Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Биобутанол- альтернативное топливо 12
1.2. Способы получения бутанола 17
1.3. Процесс ацетонобутилового брожения 23
1.4. Выделение бутанола из ферментационной среды – нерешенная проблема биотехнологии 30
1.5. Бутанол - поверхностно активное вещество .43
1.6.Сорбционные методы выделения продуктов микробиологического синтеза .51 1.7. Применение ультразвука в процессе сорбции .55
1.8. Десорбция органических растворителей из сорбентов .58
2. Материалы и методы 62
2.1. Материалы 62
2.2. Методы исследования
2.2.1. Стандартные методы исследования 72
2.2.2. Специально разработанные методы исследования 80
3. Результаты экспериментов и обсуждения 88
3.1. Концентрирование ПАВ, в частности, бутанола, в конденсате .88
3.2. Сорбционное выделение бутанола из растворов .94
3.3.Ультразвуковой метод интенсификации сорбционного процесса .100
3.4.Сорбция бутанола из ферментационных сред с помощью ССПС 104
3.5. Десорбция органических растворителей, в частности бутанола, из
ССПС .107
3.5.1. Десорбция бутанола из ССПС СВЧ- излучением 107
3.5.2. Регенерация насыщенного органическими растворителями ССПС СВЧ-излучением 109
3.5.3. Выделение бутанола из растворов с помощью регенерированного СВЧ- излучением ССПС 109
3.5.4. Выделение бутанола и сопутствующих органических растворителей из ферментационной жидкости с помощью регенерированного СВЧ – излучением ССПС 111
3.6. Основные результаты исследований .112
4. Экономический расчет сорбционного выделения бутанола из КЖ в производстве 113
4.1. Расчет материального баланса 113
4.2. Экономическая оценка от внедрения разработанной технологии выделения бутанола из КЖ с помощью ССПС в полупромышленном производстве 115
4.3. Описание технологического процесса 120
4.4. Разработка аппаратурно- технологической схемы выделения бутанола и др. органических растворителей из ферментационной жидкости 122
5. Заключение 123
6. Список литературы .125
7. Приложения .
7.1. Акты испытаний 143
7.2. Нормативная документация .150
7.3. Патенты
- Процесс ацетонобутилового брожения
- Применение ультразвука в процессе сорбции
- Стандартные методы исследования
- Экономическая оценка от внедрения разработанной технологии выделения бутанола из КЖ с помощью ССПС в полупромышленном производстве
Процесс ацетонобутилового брожения
Бутанол получают: -путем переработки сахара или крахмала сельскохозяйственных растительных культур (биобутанол I поколения); -путем переработки целлюлозы растений (биобутанол II поколения); - путем синтеза химического сырья (бутанол) (Карпов С.А. ,2008г.). В промышленности бутанол получают: -оксосинтезом из пропилена с использованием никель кобальтовых катализаторов при температурах от 130 до 150 C и давлении в 20 - 35 Мпа. - из ацетальдегида через ацетальдоль и кротоновый альдегид, который гидрируют на медных, меднохромовых или никелевых катализаторах. - ацетоно-бутиловым брожением пищевого сырья. Началом промышленного производства бутанола является 1916 г. Тогда использовался метод ферментации АБЭ (ацетон + бутанол + этанол) с применением бактерии Clostridium acetobutylicum. Этот анаэробный микроорганизм, который производит ацетон, впервые выделил ученик Луи Пастера Хаим Вейцман (патент США №1 315 585). Во время I мировой войны Англия обратилась к молодому микробиологу с просьбой передать ей право на производство таким методом ацетона для последующего получения кордита (бездымного пороха). Процесс использовался вплоть до 1920-х годов для получения исключительно ацетона. Однако на каждый литр ацетона во время ферментации получалось дополнительно два литра бутанола. Кто-то однажды взял нитроклетчатку, смешал ее с бутанолом и получил быстросохнущий лак. Через три года автомобилестроение кардинально изменило весь рынок, и к 1927 году основным продуктом АБЭ процесса стал бутанол, тогда как побочным продуктом стал ацетон. Во время II мировой войны бутанол использовался в производстве синтетического каучука. (Бехтерева М.Н., 1939г.)
Известно, что бактерии вида Clostridium acetobutylicum при сбраживании различных углеводов синтезируют одновременно три целевых продукта: бутанол, ацетон и этанол (отсюда процесс носит название АБЭ), процентное соотношение которых примерно 60:30:10 (соответственно). Это соотношение не является строго постоянным и может незначительно изменяться в сторону увеличения выхода того или иного продукта в зависимости от условий брожения или состава сырья, используемого для брожения.
