RU90299U1 - PLANT FOR PROCESSING VEGETABLE RAW MATERIALS - Google Patents

Abstract

1. Линия по переработке растительного сырья, снабженная сушилкой, дезинтегратором для предварительного измельчения сухой растительной массы, системами транспортеров, пневмотранспортом с циклонами и вентилятором, отличающаяся тем, что в линию между дезинтегратором и циклонами установлены питатель, нанодиспергатор для последующего измельчения растительного сырья, устройство для впрыскивания поверхностно-активного вещества (ПВА) в нанодиспергатор и классификатор для отделения полученного нанокомпозитного порошка требуемого размера от крупных частиц и возврата крупных частиц в нанодиспергатор для доизмельчения и получения нанопорошка. ! 2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что циклон, размещенный за классификатором, служит в качестве сепаратора для окончательного разделения на фракции полученного нанокомпозитного порошка, а циклон, установленный на выходе из сепаратора, служит в качестве воздушно-центробежного фильтра, за которым размещен рукавный фильтр с вентилятором.1. A plant raw materials processing line equipped with a dryer, a disintegrator for pre-grinding dry plant mass, conveyor systems, pneumatic conveying with cyclones and a fan, characterized in that a feeder, a nanodispersing agent for subsequent grinding of plant materials are installed in the line between the disintegrator and cyclones, a device for injecting a surfactant into a nanodispersing agent and a classifier to separate the resulting nanocomposite powder of the required size ie large particles and large particles in the return nanodispergator for regrinding and nanopowders. ! 2. The line according to claim 1, characterized in that the cyclone placed behind the classifier serves as a separator for final separation into fractions of the obtained nanocomposite powder, and the cyclone installed at the outlet of the separator serves as an air-centrifugal filter, followed by placed a bag filter with a fan.

Description

Полезная модель относится к переработке растительного лигноцеллюлозного сырья в растворимые биоусвояемые сахара и лигнин и может применяться в производстве кормов, биотехнологии, химической промышленности и в экологических целях.The utility model relates to the processing of plant lignocellulosic raw materials into soluble bioavailable sugars and lignin and can be used in feed production, biotechnology, chemical industry and for environmental purposes.

Актуальность задачи определяется тем обстоятельством, что в среднем на 1 кг произведенного в сельском хозяйстве зерна приходится 5 кг неиспользуемых, сжигаемых на полях или нерационально используемых лигноцеллюлозных отходов. Кормовая ценность продуктов, которые могут быть дополнительно получены из такого количества отходов, может в 2-3 раза превосходить кормовую ценность основного продукта - зерна.The relevance of the task is determined by the fact that, on average, 1 kg of grain produced in agriculture accounts for 5 kg of unused, field-burned or irrationally used lignocellulosic waste. The feed value of products that can be additionally obtained from such a quantity of waste can be 2-3 times higher than the feed value of the main product - grain.

Кормовая ценность и биоусвояемостъ растительного сырья зависят, в первую очередь, от наличия в корме растворимых Сахаров. В лигноцеллюлозном сырье сахара находятся в составе нерастворимого лигноцеллюлозного комплекса, который большинством животных и микроорганизмов не расщепляется и не усваивается.The feed value and bioavailability of plant raw materials depend, first of all, on the presence of soluble Sugars in the feed. In lignocellulosic raw materials, sugars are part of an insoluble lignocellulosic complex, which is not broken down and absorbed by most animals and microorganisms.

Успешное решение проблемы переработки растительного сырья или выделения из него углеводных компонентов позволит использовать их не только в качестве эффективных кормов и в биотехнологии для культивирования микроорганизмов, но и создать биовозобновляемую базу для химической промышленности. В развитых странах, например в США по программе «Зеленая химиям планируется перевести до 25% химической промышленности на биовозобновляемое растительное сырье.A successful solution to the problem of processing plant materials or extracting carbohydrate components from it will make it possible to use them not only as effective feeds and in biotechnology for the cultivation of microorganisms, but also to create a bio-renewable base for the chemical industry. In developed countries, for example, in the United States, under the Green Chemistry program, it is planned to transfer up to 25% of the chemical industry to bio-renewable plant materials.

