Отходы гидролизных производств

Содержание

Введение 3
1 Общие сведения об отрасли 4
2 Основные процессы и продукты гидролиза 6
3 Отходы гидролизных производств 10
Заключение 15
Список использованной литературы 16

Введение

Гидролизная промышленность начала формироваться в регионе во второй половине 1940-х гг. Затем, в 1950-1970-х гг., она динамично развивалась, внося весомый вклад в социально-экономический рост страны. В начале 2000-х гг. в силу общеэкономических причин гидролизные предприятия прекратили свою производственную деятельность.
В настоящее время появляются предпосылки для возрождения отрасли, связанные с развитием современных нано- и биотехнологий, а также с общемировой тенденцией перехода на возобновляемые и экологически чистые источники энергии и сырья, альтернативные ископаемым ресурсам нефти и газа, запасы которых во всем мире неуклонно сокращаются.
Гидролиз и биотехнологическая переработка возобновляемого растительного сырья и органических отходов открывают возможность для промышленного производства биотоплива, кормовых и пищевых продуктов, биологически активных препаратов, синтетических смол, разнообразных продуктов и материалов нового поколения.
1 Общие сведения об отраслиГидролизная промышленность объединяет производства, основанные на химической и биотехнологической переработке растительного непищевого сырья (отходов лесопиления, деревообработки, сельского хозяйства) в этиловый спирт, кормовые дрожжи, глюкозу, ксилит, фурфурол, органические кислоты и другие ценные продукты.
Народнохозяйственное значение отрасли состоит в том, что при производстве ценных видов продукции в качестве сырья используются растительные отходы (возобновляемый и по сути неограниченный ресурс). Возможность использования доступного и практически бросового сырья существенно отличает гидролизную промышленность от других отраслей, где для производства подобной продукции (этилового спирта, белковых кормовых добавок и др.) требуется значительное количество ценных пищевых и кормовых продуктов (зерно, картофель, патока и др.) [1].
Современный гидролизный завод из 1 т сухого бросового древесного сырья может произвести 175 л этилового спирта и 35 кг белковых кормовых дрожжей, или 110 кг кормовых дрожжей и 80 кг фурфурола, или 220 кг кормовых дрожжей.
Гидролизный завод средней мощности, перерабатывая 150 тыс. м3 плотных древесных отходов, выпускает столько же этилового спирта и белковых кормовых добавок, сколько было бы произведено из 36 тыс. т зерна.
На территории России образуются значительные объемы отходов лесозаготовки и лесопереработки. Только в Иркутской области их суммарная величина оценивается в 1,5-2,0 млн м3. В настоящее время значительное количество древесины теряется на лесосеках, сжигается, уходит в отвалы при производстве пиломатериалов [1].
Расчеты показывают, что стоимость товарного продукта при гидролизной переработке древесных отходов в 2-3 раза превышает стоимость товарных пиломатериалов, произведенных из того же объема деловой древесины.
2 Основные процессы и продукты гидролизаГидролиз (от греч. hydro — вода и lysis — разложение) — обменная реакция между веществом и водой. Лежит в основе многих природных и технологических процессов. Например, при пищеварении благодаря ферментативному гидролизу высокомолекулярные вещества (белки, жиры, полисахариды и др.) расщепляются до низкомолекулярных соединений (соответственно аминокислот, жирных кислот, глюкозы и др.). Без гидролиза организм не усвоил бы многие пищевые продукты [2].Аналогичные процессы происходят при технологическом применении реакции гидролиза. Так, с помощью гидролиза из древесины получают этиловый спирт, кормовые и технические продукты. Гидролиз жиров лежит в основе производства мыла и глицерина. Ферментативный гидролиз востребован пищевой, текстильной и фармацевтической промышленностью.
На основе технологий гидролиза растительного сырья в 1930— 1970-х гг. в СССР была создана мощная гидролизная промышленность, объединяющая более 40 гидролизных и биохимических заводов. Сырьевой базой для гидролизных предприятий стали отходы деревообрабатывающей (щепа, опилки) и целлюлозно-бумажной (сульфитные щелока)промышленности, а также сельскохозяйственные отходы (меласса свекольная, подсолнечная лузга, кукурузная кочерыжка, солома и др.) [2].
Гидролизный спирт — это обычный этиловый спирт, или этанол (С2Н5ОН), произведенный на гидролизном заводе в результате дрожжевого брожения сахароподобных веществ, полученных путем гидролиза целлюлозы.
В промышленных масштабах гидролизный спирт получают из растительного сырья (отходов лесной промышленности и сельского хозяйства), которое предварительно гидролизуют. Технологическая схема производства гидролизного спирта состоит из четырех основных стадий.