Побочными продуктами ферментации АБЭ являются водород, уксусная, молочная, пропионовая и масляная кислоты, а также диоксид углерода и липиды. Необходимость разделения основных продуктов ферментации и удаления побочных – влияет, в частности, на увеличение себестоимости каждого литра бутанола.
При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м3водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона, то есть с 1 га картофельных плантаций - 875 м3водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона, а из 1 т стеблей сорго - 30 м3 водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, или с 1 га плантаций сахарного сорго - 900 м3 водорода, 3.4 т бутанола и 1.2 т ацетона.(по материалам компании DuPont)
Фактически, можно сказать, что исторически ферментация сахаросодержащего сырья в бутанол занимает второе место по значимости после спиртового брожения.
Во время первой и второй мировых войн заводы по производству биобутанола работали во многих странах, включая Соединенные штаты, Великобританию, Китай, Россию, Южную Америку и Индию. Эти заводы были созданы, чтобы использовать ферментирующие способности микроорганизмов в приготовлении ацетона из такого сырья как меласса и кукурузный крахмал. Ацетон использовался для производства бездымного пороха и ракетного топлива. Интересно, что ацетон был не единственным продуктом ферментации. Этанол производился в малых количествах, основным продуктом производства был бутанол.
Начиная с 1960-х годов развитие нефтяной промышленности и более дешевая стоимость производства бутанола из нефтепродуктов, по сравнению с возобновляемым сырьем, сделала производство бутанола на биооснове ненужным – в связи с тем, что с 1954 года США лишились дешевых поставок сахара с Кубы. В результате на фоне постоянного роста спроса на бутанол ферментационное производство начало сокращаться.
Но повышающиеся цены на нефть и беспокойство о климатических изменениях и национальной безопасности способствовали возобновлению интереса к биобутанолу, возникновению исследований и развитию этой отрасли производства.
Применение ультразвука в процессе сорбции
Массовую долю органических соединений (бутанола, ацетона, этанола, уксусной и масляной кислот) в ферментационной среде и в КЖ, полученных после ацетонобутилового брожения, определяли газохроматографическим методом, с использованием газового хроматографа «Хроматэк-Кристалл 5000» (производитель СКБ «Хроматэк», г. Йошкар-Ола) с пламенно-ионизационным детектором.
Газохроматографический метод анализа отличается высокой селективностью, а при использовании соответствующих детекторов - и высокой чувствительностью. Определение органических соединений в КЖ вели методом абсолютной калибровки. Для калибровки готовили 3 искусственных смеси с концентрацией органических соединений близкой к содержанию их в культуральной среде, представленные в таблице 4.
Хроматограф «Кристалл 5000.2.» оснащен программой, которая при калибровке автоматически выдавал калибровочную кривую, отображенную на экране монитора компьютера.
Там также отображены: концентрация органического соединения; площадь или высота пика соединения, в зависимости от выбранного пользователем метода. В проводимом опыте была использована калибровка по площадям. По результатам калибровки определялись погрешность и калибровочные коэффициенты (отношение концентрации органического соединения в смеси к его площади на хроматографической кривой).
Допускаемая относительная погрешность анализа - 10%. После проведения калибровки анализировали содержание органических соединений в КЖ. Культивирование проводили с использованием посевного материала бактерий Clostridiumacetobutylicumштамм ВКПМ 1787, который хранился в виде суспензии спор на среде «мучной затор». По данным литературы (LailiGholizadehBaroghi.,2009) штамм способен сбраживать как гексозы, так и пентозы с образованием до 13–18 г/л бутанола.
Для активации спор суспензию тщательно перемешивали и прогревали на водяной бане 2 минуты, затем резко охлаждали под струёй воды. Культуру бактерии Clostridiumacetobutylicumвыращивали на 6% мучном заторе (в количестве 60 г/лпшеничной муки в воде). Среду предварительно разваривали на водяном бане при тщательном перемешивании в течении 1 часа. Затем стерилизовали в автоклаве при 1,7 Атм 75 мин. Культивирование бактерий Clostridiumacetobutylicumпроводили при температуре 37С в течении 96 часовдвумя способами (Рис.9. а,б). Способ 1
В склянки, объёмом 250 мл, наливали 40 мл.посевного материала и добавляли стерильную питательную среду до значения 200 мл. (Рис.9 а) Способ 2
В склянки, объёмом 250 мл, наливали 40 мл.посевного материала, добавляли стерильную питательную среду до значения 200 мл, а также 10г. сорбента ССПС MN202 (Рис. 9 б).