Существуют различные способы переработки растительного сырья с целью получения продуктов, содержащих растворимые сахара (Синицин А.П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. М.: Изд-во МГУ, 1995, 220 с.):There are various ways of processing plant materials in order to obtain products containing soluble sugars (Sinitsin A.P., Gusakov A.V., Chernoglazov V.M. Bioconversion of lignocellulosic materials. M: Publishing House of Moscow State University, 1995, 220 pp.) :

- механическая обработка - измельчение и рассев;- mechanical processing - grinding and sieving;

- растворение химическими реагентами, такими как едкие щелочи, аммиак, хлорит, диоксид серы, амиды, разбавленные и концентрированные кислоты, широко используемое в производстве пульпы и бумаги;- dissolution with chemicals, such as caustic alkali, ammonia, chlorite, sulfur dioxide, amides, dilute and concentrated acids, widely used in the manufacture of pulp and paper;

- обработка при высокой температуре и повышенном давлении в присутствии воды, в том числе, автогидролиз высокотемпературным паром (220-270°С) и разрушение сырья в результате резкого перепада давления при прохождении через выходное отверстие;- processing at high temperature and elevated pressure in the presence of water, including autohydrolysis with high-temperature steam (220-270 ° C) and the destruction of raw materials as a result of a sharp pressure drop when passing through the outlet;

- обработка с помощью ферментов или грибных культур - продуцентов ферментов;- processing using enzymes or fungal cultures - producers of enzymes;

- микроволновое облучение;- microwave irradiation;

- ультразвуковое облучение;- ultrasonic irradiation;

- облучение электронами;- exposure to electrons;

- гамма облучение.- gamma radiation.

Методы с использованием различных видов облучения вследствие высокой себестоимости широкого применения не находят, рекомендуются для особых условий, например, при будущих межпланетных полетах. Для осуществления способов переработки растительного сырья в реальных условиях предложены следующие технические решения - аналоги заявляемой линии.Due to the high prime cost, the methods using various types of radiation are not widely used; they are recommended for special conditions, for example, in future interplanetary flights. To implement methods of processing plant materials in real conditions, the following technical solutions are proposed - analogues of the claimed line.

Известно техническое решение, в котором для переработки соломы на корм используется механическая обработка (Каткевич Ю.Ю. и др. Устройство для обработки соломы на корм. Патент РФ №2038031, 1995, опубл. 1995.06.27, A23N 17/00).A technical solution is known in which mechanical processing is used to process straw for feed (Y. Yu. Katkevich and others. A device for processing straw for feed. RF Patent No. 2038031, 1995, publ. 1995.06.27, A23N 17/00).

Известно устройство, использующее мельницу, воздействующую на сырье ударом несколькими кольцами. Устройство предназначено для подготовки сырья перед последующим биологическим и/или химическим разложением. (Palm C.-O., Method and device for disintegration of organic material and use of device. US Patent 7,314,190, 2008, B02C 1/00).A device is known that uses a mill that impacts raw materials by impact by several rings. The device is intended for the preparation of raw materials before subsequent biological and / or chemical decomposition. (Palm C.-O., Method and device for disintegration of organic material and use of device. US Patent 7,314,190, 2008, B02C 1/00).

Приведенные варианты устройств для механической обработки резанием не позволяют получить продукт с дисперсностью менее 200 мкм и разрушить структуру клеток растительного сырья, лигноцеллюлозныс стенки которых имеют толщину до 5 мкм.The above versions of devices for machining by cutting do not allow to obtain a product with a dispersion of less than 200 microns and destroy the cell structure of plant materials, lignocellulosic walls of which have a thickness of up to 5 microns.

Известно устройство для обработки соломы с помощью давления и температуры (Теслер П.А. и др. Способ обработки соломы и устройство для его осуществления. Патент РФ №2028789, 1995, опубл. 1995.02.02, A23N 17/00). Устройство позволяет увеличить содержание растворимых Сахаров и усвояемость корма только примерно 10% верхней части клеток растительного сырья.A device is known for processing straw using pressure and temperature (Tesler P.A. et al. Method for processing straw and device for its implementation. RF Patent No. 2028789, 1995, publ. 1995.02.02, A23N 17/00). The device allows to increase the content of soluble Sugars and the digestibility of feed by only about 10% of the upper part of the cells of plant materials.

