Охарактеризуйте источники, а также основные компоненты растительной сырья, подлежащей переработке для получения продуктов с добавленной стоимостью

• Название: Охарактеризуйте источники, а также основные компоненты растительной сырья, подлежащей переработке для получения продуктов с добавленной стоимостью
• Дата: 03.02.2022
• Размер: 386.02 Kb.
• Имя файла: Pererabotka.docx
• Тип: Документы; #350514

1. 
   Охарактеризуйте источники, а также основные компоненты растительной сырья, подлежащей переработке для получения продуктов с добавленной стоимостью.
   

3.3 *10⁹ углерода, и 40% - угдерод растительной биомассы.
Источники раст. биомассы:
- Лесные отходы (обработка до мо- ди- сахаридов, может образовать лигнин)
- С/х отходы - отходы зерновых, картофеля, свелы, горох, подсолнечник, ягоды и плоды, пивная дробина
- Отходы от производства тканей - шелуха, стебли
- Торф (бактериальные вещества)
Растительное сырье для переработки включает в себя: древесину, картофель, подсолнечник, сахарную свёклу, хлопок, лен
Состав:
- До 70% углеводная часть (полисахариды (целлюлоза и гемицеллюлоза))
- До 20-23% ароматическая часть (лигнин)
- Экстрактивные вещества

2. 
   Охарактеризуйте в общих чертах строение и свойства лигнина. Какие типы связей наиболее распространены в молекуле лигнина, а также между лигнином и полисахаридами?
   

Лигнин-вещество образующиеся в период одревеснения (в конце роста растительной ткани), является полимеров, мономером которого являются (пара-кумаровый спирт, синаловый спирт, канифериловый спирт)

Аморфный нерегулярно построенный мономер, ароматической природы, имеет неразветвленную структуру, легко подвергается внешнему воздействию. Самый трудно деградируемый биополимер.
Типы связей :
- β-алкиларильная связь 50-60%
- Бифенильная связь 6-11%
- Фенилкумариновая связь 6-12%
Доп. Связи
- 1-2-диарилпропановая 7%
- α-алкиларильная 6-8%
- Диарилэфирная 3,5-6,5
- β-β связная структура 2-3%
Связи лигнина и полисахаридов:
- Сложноэфирная
- Простаяэфирная
- Фенилгликозидная

3. 
   Назовите преимущества и недостатки механической предобработки растительных субстратов. Перечислите способы немеханического воздействия, в чем заключается эффект воздействия в каждом случае?
   

Методы предобработки растительного сырья :
- Физические
- Химические
- Ф-х
- Биологи́ческие
Цели:
- Разделение лигнина и полисахаридов
- Увеличение поверхности субстратов
- Уменьшение степени кристаличности целлюлозы
Любой метод должен быть экономичным и экологически безопасным
Механический метод - измельчение
+: одностадийный процесс, не требует доп. Реагентов , не создаёт отходы, универсален
-: энергозатраты
Не механические методы (действие излучений, ультра звука, давления изменения температуры)

4. 
   Классификация методов предобработки растительных субстратов. К каким методам обработки растительных субстратов относится метод парового взрыва и почему? В чем сущность метода парового взрыва, его достоинства и недостатки?
   

Методы предобработки растительного сырья:
- Физические
- Химические
- Ф-х
- Биологи́ческие
Метод парового взрыва относиться к Ф-х методам (взрывной авто гидролиз). 187-240°С, 1,2-3,4 МПа
В реактор загружается сырье, затем подаётся острый пар, сырье нагревается, появляется катализатор (муравьиная кислота в ходе трансформации моносахариды из полисахаридов) , происходит гидролиз (сначала слабых связей между лигнином и целлюлозой), затем резкое падение давления до атмосферного - разделяются фибрилы целлюлозы
+: не вноситься Kt, используется, Kt из продуктов ; получается лигнин (низкая молекулярная масса),
-:не может быть использовано для производства бумаги

5. 
   Охарактеризуйте существующие химические методы предобработки растительных субстратов. Укажите достоинства и недостатки каждого метода.
   