Для регенерации сорбента и десорбции бутанола вначале отделяли сорбент от раствора декантацией. Однако этот метод не позволял полностью отделять сорбент от жидкой фазы. Для полного удаления влаги сорбент помещали в выпарную колбу тонкоплёночного ротационного испарителя (ROTAVAPORRE120 фирма «BCHI», Швейцария), при постоянном вакуумировании. Пары раствора, отсасываемые мембранным вакуумным насосом, последовательно проходили ловушку-холодильник, охлаждаемую потоком холодной воды, трансформировались в жидкость, которая накапливалась в приёмной колбе роторно-плёночного испарителя (Рис.10). Отгонку жидкости осуществляли в течение 60 мин., при температуре водяной бани 50C. После прекращения отгонки раствора, отключали питание роторно-плёночного испарителя, отбирали пробу из дистиллята и определяли концентрацию. Измерения показали, что при отгонке отделяется именно раствор бутанола в воде, а не бутанол, связанный с сорбентом. Тот факт, что в тонкоплёночном ротационном испарителе при отгонке раствора бутанола из сорбента, концентрация жидкой фазы не изменилась, основан на свойстве бутанола – перегоняться вместе с водой в виде азеотропной смеси.
Таким образом, с помощью тонкоплёночного ротационного испарителя удалось полностью обезводить (освободить от влаги) насыщенный бутанолом сорбент ССПС.
Для сравнительных относительных измерений поверхностного и межфазного натяжения жидкостей, был использован метод измерения поверхностного натяжения, включающий формирование вспучивания на межфазной поверхности жидкость-газ или жидкость-жидкость. Вспучивание обеспечивалась воздействием ультразвукового радиационного давления, а по его высоте судили о величине межфазного натяжения(Гарибян Ц.С., Акопян С.А., Альков С.В., 2015 г.).
Известно, что давление звукового излучения, действующее на границе раздела двух жидких или жидкой и газообразной сред, приводит к вспучиванию поверхности раздела, величина (высота) которого связана, в том числе и с поверхностным (межфазным) натяжением (Агранат Б.А., Дубровин M.H., Хавский Н. Н., Эскин Г.И. 1987г.)
Связь между максимальной высотой прогиба поверхности (h, при х=0), радиационным давлением (Pr) и поверхностным (межфазным) натяжением () может быть получена из уравнения Лапласа в виде: где: r - радиус ультразвукового пучка, к - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, К - функция Бесселя. Отсюда, при известном радиационном давлении, в звуковом пучке или интенсивности ультразвука, с которой радиационное давление связано, и величине максимальной (при х=0) высоты подъема жидкости во вспучивании, можно рассчитать поверхностное (межфазное) натяжение.
Стандартные методы исследования
Существует метод концентрирования из водных растворов веществ, обладающих поверхностной активностью.(Акопян В. Б., Бамбура М. В., Давидов Е. Р., Ступин А. Ю., Чубатова О. И., 2010г.) Разделение достигается формированием аэрозолей из поверхностного слоя водного раствора, обогащенного поверхностно активной компонентой за счет известного эффекта поверхностной сорбции.(Шелудко А.Д., 1960г.)
Обогащенные выделяемым веществом аэрозоли достаточно просто сформировать с помощью ультразвуковых генераторов аэрозолей, конструкция которых позволяет фокусировать ультразвук у поверхности раздела фаз жидкость – газ. Размеры капель аэрозоля определяются частотой ультразвука и коэффициентом поверхностного натяжения жидкости и, как правило, лежат в пределах от 1 до 50 микрометров.( ГоляминаИ.П.,1989г.) Температура разделяемых компонентов при этом практически не меняется, а сами компоненты не испытывают превращений за счет сонохимических реакций.(Акопян В.Б., Ершов Ю.А., 2005г.)
Реализация процесса сепарирования на предложенном нами устройстве для выделения бутанола осуществляется посредством ультразвукового генератора, фокусирующего ультразвук на подповерхностный слой жидкости и приводящего к образованию аэрозоля из поверхностного слоя, обогащенного бутанолом. Аэрозоль перемещается по каналу в гидрозатвор, где конденсируется в раствор, с более высокой, чем в исходном растворе, концентрацией бутанола( Гарибян Ц.С., Акопян В.Б., Бамбура М.В., 2015 г.)
