е.А. Овсянникова, A.B. Синчук, Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов // Макулатура как основополагающее сырье в развитии производства бумажно-картонной и гофрокартонной продукции. Новые технологии, оборудование, экология на производствах ЦБП. 14-я международная научно-техническая конференция, - Караваево. - 2013. - С. 15-23.

15. Овсянникова, ЕА. Значимость механической стабилизации процессов при изготовлении тарного картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, A.B. Синчук, О.И. Блинушова, Д.Н. Жирнов // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов. II международная научно-техническая конференция, Северный (Арктический) федеральный университет; - Архангельск. - 2013. - С. 169-175.

16. Овсянникова, Е.А. Обоснование контроля микробиологческой активности в производстве тарного картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А.Дулькин, В.А. Спиридонов, Д.Н. Жирнов, И.В. Лавров // Использование и разработка инновационных экологически безопасных технологий переработки макулатуры гцм производстве всего спектра бумажно-картонной продукции. 15-я международная научно-техническая конференция, - Караваево. - 2014. - С. 39-49.

17. Овсянникова, ЕЛ. О микробиологической деструкции крахмала в технологических средах бумажной фабрики [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А.Дулькин, Е.В. Новожилов, Е.В. Смирнов, И.В. Тышкунова // Биотехнологии в химико-лесном комплексе. Международная научная конференция, - Архангельск. - 2014. - С. 243-247.

18. Овсянникова, Е_А. Влияние биодеградации микроорганизмами макулатурной массы на качество тарного картона из макулатуры [Текст] / Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин // Биотехнологии в химико-лесном комплексе. Международная научная конференция, - Архангельск. - 2014. - С. 239-242.

Принятые условные обозначения

Б ДМ - бумагоделательная машина;

ХВВ - химические вспомогательные вещества;

ОМЧ - общее микробное число, КОЕ/мл;

КМАФАнМ - количество мезофильных аэробных и факультативно-

анаэробных микроорганизмов, КОЕ/г;

SCT - сопротивление сжатию на коротком участке образца, кН/м;

RCT - разрушающее усилие при сжатии кольца, Н;

П - сопротивление продавливанию, кПа;

t - температура, °С.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, САФУ, диссертационный совет Д 212 008 02.

Подписано в печать 17.12.2014г. Формат 70x84/16

Печать офсетная. Заказ №1372. Отпечатано в типографии ООО «Принт-Хаус» 603095, Россия, г.Н.Новгород, ул Интернациональная, 100Б. Тираж ЮОэкз.