- Избирательное растворение одного из компонентов.
Целлюлоза растворяется в конц. кислотах (серная, hcl), растворения помогают комплексные соединения Me. (эстилендиамин, биурет). Снизить мол. массу целлюлозы помогают катализаторы.
- Набухание - увеличение площади поверхности субстрата, с помощью использования неорганических солей (комплексные соли, CNS^-, J^-, ZnCl^4-), щелочи (NaOH), различные амины.
- :образуются продукты, которые необходимо удалять для дальнейшего взаимодействия с веществом.
- Сульфатная и сульфитная варка. - замещение OH^- на SO₃H^- в молекуле лигнина. В процессе происходит деструкция лигнина и образуются лигниновые остатки, которые переходят в сульфо кислоты
-: образуются дурнопахнущие и токсичные продукты

6. 
   Какие ферменты входят в состав целлюлазного комплекса, и как сочетается их действие? Что означает понятие «синергизм» по отношению к действию ферментов (приведите пример)?
   
7. 
   Как классифицируются целлюлолитические ферменты по адсорбционной способности? Зависит ли способность аморфной/кристаллической целлюлозы к гидролизу от прочности адсорбции целлюлаз (ответ обосновать)?
   

На поверхности кристаллической целлюлозы:

слабосорбционная прочносорбционная

(целлобиаза) (глюконазы)

Чем выше кристалличность целлюлозы, тем она труднее гидролизуется слабо адсорбирующимися ферментами, но хорошо гидролизуется прочно адсорбирующимися ферментами при той же их концентрации. Если для гидролиза аморфной целлюлозы важна только активность используемого ферментного препарата, то для гидролиза кристаллической целлюлозы более важным является способность целлюлаз адсорбироваться на поверхности субстрата. Скорость ферментативного гидролиза кристаллической целлюлозы определяется правилом "лучше адсорбция – лучше гидролиз"

Чем больше длина цепи, тем она активней. Для разной целлюлозы гидролиз зависит по-разному. Последствия гидролиза: гидролиз начинают с разрушения поверхности аморфных участков.

Активный центр представляет собой тоннель в котором содержаться остатки аминокислот. В активном центре можно выделить несколько участков, выполняющих разные функции. В активном центре есть каталитический центр, который делит активный центр на 2 части: гликоновая часть и агликоновая часть. Перед каталитическим центром есть барьерный субсайт, блокирующий продвижение невосстанавливающего конца субстрата вглубь фермента, а количество связывающих сайтов гликоновой части активного центра определяет длину отщепляемого продукта. (1 - для глюкогидролаз, 2 - для целлобиогидролаз и т.д.). После местоположения расщепляемой связи следуют несколько связывающих сайтов агликоновой части. В активном центре осуществляется кислотно-основной катализ, при котором функциональные группы выступают как доноры или акцепторы протонов (кислоты и основания Бренстеда). Механизм, протекающий с сохранением β-конфигурации, выглядит следующим образом: протондонорная группа атакует гликозидазный кислород, а отрицательно заряженная группа способствует гидролизу гликозидной части и стабилизирует карбоний аксониевый катион, в котором положительный заряд на С-1 атоме частично перераспределяется на кислород пиранозного кольца. Образуется тесная ионная пара, ориентированная в активном центре таким образом, что доступ молекулы воды возможен только со стороны уходящей группы. После десорбции агликона, со стороны уходящего остатка атом С-1 атакуется водой, ориентируемой депротонированной группой фермента А. В результате происходит сохранение β-конфигурации у пр одуктареакции, десорбирующегося последним из гликоновой части.
Для ферментативного катализа, протекающего с обращением конфигурации аномерного гидроксила у продуктов реакции в β -форму, предложен другой механизм. В этом случае С-1 атом атакуется не нуклеофильной группой фермента, а молекулой воды, координируемой в активном центре, нуклеофильность которой повышается благодаря взаимодействию с основной группой активного центра. Десорбция гликона должна происходить первой, после чего на его место диффундирует молекула воды, и лишь затем возможна десорбция агликона.

8. 
   Производство биоэтанола. Сырьевая база. Стадии производства и типы реакторов периодического действия для ферментативного гидролиза целлюлозы с целью получения биоэтанола.
   

Теплота сгорания 1370 кДж/моль

целлюлоза гидролиз(I) глюкоза брожение(II) этанол
можно осуществить 2 способами: 1) ферментативный и 2) химический

1. 
   Ферментативный
   

Целлюлоза подвергается предобработке (это не исходное сырье)



 Наиболее часто используется реактор периодического действия с перемешиванием, в который помещают субстрат и раствор целлюлазного препарата, а процесс гидролиза ведется в течение определенного времени с одной и той же исходной порцией субстрата и фермента. При такой конструкции реактора возникает проблема отделения продуктов реакции от ферментов (в случае, когда целевыми продуктами являются сахара), а также отделения непрогидролизованного остатка сырья. Кроме того, скорость реакции значительно уменьшается со временем из-за ингибирования продуктами — глюкозой и целлобиозой - и инактивации ферментов при перемешивании. Для отвода продуктов из зоны реакции предложено использовать ультрафильтрацию и добавлять в реактор по мере гидролиза свежие порции субстрата.