Известно устройство для химической обработки (Lagerstrom G.B., Mattsson O.A. Process and an apparatus for increasing the feed value of lignocellulosic materials. US Patent 4,048,341, 1977, A23K 1/00), в котором полученный продукт обладает увеличенной по сравнению с исходным материалом пищевой ценностью, однако не позволяет использовать большую часть Сахаров и приводит к образованию жидких стоков.A device for chemical processing is known (Lagerstrom GB, Mattsson OA Process and an apparatus for increasing the feed value of lignocellulosic materials. US Patent 4,048,341, 1977, A23K 1/00), in which the resulting product has an increased nutritional value compared to the starting material, however, it does not allow the use of most of the Sugars and leads to the formation of liquid effluents.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является линия переработки растительного и древесного сырья (Патент РФ №2015674, 1994, опубл. 1994.07.15, МПК A23N 17/00 «Линия по переработке растительной и древесной продукции».). Линия снабжена накопителем сырья, системой пневмотранспорта и сортировочным устройством для дисперсного продукта, расположенным за управляемым дезинтегратором и второй системой пневмотранспорта, имеющей основной и дополнительный циклоны и трубопроводы, один из которых через управляющий затвор соединен с первым трубопроводом, расположенным на выходе из циклона. Циклон размещен между сушилкой и дезинтегратором, а выход трубопровода второй системы пневмотранспорта соединен со входом сортировочного устройства через загрузочный конвейер. Выход дисперсного продукта соединен с основным циклоном второй системы пневмотранспорта. Дополнительный циклон соединен с накопителем и через трубопроводы с затворами - с трубопроводами, ведущими к циклонам раздаточного устройства.The technical solution closest to the claimed facility is a plant and wood raw material processing line (RF Patent No. 2015674, 1994, publ. 1994.07.15, IPC A23N 17/00 “Plant and wood product processing line.”). The line is equipped with a raw material accumulator, a pneumatic conveying system and a sorting device for a dispersed product located behind a controlled disintegrator and a second pneumatic conveying system, which has a primary and secondary cyclones and pipelines, one of which is connected through a control valve to the first pipeline located at the outlet of the cyclone. A cyclone is placed between the dryer and the disintegrator, and the outlet of the second pneumatic conveying system pipe is connected to the input of the sorting device through a loading conveyor. The output of the dispersed product is connected to the main cyclone of the second pneumatic conveying system. An additional cyclone is connected to the drive and, through pipelines with closures, to pipelines leading to the cyclones of the dispenser.

Эта линия переработки растительного и древесного сырья принята нами за прототип.This line of processing plant and wood raw materials is accepted by us as a prototype.

Недостатки технического решения по патенту-прототипу:The disadvantages of the technical solution for the patent prototype:

1. Обработка с помощью включенного в линию дезинтегратора позволяет измельчить растительное сырье до частиц с размерами 20-80 мкм и увеличить биодоступность максимально до 30% от общего содержания углеводов в сырье, но не позволяет изменить структуру лигноцеллюлозной стенки в клетке растительного сырья и повысить выход биодоступных Сахаров.1. Processing using a disintegrator included in the line allows you to grind vegetable raw materials to particles with sizes of 20-80 microns and increase bioavailability to a maximum of 30% of the total carbohydrate content in raw materials, but does not allow you to change the structure of the lignocellulose wall in the cell of plant materials and increase the yield of bioavailable Sugars.

2. Получаемый продукт - из-за агрегатирования его мелких частиц в крупные - не всегда имеет параметры, соответствующие стандарту растительной муки, которые не позволяют использовать его в производстве биотоплива или химических продуктов.2. The resulting product - due to the aggregation of its small particles into large ones - does not always have parameters that correspond to the standard of vegetable flour, which do not allow its use in the production of biofuels or chemical products.

3. Условия работы линии и параметры производимого продукта не могут изменяться при переходе на другой вид сырья в условиях сезонной работы.3. The operating conditions of the line and the parameters of the manufactured product cannot be changed during the transition to another type of raw material in the conditions of seasonal work.

Цель полезной модели - создание технологической линии по переработке растительного сырья с получением постоянных по технологическим требованиям конечных продуктов, характеризующихся разрушением структуры лигноцеллюлозных клеточных стенок, получение возможности изменения вида перерабатываемого сырья. Выполнение этих условий обеспечивает повышение выхода биодоступных Сахаров и расширение технологических возможностей линии по переработке исходного сырья.The purpose of the utility model is to create a technological line for the processing of plant materials with obtaining end products that are constant according to the technological requirements, characterized by the destruction of the structure of lignocellulosic cell walls, and the possibility of changing the type of processed raw materials. Fulfillment of these conditions ensures an increase in the yield of bioavailable Sugars and expansion of the technological capabilities of the line for processing raw materials.

Поставленная цель достигается тем, что в линию по переработке растительного сырья, снабженную сушилкой, дезинтегратором, системами транспортеров, пневмотранспортом с циклонами и вентилятором, между дезинтегратором и циклонами установлены питатель, нанодиспергатор, устройство для впрыскивания поверхностно-активного вещества (ПВА) в нанодиспергатор и классификатор для отделения полученного дисперсного сырья в виде нанокомпозитного порошка требуемого размера от крупных частиц и возврата крупных частиц в нанодиспергатор для доизмельчения и получения нанопорошка. Циклон, размещенный за классификатором, служит в качестве сепаратора для окончательного разделения на фракции полученного нанокомпозитного порошка, а циклон, установленный на выходе из сепаратора, служит в качестве воздушно-центробежного фильтра, за которым размещен рукавный фильтр с вентилятором.This goal is achieved by the fact that in the plant processing line equipped with a dryer, a disintegrator, conveyor systems, pneumatic conveying with cyclones and a fan, a feeder, nanodispersant, a device for injecting surfactant into the nanodispersant and classifier are installed between the disintegrator and cyclones for separating the obtained dispersed raw materials in the form of a nanocomposite powder of the required size from large particles and returning large particles to a nanodispersing agent for fine grinding neniya and receiving nanopowder. The cyclone placed behind the classifier serves as a separator for final separation into fractions of the obtained nanocomposite powder, and the cyclone installed at the outlet of the separator serves as an air-centrifugal filter, behind which there is a bag filter with a fan.

