Биоконверсия растительного сырья и его отходов

ФГОУ  ВПО

БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

им. В.Р. Филиппова 
 
 

кафедра органической и биологической химии 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по дисциплине «Теоритические основы» 

тема: «Биоконверсия растительного сырья и его отходов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                            Выполнила: студентка 2 курса

                                                            экономического факультета

                                                            заочного обучения по специальности:

                                                              «Экономика и управление на  п/п АПК»

                                                            Базарова А.А. (шифр 2100224)

                                                            Проверил: Балдаев  
 
 
 
 
 
 
 

г. Улан-Удэ

2011 г.

Содержание: 

1. Введение 
2. Глава 1. Биоконверсия жировых отходов пищевой промышленности в биомассу кормового назначения
3. Глава 2. Биоконверсия отходов масложировой промышленности липазой дрожжей YARROWIA LIPOLYTICA
4. Глава 3. Обоснование возможности использования жировых отходов рыбоперерабатывающих производств в составе антифрикционной композиции
5. Глава 4. Переработка отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в кормовые добавки и комбикорма по технологии микробиологической биоконверсии
6. Литература

ВВЕДЕНИЕ 

    Переработка промышленных отходов является одной  из важнейших задач, решению которых  уделяется большое внимание. Ежегодно в нашей стране в ходе работы предприятий  пищевой промышленности накапливаются  огромные количества жиросодержащих отходов. Необходимо отметить, что данные отходы отличаются многокомпонентностью состава, который может существенно варьироваться  в зависимости от режима работы предприятия. Это является одной из основных проблем, встающих перед исследователями  при разработке методов конверсии  отходов предприятий пищевой  промышленности, поэтому большинство  существующих технологий применимы  только с рядом ограничений.  

Глава 1. БИОКОНВЕРСИЯ ЖИРОВЫХ  ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ  ПРОМЫШЛЕННОСТИ В  БИОМАССУ КОРМОВОГО  НАЗНАЧЕНИЯ 

    В качестве одного из наиболее перспективных  путей, позволяющих решить указанную  проблему, можно рассматривать биологическую  конверсию жировых отходов, поскольку  микроорганизмы способны высокоэффективно ассимилировать широкий спектр различных  органических соединений, кроме того, они могут адаптироваться к изменению состава используемого сырья, а микробиологические процессы в сравнении с технологиями традиционной химии протекают в более мягких условиях, причем образующаяся микробная биомасса может быть использована в качестве ценной кормовой добавки, а также в качестве сырья для получения аминокислот и других продуктов.

    Установлено, что дрожжевая культура Yarrowia lipolytica способна ассимилировать вышеуказанные отходы в качестве единственного источника углерода, причем образующаяся биомасса может быть отнесена к высокобелковым. В ходе проведенной работы обнаружено, что повышение эффективности процесса культивирования дрожжей на жировых субстратах может быть достигнуто за счет проведения ультразвуковой предобработки питательной среды, которая осуществляет диспергирование и частичное окисление субстрата, тем самым, повышая его биодоступность. Кроме того, ультразвуковая обработка жировых отходов способна заменить техническую стерилизацию и существенно снизить содержание жизнеспособных микроорганизмов естественной микрофлоры, а биомасса, полученная указанным путем, обладает высокой кормовой ценностью, поскольку богата незаменимыми аминокислотами, в частности такой ценной аминокислотой, как лизин.

    Также установлено, что воздействия мягким ультрафиолетом и перекисью водорода на дрожжевые клетки Yarrowia lipolytica при подготовке посевного материала существенно увеличивают эффективность ассимиляции жиросодержащих субстратов и качество получаемой микробной биомассы.

    Согласно  предварительной технико-экономической  оценке реализация данной технологии позволяет получить конкурентноспособный продукт. Это свидетельствует о том, что исследования, направленные на переработку жировых отходов пищевой промышленности с использованием дрожжей Yarrowia lipolytica. 

