Установка для предварительной обработки целлюлозосодержащего растительного сырья

Изобретение относится к устройствам для предгидролизной обработки растительных целлюлозосодержащих отходов. Устройство включает последовательно установленные бункер для сырья, емкость для замачивания опилок в водном растворе щелочи и устройство для последующего размола. Емкость для замачивания опилок снабжена модулем, обеспечивающим интенсификацию процесса за счет модулированного качающейся частотой ультразвукового воздействия. Обеспечивается снижение затрат энергии на размол единицы массы опилок и повышение выхода сахаров в результате последующего гидролиза этих опилок комплексом гидролитических ферментов. 2 ил.

 

Устройство предназначено для применения в биотехнологии, а именно для предобработки растительных целлюлозосодержащих отходов и растительного сырья, в частности древесных опилок, с целью их дальнейшего ферментативного гидролиза, получения сахаров и далее кормовых добавок [1], продуктов микробиологического биосинтеза, например белков, органических растворителей [2] и других, выделяемых культивируемыми микроорганизмами веществ, используемых в сельском хозяйстве, в пищевой и парфюмерной промышленности, при синтезе органических растворителей, биогорючего.

Известен способ предподготовки целлюлозосодержащего сырья к ферментативному гидролизу [3], предусматривающий использование устройства, обеспечивающего грубый помол растительного сырья и последующий тонкий помол [4], однако реализация стадии мелкого помола требует больших расходов энергии, что снижает рентабельность процесса.

Известен способ гидролиза растительного волокнистого материала комплексом ферментов с использованием кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии для получения и выделения сахаров, однако устройство, используемое для предварительной подготовки сырья указанными авторами, не раскрывается [5].

Известно также устройство, обеспечивающее реализацию способа получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, предусматривающего предварительное измельчение сырья до фракции с размером частиц 0,1-1,6 мм, обработку сырья раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты, при температуре 110-120°C и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов. Затем проводят гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часов [6]. Ценность указанного способа и устройства для его реализации снижается в связи с применением агрессивных, по отношению к технологическому оборудованию, сред.

Известен также способ частичного гидролиза растительной массы, предварительно увлажненной и измельченной в воде и далее диспергированной в воде с различными кислотными свойствами (анолит и католит) [7]. Предварительное увлажнение не обеспечивает глубокого последующего гидролиза, а использование не стандартизованных до настоящего времени анолита и католита делает конечный результат применения способа мало предсказуемым.

Практически все известные технологии включают в процесс подготовки древесного сырья его обязательное измельчение [7, 8].

Способ, раскрытый в JP 63137693, включает предварительное измельчение грубо размолотого древесного сырья в измельчителе барабанного типа под давлением более 50 кг/мм с получением измельченных пластинок сырья, которые затем подают в дезинтегратор и размалывают до конечного размера. Соответственно, устройство для реализации данного известного способа включает узел подачи сырья, узел предварительного измельчения и дезинтегратор [9].

Однако ни в одном из указанных источников не уделяется должного внимания энергоемкости и качеству измельчения древесины при ее размоле, в частности механоактивации, от которой в основном и зависит эффективность ферментативного гидролиза древесины (выход сахаров). При этом степень механоактивации может быть легко оценена известным способом [10].

Известен способ подготовки древесного сырья для получения сахаров, установка для его осуществления и продукт, согласно которому сначала осуществляют грубый размол древесного сырья, затем экстрагируют из него смолистые вещества, после чего проводят тонкий размол полученного продукта и его механоактивацию. Установка включает: «аппарат для грубого размола древесного сырья, аппарат для экстракции смолистых веществ и аппарат для тонкого размола и механоактивации, установленные последовательно» [11]. Описание установки для реализации упомянутого способа использовано в качестве прототипа заявленного изобретения (полезной модели).

Имеются сведения о возможности интенсификации процесса ферментативного гидролиза ультразвуком [12], однако специальные исследования [13] не подтвердили эффект ускорения ферментативного гидролиза.

Известно, что ультразвук способен ускорять процесс пропитки пористых веществ жидкостями [14], а следовательно, сократить длительность процесса предподготовки древесного сырья с использованием растворов, например щелочей.

Известно, что эффективность ультразвукового воздействия на технологические процессы зависит от кавитационной активности, на которую влияют множество параметров как ультразвукового воздействия, так и обрабатываемой среды. В частности, активность кавитационной обработки повышается с увеличением числа газовых пузырьков с резонансными размерами. Достичь желаемого результата можно увеличением мощности воздействия, а также варьированием частоты, что для больших мощностей практически невозможно по техническим причинам [14, 16]. Однако для повышения активности кавитации можно использовать ультразвуковой излучатель, питаемый генератором основной несущей частоты ультразвука, модулированной сигналом качающейся частоты. Модуляция основной несущей ультразвуковой частоты более низкочастотными колебаниями, постоянно меняющимися во времени за счет генератора качающейся частоты, приводит к тому, что за каждый период качания частоты практически все пузырьки, независимо от их размеров, находят свою резонансную частоту и обеспечивают повышение активности нестабильной ультразвуковой кавитации в жидкой среде.