На фиг. приведена технологическая схема линии для переработки растительного сырья.In FIG. The technological scheme of the line for processing plant materials is given.

Линия состоит из установленных по ходу технологического процесса склада исходного сырья 1, транспортера 2 для подачи сырья в сушилку 3, транспортера 4 подачи сухого исходного сырья в дезинтегратор 5 для подготовки исходного сырья к нанодиспергированию, транспортера 6 для подачи подготовленного сырья в питатель 7, из которого сырье поступает в нанодиспергатор 8, устройство для впрыскивания поверхностно-активных веществ (ПВА) 9, классификатор 10, циклон-сепаратор 11, позволяющий отделить нанокомпозитный порошок в виде фракции, обогащенной целлюлозными углеводами,, воздушно-центробежный фильтр 12, рукавный фильтр 13, вентилятор пневмотранспорта 14, рукава-трубопроводы пневмотранспорта 15, 16, 17. Таким образом, в линию дополнительно включены нанодиспергатор, устройство для впрыскивания поверхностно-активных веществ (ПВА), служащее для исключения агрегатирования мелких частиц дисперсного сырья в виде нанокомпозитного порошка, классификатор и циклон - сепаратор для окончательного разделения на фракции полученного нанопорошка, обогащенного целлюлозными углеводами.The line consists of a raw material warehouse 1 installed during the technological process, a conveyor 2 for supplying raw materials to the dryer 3, a conveyor 4 for supplying dry raw materials to the disintegrator 5 for preparing the raw materials for nanodispersion, a conveyor 6 for feeding the prepared raw materials to the feeder 7, from which the raw material enters the nanodispersing agent 8, a device for the injection of surface-active substances (PVA) 9, a classifier 10, a cyclone separator 11, which allows to separate the nanocomposite powder in the form of a fraction enriched in cellulose virgin carbohydrates ,, air-centrifugal filter 12, bag filter 13, pneumatic conveying fan 14, pneumatic conveying hoses-pipelines 15, 16, 17. Thus, a nanodispersant, a device for injecting surface-active substances (PVA), which serves to exclusions of aggregation of fine particles of dispersed raw materials in the form of a nanocomposite powder, a classifier and a cyclone - separator for final separation into fractions of the obtained nanopowder enriched in cellulose carbohydrates.

Нанодиспергатор - техническое устройство, позволяющее из массивного материала получать нанокомпозитный материал (технология «сверху-вниз») (проект ГОСТ Р «Нанотехнологии. Термины и определениям). В линию предлагается ввести нанодиспергатор, выполненный, например, в виде роликовой мельницы непрерывного действия, обеспечивающий основные технологические требования к оборудованию: по интенсивности механического воздействия, времени пребывания сырья в зоне обработки, пониженной температуре корпуса реактора. Обработка в нанодиспергаторе приводит к разрушению ткани растительного сырья на частицы с размерами 10-40 мкм. Каждая такая частица является композитной и состоит из фрагментов лигноцеллюлозных клеточных стенок с размерами 50-200 нанометров.Nanodispersing agent is a technical device that allows nanocomposite material to be obtained from solid material (top-down technology) (GOST R project “Nanotechnologies. Terms and definitions). It is proposed to introduce a nanodispersing agent into the line, made, for example, in the form of a continuous mill, which provides the basic technological requirements for equipment: the intensity of mechanical stress, the residence time of the raw material in the processing zone, and the reduced temperature of the reactor vessel. Processing in a nanodispersant leads to the destruction of the tissue of plant materials into particles with sizes of 10-40 microns. Each such particle is composite and consists of fragments of lignocellulosic cell walls with sizes of 50-200 nanometers.

Композитные частицы, получаемые при разрушении растительной ткани, преимущественно содержат фрагменты неодревесневших целлюлозных клеток или фрагменты одревесневших клеток, содержащих лигнин. Частицы с различным содержанием лигнина и целлюлозы обладают различной плотностью. Циклонные устройства обеспечивают разделение порошка растительного сырья на фракции, различающиеся по плотности и обогащенные углеводами или лигнином.Composite particles obtained by the destruction of plant tissue, mainly contain fragments of non-lignified cellulose cells or fragments of lignified cells containing lignin. Particles with different contents of lignin and cellulose have different densities. Cyclonic devices provide the separation of the powder of plant materials into fractions that differ in density and are enriched in carbohydrates or lignin.

Получение нанокомпозитного порошка растительного сырья, обогащенного углеводами целлюлозы и имеющего нарушенную структуру клеточных стенок, увеличивает биодоступность углеводов и конечную степень использования углеводов растительного сырья.Obtaining a nanocomposite powder of plant materials enriched in cellulose carbohydrates and having a disrupted cell wall structure increases the bioavailability of carbohydrates and the final degree of carbohydrate utilization of plant materials.

