Отчёт о патентных исследованиях

ОТЧЕТ

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА

(Научно-исследовательская работа)

 (Наименование практики)

обучающегося  

                                                          _{(И.О. Фамилия)}

НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ

(СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) 18.03.02 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

 

 

ГРУППА     ЭРТб – 1601а  

РУКОВОДИТЕЛЬ

ПРАКТИКИ ОТ УНИВЕРСИТЕТА:   

^{(фамилия, имя, отчество, должность)}

                                                             

 

Руководитель практики от организации

(предприятия, учреждения, сообщества)

 

кафедры «ХТиР»

^{(фамилия, имя, отчество, должность)}

 

 

Тольятти, 2019

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

 

Институт химии и энергетики

        (Наименование института)

Химическая технология и ресурсосбережение

(Наименование кафедры, центра, департамента)

АКТ о прохождении практики

Данным актом подтверждается, что

обучающийся

                                                 _{(И.О. Фамилия)}

НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ

(СПЕЦИАЛЬНОСТЬ)  18.03.02 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

ГРУППА     ЭРТб- 1601а

Проходила производственную практику (Научно-исследовательскую работу)

(Наименование практики)

в Тольяттинском государственном университете в институте химии и

энергетики на кафедре «Химическая технология и ресурсосбережение»

(Наименование организации)

 

в период с 02 сентября по 26 декабря 2019 г.

 

Руководитель практики от организации

(предприятия, учреждения, сообщества):

преподаватель кафедры «ХТиР»

^{(фамилия, имя, отчество, должность)}

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ОЦЕНКА* __________________________

                     _________________                                   ________________

                             ^{(дата)                                                                                                      (подпись)}

^М.П.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. Альтернативная энергетика. 6

2. Растительное сырьё. 7

2.1 Жиры и масла. 7

2.2 Лесохимическое сырьё. 8

2.3 Сахаристые вещества. 11

3. Отчёт о патентных исследованиях. 17

4. Технологические схемы.. 23

4.1 Производство сульфатной целлюлозы.. 23

4.2 Получение биодизеля из масла микроводорослей. 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 27

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 28

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В качестве темы научно-исследовательской работы была выбрана тема «Совершенствование технологии получения альтернативной энергии из растительного сырья».

Данный вид сырья включает сельскохозяйственное и лесохимическое сырье. К его достоинству можно отнести возобновляемость. Процессы переработки растительного сырья имеют глубокие исторические корни. Огромное значение для развития человечества сыграло использование древесного угля для производства металлов, выделение смол [1].

С химической точки зрения растительные организмы являются углеродсодержащим сырьем. Кроме того, в растениях содержатся как высокомолекулярные, так и низкомолекулярные органические соединения [2].

Низкомолекулярные соединения называются экстрактивными, т. к.

могут быть выделены с помощью растворителей без особых изменений

структуры. Их делят на две группы:

1. Липофильные вещества, т. е. растворимые в неполярных органических растворителях и практически нерастворимые в воде.

К ним относятся изопреноиды и жиры. К изопреноидам относят соединения, предшественником которых при биосинтезе является производное изопрена (изопентенилпирофосфат).

2. Гидрофильные вещества, т. е. растворимые в полярных органических растворителях и воде.

Основными высокомолекулярными соединениями растений являются: целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектин, лигнин, дубильные вещества, белки [1].

Преимущества растительного сырья:

1) доступность и низкая цена;

2) экологически безопасное производство;

3) цикличность, небольшой процент отходов;

4) несложная и менее материалоёмкая технология изготовления;

5) биоразлагаемость и лёгкая утилизация промежуточных и готовых продуктов.

И это не весь список преимуществ, которыми обладает растительное сырьё и производство, основанное на нём [3].

Целью данной _сумме научно-исследовательской _газа работы _натрия являются:

1) составление литературного обзора;

2) поиск патентов, соответствующих теме исследования;

3) анализ технологических схем, позволяющих получать энергию из растительного сырья.

