Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0037

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0037
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
Разработка новой отечественной комплексной технологии получения полилактида (биоразлагаемого полимера), базирующейся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья
Докладчик
Швец Валерий Федорович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Разработка новой комплексной технологии получения полилактида (биоразлагаемого
полимера), базирующейся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья,
обеспечивающей многократное повышение производительности биокаталитической
стадии, существенное снижение нормы образования отходов сульфата кальция, получение
полилактида высокой молекулярной массы при высокой степени конверсии лактида.
Задачи:
1. Исследование закономерностей и оптимизация всех технологических стадий в цепочке получения полилактида, включающей: ферментацию с получением молочной кислоты, очистку молочной кислоты методом нанофильтрации, синтез бутиллактата, синтез лактида, полимеризация лактида.
2. Диверсификация сырья для химической промышленности (замена ископаемых источников на возобновляемые).
3. Снижение экологической нагрузки от полимерного мусора
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта:
1. Обеспечение устойчивого развития химической промышленности за счет замены нефтяного сырья, демонстрирующего высокую степень волатильности цен, на возобновляемое сырье. Урожай зерновых в России имеет устойчивый прирост и намного превышает потребность в пище и кормах.
2. Решение экологической проблемы полимерного мусора.
Научная новизна:
- Использование мембранного биореактора в отъемно-доливном режиме;
- Условия ферментации, обеспечивающие достижение конверсии в молочную кислоту до 95%, повышение производительности до 50 г/л/ч и более (в 10 раз выше, чем в существующих технологиях), снижение потребления ростовых факторов, многократное снижение отходов избыточной биомассы;
- Технология выделения молочной кислоты через бутиллактат, что приводит к исключению отходов гипса;
- Получение лактида полимеризационной чистоты из бутиллактата с рециклом катализатора;
- Одностадийная полимеризация лактида в экструдере.
Описание исследования

Для проведения исследований были разработаны и изготовлены уникальные лабораторные исследовательские установки: мембранный биореактор; мембранно-фильтрационная установка для очистки культуральной жидкости; установка синтеза бутиллактата; установка очистки лактида.

Были разработаны программы и методики испытаний исследовательских установок и лабораторных образцов продукции, соответствующие современным требованиям к показателям качества процессов и целевых веществ. Все установки и лабораторные образцы полностью выдержали испытания.

Для ферментации молочной кислоты (в виде лактата аммония) использовался мембранный биореактор, работающий непрерывно в отъемно-доливном режиме. Были определены условия, позволяющие многократно повысить производительность ферментации, снизить расход ростовых факторов, количество отходов биомассы, значительно увеличить степень конверсии молочной кислоты. Было показано, что для получения молочной кислоты разработанным методом может быть использовано дешевое сырье - меласса сахаро-свекловичного производства. Были определены состав и количество образующихся отходов и стоков.

С использованием мембранно-фильтрационной установки разработан способ очистки культуральной жидкости (продукта ферментации) от высокомолекулярных органических примесей, который позволяет с высокой эффективностью проводить синтез бутиллакта - промежуточного продукта для получения лактида.

Разработан способ прямого синтеза бутиллактата из очищенной культуральной жидкости в колонном реакторе непрерывного действия. Разработанный способ исключает образование отходов сульфата кальция, что является недостатком всех современных производств молочной кислоты.

Для получения лактида был использован путь синтеза его из бутиллактата. Этот способ позволяет получать лактид полимеризационной чистоты с содержанием примесей молочной кислоты не более не выше 10-6 моль/г, что обеспечивает получение поликтида (биоразлагаемого пластики) с молекулярной массой не менее 100 кДа. На лабораторной исследовательской установке по очистке лактида методом выплавления примесей подобраны оптимальные условия процесса очистки лактида.

Для получения полилактида был разработан одностадийный способ полимеризации лактида в экструдере. Были найдены оптимальные технологические параметры, позволяющие получать полимер, отвечающий требованиям ТЗ к механическим и термо-физическим показателям конечного полимера.

Был смасштабирован, смонтирован и пущен в эксплуатацию экспериментальный образец установки получения молочной кислоты методом ферментации в мембранном биореакторе, включающем ферментер объемом 300 л. Наработан опытный образец молочной кислоты, удовлетворяющий всем показателям качества, регламентируемым разработанной программой и методиками испытаний.

Результаты исследования

Разработан новый способ ферментации с получением молочной кислоты со следующими показателями:
1) удельная производительность биокаталитической стадии – до 50,6 г/л/ч , что в 10 раз превышает производительность современных производств.
2) концентрация молочной кислоты в продуктах биокаталитической стадии –
100-110 г/л, что соответствует уровню современных действующих производств.
3) выход молочной кислоты из субстрата – 90-98%, что соответствует уровню современных производств.
4) В разработанном методе количество образуемой избыточной биомассы составляет не более 4,5 г/кг молочной кислоты, что ниже в 10 раз по сравнению с традиционным методом периодического
культивирования при полном отсутствии гипса как отхода.
5) В оптимальных условиях образующейся культуральной жидкости, содержащей
молочную кислоту, содержится суммарно не более 2,5 г/л побочных продуктов
биосинтеза. Суммарное количество загрязнений, образуемых на стадии биосинтеза,
составляет:
- по ХПК – не более 30 г/кг получаемой молочной кислоты;
- по азоту (в пересчете на аммонийный азот) – 0,3 г/кг получаемой молочной
кислоты.
По сравнению с традиционным методом в разработанном методе количество
образуемых отходов на стадии биосинтеза ниже:
– по твердым отходам – в 170 раз;
– по образуемой избыточной биомассе – в 10 раз;
– по взвешенным веществам, сбрасываемым со стоками – в 1,5 раз;
– по аммонийному азоту, фосфатам, ХПК, минеральным солям – в 25–30 раз.

6) Способ получения лактида позволяет экономить ресурсы на стадии выделения мономера полимеризационной чистоты.

7) Разработанный одностадийный способ полимеризации позволяет снизить металлоемкость и энергоемкость производства по сравнению с существующими аналогами.
 

Практическая значимость исследования
Впервые в России разработана новая комплексная технологии получения полилактида (биоразлагаемого
полимера), базирующаяся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья,
обеспечивающей многократное повышение производительности биокаталитической
стадии, существенное снижение нормы образования отходов сульфата кальция, получение
полилактида высокой молекулярной массы при высокой степени конверсии лактида.
Внедрение результатов проекта в промышленность позволит решить проблемы:
- Диверсификации сырья для химической промышленности (замена ископаемых источников на возобновляемые);
- Снижения экологической нагрузки от полимерного мусора.