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 – Сm(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. |