Кроме того, заложенный принцип и техническая реализация устройства по сравнению с аналогами обеспечивают: - снижение энергопотребления, так как образование аэрозоля не сопровождается затратой энергии на разрыв практически всех межмолекулярных связей, а нагревание среды не требуется; - исключение необходимости регенерации фильтров, сорбентов и других функциональных элементов (Гарибян Ц.С.,2015 г.).
Устройство для выделения бутанола из водных растворов состоит из рабочей емкости с постоянно поддерживаемым уровнем концентрированного раствора, фокусирующего излучателя ультразвука, генерирующего аэрозоль из поверхностного слоя, патрубков для подачи и отвода воздуха и канала для перемещения аэрозоля. Устройство снабжено гидрозатвором установленным за резервуаром с концентрируемым раствором.Гидрозатвор выполнен в виде ловушки для аэрозоля, в которой осуществляется конденсация аэрозоля в раствор обогащенный бутанолом. В верхней части гидрозатвора размещен патрубок для отвода воздуха, а в нижней части патрубок, снабженный краником для отвода получаемого раствора. (Рис.12) В качестве источника высокочастотных ультразвуковых колебаний для получения аэрозолей с размерами частиц (1,5-5 мкм) в проводимых исследованиях применился медицинский ультразвуковой генератор с частотой ультразвука 2,64 МГц, в частности ультразвуковой генератор «Альбедо» (Рис.13)
Генератор аэрозолей «Альбедо» генерировал поток аэрозоля, состоящего из микрочастиц распыляемого раствора. Рекомендуемый слой жидкости над излучателем, а, следовательно, и его фокусное расстояние составляло 40 мм, объем жидкости в ячейке для распыления 50 см3, производительность (количество жидкости, трансформируемой в аэрозоль за единицу времени) – (06) мл/мин.(Осипов Л.В., 2003).
Как отмечалось выше, независимо от вида высокочастотного ультразвукового распылителя, микрокапли аэрозоля образуются из поверхностного слоя жидкости, который либо обогащен за счет поверхностной сорбции поверхностно – активными компонентами раствора, либо обеднен компонентами, способными понижать его поверхностное натяжение(Москвин Л.Р., Царицына Л.Г.,1991г.).
Перспективность метода аэрозольного разделения очевидна, однако требует дополнительного изучения для его интенсификации с целью адаптации технологии к промышленным условиям.
Среди известных методов выделения бутанола из ферментационной среды наиболее простым в технологическом исполнении в плане совмещения с процессами биосинтеза, а также более эффективным и экономически целесообразным методом является сорбционный метод. Выделение органических растворителей (в частности бутанола)сорбционным методом из водных растворов, модельных ферментационныхсред и из КЖ ацетонобутилового брожения проводили с применением:фторопластов; тканевых сорбентов; активированного угля; природного цеолита; ССПС .
Ультразвуковая активация – один из современных способов ускорения протекания различных процессов. Подвергая ультразвуковой обработке жидкую среду, можно провести реакции, невозможные в других случаях. Ультразвук оказывает воздействие на кинетику протекания сорбционных процессов. Явления, вызываемые ультразвуком определенной частоты и интенсивности, главным образом кавитация, приводят к более полному раскрытию микропор в зернах сорбента и к полной очистке их поверхности, что неизбежно вызывает заметное увеличение сорбционной емкости сорбента. Ультразвук не только действует на поверхностные слои зерен сорбента, но и изменяет их капиллярную структуру, а также увеличивает компенсированные молекулярные силы на общей поверхности.
Кавитационные явления, обусловливающие интенсивное перемешивание жидкости в макро- , а в особенности в микрообъемах, снижают градиенты концентрации растворенных веществ на границе твердой и жидкой фаз, что уменьшает время насыщения сорбента извлекаемыми из растворов ценными компонентами.
Скорость химических реакций, протекающих в гетерогенных системах, зависит от скорости диффузии молекул к границам раздела фаз, химического взаимодействия и диффузии продуктов реакции. В большинстве случаев скорость химического взаимодействия достаточно велика по сравнению со скоростями диффузии и, вследствие этого скорость всей реакции в целом при достаточно развитой поверхности контакта фаз определяется скоростью диффузии реагентов и продуктов реакции.
Экономическая оценка от внедрения разработанной технологии выделения бутанола из КЖ с помощью ССПС в полупромышленном производстве
Для количественной оценки технологического процесса выделения бутанола из ферментационной жидкости сорбционным методом, проведен технологический расчет материального баланса, который полностью отражает количественные изменения, происходящие в процессе сорбции-десорбции, а также коэффициент концентрирования бутанола.