Глава 2. БИОКОНВЕРСИЯ ОТХОДОВ  МАСЛОЖИРОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЛИПАЗОЙ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA 

    Липолитические ферменты широко применяются в различных отраслях промышленности. Однако их использование ограничивается гидролизом субстрата, представляющего собой водную эмульсию жира. Это связано с тем, что при гидролизе эмульсии типа «жир? вода» дисперсионная среда берется в избытке для достижения практически полной степени деструкции глицеридов за счет смещения равновесия в сторону образования конечных продуктов. Получаемые при этом гидролизаты представлены в виде водного раствора, и для их дальнейшего использования необходимы стадии отделения воды, сушки, а также очистки сточных вод, что нерентабельно. Литературных данных, описывающих применение липаз для расщепления триглицеридов в условиях обратной эмульсии, крайне мало.

    Биодеструкция жира при использовании эмульсии «вода? жир» позволит избежать вышеуказанных недостатков, а также осуществить переработку крупнотоннажных отходов масложирового производства, содержащих кроме масел и жиров минеральные компоненты, препятствующие эмульгированию глицеридов в воде. Полученные при этом гидролизаты ? моно-, ди- и триацилгилцериды, жирные кислоты ? могут быть в дальнейшем использованы в производстве резино-технических изделий (РТИ)в качестве вторичных активаторов вулканизации, диспергаторов ингредиентов и мягчителей резиновых смесей и др.

    Основным  требованием к применяемым в  технологии РТИ добавкам является их влажность, значение которой не должно превышать 0,5?1 %, в связи с чем была поставлена цель: подбор оптимальных условий биодеструкции отходов масложировой промышленности с низким содержанием воды (до 10 %). Для этого в реакционную среду дополнительно вносили оксид кальция.

    Гидролиз  проводили в лабораторных реакторах  объемом 15 см3. Предварительно усредненную  навеску отхода 10 г (содержание жира 50?55 % мас.) помещали в реактор, где при 40°С и постоянном перемешивании с использованием лабораторной двухлопастной мешалки расплавляли до однородной массы. Далее в реактор добавляли CaO в виде мелкодисперсного порошка. Фермент растворяли в фосфатно-цитратном буферном растворе (pH 7,0) и, предварительно нагрев до 40°С, вносили в реакционную смесь. Перемешивание осуществляли в течение первых 10 минут. Дальнейшее перемешивание при данной температуре затруднялось из-за образования в смеси более высокоплавких продуктов: моно- и диацилглицеридов. Гидролиз продолжали в статических условиях при комнатной температуре (23±3°С) в течение 1-5 суток.

    Об  эффективности протекания процесса судили по кислотному числу, характеризующему содержание свободных жирных кислот и определяемому по ГОСТ 52 110-2003 с  предварительной экстракцией жировой  фазы смесью растворителей (диэтиловый эфир и этиловый спирт в соотношении 2 : 1), по массовому количеству кальциевых солей жирных кислот, характеризующему содержание связанных жирных кислот и определяемому по ГОСТ 5480-59 с предварительной экстракцией карбоксилатов горячим толуолом. Общий выход жирных кислот (сумма свободных и связанных в кальцевые соли кислот) в результате гидролиза оценивали по объему соляной кислоты (0,05 моль/дм3, ацетоновый раствор), пошедшему на титрование избытка добавленного спиртового раствора KOH (2 моль/ дм3, спиртовой раствор) в ацетоновой среде в присутствии тимолфталеина.

    Оценку  липидного состава проб осуществляли методом тонкослойной хроматографии. Анализ проводили на пластинках марки  «Sorbfil-ПТСХ-АФ-А» (100Ч100 мм). Система растворителей: петролейный эфир (40-70): диэтиловый эфир : уксусная кислота = 80 : 20 : 1. Проявление хроматограмм осуществляли в эксикаторе, насыщенном парами йода. Проявленные хроматограммы сканировали при разрешении 600 dpi (точек на дюйм). Обработку хроматограмм проводили с использованием программы «ТСХ-Менеджер 4.0.1».

