биомассы осуществляли в ферментере в течение 24 ч., после этого культуральную жидкость перемешивали на магнитной мешалке с измельченным носителем в течение 1 ч.
Таблица 2 Результаты исследования эффективности иммобилизации бактерий ВГТУ-02
на растительные материалы
Носитель |
Ки, % |
|
|
1 час перемешивания |
2 часа перемешивания |
Лузга подсолнечника |
81,73 |
92,13 |
Пшеничные отруби |
98,2 |
91,3 |
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что эффективность иммобилизации ВГТУ-02 на подсолнечную лузгу сохранилась практически на том же уровне (83,17 %), а процент прикрепления клеток на пшеничные отруби снизился до 65,9 %. Таким образом, иммобилизация штамма ВГТУ-02 на подсолнечную лузгу имеет более стабильные результаты, что вероятно объясняется более богатым химическим составом данного материала.
В результате проведенных исследований определены оптимальные условия лабораторного культивирования штамма ВГТУ-02: температурный оптимум и состав питательной среды для накопления биомассы. Установлено, что штамм ВГТУ-02 успешно утилизируетнефть и машинное масло (1 % об.). Исследована возможность иммобилизации бактерий на носители, представляющие собой отходы растениеводства, и определено, что наиболее успешно происходит иммобилизация на подсолнечную лузгу, эффективность адгезии клеток составляет 81-83 %.
Литература
1.Беленькова Т.В. Оптимизация условий культивирования липолитически активных штаммов - основы биопрепарата для очистки жиросодержащих сточных вод [Электронный ресурс] / Т.В. Беленькова, В.С. Шевцова, О.В. Колотова // Научные труды Кубанского гос. технол. ун-та (Научные труды КубГТУ): электрон. сетевой политематический журнал. - 2017. - № 7 [по матер. I междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность и ресурсосбережение в техносфере» (г. Краснодар, 6-7 апреля 2017 г.)]. - С. 124-133. - Режим доступа: http://ntk.kubstu.ru/file/1779.
2.Колотова О.В. Выделение и изучение липидоокисляющих микроорганизмов - обитателей Северного Каспия [Текст] / О.В. Колотова, И.В. Соколова, И.В. Владимцева, Т.В. Беленькова, В.С. Шевцова // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: Изд-во «Казанский национальный исследовательский технологический университет», 2017. - Т. 20. - № 6. - С. 135-138.
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
T.V. Belen’kova, O.V. Kolotova, Е.A. Karasev, K.Е. Zaikina
DETERMINE OF CULTIVATING AND IMMOBILLIZING CONDITIONS FOR BACTERIAL STRAIN USING AS BIOSORBENT BASE FOR PURIFICATION OF WATER OVERFLOWS FROM OIL AND OIL PRODUCTS
Experimentally defined the laboratory cultivation conditions of bacterial strain perspective as the base of biopreperations for oil and oil products water purification such as: temperature optimum for maximum growth rate and biomass accumulation, needs in carbon and nitrogen sources and microelements. The optimum growth medium composition has been chosen. Researched the ability for diesel fuel and waste oil recycling. The carrier for the microbial immobilization was identified
Key words: wastewater, bacterial strains, biopreparations, fat pollutions, power supplies, immobilization, crop residues
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Volgogradskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet»
156
УДК 504.064.45
Ю.Н. Картушина, Г.А. Севрюкова, В.Ф. Желтобрюхов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ РАСТЕНИЕВОДСТВА В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
Рассмотрены научные и технологические предпосылки рационального использования вторичных сырьевых ресурсов растениеводства, на примере отходов соломы зерновых культур. Определены современные тенденции их использования. Выявлено наиболее оптимальное направление - извлечение ценных природных компонентов - целлюлоза и лигнин
Ключевые слова: лигнин, отходы растениеводства, вторичные ресурсы
Волгоградская область относиться к наиболее развитым индустриальным регионам Российской Федерации. Одной из базовых отраслей еѐ экономики, активно развивающейся и вносящей существенный вклад в социально-экономическое развитие области, является агропромышленный комплекс. Его основу составляет сельское хозяйство, в частности выращивание зерновых культур (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза). Но, при явном положительном экономическом эффекте, возделывание зерновых служит источником образования значительного количества растительных отходов - соломы, утилизируемой затем экономически и экологически не выгодными методами. Например, на 2017 год аграриями Волгоградского региона намолочено более 5,2 млн. тонн зерна, при этом количество образовавшейся в результате соломы составило около 4,16 млн. тонн [1].