9. 
   Как можно осуществить полунепрерывный процесс ферментативного гидролиза целлюлозы? В чем заключается преимущество полунепрерывного процесса гидролиза по сравнению с периодическим?
   

В нутри реактора или снаружи находится полунепроницаемая мембрана. Процесс похож на перколяционный гидролиз. Но гидролизат мы отбираем постоянно и заменяем на буферный раствор.

Преимущества: полноту гидролиза можно повысить за счет отбора гидролизата.

Недостатки: прочная адсорбция целлюлаз в конце концов приводит к потере ферментов, т.е. они остаются на негидролизуемом сырье. Нужно либо вводить порцию свежего сырья, следовательно, смещать равновесие в сторону десорбции, либо обоготить ферментный препарат компонентами с понижающей адсорбционной способностью..

10. 
    Сущность работы противоточного реактора для непрерывного ферментативного гидролиза растительных субстратов. Каковы преимущества и недостатки ферментативного гидролиза растительных субстратов?
    

Проходит в аппаратах колонного типа с рубашкой.

Ферменты подводят с нижней части (буферный раствор, сод ферменты), сырье движется в противоположную сторону (заталкивается с помощью шнека).

Гидролизат постоянно отводиться---> ферменты не ингибируются продуктами реакций.

Не теряем ферменты (постоянная подача сырья)

Принцип дейстивия: целлюлаза сорбируется на поверхности субстрата. На выходе из аппарата концентрация продуктов гидролиза (сахаров) составляет 3-4,5%

Непрерывный процесс позволяет увеличить выход сахаров.

«-«-нельзя использовть древесные субстраты и стоимость ферментов

Преимущества: 1) специфичность ферментативного катализа, обуславливающая избирательный гидролиз гликозидных связей.

2. 
   Проведение процесса при низких температурах
   
3. 
   Малые энергетические затраты
   

Недостатки: 1) эффективность зависит от поверхностных характеристик

1. 
   Необходима предварительная обработка сырья
   

11. 
    Опишите сущность перколяционного гидролиза древесины, его преимущества и недостатки. В чем заключается отличие двухступенчатого гидролиза от перколяционного гидролиза?
    

Гидролиз серной кислотой в перколяторе.
Используется разбавленная серная кислота 0,2-1%. Температура 180-190°С. Давление 1-1,5 МПа

Объем перколятора от 18 до 160 м куб. в верхней части находится крышка и штуцер для растворителя. Чаще всего в нижней части находятся трубки с отверстиями.



Греют острым паром - это когда пар контактирует с самим материалом. Он подается снизу, 2-3 раза происходит сдувка смеси, после температура повышается 36-40 минут. После этого начинают подачу кислоты. Скорость подачи кислоты является величиной постоянной. Скорость потока регулир1уется взависимости от массы сырья. Нет смысла подавать кислоту с одинаковой скоростью.

Гемицеллюлоза целлюлоза глюкоза

Гидролиз

по массе аппарата судят об окончании гидролиза.

После окончания прекратить подачу кислоты. В аппарате остается лигнин, его можно использовать псоле промывания от кислоты в выращивание грибов. Его отстаивают после промывания-вытекание воды под давлением. Давление сбрасывают до 0,6-0,7 МПа. В нижней састи аппарата открывают люк и лигнин выстреливает. Из лигнина испаряется оставшаяся вода, фурфурол

Процесс гидролиза характеризуют гидромодули – это количество гидролизата, полученное за 1 процесс варки на 1 тонну сырья.

Vг-зат (м3)/mа.с.с (т)

Выход редуц. Веществ достигает 42% от mа.с.с.

Преимущества:

1) процесс проводится в периодическом процессе. Гидролиз идет в 1-ом аппарате.

2)в гидролизате содержится продукты гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы.

3) экономия теплоэнергоресурсов

4) из 42% ред. Веществ 93% это моносахариды.