Заявляемая технологическая линия может быть использована для переработки широкого ряда технологического сырья - растительного, древесного, зернового, травянистого, плодового. Заявляемая последовательность и взаимосвязь технологического оборудования конструктивно просто вписывается в технологические линии по переработке любого вида из указанных типов сырья. Вследствие этого значительно расширяются технологические возможности известных линий переработки, при этом осуществляемый технологический процесс не зависит от сезонности работ.The inventive production line can be used for processing a wide range of technological raw materials - plant, wood, grain, grassy, fruit. The inventive sequence and interconnection of technological equipment constructively simply fits into the technological lines for processing any kind of these types of raw materials. As a result, the technological capabilities of well-known processing lines are greatly expanded, while the ongoing technological process does not depend on the seasonality of work.

В качестве исходного лигноцеллюлозного сырья могут быть использованы:As the source of lignocellulosic raw materials can be used:

- отходы сельскохозяйственных культур: солома зерновых, мякина, стебли и корзинки подсолнечника, костра льна, стебли кукурузы и пустые кукурузные початки, стебли бобовых культур, отходы и мезга картофеля, бахчевых культур, винограда, чая, табака, хлопчатника,- crop wastes: cereal straw, chaff, stalks and baskets of sunflower, flax bonfire, corn stems and empty corn cobs, legumes, waste and pulp of potatoes, melons, grapes, tea, tobacco, cotton,

- отходы переработки зерна: шелуха, некондиционное зерно, сорная зерновая примесь, проросшие зерна, отруби,- grain processing waste: husk, substandard grain, weedy grain admixture, sprouted grains, bran,

- отходы спиртовой промышленности, пивоварения и виноделия: сухая, сплав (отходы) ячменя, полировочные отходы, эндосперм, солодовая пыль, выжимки и вытерки, кожица, гребни винограда, обрезки лозы,- waste from the alcohol industry, brewing and winemaking: dry, barley alloy (waste), polishing waste, endosperm, malt dust, marc and wipes, peel, grape combs, vine cuttings,

- отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, фильтрационный осадок, хвостики свеклы, багасса сахарного тростника,- waste from the sugar industry: beet pulp, filter cake, beet tails, bagasse of sugarcane,

- отходы масло-жировой промышленности: подсолнечная лузга, хлопковая шелуха,- waste oil and fat industry: sunflower husk, cotton husk,

- отходы консервной промышленности: фруктовый жом, обрезки, кожица и альбедо фруктов, отводы капусты, свеклы, моркови,- waste from the canning industry: fruit pulp, trimmings, peel and albedo of fruit, branches of cabbage, beets, carrots,

- отходы тепличных хозяйств и садоводства.- waste from greenhouses and gardening.

Лигноцеллюлозный комплекс растительного сырья состоит из двух основных компонентов. Различные сахара определяют пищевую ценность и пользуются спросом в химической промышленности, разработаны технологии получения из Сахаров десятков тысяч наименований химических продуктов. Технологии переработки второго основного компонента - лигнина, к сожалению, менее развиты. Миллионы тонн лигнина складированы у целлюлозно-бумажных комбинатов.Lignocellulosic complex of plant materials consists of two main components. Various sugars determine nutritional value and are in demand in the chemical industry; technologies have been developed for obtaining tens of thousands of chemical products from sugars. Processing technologies of the second main component - lignin, unfortunately, are less developed. Millions of tons of lignin are stored at pulp and paper mills.

Лигнин обладает теплотворной способностью в 1,5 раза превышающей теплотворную способность Сахаров и целлюлозы и мог бы эффективно использоваться в энергетике. Однако технология его выделения из древесины (в основном, сульфитной варкой) приводит к загрязнению серой в количествах, многократно превышающих допустимые для топлива нормы.Lignin has a calorific value of 1.5 times the calorific value of Sugars and cellulose and could be used effectively in the energy sector. However, the technology of its separation from wood (mainly, sulphite cooking) leads to sulfur pollution in quantities that are many times higher than the norms allowed for fuel.

Высокие технологии переработки растительного сырья и древесины, таким образом, должны обеспечить решение нескольких задач:High technologies for processing plant materials and wood, therefore, should provide a solution to several problems:

- получение растворимых биоусвояемых Сахаров,- obtaining soluble bioavailable sugars,

- утилизацию отходов,- waste disposal,

- энерго- и теплоснабжение основного производства растворимых Сахаров.- energy and heat supply of the main production of soluble Sugars.

ПРИМЕР 1. Разрушение структуры клеточных стенок растительного сырья при обработке на дезинтеграторе и заявляемой линии.EXAMPLE 1. Destruction of the structure of the cell walls of plant materials during processing on a disintegrator and the claimed line.