С точки зрения опасности для окружающей среды солома относиться к 5 классу опасности (согласно Федеральному классификационному каталогу отходов), то есть является практически неопасным отходом. При этом большая еѐ часть размещается на специализированных полигонах, что требует дополнительных финансовых затрат и приводит к увеличению себестоимости зерна. Кроме того, объемы образования и свойства данного отхода (летучесть, пожароопасность) обусловливают необходимость разработки новых, более рациональных и экономически выгодных способов переработки.
Солому зерновых культур относят к классу возобновляемых источников биосырья. В Волгоградской области она в основном используется в качестве корма и подстилки для скота, как изоляционный материал в садоводстве. Не используемая солома уничтожается непосредственно на полях путѐм сжигания или запахивания в почву.
Сжигание относится к одному из самых экологически вредных способов утилизации. Помимо уничтожения ценного органического вещества, выжигания верхнего слоя гумуса происходит частичная «стерилизация» почвы, уничтожение полезных насекомых.
Захоронение соломы в почвенный слой увеличивает содержание в нем гумуса. Однако при этом происходит потребление свободного почвенного азота целлюлозо-разрушающими микроорганизмами, что чревато проблемами с азотным питанием последующей культуры.
В мире известно много различных способов переработки и использования соломы. Например, в Швеции функционирует котельная на соломе. Энергии от еѐ сжигания хватает для обеспечения теплом зерносушилки и отопления более 3 тыс. кв. метров производственных и жилых помещений. Котел устроен таким образом, что в него автоматически подается высушенная рубленая солома, состоящая на 70 % из пшеничных и на 30 % из рапсовых остатков. За сутки котел потребляет около 500 килограмм соломенного топлива [2].
Недостатком данного метода является дороговизна оборудования. Оно не запущено в серийное производство, поэтому необходимо заказывать специальный проект, что значительно увеличивает затраты. По оценкам владельцев котельной срок еѐ окупаемости - не менее 10 лет при условии постоянной штатной загрузки.
Известен способ переработки отходов растениеводства в топливные брикеты и пеллеты, в связи с тем, что солома обладает высокими энергетическими характеристиками. Теплотворная способность топливных брикетов из соломы составляет от 4000 до 5000 ккал/кг.
157
Данный метод широко используется целым рядом стран, таких как Дания, Швеция, Украина. В нашей стране производство и использование пеллет получило свое применение сравнительно недавно. В мире эта технология применяется с 1947 года.
Существенное достоинство такого топлива - его возобновляемость. Это качество есть
увсех природных ресурсов, в том числе и у газа, нефти, торфа. При этом срок возобновления
уотходов растительного сырья значительно меньше, огромные объемы соломы и ей подобных растительных остатков образуются каждую осень. Кроме того, выбросы от сжигания пеллет не влияют на создание «парникового эффекта» на Земле, что нельзя сказать про традиционные виды топлива.
При всех перечисленных достоинствах, данный метод обладает определенными недостатками: повышенной зольностью брикетов (из соломы - 5-6 %, из древесины - 0,2-1,0 %) и необходимостью установки специального оборудования для их сжигания, так как обычные котлы для газа или мазута здесь не подойдут.
ВСША и Бразилии распространен способ получения из соломы биоэтанола. В 2006 г. США опередили Бразилию, произведя 18,5 млн. т этого вида топлива из кукурузы и сорго. Благодаря этому штаты ежегодно экономят около 1,5 млрд. долл. на импорте нефти, несмотря на то, что стоимость этанола выше стоимости бензина. В России потенциальным сырьем для производства этанола является солома пшеницы, ржи и ячменя. Но при этом стоимость 1 литра спирта составляет более 50 рублей, что является экономически не выгодным.
Таким образом, перспективными являются методы переработки соломы, связанные с извлечением из нее ценных природных компонентов, таких как целлюлоза и лигнин. Например, пшеничная солома содержит 32 % целлюлозы, 18 % лигнина, 23 % пентозанов, 14 % гексозных гемицеллюлоз, 5,9 % растворимых в спирто-бензоле и 8,2 % золы [3]. Солома ржи имеет аналогичный состав: лигнина - 24,5 %, золы - 3,8 %, экстрагируемые вещества - 2,8 %, пентозаны - 31 %, целлюлозы - 32-38 % [4]. В связи с этим возникает необходимость поиска новых технологий извлечения из биомассы отходов растениеводства вышеуказанных соединений.