Технической задачей настоящего изобретения является подготовка древесного сырья для дальнейшей ферментативной трансформации.

Предлагаемое устройство, включающее аппарат для комбинированной обработки опилок древесины слабым (1-3%) раствором щелочи и низкочастотным (22-44кГц) ультразвуком (с плотностью мощности в среде 0,5-3,0 Вт/см³), с возможной дополнительной активацией процесса модуляцией несущей ультразвуковой частоты сигналом качающейся частоты, позволяет упростить и повысить эффективность подготовки древесного сырья к дальнейшей биотрансформации (ферментативному гидролизу), исключить стадию экстракции смол, так как омыленная щелочью в ультразвуковом поле смола не оказывает заметного отрицательного действия на последующие процессы ферментолиза и биосинтеза, снизить энергозатраты на измельчение и механоактивацию древесных опилок, поскольку продукты омыления смолы обеспечивают снижение трения при последующем измельчении опилок, улучшить экологические условия производства по сравнению с используемыми в настоящее время способами, включающими применение агрессивных химических соединений в высоких концентрациях.

Установка (Рис. 1), описанная в заявке, взятая за прототип, изображена на чертеже и содержит «последовательно установленные бункеры 1 и 2 с сырьем (разного качества), аппарат для грубого размола древесного сырья 3, аппарат для экстракции смолистых веществ 4, аппарат для тонкого размола и механоактивации 5 [11]».

Предлагаемая установка (Рис. 2) содержит установленные в непосредственной близости друг от друга, связанные транспортирующими устройствами:

- бункер 1 с сырьем (опилками древесины), откуда сырье транспортируется любым из известных способов, например ленточным транспортером, в аппарат 2,

- аппарат 2, представляющий собой пластмассовую или металлическую емкость, предназначенную для комбинированной обработки опилок древесины слабым раствором щелочи в поле ультразвука, приводящей к омылению смолистых веществ, при этом для воздействия ультразвуком в емкость аппарата 2 вмонтированы один или несколько излучателей ультразвука, после чего обработанное указанным способом древесное сырье поступает шнековым дозатором в аппарат 3;

- аппарат 3, представляющий собой конусную мельницу известной конструкции [15], предназначенную для тонкого размола и механоактивации частиц древесины.

Использование ультразвука в процессе щелочной обработки позволяет существенно (на порядок) сократить время предподготовки, исключить стадию экстракции смол, а также способствует сокращению энергетических затрат на измельчение и механоактивацию древесины, обусловленному снижением трения в измельчаемом сырье за счет появления в нем продуктов омыления смолистых веществ при щелочной обработке древесного сырья.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для использования в биотехнологии, в частности для предобработки растительного сырья перед ферментативным гидролизом с целью получения сахаров и далее высокобелковых кормовых добавок [1], продуктов микробиологического биосинтеза, например белков, органических растворителей [2] и других, выделяемых культивируемыми микроорганизмами веществ, обладает заявленными свойствами.

Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.

Пример 1. Древесные опилки, из бункера с сырьем 1, поступают по транспортеру в аппарат 2 - емкость со встроенным излучателем ультразвука, где подвергаются в течение ~24 часов только обработке 1,5%-ным раствором NaOH щелочи, после чего обработанные опилки из аппарата 2 подаются шнековым транспортером, связывающим этот аппарат с аппаратом 3, поступают в него на последующий размол на конусной мельнице до частиц размером ≤100 мкм. В результате комбинированной предобработки вдвое и более снижаются затраты энергии на размол единицы массы опилок, за счет снижения продуктами омыления смол трения между частицами древесины и мелющими телами, и на 10-15% повышается выход сахаров в результате последующего гидролиза этих опилок комплексом гидролитических ферментов.

Пример 2. Древесные опилки, из бункера с сырьем 1, поступают по транспортеру в аппарат 2 - емкость со встроенным излучателем ультразвука, где подвергаются в течение ~2 часов комбинированной обработке 1,5%-ным раствором NaOH щелочи в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц и плотностью мощности 1 Вт/см, после чего обработанные опилки из аппарата 2 подаются шнековым транспортером, связывающим этот аппарат с аппаратом 3, поступают в него на последующий размол на конусной мельнице до частиц размером ≤100 мкм. В результате комбинированной предобработки вдвое и более снижаются затраты энергии на размол единицы массы опилок за счет снижения продуктами омыления смол трения между частицами древесины и мелющими телами, и на 10-15% (до 40% и более, от массы исходного сырья) повышается выход сахаров в результате последующего гидролиза этих опилок комплексом гидролитических ферментов.