Недостатки: 1) низкая производительность V=80м3 П=2,58 т/ч

Для непрерывного потока необходимо 11 аппаратов и то П=4,6 т/ч (не очень-то и много)

2)высокий расход энергоресурса

3) высокий гидромодуль 1/14

разбавление сильно, следовательно, Смоносах. = 2,8-3%, следовательно, Сспирт. = 1,5%

Сначала гидролизуют гемицеллюлозы, получают пентозы далее получаем глюкозу, гидролизируя целлюлозу.

Сырье смешивают с серной кислотой (10-15% )гидромодуль=0,2-0,3 и нагревают острым паром до 160-180°С, греют 2-3 часа. Происходит гидролиз гемицеллюлоз далее осуществляется перколяционный гидролиз целлюлозы.

12. 
    Понятие о «платформных химикатах», получаемых на основе растительного сырья. Типы платформ. Основные направления химической трансформации компонентов растительного сырья.
    

Платформа – это одно из химических веществ, которое является родоначальником группы веществ с похожей химической структурой.

Продукты переработки лигнина объединяют в 15 химических платформ:
1. Дикарбоновых кислот
2. Гидроксипропановой кислоты

3.
4. Глюкарбовой кислоты
5. Итановой кислоты
6.Аспартата
7.
8. Молочной кислоты
9. Ацетона, бутанола и этанола

10. Ксилозы
11. Глицерина
12. Сорбитала
13. Левулиновой кислоты
14. Гидроксибутиролактана
15.
Основным химическим превращением является уменьшение количества кислорода в молекуле, создание циклической структуры используется для получения топлив и органических растворителей, возможны введения других групп, гидрирование, окисление, хлорирование

13. 
    «Платформные химикаты», получаемые на основе микробиологической трансформации продуктов гидролиза растительных полисахаридов. Приведите примеры.
    

Платформа арпортана (аспоргиновой кислоты), получаеться микробиологически. Аспоргиновая кислота – источник для разных блоков химической промышленности.
Получают диалы, они могут быть … Тех полимеров, в которых содержаться эфирные связи, они легко биоразлагаються.
Платформа 3-гидроксипропановой кислоты, получаеться микробиологически. Дает путь для получения акриловой кислоты.
Платформа глутаминовой кислоты, получается микробиологически. Глутамат является пищевой добавкой, как усилитель вкуса. … как стартовая… для получения диалов, диаминов, полимеров.

Платформа итановой кислоты, получается микробиологически. Это крупнотоннажный синтез. Используется в синтезе… , а также в сочетании с другими, …поскольку итановая кислота безвредная и используется в медицине.

Платформа глицерина, получают микробиологически.

Из глицерина можно получить пропандиалы, из них …. 20% используется для производства получения полимера… с капролактаном, акриловой кислотой.
Платформа молочная кислота

14. 
    «Платформные химикаты», получаемые на основе химической трансформации продуктов гидролиза растительных полисахаридов. Приведите примеры.
    
15. 
    Лигнин как «платформный химикат». Продукты, получаемые на основе деградации лигнина, и области их практического использования. Понятие о бионефти.
    
16. 
    Карбонизация, торрификация, газификация и пиролиз как методы переработки растительного сырья: условия проведения процессов, получаемые продукты.
    
17. 
    Основные химические процессы, происходящие при пиролизе растительного сырья. Возможности использования катализаторов для повышения эффективности процессов пиролиза.
    
18. 
    Классификация процессов пиролиза растительного сырья. Как зависит выход горючих газов от температуры пиролиза и скорости нагрева сырья?
    
19. 
    Условия получения бионефти в качестве основного продукта пиролиза растительного сырья. Преимущества и недостатки использования бионефти в качестве замены традиционным жидким топливам.
    
20. 
    Условия получения бионефти в качестве основного продукта пиролиза растительного сырья. Состав бионефти: ценные продукты пиролиза, которые могут быть выделены из различных фракций бионефти, и их области применения.
    
21. 
    Условия получения твердых продуктов пиролиза растительного сырья. Состав и области практического использования твердых продуктов пиролиза.
    
22. 
    Классификация фитопрепаратов. Опишите особенности каждой группы фитопрепаратов, достоинства и недостатки.
    
23. 
    Охарактеризуйте общие технико-экономические особенности производства фитопрепаратов. Укажите возможные пути преодоления существующих недостатков производств данного типа.
    
24. 
    Как осуществляется первичная обработка и сушка лекарственного растительного сырья с целью последующего получения фитопрепаратов? Способы сушки растительного сырья.
    
25. 
    Опишите влияние основных параметров (степени измельчения, температуры, длительности, природы растворителя) на процесс экстракции биологически активных веществ из растительного сырья.