    Подбор  концентраций и дозировок компонентов  для проведения ферментативного  гидролиза осуществляли по методу латинского квадрата 4Ч4 [1]. Рассматривалось влияние  следующих факторов: фактор «A» ? масса вносимого в реакционную среду оксида кальция, фактор «B» ? объем вносимой воды (объем буферного раствора), фактор «C» ? дозировка липазы. Об эффективности протекания гидролиза судили по общему выходу жирных кислот (в % от теор.) через двое 2 суток проведения процесса. Результаты эксперимента обрабатывались на ПЭВМ с использованием метода регрессионного анализа (таблица).

    Из  таблицы следует, что все из исследуемых  факторов оказывали влияние на степень  ферментативного гидролиза жира в заданных условиях. Увеличение дозировки  оксида кальция способствовало росту  выхода конечного продукта гидролиза. Однако увеличение концентрации CaO свыше 20 % к массе отхода не позволяло получить однородную массу в заданных условиях, поэтому за оптимальное значение приняли дозировку оксида 20 % к массе отхода. Меньшее влияние на процесс оказывал другой из исследуемых факторов - дозировка воды. Зависимость выхода жирных кислот от фактора «B» носила нелинейный характер, и при увеличении дозировки воды с 9 до 12 % к массе отхода выход кислот возрастал менее чем на 1 %. Учитывая цель настоящего исследования ? проведение ферментативного гидролиза при низком содержании воды, за оптимальную концентрацию приняли 9 % воды к массе отхода. Наибольшее влияние на выход жирных кислот оказывал фактор «C». Увеличение количества вносимого фермента в реакционную смесь с 7 до 14 ед. Е/ г жира приводило к возрастанию выхода жирных кислот более чем в 1,5 раза. Дальнейшее повышение концентрации липазы с 14 до 21 ед. Е/г жира увеличивало выход продукта гидролиза лишь на 10 %, что говорит о нецелесообразности повышения дозировки фермента свыше 14 ед. Е/г жира.

    Выход жирных кислот в зависимости от исследуемых  факторов

    Для определения продолжительности  гидролиза отхода исследовали динамику процесса в течение 5 суток при  комнатной температуре в статическом  режиме (рис. 1). Реакционная смесь  содержала: 20 % CaO и 10 % H2O к массе отхода. Дозировка липазы дрожжей Yarrowia lipolytica ? 14 ед. Е/г жира.  

Рис. 1. Динамика изменения состава реакционной массы:

1 ? общий выход жирных кислот; 2 ? содержание связанных в кальциевые соли жирных кислот; 3 ? содержание свободных жирных кислот

Общий выход  жирных кислот в гидролизате (рис. 1) достигал максимального значения через двое суток проведения гидролиза. Далее в реакционной смеси происходило образование только карбоксилатов кальция при одновременном снижении концентрации свободных жирных кислот.

    Для оценки изменения липидного состава  реакционной смеси отбор проб осуществляли через 1, 3 и 5 суток после  начала гидролиза. Как показывают денситограммы проб (рис. 2), промежуточными продуктами процесса являлись 1,2-диацилглицериды и О-диалкилмоноглицериды. Последние, вероятно, образовались в результате взаимодействия высших жирных спиртов, присутствующих в отходе, и моноацилглицеридов, образующихся в результате гидролиза. Максимальное количество данного продукта отмечено на третьи сутки проведения гидролиза, после чего количество его в среде заметно снижалось. Площадь пика, соответствующая жирным кислотам на третьи и пятые сутки гидролиза, оставалось неизменной, что согласуется с представленными ранее данными (рис. 1). Высота пика триглицеридов снижалась в течение всего периода проведения процесса.

