Производство удобрений из растительного сырья

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. Производство удобрений из органического сырья. 5

2. Растительное сырьё. 10

2.1 Жиры и масла. 10

2.2 Лесохимическое сырьё. 11

2.3 Сахаристые вещества. 14

3. Отчёт о патентных исследованиях. 19

4. Технологические схемы.. 22

4.1 Способы переработки древесных отходов. 22

4.2 Способы переработки пищевых отходов. 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 28

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 29

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В качестве темы научно-исследовательской работы была выбрана тема «Разработка технических решений при производстве удобрений из отходов древесины, обрези кустарников, сельскохозяйственных и пищевых отходов».

В Законе Российской Федерации от 10 января 2002 г. «Об охране окружающей среды», в Федеральном законе «Об отходах производства и потребления», в задачах, поставленных Указом Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», определена стратегия решения вопросов охраны окружающей среды на данном этапе развития научнотехнического прогресса. Реализация программы связана с организацией экологически безопасного и безотходного производства, расширением ресурсных возможностей за счет внедрения энергоресурсосберегающих технологий, позволяющих рационально использовать первичные сырьевые ресурсы, комплексно перерабатывать вторичные сырьевые ресурсы с превращением их в новые полезные продукты с максимальным сохранением в них баланса ценных компонентов сырья [18]

Целью данной _сумме научно-исследовательской _газа работы _натрия являются:

1) составление литературного обзора;

2) поиск патентов, соответствующих теме исследования;

3) анализ технологических схем, позволяющихпереработать органическое сырье в удобрения.

Производство удобрений из растительного сырья

Широкое применение в тепличном производстве получили древесные отходы (кора, опилки). Органические фунты на их основе — рыхлые, крупнопористые. При эксплуатации таких грунтов необходимо тщательно следить за азотным режимом, а также за обеспечением растений водой, так как они отличаются неблагоприятным соотношением углерода и азота и недостаточно влагоемки (соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз 15: 45: 40) [2].

Древесные опилки имеют высокую влаго- и воздухопроницаемость, низкую объемную массу. Их можно использовать в качестве субсфата, а также как рыхлящий материал и составную часть разнообразных компостов. I м3 древесных опилок содержит в растворимой форме 20 г азота, 20—30 г фосфора, 150—200 г калия, 50—90 г магния, 240 г кальция [2].

Опилки очень быстро минерализуются и вследствие биологического поглощения азота наблюдается азотное голодание растений. Поэтому для стимулирования бактери&тьной флоры необходимо вносить азот (1 кг/м3). Как рыхлящие материалы опилки добавляют в фунты в дозе 200—300 т/га. Опи- лочные грунты могут использовать 5—6 лет [2].

Древесная кора неоднородна по своему строению и химическому составу. Ее лубяная часть составляет 30—40% массы и содержит большое количество легкоразлагающихся веществ — Сахаров, крахмала, целлюлозы, ICM и целлюлозы.

Наружная часть — (кора) состоит из онробковевших и лигнинофициро- ванных клеток и тканей. Необходимо предварительное компостирование коры, чтобы произошло микробное окисление органических веществ. Кора бедна азотом (С: N = 150: 1), что сдерживает микробные окислительные процессы. Поэтому ее компостируют с удобрениями (0,25% P,Os и 2% N на 1 т сухой коры). Компосгы из коры обладают высокой пористостью, большой поглотительной способностью, упругостью и высокой фильтрационной способностью. Их используют в качестве субстрата и улучшителя физических свойств тепличных фунтов (200—-300 т/га). При использовании коры необходимо тщательно следить за содержанием азота в грунте и своевременно применять азотные подкормки. Норма азота 0,12% к сухой массе компоста. Кору можно смешивать с торфом (1: 2; 1: 3), навозом (5—6: 1), птичьим пометом (10: 1) [2].

Одубина — ценный органический материал, древесный отход при получении дубильных экстрактов. Она содержит лигнина 35—45%, целлюлозы 25-35%, водорастворимых веществ 5—7%; се влажность 65—75%. Для использования в теплицах одубину компостируют 2—3 месяца. Перед компостированием вносят на 1 м3 3—4 кг извести, 0,7 азота, 0,2 калия, 0,2 кг фосфора. Компост добавляют к фунту для улучшения физических свойств (200—300 т/га). Из-за высокого отношения С: N (35—60: 1) требуются азотные подкормки и агрохимический контроль за уровнем азотного питания [2].

Гидролизный лигнин — отход гидролизного производства. Возможность использования в теплицах обусловлена его хорошими водно-физическими свойствами и большой поглотительной способностью (100 мэкв на 100 г сухого вещества). Гидролизный лигнин — рыхлая сыпучая масса (до 90% частиц размером менее 5 мм), содержит 60—70% лигнина, 0,5-2,0% легкоразде- ляюшихся компонентов (органические кислоты, моносахара, жиры, смолы и неотмытую серную кислоту) [2].

Перед использованием лигнин необходимо нейтрализовать до рН 6,0-7,0. На 1 т лигнина (влажность 65%) фебуется 5—8 кг извести (100% СаО). Перед компостированием на 1 т сухой массы вносят 0,75% азота, 0,11% фосфора. Выдерживают в буртах 2—4 месяца. Компостированный лигнин можно использовать в качестве субстрата и для улучшения физических свойств тепличных грунтов в дозе 200—300 т/га.

Важным показателем водных и физических свойств фунта является наименьшая влагоемкость, которая определяется ежегодно методом затопления площадок водой, зависит от состава фунта и содержания органического вещества. Оптимальная влажность грунта для различных культур по периодам роста и развития в зависимости от освещенности и других факторов устанавливается в процентах от НВ.