В качестве сырья использовали отходы льна, пшеничную солому, надземную часть кукурузы. Растительное сырье было собрано в Новосибирской области, Россия.Flax waste, wheat straw, and aboveground part of corn were used as raw materials. Plant materials were harvested in the Novosibirsk region, Russia.

В исходном сырье определяли содержание влаги и летучих компонентов, водорастворимых веществ, водорастворимых углеводов, легкогидролизуемых и трудногидролизуемых полисахаридов, лигнина и золы.In the feedstock, the moisture content and volatile components, water-soluble substances, water-soluble carbohydrates, easily hydrolyzable and hardly hydrolyzable polysaccharides, lignin and ash were determined.

Сырье подвергали измельчению на дезинтеграторе IA 28 (производство «Дезинтегратор», Эстония, скорость вращения роторов 12000 об./мин) до размера частиц 10 µм.The raw materials were subjected to grinding on an IA 28 disintegrator (manufactured by Disintegrator, Estonia, rotor speed of 12,000 rpm) to a particle size of 10 μm.

Электронно-микроскопическое исследование структуры и дефектности клеточных стенок растительного сырья.Electron microscopic study of the structure and imperfection of the cell walls of plant materials.

Исследование тонких изменений структуры клеточных стенок растительного сырья - стеблей кукурузы и волокнистых отходов, аналогичных пакле льна проводилось на ультратонких срезах с помощью электронного просвечивающего (трансмиссионного) микроскопа JEM 1400, производства фирмы JEOL (Япония).The study of subtle changes in the structure of the cell walls of plant raw materials — corn stalks and fibrous waste similar to flax was carried out on ultrathin sections using a JEM 1400 transmission electron microscope (JEOL (Japan).

Механическая активация в дезинтеграторе приводит к существенным изменениям морфологии материала и ультраструктуры клеточной стенки.Mechanical activation in the disintegrator leads to significant changes in the morphology of the material and the ultrastructure of the cell wall.

Исходная клеточная стенка (фото 1) имеет слоистую структуру, в которой прослеживаются электронно-плотные и электронно-прозрачные слои. Обработка осмиевой кислотой используется для определения степени дефектности лигноцеллюлозных композитных растительных материалов и приводит к преимущественному «окрашиванию» более дефектных слоев.The original cell wall (photo 1) has a layered structure in which electron-dense and electron-transparent layers are traced. Treatment with osmic acid is used to determine the degree of imperfection of lignocellulosic composite plant materials and leads to the predominant "coloring" of more defective layers.

В препаратах, полученных из механически активированного растительною сырья (фото 2), видны сильные разрушения исходного материала. Часто встречаются фрагменты, толщина которых не превышает 500-1000 нм, клеточная стенка расщепляется вдоль слоев с образованием протяженных структур толщиной до 400 нм. Такого рода изменения, несомненно, ведут к увеличению площади, доступной для адсорбции реагентов в последующих химических реакциях с участием частиц сырья.In preparations obtained from mechanically activated plant material (photo 2), strong destruction of the starting material is visible. Often there are fragments whose thickness does not exceed 500-1000 nm, the cell wall splits along the layers with the formation of extended structures up to 400 nm thick. Such changes undoubtedly lead to an increase in the area available for adsorption of reagents in subsequent chemical reactions involving particles of raw materials.

Слоистая ультраструктура клеточной стенки соломы после обработке на заявляемой линии (фото 3) разрушается на очень мелкие фрагменты и в большинстве случаев становится аморфной. В клеточных стенках исходного сырья различимы десятки слоев толщиной 40-90 нм. При этом ранее протяженные слои теряют непрерывность, структуры становятся волнистыми, длина слоев не превышает 1-2 мкм. Форма электронно-плотных слоев указывает на заметное перемещение ультраструктур клеточной стенки друг относительно друга, характер перемещения скорее похож на перемешивание, чем на смещение.The layered ultrastructure of the straw cell wall after processing on the claimed line (photo 3) is destroyed into very small fragments and in most cases becomes amorphous. In the cell walls of the feedstock, tens of layers 40-90 nm thick are distinguishable. Moreover, previously extended layers lose continuity, the structures become wavy, the length of the layers does not exceed 1-2 microns. The shape of the electron-dense layers indicates a noticeable displacement of the ultrastructures of the cell wall relative to each other; the nature of the displacement is more likely to be mixing than displacement.