Альтернативная энергетика

Одной из фундаментальных проблем, которые стоят перед человечеством, безусловно, является проблема энергетики. Сейчас в качестве основных источников энергии можно выделить уголь, нефть и газ [4].

При современном уровне добычи разведанных запасов угля хватит на 380 лет, нефти – на 22 года и газа на 41 год [4].

 

В связи со всем вышесказанным вопрос об использовании альтернативных видов энергии становится актуальнее с каждым годом.

Альтернативной энергетикой называется совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как всем известные традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии [5].

К основным видам альтернативных источников добычи энергии относятся:

1) вода – использование приливных станций и волновых электростанций;

2) тепло земли – производство электрической энергии из тепла земной коры;

3) биотопливо – это топливо, получаемое из животного или растительного сырья;

4) ядерная энергетика – использование атомных электростанций;

5) ветер – преобразование энергии с помощью генераторов с вертикальной и / или горизонтальной осями вращения ротора;

6) солнце – получение энергии путём использования гелиоконцентраторов и фотоэлементов [6].

В рамках работы будет рассматриваться исключительно растительное сырьё.

Растительное сырьё

Жиры и масла

Жиры (триглицериды) – это природные органические соединения, которые представляют собой полные сложные эфиры трёхатомного спирта глицерин и одноосновных высших / средних кипслот [7].

Масла – это жиры растительного происхождения, представляющие собой сложные эфиры глицерина, а также непредельных карбоновых кислот [7].

Основными компонентами жиров и масел являются смешанные триглицериды жирных кислот С₁₆ и С₁₈ общей формулы:

Рис. 1. Общая формула триглицеридов жирных кислот

где R, R₁, R₂ – радикалы жирных кислот [1].

Растительные масла используются в основном для пищевых целей. Масла подсолнечное, хлопковое, оливковое, арахисовое, соевое потребляются непосредственно в пищу в натуральном виде (после рафинации), а также гидрированном (маргарин и кулинарный жир) или в составе других пищевых продуктов.

В производстве повсеместно проводят гидролиз жиров; используется перегретый пар при температурах, равных 200 – 225 градусам и давлении от 20 до 25 атмосфер.

В случае гидролиза щелой – омылении – получаются соли кислот, именуемые мылами, соли натрия – твёрдые мыла, соли калия – жидкие [1].

Лесохимическое сырьё

Самым большим источником по запасам сырья считается лес.Большую часть древесины потребляет, конечно же, строительная промышленность. Помимо этого, лес используется и как топливо [8].

Путём переработки веществ из древесины можно получить самые разные продукты.

Рис. 2. Общая схема химической переработки древесины

в целлюлозно-бумажном производстве [8]

Вообще, в качестве сырья древесина используется тремся отраслями химической промышленности: целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая. По примерным оценкам мировые разведанные запасы нефти приблизительно эквивалентны запасам древесины нашей планеты, но нельзя забывать, что ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как запасы древесины возможно воспополнить в результате естественного прироста [1].

Древесина состоит по большей части из органических веществ (99 % общей массы). При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть – зола. В состав золы входят кальций, калий, магний, натрий и другие химические элементы [1].

Перечисленные химические элементы образуют одно из основных органических веществ:

1) целлюлозу;

2) лигнин;

3) гемицеллюлозу [1].

Целлюлоза ­– важнейший полисахарид и природный полимер. Альдегидные и спиртовые гидроксильные группы образуют гликозидную связь[9].

Формула целлюлозы – (С₆Н₁₀О₅)_n, где n – степень полимеризации, принимающая любое значение от 6000 до 14000.

Рис. 3. Структурная формула целлюлозы [1]

Ряд конкретных химических веществ (к примеру, простые эфиры, сложные эфиры) позволяет получить химическая переработка.

Для целлюлозы характерна способность к размолу, развитию в ходе процесса размола механических прочностных характеристик листа бумаги [10].

Лигнин же – это ароматическая часть древесины, это смесь полимеров близкого строения ароматической (фенольной) природы; мономерные звенья образуют макромолекулы, название этих звеньев – фенилпропановые структурные единицы. Если обратиться к цифрам, то содержание лигнина колеблется в среднем от двадцати до тридцати процентов [11].