Для правильной оценки физических свойств грунтов необходимо знать и соотношение в них фаз — твердой (ТФ), жидкой (ЖФ) и газообразной (ГФ). Оптимальное соотношение фаз в тепличных фунтах не может быть неизменным для всех грунтов. На минеральных фунтах с содержанием органического вещества менее 10% может быть соотношение фаз 1: I: 1. но в органических и органом и неральных грунтах жидкая и газообразная фазы преобладают, что создает более благоприятные условия для роста и развития тепличных культур.

Уменьшить твердую и увеличить газообразную фазу можно внесением органических материалов, например опилок. Для увеличения жидкой фазы в состав грунта включают торф, так как он обладает высокой водоудерживаю- щей способностью. Добавление в состав грунтов песка способствует уменьшению жидкой фазы, а добавление суглинистой почвы уменьшает газообразную и увеличивает твердую фазу

Плодородие тепличных фунтов в значительной степени определяется степенью аэрации. В фунте с хорошей комковатой структурой лучше происходит газообмен, одновременно протекают процессы разложения и синтеза. Углекислый газ свободно поступает в атмосферу, а в почву поступает кислород. При плохой структуре (диамеф афегатов меньше 0,5 мм) и переувлажнении газообмен затрудняется. Достаточный газообмен возможен лишь в грунтах, имеющих газообразную фазу не ниже 20% объема, а оптимальный — при 20—30% объема. Оптимальным уровнем влажности для культуры огурца принимают 40—50% объема грунта, а для томата — 30—40%.

Реакция почвенной среды, или ее кислотность, определяет степень усвоения растениями питательных веществ, рост и развитие растений. Кислые или щелочные почвы не пригодны для теплиц без дополнительной корректировки. При создании тепличных грунтов и внесении удобрений кислотность регулируется путем известкования и внесения удобрений с физиологически кислой или щелочной реакцией. В течение вегетационного периода рН изменяется, причем тем сильнее, чем меньше насыщенность почв основаниями. Поэтому внесение доломитовой муки производят не по величине рН водной вытяжки, а по половине гидролитической кислотности.

Концентрация почвенного раствора является одним из основных показателей пригодности тепличных фунтов. Внесение в них необоснованно высоких норм удобрений при отсутствии дренажа или при его неудовлетворительной работе резко повышает концентрацию солей. При высокой степени насыщенности основаниями, адсорбция катионов коллоидами ограничена, и минеральные элементы поступают в раствор, повышая осмотическое давление. В корнях тепличных растений осмотическое давление сосущей силы может достигать 490 кПа. Пели осмотическое давление почвенного раствора выше этой величины, прекращается поглощение воды, и растения увядают, могут появиться ожоги на листьях, а при более остром нарушении наступает плазмолиз, приводящий к гибели растения.

Измерить осмотическое давление почвенного раствора трудно, поэтому измеряют его электропроводность, находящуюся с осмотическим давлением в прямой зависимости. Электропроводность зависит главным образом от концентрации ионов в растворе; на ее величину не влияют питательные вещества, находящиеся в обменном состоянии. Удельная электропроводность измеряется в милнсименсах на 1 см — мСм/см. Норматьное содержание водорастворимых солей в грунте составляет 1,0—2,0 мСм/см, что соответствует обшей концентрации их 0,7—1,5%.

Уровень обеспеченности тепличных грунтов элементами питания также, является важным условием получения высоких урожаев. С целью оценки иотенциатьного плодородия и рационального упраазения условиями питания тепличных культур проводится предложенная НИИОХом (С. И. Шуни- чев и Г. М. Кравцова) бонитировка тепличных фунтов. Бонитировка грунта — это сравнительная оценка почв по их производительности, выраженная в количественных показателях (бандах). За бонитировочный стандарт принимают фунт со следующими показателями: мощность слоя 25—35 см; содержание органического вещества 20—30%; средняя плотность 0,4—0,6 г/см3 нормальный уровень содержания N, Р, К, Са, Mg и общего содержании водорастворимых солей; рН водной вытяжки 6,2—6.5: хорошо работающий дренаж и отсутствие глеевого слоя выше 1 м.

 

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.

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.

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.

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 [6].

Путём переработки веществ из древесины можно получить самые разные продукты.

Рис. 2. Общая схема химической переработки древесины

в целлюлозно-бумажном производстве

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.

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.

Перечисленные химические элементы образуют одно из основных органических веществ:

1) целлюлозу;

2) лигнин;

3) гемицеллюлозу.

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 [7].

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 [5].

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 [5].

Приблизительная брутто-формула лигнина – (С₃₁H₃₄О₁₁)_n [5].

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.

Гемицеллюлоза – это, по сути, целая группа полисахаридов, в которую входят и пентозаны (С₅H₈О₄)_n, и гексозаны (С₅H₁₀О₅)_n. [7].

К гемицеллюлозам относят и нецеллюлозные полисахариды клеточных стенок. В отличие от целлюлозы, они способны растворяться в водных растворах щелочей и без труда подвергаются гидролизу [7].

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.

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).

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.

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.

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

 

Рис. 5. Структурные формулы многоатомных спиртов:

рибитол (а) и галактитол (б)

В медицине моносахаридам нашлось широкое применение. Глюкозу применяют и для получения аскорбиновой кислоты (широко известной как витамин «С») [9].

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

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.

Мальтоза  образована из двух остатков D-глюкопиранозы:

Рис. 6. Структурная формула мальтозы

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

Рис. 7. Структурная формула сахарозы

Дисахариды используются как наполнитель на фармацевтических предприятиях.

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

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 [11].

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 [11].

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

Рис. 9. Структурная формула муреина (гетерогликана) [12]

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 [12].