Целлюлоза является природным полимером, характеризуется большой механической прочностью и играет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Полученная из однотипного растительного сырья она обладает различными физикохимическими характеристиками. Специфические свойства позволяют использовать ее не только в целлюлозно-бумажной промышленности, но и в медицинской, фармацевтической отраслях. В Российской Федерации применяются сульфатный, сульфитный, нейтральносульфитный способы производства целлюлозы, при этом возникает угроза загрязнения окружающей среды щелоками, образующимися в процессе варки. Целлюлоза применяется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и других веществ.
Лигнин - сложный (сетчатый) природный ароматический полимер, который входит в состав наземных растений. Он обеспечивает герметичность клеточных стенок (для воды и питательных веществ) и благодаря содержащимся в нем красителям определяет цвет одревесневевшей ткани. Данное вещество нетоксично, обладает хорошей сорбционной способностью, используется во многих областях производства. Именно поэтому наибольший интерес представляет извлечение лигнина. В соломе зерновых культур его содержание составляет 1825 % от общей массы, выход зависит от способа получения и вида растительного сырья. Ежегодно в мире получается около 70 млн. тонн технических лигнинов. Условно считается, что лигнин является ценным источником химического сырья, но оно не всегда доступно с экономической и технической точки зрения. В настоящее время отсутствуют исчерпывающие технические решения по утилизации технических лигнинов.
Лигнин, полученный из соломы зерновых культур, может быть использован в качестве энергоносителя в производстве топливных брикетов и топливного газа с выработкой элек-
158
троэнергии в газопоршневых газогенераторах, а также в качестве котельного топлива. Актуально использование лигнина при производстве углей, сорбентов для очистки
городских и промышленных стоков, нефтепродуктов, сорбентов тяжелых металлов, а также сорбентов медицинского и ветеринарного назначения.
Существуют разработки использования лигнина в сельском хозяйстве, для приготовления органических и органоминеральных удобрений, структурообразователей для естественных и искусственных почв. Данное вещество можно использовать и как гербицид при возделывании некоторых культур (бобовых) [4, 5]. На данный момент известны способы получения пищевого продукта (ванилина) из гидролизного лигнина. Способ заключается в окислении лигнина кислородом воздуха при повышенных температурах и давлении в воднощелочном растворе с последующей нейтрализацией и экстракцией ванилина бензолом [6].
Доказана возможность использования лигнина в качестве ингибитора коррозии малоуглеродистой стали в нейтральных водных средах. Опыт работы ряда кирпичных заводов позволяет считать лигнин эффективной выгорающей добавкой. Он хорошо смешивается с другими компонентами шихты, не ухудшает ее формовочных свойств и не затрудняет резку бруса. Его применение наиболее продуктивно при сравнительно небольшой карьерной влажности глины. Лигнин может быть использован как порообразующая добавка в производстве теплоизоляционных и легких конструкционных керамических изделий [7]. Также он может применяться вместо опилок в производстве аглопорита. При введении лигнина улучшаются гранулометрический состав шихты (она более интенсивно и равномерно спекается) и условия охлаждения аглопорита на агломерационной машине. Добавка лигнина, увеличивая газопроницаемость шихты, тем самым снижает разрежение в вакуум-камерах ленточной агломерационной машины на 200 - 400 Па. Доказана возможность применения лигнина в качестве заполнителя ксилолитовых плит и других изделий.
Гидролизный лигнин может быть использован в дорожном строительстве в качестве наполнителя асфальтовых бетонов и сырья для производства лигниновых вяжущих. Асфальтовый бетон, наполненный лигнином, по основным показателям не уступает бетону, наполненному известняковым порошком.
