Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды является наиболее актуальной на современном этапе развития промышленности, в том числе и пищевой. Отходы производственных предприятий влияют на процессы, происходящие в экосистемах, и могут приводить к нарушениям развития отдельных видов биоценозов и даже к их гибели.

Среди предприятий пищевой промышленности отдельно стоит выделить пивоваренную отрасль, которая является источником большого количества отходов, до 80% которых составляет пивная дробина.

Утилизация пивной дробины является большой экологической проблемой для пивоваренных компаний. В настоящее время скопились сотни тысяч тонн данного отхода. Пивная дробина представляет собой смесь растительных и микробных белков, сложных углеводов, органических кислот и других веществ. Хранение данного отхода на полигонах приводит к выделению ядовитых веществ (продуктов гидролиза и гниения, индол, скитол и аммиак). На сегодняшний день пивную дробину используют для производства корма скоту, но весь объем данного отхода не используется.

Пивную дробину можно использовать в виде адсорбентов. Адсорбенты – высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой удельной поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Адсорбенты применяют для очистки воды от металлов и примесей, в противогазах, в качестве носителей катализаторов, в медицине для поглощения газов и ядов.

Самыми распространенными адсорбентам являются активные (активированные) угли, которые получаются путем термической деструкции веществ, содержащих углерод. Наиболее часто, в качестве сырья используется береза. Березовые активные угли (БАУ) можно применять для процессов сорбции в пищевой промышленности и медицине – это говорит о высоком качестве данных адсорбентов. Но следует помнить, что береза – долго восстанавливаемый источник сырья, не говоря уже об ухудшении экологического состояния регионов, где производится массовая вырубка этих деревьев.

1. Актуальность темы

В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма – активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ. Высококачественные адсорбенты получают пиролизом малосмолистых пород деревьев, например березы, что, безусловно, не приемлемо как с социальной, так и с экологической точек зрения. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются способы получения активных углей из альтернативного сырья.

2. Цель и задачи исследования

Основной целью данной работой является разработка способа получения новых адсорбентов из целесодержащих отходов пищевой промышленности. В качестве такого сырья могут выступать отходы пивного производства (пивная дробина).

Основные задачи исследования:

  1. Рассмотреть возможность получения адсорбентов из нетрадиционного вида сырья.
  2. Получить образцы адсорбентов из растительного сырья.
  3. Изучить влияние щелочной среды на процесс получения активированных углей.
  4. Сделать вывод о возможности применения полученных образцов вместо традиционных активированных углей.

3. Способы получения адсорбентов

Важнейшим сырьем для получения активных углей является древесина (в виде опилок), древесный уголь, торф, торфяной кокс, некоторые каменные и бурые угли, а также полукокс бурых углей.

Мелкоизмельченные древесные отходы, карбонизируют во вращающихся печах или аппаратах с движущимися слоями. Кусковые и гранулированные угли, а также прессованные изделия из древесноугольной пыли и связующего, активируются в шахтных и вращающихся печах водяным паром или диоксидом углерода при 800 °С. В процессе активации возрастают объем пор, удельная поверхность сорбента, меняется соотношение между объемами микро-, мезо- и макропор. Скорость газификации поверхностного углерода в процессе активации зависит от степени структурной упорядоченности углеродного материала. Наиболее легко и быстро газифицируется углерод в разупорядоченных областях углеродной поверхности. Приготовленные со связующим формованные угли необходимо термически обрабатывать перед активированием при температуре около 5000 °С, связующее в этих случаях частично карбонизуется. Качество активного угля зависит от свойств исходного углеродсодержащего материала и от режима активирования. Характеристикой степени активирования угля является обгар, то есть процент сгоревшего угля по отношению к исходному его количеству. Активные древесные угли отличаются высокой степенью чистоты и тонкопористостью [1].

Количество и размер образующихся пор определяются природой сырья и режимными параметрами процесса термической обработки. Важное значение имеет скорость нагрева сырья. Общий объем пор, а также количество крупных пор (макропор) значительно возрастают с ростом скорости нагрева сырья. Медленные скорости нагрева реализуются в технологиях пиролиза в реакторах с неподвижным слоем сырья. Более производительные технологии пиролиза основаны на использовании измельченного сырья и реакторов с так называемым псевдоожиженным или кипящим слоем: увлекаемые потоком газа мелкие частицы сырья как бы находятся в кипящем состоянии. Преимуществом реакторов с кипящим слоем является высокая скорость массо- и теплопереноса, что обеспечивает повышенную интенсивность процесса пиролиза по сравнению с технологиями пиролиза в неподвижном слое сырья. Объем пор и распределение пор по радиусам можно регулировать также путем изменения продолжительности процесса пиролиза. В реакторах с псевдоожиженным слоем продолжительность пребывания частиц измельченного сырья в зоне пиролиза составляет от десятых долей секунды до нескольких минут [2].