Пример 3. Древесные опилки, из бункера с сырьем 1, поступают по транспортеру в аппарат 2 - емкость со встроенным излучателем ультразвука, где подвергаются в течение ~1,5 часов комбинированной обработке 1,5%-ным раствором NaOH щелочи в ультразвуковом поле с частотой 22 кГц, модулированной качающейся частотой с диапазоном качания 1÷10 кГц, периодом качания 0,1 с и средней плотностью мощности 1 Вт/см³, после чего обработанные опилки из аппарата 2 подаются шнековым транспортером, связывающим этот аппарат с аппаратом 3, поступают в него на последующий размол на конусной мельнице до частиц размером ≤100 мкм. В результате комбинированной предобработки вдвое и более снижаются затраты энергии на размол единицы массы опилок за счет снижения трения между частицами древесины и мелющими телами продуктами омыления смол, и на 10-15% (до 40% и более, от массы исходного сырья) повышается выход сахаров в результате последующего гидролиза этих опилок комплексом гидролитических ферментов.

Из приведенных примеров следует очевидный для специалиста вывод, что ультразвук позволяет на порядок ускорить, а применение модулированного качающейся частотой ультразвука позволяет дополнительно ускорить процесс предгидролизной обработки древесного сырья, но требует введения в устройство дополнительных элементов, в частности генератора качающейся частоты.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение заявленного результата.

В результате проведенного анализа уровня техники предобработки растительного, в том числе, древесного сырья, аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку подобрана совокупность акустических, гидродинамических и биофизических факторов, обладающая синергетическим эффектом, обеспечивающим эффективную предобработку древесного сырья разбавленными растворами щелочи и снижение энергетических затрат на дальнейшую механоактивацию при измельчении. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его осуществления на практике с использованием современных технических средств. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники литературы

1. Сушкова В.И., Воробьева Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. Киров «», 2007, 204 с.

2. Давидов Е.Р., Каныгин П.С, Фракин О.Α., Черемнов И.В. Способ получения органических растворителей, установка для его осуществления, продукт, полученный описанным способом. Патент РФ 2405826, 2008 г.

3. Афонин А.В., Касицин Е.М., Молчан В.М., Никулин А.Е, Пашинин А.Е. Ферментативный гидролиз древесины в ультразвуковом поле. «Сессия научного совета по акустике РАН и XXV сессия Российского акустического общества». Таганрог, 17-20 сентября 2012 г. с. 84-86.

4. Такесима Синити, Кикути Такеси. Способ гидролиза растительного волокнистого материала для получения и выделения сахарида, включающего глюкозу. Патент РФ №2461633, 2009.

5. Данилов В.Г., Яценкова О.В., Ибрагимова Ε.Ф., Кузнецов Б.Н. Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов. Патент РФ 2346055, 2007.

6. Вольф В.В., Панов А.Н., Галинуров Н.Е. Способ получения кормовой добавки из грубого растительного сырья. Патент РФ №2091039, 1997.

7. Ломовский О.И., Болдырев В.В. Механохимия в решении экологических проблем. - Новосибирск СО РАН, 2006. - 221 с.

8. Кислицын А.Н., Мальчиков Е.Л. Способ выделения дигидрокверцитина из древесины листенницы и установка для его осуществления. Патент №2346941, 2007 г.

9. Tokyo shibabura electric JP 20030194671 20030709 (Способ производства моносахаридов и/или олигосахаридов и способ отделения древесного компонента), 2005.

10. Акопян В.Б., Ступин А.Ю., Пашинин А.Е., Зоров И.Н., Синицын А.П. Устройство для оценки степени трибоактивации измельченных материалов. Патент РФ №2468354, 2012.

11. Давидов Е.Р., Каныгин П.С, Фракин О.Α., Черемнов И.В. Способ подготовки древесного сырья для получения сахаров, установка для его осуществления. Патент РФ №2405832,2008. (WO 2010077172 А1)

12. Голязимова О. В. Механическая активация ферментативного гидролиза целлюлозы и лигноцеллюлозных материалов. Автореферат кандидатской диссертации, 2010 г.

13. Пашинин А.Е., Касицын Е.М., Никулин А.Е., Диесперов В.Н., Акопян В.Б. Измельчение и активация древесных опилок в процессе получения сахаров. Тезисы трудов VII Московского международного конгресса «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 19-22 марта 2013 г., МОСКВА, с. 320-321.

14. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами, Москва, Из-во РГТУ им Баумана, 2006, 223 С.

15. Material Science for High Technologies. MASHTEC′90 Pt. 1: Proc. of the Intern. Symp. Dresden, GDR, Apr. 24-27, 1990. - S.1.: Trans. Techn. Publ., 1990. 406 p.

Устройство для предгидролизной обработки целлюлозосодержащего растительного сырья, включающее последовательно соединенные бункер для сырья, последующую емкость для замачивания опилок в водном растворе щелочи и устройство для последующего размола, отличающееся тем, что емкость для замачивания опилок снабжена модулем, обеспечивающим интенсификацию процесса за счет модулированного качающейся частотой ультразвукового воздействия.