Гидролиз. Обычно это высокотемпературный каталитический (сернокислый) гидролиз древесного сырья, в результате которого содержащиеся в целлюлозе полисахариды преобразуются в раствор-гидролизат, содержащий глюкозу:
(С6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6.
Нейтрализация. При гидролизе в качестве катализатора используется раствор серной (иногда соляной) кислоты. Чтобы перейти к следующей стадии, необходимо в полученном в результате гидролиза сахаросодержащем растворе нейтрализовать кислотную среду. В качестве нейтрализующих агентов используют аммиачную воду и известковое молоко [3].
Спиртовое брожение (биохимическая переработка). На данной стадии с помощью микроорганизмов сахаросодержащие вещества преобразуются в этиловый спирт с выделением углекислого газа:
С6Н12О6 - 2С2Н5ОН + 2СO2.
Дистилляция (ректификация). Полученный в результате брожения раствор (брага) содержит не более 15 % этанола (это порог его токсичности для дрожжевых бактерий). Дистилляция повышает концентрацию этанола до 96 % и позволяет довести продукт до готовности.
Кормовые дрожжи представляют собой сухую биомассу одноклеточных микроорганизмов (дрожжей), специально выращенных для использования в качестве кормовой добавки. Применяются в животноводстве, птицеводстве, звероводстве, рыбоводстве.
Производство кормовых дрожжей является микробиологической переработкой субстратов гидролизного производства и включает три основные стадии: подготовку субстратов, наращивание биомассы, сушку.
Подготовка субстратов гидролизного производства к биологической переработке. Данная стадия включает их охлаждение и отстой, добавку питательных веществ (растворов фосфоросодержащих солей, сульфата аммония, хлористого кальция и др.).
Наращивание биомассы дрожжей. Осуществляется в специальных емкостях при температуре около 35 °С с подачей питательной среды, перемешиванием биомассы и отводом углекислого газа.
Сушка. Полученный дрожжевой концентрат сгущают, обрабатывают при 90-100 °С (для инактивации живых дрожжевых клеток), сушат на распылительных или барабанных сушилках с последующей грануляцией (или упаковкой сухих порошкообразных дрожжей).
Фурфурол (от лат. furfur — отруби) — продукт гидролиза гемицеллюлозы (полисахаридов клеточных стенок растения). Представляет собой жидкость с запахом свежего ржаного хлеба, температура кипения которой — 161,7 °С и плотность — 1,16 г /см3. Легко растворяется в большинстве органических растворителей, но незначительно растворим в воде.
Фурфурол применяют при производстве синтетической резины и твердых смол, используемых для изготовления стекловолокна, некоторых деталей самолетов, автомобильных тормозов и др. Из фурфурола получают фуран, служащий сырьем для изготовления известного растворителя — тетрагидрофурана. Кроме того, фурфурол является исходным сырьем для получения антимикробных препаратов группы нитрофуранов, таких как фурацилин и подобные [4].Промышленное производство фурфурола было начато в США в середине 1920-х гг. В нашей стране фурфурол стали получать в 1930-х гг. на установках малой мощности. Масштабное производство фурфурола в СССР организовано в 1944-1946 гг. на гидролизных заводах.
Углекислота (диоксид углерода, углекислый газ, СО2) — еще один сопутствующий продукт гидролизного и биохимического производства. Основными производителями данного продукта являются спиртзаводы и пивзаводы. В процессе получения спирта образуется много углекислого газа (по весу примерно столько же, сколько производится этанола).
Углекислота в обычных условиях представляет собой бесцветный газ (тяжелее воздуха) с кисловатым запахом. В жидкое состояние переходит только при высоком давлении (65-70 атм) и в таком виде в баллонах транспортируется и хранится.
Себестоимость получения жидкой углекислоты на спиртзаводах в 2-З раза ниже себестоимости ее производства на углекислотных заводах. Это связано с тем, что для ее получения от продуктов брожения из оборудования достаточно лишь компрессора и фильтров.
Данный продукт находит применение в отраслях промышленности, научных исследованиях и медицине. Основной потребитель — пищевая промышленность, где углекислота широко используется при производстве различных безалкогольных и прохладительных напитков, а также в качестве консерванта, обозначаемого на упаковке кодом Е290.
Углекислый газ применяется также в качестве активной среды при некоторых сварочных работах. При высокой температуре он разлагается на угарный газ и кислород (который при взаимодействии с жидким металлом окисляет его). Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании. Твердая углекислота (сухой лед) находит применение в качестве хладагента в ледниках и морозильных установках. Жидкой углекислотой заправляются огнетушители [4].
3 Отходы гидролизных производствВыход основной и побочной товарной продукции из перерабатываемого сырья характеризует уровень совершенства технологии и в значительной степени определяет экономическую эффективность производства. Глубина использования сырья влияет также на экологическую чистоту производства. Чем ниже выход целевых продуктов, тем больше образуется твердых, жидких и газообразных отходов, загрязняющих окружающую среду.
