Химия и химические технологии /8. Кинетика и катализ

К.х.н. Логинова И.В., к.х.н Харина М.В.,

Альтапова М.М., Вазетдинова А.А.

Казанский научно-исследовательский технологический университет, Россия

Математическое моделирование автогидролиза стержней кукурузных початков

Среди существующих технологий гидролиза растительной биомассы автогидролиз является наиболее мягким, экономичным и экологически чистым процессом. В отсутствие минеральной кислоты при гидротермической обработке растительного сырья может происходить бескислотный гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов до олиго - и моносхаридов, а также распад образующихся моносахаридов. Катализатором этого процесса являются органические кислоты, которые образуются из ацетильных и метоксильных групп, содержащихся в составе гемицеллюлоз и пектиновых веществ.

Исследование кинетики высокотемпературного (> 200^оС) автогидролиза растительного сырья представляет практический интерес, так как является одним из эффективных способов делигнификации растительного сырья, при этом конверсия отходов растительного сырья составляет 40% от сухого вещества биомассы [1].

В данной работе была проведено исследование процесса автогидролиза кукурузной кочерыжки при температурах 200^о С и 210^о С, гидромодуле 1:3,5. Получены экспериментальные кинетические зависимости выхода редуцирующих веществ и рН полученных пентозных гидролизатов. С увеличением степени полноты реакции кислотность среды сначала резко возрастала, затем уменьшалась.

Для изучения конверсии легкогидролизуемых полисахаридов в моносахариды было проведено математическое моделирование кинетики автогидролиза. Данный процесс описывается теми же уравнениями, что и гидролиз минеральными кислотами, но с учётом концентраций органических кислот.

В данной работе предложен следующий упрощенный механизм выхода редуцирующих веществ в процессе автогидролиза с учетом генерации ионов гидроксония из воды и уксусной кислоты (схема А):

Здесь P, RV, R – полисахариды, редуцирующие вещества и продукты деструкции моносахаридов соответственно; k₁ – константа скорости гидролиза; k₂ – константа скорости деструкции редуцирующих веществ.

Задача идентификации констант скоростей k₁ и k₂ решалась путем минимизации квадратичного функционала [2]:

Ниже представлены полученные кинетических параметров высокотемпературного автогидролиза кукурузной кочерыжки:

,

Для сравнения расчеты были проведены по модели Саймана (схема Б) [3]:

Расчетные зависимости выхода RV в процессе автогидролиза по предложенной схеме А лучше согласуются с экспериментальными данными (R² ≥ 0,94), чем зависимости с использованием схемы Б (R² = 0,86).

Кинетические зависимости выхода редуцирующих веществ, полученные с использованием механизма А, приведены на рисунке 1.

Рис.1 - Выход РВ: точки – эксперимент; линии- расчет с использованием схем А и Б

Исследовано влияние температуры процесса на выход простых сахаров с использованием предложенной кинетической модели А. Полученные данные позволят выбрать оптимальные режимы проведения процесса, спрогнозировать параметры гидролиза, способствующие более высокому выходу и качеству целевого продукта.

Литература:

1. В.И.Сушкова, Л.В.Устюжанинова, О.В. Березина, С.В. Яроцкий. Методы полготовки растительно сырья к биоконверсии в кормовые продукты и биоэтанол. –Химия растительного сырья, 2016. №1. С. 93-119.

2. Аблаев А.Р. Математическое моделирование выхода моносахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы / А.Р. Аблаев, Л.И. Клещевников, И.В. Логинова, М.В. Харина, В.М. Емельянов // Материалы международной научной конференции: «Рациональное использование природных биологических ресурсов», Рим, (12-19 апреля 2014 г.) часть 1. М.: «Академия естествознания». 2014. С. 210-211.

3. Saeman J. F. Kinetics of wood saccharification. Hydrolysis of cellulose and decomposition of sugars in dilute acid at high temperatures / Saeman J. F. // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1945. – V. 37. – p. 43–52.