Лигнин содержит гораздо больше углерода и гораздо меньше кислорода, нежели сама целлюлоза. Лигнин не отличается химической устойчивостью, для него характерно растворение при нагревании в щелочах, в водных растворах сернистой кислоты [1].

Приблизительная брутто-формула лигнина – (С₃₁H₃₄О₁₁)_n [12].

Ценным продуктом химической переработки лигносульфонатов (водорастворимых сульфопроизводных лигнина) считается ванилин. Он нашёл применение в пищевой промышленности, при приготовлении медицинских препаратов и при производстве парфюмерии. В настоящее время мировое производство ванилина составляет примерно 2 миллиона английских фунтов, причём около 70 процентов его получают из лигнина.

На основе ванилина и ванилиновой кислоты синтезируется много ценных производных, сложных эфиров и других органических продуктов. Было определено, что этилванилат, к примеру, менее токсичен для человеческого организма, чем известный бензоат натрия, но в то же время весьма токсичен для микроорганизмов. Он нашёл применение в качестве консерванта для пищевых продуктов и в медицине в качестве профилактического средства от солнечных ожогов и при лечении грибковых заболеваний кожи. В дальнейшем из ванилина были получены сотни родственных соединений, например, такие как ацетованиллон, сиринговый альдегид, сиринговая кислота, 5-карбоксиванилин и ещё целый ряд соединений.

В Австрии налажено производство новых фармацевтических препаратов из ванилина, например, диэтиламид ванилиновой кислоты, который в пятнадцать раз активнее «найстемайда» по своему действию на дыхание и кровяное артериальное давление. Диэтиламид ванилиновой кислоты успешно использовали многие страны Европейского союза в случаях с острым нарушением кровообращения, отравлениями барбитуратами и при необходимости вывода человек из состояния наркоза. Этот препарат особенно активен при общих нарушениях кровообращения при преждевременных родах [13].

Гемицеллюлоза – это, по сути, целая группа полисахаридов, в которую входят и пентозаны (С₅H₈О₄)_n, и гексозаны (С₅H₁₀О₅)_n [1].

К гемицеллюлозам относят и нецеллюлозные полисахариды клеточных стенок. В отличие от целлюлозы, они способны растворяться в водных растворах щелочей и без труда подвергаются гидролизу [14].

Гемицеллюлозы в отличие от целлюлозы не нашли широкого обширного использования, поскольку их выделение в чистом виде весьма осложнено. Основная масса полисахаридов гемицеллюлоз будет использована опосредованно без предварительного выделения [15].

Главные способы применения гемицеллюлозы:

1) получение моносахаридов в результате химической переработки;

2) микробиологическая переработка получаемых моносахаридов с получением дрожжей для корма, этанола, ацетона, лимонной кислоты, а также ряда других;

3) механико-химическая переработка с применением гемицеллюлоз и продуктов их неполного гидролиза в качестве связуемых материалов при синтезе древесных пластиков или же плит;

4) гумификация всех отходов лесопиления и обработки деревьев культурами грибов и термофильными бактериями для создания гумусообразных материалов;

5) повышение питательности грубых растительных кормов;

6) совместное выделение с техническими целлюлозами (целлюлоза высокого выхода, полуцеллюлоза) [15].

Сахаристые вещества

Сахаристые вещества – представители самого важного класса органических веществ ­– речь идёт об углеводах. углеводы представляют из себя первичные продукты фотосинтеза и иные исходные продукты биологического синтеза других веществ в растениях (органические кислоты, а также аминокислоты). В клетках растительных организмов, а также животных углеводы и их производные служат энергетическим, структурным, пластическим материалом и регуляторами самых важных биохимических процессов. В животной клетке содержание углеводов обычно находится в пределах одного – двух процентов, в растительной же клетке оно может достигать в некоторых случаях 85 % и даже 90 % от общей массы сухого вещества.