Также важным адсорбентом на сегодняшний день является силикагель. Это один из самых первых минеральных синтетических сорбентов, нашедших широкое применение в промышленности. Силикагель не потерял своего промышленного значения, несмотря на то, что в последние годы бурно развиваются адсорбционные процессы с использованием уникальных кристаллических сорбентов – цеолитов.

Технический силикагель получают следующим образом: путем взаимодействия раствора силиката натрия или калия (жидкое стекло) с соляной или серной кислотой получают гель, который высушивают, а затем разламывают на куски, промывают водой, снова сушат, измельчают, фракционируют и прокаливают до полного удаления влаги. Товарный силикагель выпускают в виде зёрен или шаровидных гранул [1].

Следует отметить, что современные подходы к изучению структурно-сорбционных свойств позволяет прогнозировать соответствие структуры пористых материалов задачам их применения и теоретически обосновать закономерности адсорбции различных веществ.

4. Пивная дробина

Одним из основных отходов пивоваренного производства является пивная дробина. На предприятии средней мощности ежегодно образуется около 35000 тонн этого отхода. При этом большая часть дробины вывозится на полигоны [3].

Технологический процесс производства пива: после уваривания затора (смесь солода с водой) в фильтр-чане происходит отделение твердой фазы от жидкой (пивного сусла). Твердой фазой является пивная дробина. Пивная дробина из фильтр-чана выводится в буферную ёмкость варочного цеха. В ней происходит её частичное отжатие и при помощи шнека она выводится в накопители объемом по 80 м3 3 и 120 м3. Из накопителей так же шнековым устройством пивная дробина загружается в грузовой автотранспорт и вывозится с территории предприятия [4].

Пивная дробина является отходом пивоваренного производства – гуща, остающаяся после варки и отсасывания ячменного сусла. Содержит частицы ядер и оболочки зерна [4]. Остается пивная дробина в процессе выработки ячменного сусла. Основной особенностью этого вторичного продукта пивоварения является то, что в нем содержится просто огромное количество питательных веществ и полезных микроэлементов. Поэтому в сельском хозяйстве его используют прежде всего как источник белка при кормлении животных.

В своем обычном состоянии дробина пивная содержит около 80% воды. Хранить ее в таком виде более трех суток нельзя. По истечении определенного времени (в зависимости от температуры воздуха) дробина закисает и теряет свои полезные свойства. Более того, в ней начинают накапливаться разного рода токсины. Поэтому транспортировать этот продукт на дальние расстояния нецелесообразно. Для того чтобы избежать закисания и снизить вес предназначенной для перевозки дробины, ее предварительно высушивают. Из 3-4 тонн влажной массы при этом обычно получают 1 тонну сухого продукта. Существует также оборудование, предназначенное для производства гранулированной пивной дробины [5].

4.1. Химический состав и свойства пивной дробины

Разного рода полезных веществ в пивной дробине содержится очень много. Информацию о том, что именно входит в состав высушенного продукта и в каких количествах, можно получить из представленной ниже таблицы (табл.1).

Таблица 1 – Состав пивной дробины

Состав пивной дробины

Помимо этого, в состав пивной дробины входят такие микроэлементы, как:

– цинк – 105 мг/кг;

– железо – 205 мг/кг;

– медь – 15 мг/кг;

– фосфор – 0,5 мг/кг;

– кальций – 0,37 мг/кг.

Также дробина пивная содержит в себе очень большое количество аминокислот (глицин, аланин, треонин и проч.) [6].

4.2. Возможность использования пивной дробины

В сельском хозяйстве пивную дробину применяют чаще всего при откорме свиней, МРС и КРС. Таким образом, одна из основных сфер ее использования – это производство комбикормов. Также дробину часто применяют в качестве удобрения при выращивании культурных растений. Еще одной сферой народного хозяйства, в которой используется дробина, является пищевая промышленность. Чаще всего ее применяют при выпечке мучной продукции диетического назначения. В данном случае она служит ценным источником пищевых волокон. Иногда дробину применяют и в качестве биотоплива. Чаще всего таким образом ее используют сами пивоваренные заводы [6,7] .