Наблюдаемые изменения в структуре растительного материала, а именно, фрагментация на уровне ультраструктуры и увеличение степени дефектности (степени почернения при обработке осмиевой кислотой) образующих ее элементов, являются классическим примером механической активации структурированных гетерогенных систем. Выявленные методом электронной микроскопии изменения свидетельствуют о значительном повышении реакционной способности. Данное обстоятельство получило экспериментальное подтверждение, которое выражается, например, в значительном увеличении степени ферментативного гидролиза.The observed changes in the structure of plant material, namely, fragmentation at the ultrastructure level and an increase in the degree of defectiveness (degree of blackening during processing with osmic acid) of its constituent elements, are a classic example of the mechanical activation of structured heterogeneous systems. The changes detected by electron microscopy indicate a significant increase in reactivity. This circumstance has received experimental confirmation, which is expressed, for example, in a significant increase in the degree of enzymatic hydrolysis.

ПРИМЕР 2. Увеличение степени гидролиза при обработке растительного сырья на заявляемой линии.EXAMPLE 2. An increase in the degree of hydrolysis in the processing of plant materials on the inventive line.

После обработки на дезинтеграторе и на заявляемой линии сырье хранили при температуре 15-25°С в запечатанных пакетах. Влажность определяли путем сушки до постоянного веса при температуре 100°С. Влажность образцов составляла 5-10%. Зольность определяли по остатку после прокаливания образцов в фарфоровых тиглях при температуре 560°С в течение 3-4 часов.After processing on the disintegrator and on the inventive line, the raw materials were stored at a temperature of 15-25 ° C in sealed bags. Humidity was determined by drying to constant weight at a temperature of 100 ° C. The moisture content of the samples was 5-10%. Ash content was determined by the residue after calcining the samples in porcelain crucibles at a temperature of 560 ° C for 3-4 hours.

Ферментативная конверсия углеводов растительного сырья в растворимые сахара проводилась до и после обработки на дезинтеграторе и заявляемой линии. Гидромодуль (отношение массы раствора к массе твердого вещества) 20, концентрация ферментов 60 Ед/г углеводного сырья. Использовался ферментный препарат Целлолюкс 2000, производства ПО Сиббиофарм, Россия.The enzymatic conversion of carbohydrates of plant materials to soluble sugars was carried out before and after processing on the disintegrator and the claimed line. Water module (the ratio of the mass of the solution to the mass of solid) 20, the concentration of enzymes 60 U / g of carbohydrate raw materials. We used the enzyme preparation Cellolux 2000, manufactured by Sibbiopharm, Russia.

Определение водорастворимых веществ проводили путем трехкратной водной экстракции измельченного, обезжиренного и высушенного сырья. Экстракцию вели в ультразвуковой бане при комнатной температуре, гидромодуле равном 20 в течение 20 минут. Твердый остаток промывали, фильтровали через мелкопористый стеклянный фильтр, водные экстракты и промывные воды объединяли и удаляли воду на ротационном испарителе в вакууме водоструйного насоса при температуре 50°С. Полученный остаток сушили в вакуум-эксикаторе до постоянного веса. Твердый остаток растительного сырья также сушили в вакуум-эксикаторе и использовали в последующем определении легкогидролизуемых полисахаридов. В водорастворимых веществах определяли свободные дисахариды, гексозы и пентозы, а также олигосахариды. Дисахариды, гексозы и пентозы определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Содержание олигосахаридов определяли по разности углеводов в гидролизатах и суммы свободных ди- и моносахаридов.Determination of water-soluble substances was carried out by three times aqueous extraction of crushed, fat-free and dried raw materials. Extraction was carried out in an ultrasonic bath at room temperature, a water module of 20 for 20 minutes. The solid residue was washed, filtered through a fine-pore glass filter, the aqueous extracts and washings were combined and the water was removed on a rotary evaporator in a vacuum of a water-jet pump at a temperature of 50 ° C. The resulting residue was dried in a vacuum desiccator to constant weight. The solid residue of plant material was also dried in a vacuum desiccator and used in the subsequent determination of readily hydrolyzable polysaccharides. Free disaccharides, hexoses and pentoses, as well as oligosaccharides, were determined in water-soluble substances. Disaccharides, hexoses and pentoses were determined by high performance liquid chromatography (HPLC). The content of oligosaccharides was determined by the difference in carbohydrates in hydrolysates and the sum of free di- and monosaccharides.

