Клещевников Л

Клещевников Л.И., Аблаев А.Р., Логинова И.В., Харина М.В., Емельянов В.М.

ФГБОУ «Казанский национальный исследовательский технологический университет», Россия

Имитационное моделирование температурных режимов предобработки растительного сырья

Разработка технологии комплексной переработки отходов сельского хозяйства с получением моносахаридов позволит не только снизить себестоимость сахара, улучшить экологическую ситуацию на сахарных заводах, но и получить ценные продукты для химической промышленности и биотехнологических производств. Важную роль в проектировании и эксплуатации процесса переработки вторичных ресурсов сельскохозяйственного производства играет кинетическое моделирование режимов предобработки растительного сырья.

В последнее время установлено, что за счет предварительного гидролиза соломы злаковых культур разбавленными кислотами можно достичь высоких скоростей реакций [1] и значительно улучшить дальнейший ферментативный гидролиз целлюлозы, входящей в состав растительного сырья [2]. Однако условия предварительной обработки должны быть приспособлены к конкретным химическим и структурным свойствам различных источников биомассы. Основными факторами, влияющими на эффективность предобработки растительного сырья, являются тип биомассы и кислоты, концентрация кислоты, продолжительность и температура реакции, тип реактора.

С целью повышения выхода ценных продуктов гидролиза, необходимых для биотехнологии и химической промышленности, было исследовано влияние температуры проведения процесса на выход простых сахаров в гидролизатах пшеничной соломы. Разработка математической модели предварительной обработки пшеничной соломы разбавленной сернистой кислотой позволит создать более глубокую практическую базу для работ технологического направления с целью рационального использования недревесного растительного сырья. Она также открывает возможности прогнозирования процессов, протекающих при более высоких температурах, и выбора оптимальных режимов проведения предобработки [3].

Для процесса с высокой температурой характерно уменьшение времени пребывания частиц и увеличение максимальной концентрации моносахаридов. Это означает, что на практике должны быть применены максимально возможные температуры. Верхний предел температуры ограничен только практическими факторами такими, как давление в реакторе и возможность контролировать короткое время реакции. Конструктивные особенности применяемой в исследованиях установки для проведения высокотемпературного гидролиза растительного сырья не позволяют проводить гидролиз при температурах выше 200⁰С [4]. В связи с этим дальнейшее исследование процесса гидролиза при более высоких температурах выполнялось с помощью метода имитационного моделирования.

Математическая модель предобработки полисахаридов соломы описывает скорости изменения концентраций веществ и представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений:

, ,

Здесь w_j(j=1,2,3) – скорость соответствующей стадии процесса гидролиза:

w₁ = - k₁·[Pn]

w₂ = k₁·[Pn] - k₂·[Dn]

w₃ = k₂·[Dn] - k₃·[C]

где k₁– константа скорости гидролиза соответствующего полисахарида Pn; k₂– константа скорости гидролиза промежуточных продуктов Dn (декстринов, олигосахаридов); k₃ –константа скорости деструкции соответствующего моносахарида C (ксилозы, глюкозы, арабинозы).

Константу скорости гидролиза следует понимать как некоторую усредненную по времени эффективную константу, характеризующую многоступенчатый гидролиз большого количества полисахаридов, входящих в состав растительного сырья.

Идентификация параметров кинетики выхода ксилозы, глюкозы и арабинозы была проведена по экспериментальным данным предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой 0,59% масс и 1,18 % масс в диапазоне температур 150-200⁰С [5].

На основе полученных данных смоделированы прогнозные значения констант скоростей реакций процесса гидролиза и концентраций индивидуальных моносахаридов в гидролизатах соломы для диапазона температур 210⁰С- 230⁰С. Полученные результаты не являются вполне точными, так как обычно ошибка в оценке энергии активации не может быть меньше 15-20 % из-за сложности установления изотермического режима при проведении реакции и недостаточной точности измерения и регулирования температуры в реакционном пространстве.

Анализ полученных данных показывает, что температура процесса и концентрация кислотного катализатора оказывают существенное влияние на скорость гидролиза полисахаридов различной природы (рис. 1).

Согласно расчетным данным оптимальные условия протекания процесса предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой будут наблюдаться при температуре 230⁰С и меньшей концентрации катализатора – 0,59 % масс. Расчетное время максимального выхода глюкозы, ксилозы и арабинозы при 230ºС составляет 5, 2 и 1,5 мин соответственно.

Рисунок 1 - Прогнозные зависимости выхода моносахаридов: а) ксилоза С_Н₂_SO₃=0,59 % масс; b) ксилозa С_Н₂_SO₃=1,18 % масс; c) арабинозы С_Н₂_SO₃=0,59 % масс; d) арабинозы С_Н₂_SO₃=1,18 % масс; e) глюкоза С_Н₂_SO₃=0,59 % масс; f) общее содержание моносахаридов С_Н₂_SO₃=0,59 % масс

Литература

1. Recent progress in bioconversion of lignocellulosics / T. Scheper; G. T. Tsao [et al.]. - Berlin: Springer, 1999. – 280 p.

2. Харина М. В. Выбор оптимальных условий предварительной обработки и ферментативного гидролиза свекловичного жома // М. В. Харина, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. - №19. - С. 209 – 211.

3. Téllez-Luis S.J.Mathematical modelling of hemicellulosic sugar production from sorghum straw / S.J.Téllez-Luis, J.A.Ramírez, M.Vázquez // Journal of Food Engineering. – 2002. - №3. – p. 285–291.

4. Нуртдинов Р.М., Мухачев С.Г., Валеева Р.Т., Емельянов В.М. Высокотемпературный гидролиз растительного сырья / Р.М.Нуртдинов, С.Г.Мухачев, Р.Т.Валеева, В.М.Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – №10. – С. 204–208.

5. Харина М. В. Математическое моделирование выхода моносахаридов в процессе высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы сернистой кислотой / М. В. Харина, И. В. Логинова, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. - №18. - С. 199–202.