В данном исследование рассмотрено использование пивной дробины как адсорбент. В качестве адсорбента могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма – активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ. Высококачественные адсорбенты получают пиролизом малосмолистых пород деревьев, например березы, что, безусловно, не приемлемо как с социальной, так и с экологической точек зрения. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются способы получения активных углей из альтернативного сырья.

Объектом исследования служила сухая пивная дробина. Пивная дробина представляет собой высушенный отход пивоваренного производства. В качестве способа обработки был выбран пиролиз раствором щелочи [8,9].

Оценку эффективности обработки пивной дробины провели путем гистологических исследований, позволяющих наглядно на микроструктурном уровне определить эффективность воздействия гидролизующих агентовна компоненты пивной дробины. Препараты фиксировали, окрашивали метиленовым синим и микроскопировали при увеличении х 400.

Результаты представлены на рисeнке 1.

Микроструктура пивной дробины и микроструктура пивной дробины, подвергнутой щелочному гидролизу (х400)

Рисунок 2 – Микроструктура пивной дробины и микроструктура пивной дробины, подвергнутой щелочному гидролизу (х400)

В таблице 2 представлены данные об адсорбции фенола из водного раствора системой пивная дробина-добавка.

Эффективность активных углей изучались спектрометрически по полосе поглощения фенола в ультрафиолетовой области.

Инфракрасным спектрофотометром SPECORD 75 IR

Рисунок 3 – Инфракрасным спектрофотометром SPECORD 75 IR SPECORD 75 IR

Результаты приведены в таблице ниже.

Таблица 2 – Адсорбция фенола продуктами пиролиза пивной дробины с различными добавками. Исходная концентрация фенола в растворе 1 мг/л.

Адсорбция фенола продуктами пиролиза пивной дробины с различными добавками. Исходная концентрация фенола в растворе 1 мг/л.

Как видно, значительное увеличение адсорбционной емкости дробины достигается при ее обработке перед пиролизом раствором щелочи.

Выводы

Работа посвящена актуальной задаче поиска новых адсорбентов на основе быстровозобновляемого растительного сырья. В работе рассмотрено:

  1. Способы получения адсорбента.
  2. Низучен химический состав и свойство пивной дробины.
  3. Исследована пивная дробина при обработке перед пиролизом раствором щелочи. Можно сделать вывод, что достигается значительное увеличение адсорбционной емкости дробины.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

Производство и применение углеродсодержащих адсорбентов на основе природных минеральных и органических компонентов, является целесообразным, т.к. они могут заменить существующие адсорбенты получаемые на основе древесины, что значительно улучшит состояние окружающей среды региона.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Гориславец  С. П. Пиролиз углеводородного сырья  / С. П. Гориславец, Д. Н. Тменов, – Киев: Наукова думка, 1977. – 309 с.
  2. Мухин  В. М. Новые технологии получения активных углей из реактопластов / В. М. Мухин, И. Д. Зубова, В. В. Гурьянов А. А. Курилкин, В. С. Гостев – 2009 – 195с.
  3. Еремина А. О. Углеродные адсорбенты из гидролизного лигнина для очистки сточных вод от органических примесей / А. О. Еремина, В. В. Головина, Н. В. Чесноков, Б. Н. Кузнецов   Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1 (2011 4) С.100 – 107
  4. Прохоров  А. М. Пивная дробина // Отоми   Пластырь   М. : Советская энциклопедия, 1975.   (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / Прохоров А. М. 1969 – 1978, т. 19).
  5. Главачек  Ф. Пивоварение = Pivovarstvi / Ф. Главачек, А. Лхотский; Пер. с чешск. И. В. Холодовой; Под ред. А. П. Колпакчи.  М.: Пищевая промышленность, 1977. – 624 с. – 10 500 экз. (в пер.)
  6. Алексанян  И. Ю. Исследование процесса сушки при утилизации отходов спиртового и пивного производств / И.Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2004. – №4. – С.59 – 62.
  7. ТУ 20.15.80-004-00351432-2017 «Солодовая (пивная) дробина «Р». Технические условия»
  8. Колпакчи  А. П. Вторичные материальные ресурсы пивоварения / А. П. Колпакчи., Н. В. Голикова, О. В. Андреева.  М.: Агропромиздат, 1986 – 159 с.
  9. Васильев  А. В. Кислотный и ферментативный гидролиз отходов пивоваренной промышленности / А. В. Васильев, В. И. Панфилов, И. В. Шакир, А. В. Афанасьев, М. А. Цыганков // Химическая технология – 2007. – Т. 8 – №1 –17 – 21с.