Практический интерес представляет использование лигнина вместо формальдегида при получении полимеров фенолоальдегидного типа. Поликонденсацию фенола с лигнином выполняют при нагревании в присутствии серной кислоты [7]. По основным свойствам фе- нол-лигниновые полимеры, изготавливаемые в виде жидких резольных и твердых новолачных смол, близки к фенолоформальдегидным смолам. Жидкие смолы используются в производстве древесностружечных плит, слоистых пластиков и фанеры. Также из феноллигниновых смол изготавливают литьевые формы. На основе твердых смол новолачного типа могут приготавливаться пресс - порошки для получения вентиляционных решеток, электроарматуры, плитки для облицовки стен и покрытия пола.
Впроизводстве цемента лигнин можно использовать как пластификатор сырьевого шлама и интенсификатор измельчения сырьевой смеси и цемента. Дозировка лигнина в этом случае составляет 0,2-0,3 %. Раствор лигниновых кислот, полученных путем нагревания лигнина в водном растворе едкого натра в автоклаве при температуре около 180 °С, используют для получения специальных резин, которые наполнены вместо газовой сажи дисперсным лигнином, выделенным из щелочного раствора при его подкислении. Такие резины отличаются повышенной прочностью на разрыв и на истирание.
Таким образом, использование лигнинов в качестве сырья для получения различных продуктов и товаров весьма перспективно. Особенно интересным представляется получение новых видов лигнина с ещѐ не изученными свойствами и потенциально обладающими возможностью широкого спектра применения.
Врезультате комплексной переработки биомассы соломы зерновых культур для получения из неѐ ценного продукта с уникальными свойствами - лигнина будет решен ряд экологических, экономических, ресурсных проблем:
159
-уменьшение объема растительных отходов, подлежащих захоронению на полигонах
исоответственно уменьшение площадей, отчуждаемых под данный вид сооружений;
-решается экологическая проблема загрязнения окружающей среды, которая возникает при сжигании данного вида отходов;
-расширение сырьевой базы, за счет переработки во вторичное сырье отходов сельскохозяйственной отрасли;
-получение продуктов (сорбентов, композиционных наполнителей) пользующихся повышенным спросом;
-достижение ряда экономических эффектов, появление новых статей дохода в бюджете сельскохозяйственных регионов.
Литература
1.Комитет сельского хозяйства Волгоградской области [Электронный ресурс]. - Ре-
жим доступа: URL: http://ksh.volgograd.ru/current-activity/cooperation/news/159209/
2.Репортаж: Не жечь - можно: шведские фермеры делятся опытом утилизации соло-
мы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bellona.ru/2013/12/12/reportazh-ne-zhech- mozhno-shvedskie-fer.
3.Лендьел П., Морваи Ш. Химия и технология целлюлозного производства / П. Лендьел, Ш. Морваи; перевод с нем. Ф.Б. Дубровинской: под ред. А.Ф. Тищенко. - М.: Изд-во «Лесная промышленность, 1978. - 544 с.
4.Писаненко Д.А. Химический состав различных фракций измельченных соломы и тростника / Д.А. Писаненко // Сб. тр. Укр. НИИ целлюлозной и бумажной промышленности (УкрНИИБ). - Киев: [б.и.], 1966. - Вып. 7. - С. 55–59.
5.Патент 2209196 Российская Федерация, МПК C05F011/00. Органоминеральное удобрение на основе гидролизного лигнина [Текст] / Б.К. Кузнецов, Н.М. Завальнюк; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Полифепан». -
2001131978/13; заявл. 26.11.2001 опублик. 27.07.2003.
6.Патент 2059599 Российская Федерация, МПК C07C47/58 Способ получения ванилина из лигнинсодержащего сырья [Текст] / В.Е. Тарабанько, Б.Н. Кузнецов; заявитель и патентообладатель: Институт химии природного органического сырья СО РАН. - 93026697/04;
заявл. 25.05.1993 опублик. 10.05.1996.
7.Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебносправочное пособие / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. - Ростов-на-Дону: Изд-во «Феникс», 2007.
-368 с.
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
Yu.N. Kartushina, G.A. Sevriukova, V.F. Zheltobryukhov
THE USE OF WASTE OF PLANT GROWING AS A SOURCE SECONDARY RAW
MATERIALS
Considers the scientific and technological preconditions for rational use of secondary raw material resources of plant growing, for example, waste straw of cereal crops. Determined by modern trends in their use. The most optimal direction is the extraction of valuable natural components – cellulose and lignin
Key words: lignin, waste of plant growing, secondary raw materials
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Volgograd State Technical University
160