В последние годы развитие гидролизных производств и стабильное функционирование ряда действующих предприятий лимитируется в первую очередь экологическими факторами, значение которых долгое время недооценивалось.
Для кардинального решения проблемы охраны окружающей среды необходимо применение экологически оптимальной технологии, включающей комплексную переработку исходного сырья, очистку и использование сточных вод и газовых выбросов.
Значительное загрязнение окружающей среды происходит в результате газовых выбросов (пылегазовых, парогазовых, газовоздушных). Высокая загрязненность газовых выбросов лимитирует работу ряда предприятий [5].Для гидролизных предприятий характерны постоянные и периодические выбросы, нагретые и холодные, по точкам сброса высокие и низкие, организованные (предусмотренные технологической схемой) и неорганизованные (вызванные негерметичностью оборудования и коммуникаций). В связи с несовершенством технологических процессов и оборудования в атмосферу поступает аэрозоль, содержащий воздух, неконденсирующиеся газы, пары воды и органических примесей, мелкодисперсные капли жидкости и твердые частицы (пыль) исходного сырья, лигнина, дрожжей, золы и др.
Значительное количество выбросов основного производства (80-90%) приходится на инвенторы, нейтрализаторы, сушилки. Точками выделения выбросов являются сцежи, ферментаторы, отстойники, сборники и другое оборудование.
Отрицательное влияние парогазовых выбросов на окружающую среду в первую очередь связано с наличием фурфурола. На санитарное состояние атмосферы также влияет выброс из ферментаторов с отработанным воздухом живых клеток продуцента (аспорогенных дрожжей) и продуктов белковой природы в отработанном воздухе после распылительных сушилок.Помимо выбросов основных производственных цехов существуют выбросы котельных. 
В настоящее время очистка отработанного воздуха должна проводиться на всех предприятиях дрожжевого профиля. Так, при технологии непрерывного культивирования дрожжей в процессе ферментации в ферментаторе происходит следующее: проходя вблизи аэратора, циркулирующая питательная среда дообогащается кислородом  воздуха. В результате циркуляции мелких пузырей увеличивается средняя продолжительность пребывания воздуха в ферментаторе и степень его использования. Крупные пузыри однократно проходят через ферментатор. Отработанный воздух проходит фильтр или скруббер Вентури для очистки от микробных клеток и сбрасывается в атмосферу. Таким образом, необходима герметизация ферментаторов на всех заводах и организация очистки отработанного воздуха. Также особое значение имеет вопрос конденсации фурфуролсодержащих паров, образующихся в инвенторах, сборниках и отстойниках [6].
Таким образом, широкое использование методов сухой и мокрой очистки выбросов с высокоэффективными пылегазоулавливающими установками является необходимым при создании малоотходной и безотходной технологии гидролизных производств.
Основным загрязняющим стоком гидролизно-дрожжевого производства является отработанная культуральная жидкость (ОКЖ) или так называемая последрожжевая бражка (ПДБ). Она составляет по объему 30-35 % от общего количества загрязнений. В расчете на 1 т. абс. сухого сырья в ОКЖ содержится 100-150 кг сухих веществ; их концентрация составляет 0,9-1,3% [6].
В связи с высоким содержанием примесей ОКЖ относится к высококонцентрированным стокам и требует глубокой очистки и утилизации.
Вакуум-выпарка ОКЖ позволяет получить конденсат вторичных паров, пригодный для использования в основном производстве вместо свежей воды, и последрожжевой остаток (ПДО) в виде жидкого концентрата либо в порошкообразном состоянии после сушки.
Промышленные предприятия имеют две системы водоснабжения: технической водой на производственные нужды и питьевой водой на хозяйственно-бытовые нужды. Производственные и хозяйственно-бытовые сточные воды отводятся по раздельным системам канализации и подвергаются очистке на различных или общих очистных сооружениях. При создании оборотных систем водоснабжения необходима раздельная очистка производственных и хозяйственно-бытовых стоков.
На предприятиях гидролизной промышленности основными сточными водами являются: ОКЖ дрожжевого и спиртодрожжевого производства; сточные воды прочих производственных и вспомогательных цехов; условно чистые (нормативно чистые) воды после теплообменной аппаратуры; ливневые общеплощадные и хозяйственно-бытовые стоки.
По своему функциональному назначению все методы очистки сточных вод делятся на внутрицеховую очистку стоков и внеплощадную очистку.Внутрицеховая локальная очистка применяется для частичного удаления некоторых видов загрязнений с целью последующего использования очищенных вод в системе оборотного водоснабжения или в замкнутых циклах водоиспользования по основному технологическому потоку, для снижения общего уровня загрязнения стоков, направляемых для более полной очистки на внеплощадные очистные сооружения промышленного предприятия, либо на городские очистные сооружения. При внутрицеховой очистке возможно использование механических, химических, биологических и электрохимических методов [7].