Моно- и полисахариды составляют две основные группы углеводов. Общая формула и тех, и других – С_m(H₂О)_n. Если речь идёт о моносахаридах, то нужно понимать, что соотношение между «m» и «n» будет следующим: m = n. Если же речь идёт о полисахаридах, то соотношение уже будет m > n [1].

Моносахариды – это простые углеводы, не способные подвергаться гидролизу. Они могут иметь четыре, пять, шесть и даже более атомов углерода.

По характеру имеющихся функциональных групп моносахариды можно разделить на альдозы (рис. 4, а) или кетозы (рис. 4, б), в то же время и те, и другие являются многоатомными спиртами. Самые важные из них – это, конечно же, рибоза, ксилоза, глюкоза, фруктоза, галактоза [16].

Рис. 4. Структурные формулы глюкозы (а) и фруктозы (б) [17]

 

Рис. 5. Структурные формулы многоатомных спиртов:

рибитол (а) и галактитол (б) [17]

В медицине моносахаридам нашлось широкое применение. Глюкозу применяют и для получения аскорбиновой кислоты (широко известной как витамин «С») [16].

Полисахариды по своей структуре делятся на две группы. К первой группе относятся сахариды, состоящие из малого количества фрагментов моносахаридов, – олигосахариды [1].

Олигосахариды будут составлять промежуточную группу между моносахаридами и полисахаридами.

Димеризация моносахаридов при участии глюкозид-группы приводит к образованию дисахаридов.  «Голова к хвосту» или «голова к голове» – это способы связывания моносахаридных остатков [18].

Мальтоза  образована из двух остатков D-глюкопиранозы:

Рис. 6. Структурная формула мальтозы [18]

Сахароза состоит из остатков α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы, соединённых полуацетальными гидроксилами:

Рис. 7. Структурная формула сахарозы [18]

Дисахариды используются как наполнитель на фармацевтических предприятиях.

Дисахариды применяются и для изготовления питательных сред, например, при производстве пенициллина [19].

Высокомолекулярные полисахариды составляют вторую группу полисахаридов. Их также именуют полиозами.

Полиозы – высокомолекулярные соединения, которые состоят из большого количества моносахаридных остатков, соединённых гликозидными связями. Общая формула всех без исключения полисахаридов – (С₆H₁₀О₅)_n.

Порядок моносахаридных звеньев, а также длина и степень разветления цепей определяют устройство макромолекул. Молекулярная масса полисахаридов принимает значения в широких диапазонах: несколько 1 000 – несколько 1 000 000. Подавляющее число полисахаридов составляет надмолекулярные структуры [18].

Полисахариды, которые образованы из моносахаридных звеньев одного типа, называются гомогликаны, а те, что образованы из разных – гетерогликаны. Оба полимера могут быть как линейными, так и разветвлёнными [20].

Рис. 8. Структурная формула гликогена (гомогликана) [21]

Рис. 9. Структурная формула муреина (гетерогликана) [22]

Полисахариды нашли применение не только в медицине. Крахмал, к примеру, очень часто применяется в пищевой промышленности.

Ещё одна группа полисахаридов – это камеди. С их помощью удаётся бороться с повреждениями растений, деревьев, а также кустарников в садоводстве. Они обладают высокими бактерицидными свойствами [23].

 

Отчёт о патентных исследованиях

Осуществлён поиск патентов по использованию растительного сырья с целью получения альтернативной энергии.

Информация представлена в виде таблицы.

Таблица 1. Патентные исследования по теме «Совершенствование технологии получения

альтернативной энергии из растительного сырья»

Автор(ы)	Дата начала действия патента	Сущность предлагаемого решения	Результативность предлагаемого решения
Дмитриев А. Г. Котровский А. В. Костылев Г. М. Кондратьев В. А. Мелёшин Г. Н. Михаилянц С. Л. Кручинин Н. А.	21.03.2013	Данное изобретение относится к переработке органического сырья в биотехнологии. Микроорганизмы и соединения, расцениваемые как доноры водорода, перерабатывают измельчённое исходное сырьё. Эйхорния выступает основным источником сырья наряду с торфом, лигнином и содержимым желудка животных. Процесс ведут при температуре от +15 до +70 градусов Цельсия в бес- и кислородных	Изобретение призвано повысить эффективность получения биологического вида топлива. Изобретение относят к способам переработки органического сырья, в том числе и отходов производств с целью получения биотоплив, используя микроорганизмы, и решает проблему, повышения степени переработки сырья, выхода самого продукта и улучшения показателей качества.

