Переработка отходов микробиологических производств с получением пенообразующих препаратов для строительной индустрии

Получен белковый пенообразователь на основе протеинсодержащего шламового отхода производства лимонной кислоты - отработанного мицелия гриба Aspergillus niger путем щелочного гидролиза в условиях СВЧ-поля. Применение СВЧ-поля позволяет сократить длительность гидролиза в 6 раз, а, следовательно, и энергоемкость получения при сохранении высоких свойств пенообразователя. При повышенных значениях мощности СВЧ-поля происходит нарушение равновесия разрушенных и не разрушенных форм белка и, соответственно, ухудшение свойств получаемого пенообразователя. Оптимальные условия: мощность 700 Вт и длительность 20 минут, ККМ – 1,5 – 2,0 %, кратность – 15-20, стабильность – до 50 минут.

Целью данной работы является получение белковых пенообразователей для производства теплоизоляционных строительных материалов путем гидролиза мицелиальных отходов производства лимонной кислоты в условиях СВЧ-поля. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи исследования:
- установление оптимальных условий осуществления щелочного гидролиза мицелиальных отходов производства лимонной кислоты в условиях СВЧ-обработки;
- определение основных свойств получаемых амфолитных пенообразующих препаратов;
- снижение себестоимости получаемого продукта за счет использования цементной пыли в составе щелочного компонента;
- использование солей тяжелых металлов в качестве стабилизирующих добавок белковых пленкообразующих препаратов;
- влияние разработанных белковых пенообразователей на сроки схватывания гипсовых и цементных вяжущих.

Из всех пенообразователей для получения ячеистых  бетонов особое место занимают белковые. Хотя им свойственно непостоянство химического состава и ограниченные сроки хранения, но они являются дешевыми и экологически чистыми препаратами.  А также дают устойчивую пеноцементную массу, что обеспечивает высокие физико-механические свойства ячеистым бетонам пониженной плотности. Нехватка сырья и энергоёмкость процессов получения сдерживают их широкое производство. Поэтому поиск новых технологических решений позволит расширить производство пенообразователей и пенобетонов на их основе.  Мицелиальные отходы микробиологических производств пищевой и фармацевтической промышленности, содержащие до 50% белка, являются перспективным сырьем.

В качестве протеинсодержащего сырьевого компонента в работе использовали мицелий - отработанную биомассу гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты ЗАО «Цитробел» относительной влажностью 70 % и плотностью 900 кг/м³. Массовая доля сырого протеина составляет 7 %. Объем образования данного отхода - до 6 тысяч тонн в год.

В качестве щелочного компонента использовали Са(ОН)₂ и пыль, образующуюся при очистке отходящих газов обжиговых печей цементного производства.

В качестве стабилизирующих добавок использовали растворы CuSO₄ и FeSO₄.

Соотношение основных сырьевых компонентов щелочного гидролиза - вода : мицелий : Са(ОН)₂ = 500 : 100 : 28 по массе.

Кратность пены определяли как отношение объема пены к объему водного раствора пенообразователя. Стабильность определяли как время существования пены до начала истечения жидкости. Пену готовили с помощью скоростного смесителя при скорости вращения вала 2000 мин^-1.

Поверхностное натяжение водных растворов пенообразователей определяли по методу наибольшего давления пузырька воздуха через 15 минут после приготовления растворов (время, необходимое для установления равновесия на границе жидкость – воздух).

 

В основе процесса получения белковых пенообразующих препаратов лежит длительный высокотемпературный щелочной гидролиз – длительность более 2 часов при температуре 95-97ºС. С целью уменьшения длительности обработки сырьевой смеси, а, следовательно, и снижения энергоемкости процесса предложен новый способ обработки – в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ).

Но для материалов, обрабатываемых в СВЧ-поле, подбор режима обработки проводится индивидуально, поэтому на первом этапе работы проводили исследовании по установлению оптимальных режимов СВЧ-обработки – мощности и длительности процесса. Параметрами оптимизации были кратность и стабильность пены.

Исследовали мощность СВЧ-обработки 700 и 900 Вт, длительность изменяли от 5 до 25 минут. Полученные результаты показали, что в качестве оптимального режима  можно принять мощность 700 Вт и длительность 20 мин. При увеличении мощности обработки до 900 Вт и длительности процесса стабильность пены снижается при высокой ее кратности. Этот эффект объясняется с позиции пептидной теории Э. Фишера, согласно которой в процессе кислотного или щелочного гидролиза белка образуются стехиометрические количества титруемых СООН- и NH2-групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.

Как известно, оптимальные свойства многих ПАВ наблюдаются в области критической концентрации мицеллообразования (ККМ). В связи с этим было определено значение ККМ пенообразователя по зависимости поверхностного натяжения и удельной электропроводности раствора от его концентрации. Готовили серии растворов пенообразователей с концентрациями от 0,5 до 3,0%, которые получали упариванием и разбавлением исходных растворов. Согласно экспериментальным данным для белкового пенообразователя, полученного на основе мицелиальных отходов производства лимонной кислоты в условиях СВЧ-поля, значение ККМ находится в интервале 1,5 -2,0%. При этом значении ККМ пена характеризуется как очень жесткая, сухая с кратностью – 15 и устойчивостью – 5 мин, полидисперсная с преобладанием крупных пузырьков диаметром 0,25-0,45 мм, также фиксируются мелкие сферы с размером 0,05-0,15 мм.

Дальнейшие исследования проводили по использованию цементной пыли в составе щелочного компонента. Содержание пыли варьировали в интервале от 5 до 15%. Оптимальное количество цементной пыли, обеспечивающее сохранение кратности и стабильности получаемой технической пены  - 5%.

С целью увеличения продолжительности существования пены в состав пенообразователя вводили растворы солей тяжелых металлов - сульфаты меди и железа. Наиболее перспективным является использование  в качестве стабилизатора раствора сульфата меди, что обеспечивает увеличение стабильности  пены до 50 мин.

1. Василенко М.И., Старостина И.В. Отходы микробиологических производств – потенциальное сырье для получения пенообразователей, использующихся в строительной индустрии //Фундаментальные исследования: мат-лы научных конфер. , 2004. №3. С. 99-101.
2. Кучкин Е.Г. Особенности производства пенобетона и современное оборудование // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2003. № 4. С.115.
3. Сахаров Г.П., Курнышев Р.А. Потенциальные возможности неавтоклавных поробетонов в повышении эффективности энергосберегающих конструкций //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. № 4. С.22-24.
4. Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В., Мирошников Е.В., Шаповалов Н.А. Оценка эффективности применения наноструктурированного вяжущего при получении легковесных ячеистых композитов//Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2011. №4. С. 48-51.

Studies were conducted on obtaining protein-based foam sludge waste containing protein production of citric acid by alkaline hydrolysis in microwave processing. The feedstock used mycelium - waste biomass fungus Aspergillus niger. The use of high-frequency electromagnetic field can reduce the duration of hydrolysis of 6, and hence the energy getting foam at constant properties. It is shown that the increased value of the power of the microwave field leads to the destruction of excess protein molecules, which is accompanied by an imbalance of the destroyed or damaged forms of the protein and, therefore, the resulting deterioration of the foam formulation. For optimal conditions adopted: power 700 W and 20 minutes duration. The critical micelle concentration - 2 - 1.5%, frequency - 15, and stability - 50 minutes.