Внеплощадная очистка сточных вод используется для очистки общего стока. При механобиологической очистке сочетается механическая очистка стоков от взвешенных веществ и биологическая — от растворенных примесей.
Основные растворенные загрязнения удаляются при биологической (биохимической) очистке стоков. Этот метод основан на способности микроорганизмов ассимилировать органические и неорганические соединения сточных вод.
Для интенсификации процессов биологической очистки сточных вод испытываются методы целенаправленного подбора культур микроорганизмов, аэробная стабилизация культур, применение химических мутагенов и др.
Биологическую очистку сточных вод проводят в аэротентах или аэрофильтрах.
В гидролизной промышленности основным типом оборудования для биологической очистки сточных вод являются аэротенки-смесители, в которых очищаемая сточная вода и активный ил рассредоточено вводятся в аэротенк вдоль продольной стенки и так же выводится иловая смесь. На второй ступени биологической очистки, где концентрация загрязнений понижена, возможно применение аэротенков-вытеснителей,в которых поступающая вода не перемешивается с ранее поданной на очистку.Наиболее радикальным методом охраны водоемов от загрязнений является переход на технологические схемы с полностью или максимально замкнутыми схемами водоиспользования.
При создании безотходных технологических процессов большое значение имеет изыскание путей рационального использования избыточного активного ила очистных сооружений [7].
Отходы гидролизного производства крупнотонажны и включают: технологический гидролизный лигнин (ТГЛ), шламы, осадки сточных вод в первичных отстойниках, избыточный активный ил после биологической очистки сточных вод и производственные стоки. Особенно в больших количествах образуется ТГЛ, выход которого составляет 30-40 % массы перерабатываемого сырья, или 3,5 млн. т/год.
Таким образом, проблема утилизации лигнина — серьезная и многоаспектная задача гидролизного производства.
Заключение

Использование в гидролизном производстве сырья, содержащего повышенное количество легкогидролизуемых углеводов, позволяет увеличить концентрацию РВ в сусле и снизить затраты теплоэнергоресурсов.В тоже время данное сырьё содержит и больше растворимых примесей, что загрязняет технологические сточные воды и существенно увеличивает количество осадков на очистных сооружениях. При использовании легкогидролизуемого сырья в гидролизном производстве ещё острее встаёт проблема утилизации отходов, внедрения новых безотходных технологий с использованием жидких отходов производства спирта. В производстве гидролизного этилового спирта с использованием в качестве сырья древесины хвойных пород общая загрязнённость технологических сточных вод составляет 6,6 кг/дал спирта-ректификата. Выход спирта с 1 т а.с. древесины составляет 150 л. Загрязнённость СВ составляет 99 кг на 1 т а.с. древесины. Общая загрязнённость СВ при использовании древесины, целлолигнина и мелассы – 7,1 кг/дал, с добавками мелассы – 8,7 кг/дал, с добавками зерна – 6,55 кг/дал.
Количество осадков очистных сооружений при переработке древесного сырья хвойных пород составляет 1,8 кг/дал, при переработке древесины, целлолигнина и мелассы – 3,6 кг/дал, с добавками мелассы – 2,6 кг/дал, с добавками зерна – 2,1 кг/дал.
Выявленные тенденции повышения загрязнённости технологических сточных вод, увеличения количества осадков очистных сооружений при переработке древесных отходов хвойных пород совместно с мелассой и некондиционным зерном в гидролизном производстве этилового спирта характерны и для других видов растительного сырья.
Список использованной литературы

Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. Учебник для вузов. – М.: Лесн. Пром-ть, 1989. – 496 с.
Емельянова И.З. и др. Химико-технологический контроль гидролизных производств. Изд.2-е, перераб., М. «Лесная промышленность», 1976.- 328 с.
Дудкин М.С. Успехи химии ксиланов// Химия древесины. – 1980. - №4, с. 3-13.
Холькин. Ю. И. Общие принципы классификации методов гидролиза// Гидролизная и лехимическая промышленность. 1986. - №5, с. 9 – 10.
Шарков В.И., Сапотницкий С. А., Дмитриева О. А., Туманов И.Ф. Технология гидролизных производств. – М.: Лесная промышленность. 1973. – 408 с.
Суходолов Александр Петрович, Хаматаев Владимир Александрович Развитие Отечественной гидролизной промышленности // Известия БГУ. 2009. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-otechestvennoy-gidroliznoy-promyshlennosti (дата обращения: 07.01.2020).
Болтовский Валерий Станиславович Актуальные проблемы гидролизного производства и пути их решения // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2017. №2 (199). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/aktualnye-problemy-gidroliznogo-proizvodstva-i-puti-ih-resheniya (дата обращения: 07.01.2020).