    Полученный  в результате ферментативного гидролиза  отхода гидролизат сушили при 60°С в течение 60 минут. Влажность полученного порошка не превышала 1 %. Продукт был испытан в резиновых смесях на основе этиленпропиленового каучука марки «DUTRAL TEP» в качестве технологической добавки. Содержание его в опытных образцах резин составляло 2?5 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука дополнительно к серийному рецепту.

    Результаты  испытаний показали, что опытная  технологическая добавка в исследуемом  диапазоне концентраций оказывала  пластицирующее влияние на резиновые смеси. Вязкость опытных образцов снижалась до 138?134 усл. ед. по Муни по сравнению с серийным (143 усл. ед.). Одновременно наблюдалось снижение времени достижения оптимума вулканизации с 12,24 минут до 11,62, что свидетельствует об активирующем влиянии исследуемого продукта на вулканизационные характеристики резиновых смесей. Также отмечено некоторое улучшение упруго-прочностных свойств резин с исследуемой добавкой: условная прочность при растяжении составляла 13,6?15,8 МПа при значении данного показателя для серийной резины 13,5 МПа; увеличение относительного удлинения при разрыве возросло приблизительно на 15 %; сопротивление раздиру увеличилось с 41 кН/м у серийного образца до 47 кН/м у опытного. По-видимому, это связано с проявлением диспергирующего эффекта предложенной технологической добавки и улучшением распределения наполнителей и компонентов вулканизующей группы в ее присутствии.  

Рис. 2. Характеристика изменения липидного состава реакционной смеси через 1, 3 и 5 суток гидролиза.  

Глава 3. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖИРОВЫХ  ОТХОДОВ РЫБОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ В  СОСТАВЕ АНТИФРИКЦИОННОЙ  КОМПОЗИЦИИ

    Одной из нерешенных проблем в рыбной отрасли  является рациональная переработка  и использование жировых отходов. Сточные воды многих рыбоперерабатывающих предприятий (особенно жиропроизводства) содержат значительное количество жировых компонентов, находящихся в эмульгированном состоянии. Флотационная очистка указанных стоков приводит к образованию побочных пенных продуктов, называемых жиропеномассами, которые подвергают захоронению на специальных полигонах. Это наносит серьезный ущерб природе и является крайне убыточным мероприятием.

    В процессе производства рыбного жира на стадии рафинации технических  полуфабрикатов образуются значительные объемы жидких отходов ? соапстоков. До настоящего времени проблема их утилизации не решена, что также приводит к потере значительного количества ценных компонентов жировых отходов, которые могли бы стать для рыбной промышленности вторичными материальными ресурсами.

    Необходима  разработка новых экологически безопасных и экономически выгодных технологий переработки жиросодержащих отходов  с определением возможных направлений  использования готового продукта.

С целью определения  возможных направлений переработки  и использования жиросодержащих отходов рыбоперерабатывающих предприятий (жиропеномассы и соапстока) изучен их химический состав, а также фракционный и жирнокислотный состав липидов.

    Анализ  результатов исследования показал, что основу жиропеномассы и соапстока составляют вода (в среднем от 35 до 78 %), липиды (в среднем от 7 до 56 %) и мыла (в среднем от 7 до 13 %). Причем содержание этих компонентов варьирует в очень широких пределах и зависит от обрабатываемого сырья, характера стоков, поступающих на очистку, а также от технических возможностей очистных сооружений.

    Наличие в жиропеномассе и соапстоке значительного количества свободных жирных кислот (до 30 % от содержания липидов) и мыл указывает на возможность использования указанных объектов и их производных в качестве смазочного компонента антифрикционных композиций. Кроме того, высокая непредельность жирнокислотного состава липидов жиропеномассы и соапстока (сумма полиненасыщенных жирных кислот порядка 38 %) может способствовать образованию более прочных граничных слоев между трущимися поверхностями, что значительно повышает эффективность смазки.