Продолжение таблицы 1

		условиях. Отбирают полученный СН4, а получившийся СО2 оставляют в реакторе. Затем в реактор добавляются доноры водорода, соединения гумина и микроорганизмы. Всё содержимое перемешивают, и процесс далее ведётся в условиях от +3 градусов Цельсия до + 60 градусов Цельсия и рН = 5…9.	Оно также может найти применение в агропромышленных комплексах, на предприятиях коммунальных хозяйств, при получении альтернативного топлива Агропромышленные комплексы коммунальные хозяйства – отрасли, обечпечивающие применение изобретению [24].
Паштецкий В. С. Паштецкий А. В.	21.08.2017	Изобретение определяет альтернативное твёрдое топливо, которое содержит материал растительного происхождения и связующее вещество, при этом в качестве связующего используется шелуха семян рапса и жмыха, а материал растительного происхождения представлен остатками зерновых, измельчёнными	Результатом композиции будет твёрдое и экологически чистое топливо высочайшего качества абсолютно без использования каких-либо химических добавок благодаря улучшению структурно-механических свойств, исключены крошения и деформации при перевозке [25].

 

Продолжение таблицы 1

		стеблями кукурузы и подсолнечника, древесными ветвями тополей, ольх, верб при соотношении компонентов (указаны массовые проценты): материал растительного происхождения 75 – 95; шелуха семян рапса и жмыха 5 – 25, причём стебли кукурузы и древесные ветки измельчаются до размера частиц равных 10 мм, а стебли подсолнечников – даже до размера 3 мм, при этом оно выполнено в виде пеллет.
Кудряшов С. И. Собченко Ю. А.	08.08.2014	Данное изобретение описывает получение биотоплива из растительного сырья, включающем обработку смесей растительных масел, спиртов и щелочей физическим воздействием, при этом	Техническим результатом будет ускорение процесса с одновременным улучшением потребительских характеристик продукта и исключением из

 

Продолжение таблицы 1

		обработка проводится потоком СВЧ-энергии, в качестве же спирта используют изопропанол, при этом смесь помещается в резонатор, который выполняет функцию реакционной ёмкости, над резонатором размещён магнетрон, между резонатором и магнетроном устанавлен с возможностью перемещения по вертикали волновод, и непосредственно в ходе процесса получения биотоплива обрабатываемая смесь перекачивается в замкнутом контуре.	синтеза метилового спирта [26].
Столяревский А. Я.	10.11.2016	Изобретение относится к способам синтеза водорода из биологической массы и может быть применено для получения водородосодержащих	Технический результат описанного изобретения заключается в снижении тепловых затрат, и получении возможности

 

 

Продолжение таблицы 1

продуктов благодаря получению водорода из конечных продуктов пиролиза растительного биологического топлива, также в системах аккумулирования и транспортировки энергии, в системах синтеза топлива для транспортных средств и в стационарных энергетических установках. Способ получения включает измельчение и сушение биомасс, её дальнейший пиролиз с помощью нагретых твёрдых теплоносителей и перегретого водяного пара, разделение водородосодержащих газов пиролиза и пиролизной массы, подвергаемой высокотемпературной газификации.

производить разные энергоносители из различных биомасс без потребления кислорода из атмосферы [27].

 

 

Продолжение таблицы 1

При этом в качестве твёрдого теплоносителя используются карбонаты, которые образуют оксиды при высокотемпературной газификации, нагрев твёрдых теплоносителей производится путём сжигания всей пиролизной массы в кислороде, получаемом при электролизе воды, синтезируемой в процессе сушки биологической массы.