Биотехнологическая рекуперация лигносульфонатов

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические аспекты химико-технологической переработки лигноцеллюлозных отходов в России

1.1. Текущее состояние и перспективы развития сульфит-целлюлозного производства в контексте стратегии Минпромторга РФ

1.2. Физико-химическая характеристика лигносульфонатов и нормативные требования к их утилизации (ФЗ-89, СанПиН)

1.3. Биотехнологический катализ как основа экологически безопасной рекуперации вторичных полимеров

Глава 2. Аналитическое исследование эффективности методов переработки отходов лесохимического кластера

2.1. Характеристика сырьевой базы и существующих технологических схем очистки сточных вод на российских ЦБК

2.2. Экспериментальное исследование кинетики биодеградации лигносульфонатов под действием оксидоредуктаз

2.3. Оценка влияния технологических параметров на константу скорости и энергию активации процесса

Глава 3. Инженерно-технологическое обоснование системы рекуперации лигносульфонатов

3.1. Проектирование химико-технологической схемы и расчет материально-тепловых балансов установки

3.2. Подбор реакторного оборудования и расчет интенсивности массопереноса в биохимическом аппарате

3.3. Мероприятия по обеспечению техносферной безопасности и оценка соответствия решения принципам НДТ

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Биотехнологическая рекуперация лигносульфонатов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена стратегическими задачами развития лесопромышленного комплекса Российской Федерации и необходимостью внедрения принципов циркулярной экономики в целлюлозно-бумажной промышленности. Сульфитная варка целлюлозы, занимающая около 15% от общего объема производства товарной целлюлозы в России, сопровождается образованием значительных количеств лигносульфонатов – водорастворимых производных лигнина, концентрация которых в отработанных щелоках достигает 50-70 г/дм³ [1, c. 24]. Ежегодно отечественные целлюлозно-бумажные комбинаты генерируют более 1,2 млн тонн лигносульфонатов, из которых лишь 25-30% находят применение в качестве технических лигносульфонатов, остальные же сбрасываются в водные объекты после недостаточной биологической очистки или подвергаются огневому обезвреживанию [12, c. 89]. Данная ситуация вступает в противоречие с требованиями Федерального закона № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», предписывающего максимальное вовлечение вторичных ресурсов в хозяйственный оборот, а также с положениями Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ № 312-р от 11 февраля 2021 года.

Проблема рационального использования лигносульфонатов усугубляется их высокой биохимической устойчивостью, обусловленной наличием ароматических структур с метоксильными и сульфогруппами, что затрудняет биологическую очистку сточных вод традиционными методами активного ила [18, c. 134]. Современные физико-химические методы деструкции лигносульфонатов – озонирование, хлорирование, пероксидное окисление – требуют значительных энергетических и материальных затрат, что снижает их экономическую привлекательность для внедрения на действующих предприятиях [23, c. 201]. В этой связи биотехнологические подходы к рекуперации лигносульфонатов, основанные на использовании ферментных систем оксидоредуктаз – лакказ, пероксидаз, тирозиназ – представляются перспективным направлением, сочетающим экологическую безопасность с возможностью получения ценных низкомолекулярных продуктов и модифицированных полимеров с улучшенными функциональными свойствами.

Степень разработанности проблемы в отечественной научной литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований в области химии лигнина, выполненных научными школами РХТУ им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), Института химии Коми научного центра УрО РАН, а также прикладных разработок специализированных отраслевых институтов – ОАО «ЦНИИбумпром», ОАО «НИИхимполимер». Вместе с тем, работы по направленной биокаталитической трансформации лигносульфонатов с применением иммобилизованных ферментов и реакторных систем непрерывного действия остаются фрагментарными и не доведены до стадии промышленной реализации [27, c. 56]. Существует необходимость в комплексном исследовании кинетики ферментативной деполимеризации лигносульфонатов, определении оптимальных технологических параметров процесса и разработке инженерного решения, обеспечивающего экономическую целесообразность внедрения биотехнологической рекуперации в производственную практику отечественных целлюлозно-бумажных предприятий.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка научно-обоснованного инженерно-технологического решения по биотехнологической рекуперации лигносульфонатов из отработанных сульфитных щелоков на основе ферментативного катализа с применением оксидоредуктаз.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: – проанализировать современное состояние и перспективы развития сульфит-целлюлозного производства в Российской Федерации в контексте требований наилучших доступных технологий; – систематизировать физико-химические свойства лигносульфонатов и нормативные требования к обращению с отходами лесохимических производств; – исследовать кинетические закономерности биодеградации лигносульфонатов под действием ферментных препаратов оксидоредуктаз; – установить влияние технологических параметров процесса на скорость и глубину биокаталитической трансформации лигносульфонатов; – разработать химико-технологическую схему установки биотехнологической рекуперации лигносульфонатов с расчетом материально-тепловых балансов; – выполнить инженерный расчет реакторного оборудования и оценить технико-экономическую эффективность предлагаемого технологического решения.

Объектом исследования является технологический процесс рекуперации лигносульфонатов из отработанных сульфитных щелоков целлюлозно-бумажного производства.

Предметом исследования выступают кинетические закономерности ферментативной деполимеризации лигносульфонатов и технологические параметры биокаталитического процесса их трансформации.

Методологическая база исследования включает теоретические положения химической кинетики гетерогенно-каталитических процессов, основы биохимии ферментативного катализа, методы расчета химических реакторов идеального смешения и идеального вытеснения, принципы материально-теплового баланса химико-технологических систем, положения теории массопереноса в биохимических реакторах. Аналитическую базу составляют спектрофотометрические методы определения активности оксидоредуктаз, гель-проникающая хроматография для оценки молекулярно-массового распределения продуктов деполимеризации, методы химического кислородного потребления для оценки степени биодеградации органических соединений. Нормативную основу работы формируют положения Федерального закона № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод», ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Пожарная безопасность технологических процессов», информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 1-2015 «Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона»

…