    В связи с постоянно растущими  объемами бурения нефтегазовая промышленность испытывает дефицит экологически малоопасных  смазочных материалов для буровых  растворов. В последние годы смазочные  добавки для буровых растворов  из разряда вспомогательных веществ специального назначения, как они ранее классифицировались, уверенно переходят в состав основных реагентов. В первую очередь, это вызвано тем, что для бурения наклонных, сильно искривленных и горизонтальных скважин, где потенциально велики энергозатраты на преодоление силы трения колонны труб о стенки скважины, огромное значение придается смазывающей способности буровых растворов.

    Кроме того, повышенным требованиям экологической  безопасности материалов, используемых в бурении, особенно при освоении морских месторождений, в большей  степени соответствуют смазочные  добавки на основе природных веществ ? растительных масел, животных жиров, жиросодержащих отходов. Объемы потребления экологически безопасных смазочных добавок постоянно растут и требуют расширения сырьевой базы для их производства.

    Жиропеномасса и соапсток, содержащие в своем составе свободные жирные кислоты и мыла, могли бы быть использованы в качестве смазывающего компонента в составе бурового раствора.

Для оптимального распределения жирных кислот в водной среде бурового раствора требуется  их нейтрализация с образованием мыл. Чем выше степень нейтрализации  жирных кислот, тем легче они распределяются (эмульгируются) в растворе, но тем  ниже их эффективность, т.к. смазывающая  способность пленки на основе полностью  нейтрализованных жирных кислот невелика. Необходимо определить оптимальное  соотношение жиросодержащего компонента и омыляющего агента в композиции, что обеспечивало бы ей высокую смазочную  способность и одновременно достаточную  эмульгируемость в водных растворах.

    В качестве омыляющих агентов использовали гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости Петросил-2М и ГКЖ-10, представляющие собой соответственно 30 %-ные водно-спиртовые растворы алюмометилсилоксанолята натрия и мононатриевой соли этилсилантриола.

Выбор омыляющих  агентов был обусловлен рядом  факторов. Известно, что этиловый спирт, содержание которого в Петросил-2М  и ГКЖ-10 достигает 20 %, синергетически повышает смазочную способность жирных кислот, а также увеличивает стойкость смазочного компонента к бактериальному разложению. Кроме того, при трении в результате разложения кремнийорганических соединений образуется поверхностный слой высокой твердости, на котором хорошо адсорбируются жирные кислоты и их мыла.

    Модифицирование жиропеномассы кремнийорганическими жидкостями осуществляли следующим образом: жиропеномассу нагревали до 90...95оС, выдерживали при этой температуре 30 минут, отделяли жировую фазу от водной, вносили в жировую фазу омыляющий агент и перемешивали до получения однородной массы в течение 10...15 минут.

    С целью определения области оптимального соотношения жиропеномассы и омыляющего агента готовили серию составов с разным соотношением указанных компонентов, добавляли полученные смеси в количестве 1 % в глинистую суспензию, моделирующую буровой раствор, и исследовали триботехнические свойства полученных композиций (коэффициент трения фильтрационной корки, скорость износа стали при удельной нагрузке 140 МПа, коэффициент трения пары «сталь-сталь»). Результаты исследований представлены на рис. 1, 2, 3.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения фильтрационной корки от содержания омыляющего компонента в смазочной композиции при соотношении «жиропеномасса: омыляющий агент»: 1 ? нет; 2 ? 10:0,5; 3 ? 10:1; 4 ? 10:1,5; 5 ? 10:2; 6 ? 10:2,5; 7 ? 10:3  

Рис. 2. Зависимость скорости износа стали при удельной нагрузке 140 МПа (мм/ч) от содержания омыляющего компонента в смазочной композиции при соотношении «жиропеномасса: омыляющий агент»: 1 ? нет; 2 ? 10:0,5; 3 ? 10:1; 4 ? 10:1,5; 5 ? 10:2; 6 ? 10:2,5; 7 ? 10:3