В таблице 13 представлен материальный баланс технологического процесса выделения бутанола и сопутствующих органических растворителей из КЖ с помощью сорбента ССПС MN202, и последующей регенерации сорбента с помощью микроволнового излучения, реализованных следующим способом: - в КЖ, объемом 500 мл, введен сорбент ССПС MN202, весом 50г; - сорбционный процесс выделения бутанола и сопутствующих органических растворителей из КЖ интенсифицирован УЗ воздействием с плотностью акустической мощности 0,5 Вт/см3 в течение 1 мин. - десорбция проведена в микроволновой системе Discover (CEM) с помощью СВЧ-излучения на 2-3 мин (150 Вт). В результате проведенного анализа по расчету материального баланса (таблица 13) получено, что потери в процессе сорбционного выделения бутанола и др. органических растворителей минимальны, составили 0,1-0,2%.
Вода, с незначительной количеством растворителей, отделенная после фильтрования, поступает обратно в процесс ферментации, а бутанол и другие растворители концентрируются в конечном растворе: причем - из 0,7% (Си) содержания бутанола в начале процесса, получили 35% (Ск) содержания бутанола в конце процесса.
Таким образом, в процессе сорбционного выделения и последующей десорбции микроволновым излучением, коэффициент концентрирования бутанола ( К=Ск/Си) из КЖ составила 50.
Как уже упоминалось, самым дорогостоящим звеном получения бутанола путем микробиологического синтеза является выделение бутанола из КЖ ацетонобутилового брожения.В работе было выявлено, что сорбционный метод извлечения бутанола из КЖ в сочетании с УЗ воздействием, а также десорбция бутанола из сорбента ССПС микроволновым излучением является весьма эффективным методом выделения.
По сравнению с известными методами выделения бутанола, преимущество данного метода заключается в том, что метод позволяет интенсифицировать процесс, так как время достижения сорбционного равновесия удалось сократить с 3-4 часов (180-240 мин.) до 1-2 мин, а десорбцию провести в течении 2-3 мин. Учитывая, что минимальная концентрация бутанола в используемом КЖ составила 8 г/л, для выделения 1 л бутанола с такой концентрацией из КЖ, требуется 125 л отработанного и предварительно отделенного от биомассы КЖ.
Расход сорбента ССПС MN202, эффективный для выделения бутанола из такого количества КЖ, составляет, 12,5 кг (КЖ : Сорбент = 10:1). Применение ССПС MN202 в качестве сорбента для выделения бутанола из КЖ оказывается более результативным по сравнению с другими, не только из-за того, что он гидрофобный, селективно сорбирует из КЖ только бутанол; не оказывает влияния на продуктивность АБЭ брожения; обладает высокой механической прочностью; регенерированный сорбент можно повторно использовать для сорбции бутанола из КЖ многократно, но и по экономичности, т.к. находится в одной ценовой категории с активированным углем, (60 - 120 руб./кг).
Использованная в работе лабораторная микроволновая система позволяет регенерировать сорбент и десорбировать бутанол с производительностью по сорбенту - 0,5 кг/ч (в резонатор микроволновой системы помещается колба с сорбентом 50г, который можно регенерировать за 2-3 мин.) соответственно, с помощью СВЧ-излучения, из насыщенного бутанолом сорбента за 1ч. возможно извлечь 40 млбутанола.
Следовательно, используемая в работе микроволновая система Discover(CEM), с выделением органических растворителей, в частности бутанола 40 мл/ч, позволила получить 1 л. бутанола за 25 часов ( 1 сутки), регенерируя, соответственно, 12,5 кг насыщенного сорбента.
Преимущество данного способа в том, что с применением УЗ обеспечивается минимальное время для достижения сорбционного равновесия (1-2 мин.), а также за 2-3 мин. можно десорбировать 50 гр. насыщенного бутанолом сорбента.
В работе показано, что сорбционная емкость ССПС по бутанолу составляет 35 г. на 1 кг сорбента, а десорбировать бутанол из сорбента возможно за 5 мин, соответственно средняя скорость регенерации ССПС составляет 50 кг/час. Для полупромышленного получения бутанола с производственной мощностью 6000 л/год можно использовать микроволновую систему с рабочей емкостью 5 кг сорбента ССПС и выходом готового продукта 1,75л/час.