биоконверсия отходы жировой липаза дрожжи 

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения пары «сталь-сталь» от содержания омыляющего компонента в смазочной композиции при соотношении «жиропеномасса: омыляющий агент»: 1 ? нет; 2 ? 10:0,5; 3 ? 10:1; 4 ? 10:1,5; 5 ? 10:2; 6 ? 10:2,5; 7 ? 10:3

    Анализ  результатов исследований показывает, что наилучшими антифрикционными свойствами обладают композиции с соотношением «жиропеномасса: омыляющий агент» в области 10:1...10:2.

    Варьирование  концентрацией модифицированной жиропеномассы в составе смазочной композиции (от 0 до 2 %) позволило определить область оптимума в пределах от 1,0 до 1,5 %. Отмечено, что дальнейшее повышение концентрации модифицированной жиропеномассы в смазочной композиции не повышает ее антифрикционные свойства.

    Поиск оптимальных условий получения  смазочной композиции осуществляли путем построения соответствующих  математических моделей в предполагаемой области нахождения оптимума по методу Бокса-Уилсона с использованием ротатабельных планов второго порядка [1]. Поверхность отклика эксперимента аппроксимировали полиномами второго порядка. Расчет коэффициентов уравнений регрессии осуществляли на ПЭВМ по методу наименьших квадратов. Адекватность полученных математических зависимостей оценивалась с помощью критерия Фишера.

    Критерием оптимизации технологических процессов  получения смазочных композиций (y) являлась обобщенная численная характеристика качества объекта [4], которую рассчитывали по формуле 

y=У_n(K)_n У_n(a)_n/У_n(a/q)_n,

где K ? коэффициент, учитывающий относительную значимость безразмерных числовых выражений признака объекта (У_n(K)_n=1); a ? относительная значимость признака объекта; q ? безразмерное числовое выражение признака объекта; n ? количество измеренных признаков объекта.

a_i=c_i/c₁,

где с ? значимость признака объекта; i ? порядковый номер признака.

q=const / N или q=N / const,

где N ? значение признака объекта, определенное в ходе эксперимента; const ? оптимальное значение признака объекта.

Для характеристики получаемой смазочной композиции были выбраны следующие признаки: скорость износа стали при удельной нагрузке 140 МПа (N₁), мм/ч; коэффициент трения пары «сталь?сталь» (N₂), коэффициент трения пары «сталь?фильтрационная корка» (N₃).

Значимости признаков  смазочной композиции задавали следующие: с₁=0,5; с₂=0,25; с₃=0,25

Оптимальное значение признаков исследуемых смазочных  композиций: const₁=1,08...1,12 мм/ч (среднее 1,10 мм/ч); const₂=0,08...0,10 (среднее 0,09); const₃=0,15...0,17 (среднее 0,16).

В качестве факторов, влияющих на свойства смазочных композиций, были выбраны: соотношение «омыляющий компонент:жиропеномасса» в смазочной композиции (x1), концентрация смазочной композиции в модельной глинистой суспензии (x₂), %.

В качестве омыляющих  компонентов исследовали Петросил-2М  и ГКЖ-10.

В результате аппроксимации  экспериментальных данных полиномными моделями второго порядка были получены следующие уравнения регрессии:

а) для смеси  компонентов «Петросил-2М:жиропеномасса»:

y = 15,8 x₁ + 0,87 x₂ - 64,2 x₁² - 0,21 x₂² - 0,3 x₁x₂ - 0,76;

б) для смеси  компонентов «ГКЖ-10:жиропеномасса»:

y = 30,4 x₁ + 0,32 x₂ - 100,5 x₁² - 0,01 x₂² - 0,7 x₁x₂ - 1,69.

Анализ поверхности  отклика функций позволил определить оптимальные условия получения  смазочных композиций: х₁=0,12...0,15; х₂=1,5 %.