Определение легкогидролизуемых полисахаридов проводили путем мягкого кислотного гидролиза сырья, из которого были предварительно удалены водорастворимые вещества. К навеске сырья (2,0 грамма) добавляли 50 мл 5% раствора серной кислоты и нагревали без доступа воздуха в течение 3 часов при температуре 95°С, затем гидролизат сливали и к твердому остатку добавляли свежую порцию серной кислотм (30 мл). Первичный гидролизат и твердый остаток, залитый свежей порцией кислоты, нагревали без доступа воздуха еще в течение 3 часов. Твердый остаток отделяли путем фильтрования на стеклянном фильтре, промывали раствором кислоты, кислотные гидролизаты и промывные воды объединяли и разбавляли водой до 200,0 мл в мерной колбе. Часть полученного раствора нейтрализовали карбонатом бария. Нейтрализацию проводили в ультразвуковой бане с целью сокращения времени нейтрализации и предотвращения сорбции углеводов на твердом осадке.Determination of hydrolyzable polysaccharides was carried out by mild acid hydrolysis of the raw material, from which water-soluble substances were previously removed. 50 ml of a 5% sulfuric acid solution was added to a weighed portion of the feed (2.0 grams) and heated without air for 3 hours at 95 ° C, then the hydrolyzate was drained and a fresh portion of sulfuric acid (30 ml) was added to the solid residue. The primary hydrolyzate and the solid residue, poured with a fresh portion of acid, were heated without air for another 3 hours. The solid residue was separated by filtration on a glass filter, washed with an acid solution, acid hydrolysates and washings were combined and diluted with water to 200.0 ml in a volumetric flask. Part of the resulting solution was neutralized with barium carbonate. Neutralization was carried out in an ultrasonic bath in order to reduce the time of neutralization and prevent the sorption of carbohydrates on solid sediment.

После завершения реакции нейтрализации суспензии центрифугировали, а полученные прозрачные растворы после разведения в 10-20 раз анализировали методом ВЭЖХ на содержание дисахаридов, гексоз и пентоз. Для этого к 30 мкл анализируемого раствора добавляли 100 мкл этанольного раствора этилового эфира пара-аминобензойной кислоты (20 мг/мл), 100 мкл раствора в этаноле цианоборгидрида натрия (1 М) и 40 мкл ледяной уксусной кислоты. Полученные смеси выдерживали в герметичных сосудах 6 часов при температуре 50°С. Образующиеся восстановленные основания Шиффа разделяли методом ВЭЖХ с детекцией в ультрафиолетовом диапазоне. Анализ проводили на аналитическом хроматографе Милихром А-02, оснащенном микроколонкой с обращенной фазой (ProntoSil C-18, 5 µm, 2×70 мм) и спектрофотометрическим детектором. Градуировку прибора проводили по растворам, содержащим известное количество углеводов (лактоза, целлобиоза, глюкоза, манноза, ксилоза).After completion of the neutralization reaction, the suspensions were centrifuged, and the obtained clear solutions after dilution 10-20 times were analyzed by HPLC for the content of disaccharides, hexoses and pentoses. For this, 100 μl of an ethanol solution of para-aminobenzoic acid ethyl ester (20 mg / ml), 100 μl of a solution of sodium cyanoborohydride ethanol (1 M) and 40 μl of glacial acetic acid were added to 30 μl of the analyzed solution. The resulting mixture was kept in sealed vessels for 6 hours at a temperature of 50 ° C. The resulting reduced Schiff bases were separated by HPLC with detection in the ultraviolet range. The analysis was performed on a Milichrome A-02 analytical chromatograph equipped with a reverse phase microcolumn (ProntoSil C-18, 5 μm, 2 × 70 mm) and a spectrophotometric detector. The instrument was calibrated using solutions containing a known amount of carbohydrates (lactose, cellobiose, glucose, mannose, xylose).

Табл.1.
Изменение степени гидролиза образцов растительного сырья микроструктура клеточных стенок которых представлена на фото 1-3.Table 1.
The change in the degree of hydrolysis of samples of plant materials, the microstructure of the cell walls of which is shown in photo 1-3.   Средний размер блоков, на которые разбивается клеточная стенкаThe average size of the blocks into which the cell wall is divided Суммарное содержание растворимых углеводов (степень превращения), %The total content of soluble carbohydrates (degree of conversion),% Исходный образецSource sample Клеточные стенки толщиной до 5 мкм и длиной до 60 мкмCell walls up to 5 microns thick and up to 60 microns long 10-1510-15 Образец после обработки на дезинтегратореSample after processing on a disintegrator Частицы со средними размерами 2 мкмParticles with an average size of 2 microns 25302530 Образец после обработки на заявляемой линииSample after processing on the claimed line Блоки со средними размерами менее 0,2 мкм (200 нм)Blocks with average sizes less than 0.2 microns (200 nm) 9090

Полученный на заявляемой линии продукт в виде нанокомпозитного порошка может быть использован для последующей микробиологической переработки с помощью различных видов микроорганизмов в жидкое топливо - этанол, бутанол, и в газообразное топливо - метан.The product obtained in the claimed line in the form of a nanocomposite powder can be used for subsequent microbiological processing using various types of microorganisms into liquid fuel - ethanol, butanol, and gaseous fuel - methane.

Claims (2)

1. Линия по переработке растительного сырья, снабженная сушилкой, дезинтегратором для предварительного измельчения сухой растительной массы, системами транспортеров, пневмотранспортом с циклонами и вентилятором, отличающаяся тем, что в линию между дезинтегратором и циклонами установлены питатель, нанодиспергатор для последующего измельчения растительного сырья, устройство для впрыскивания поверхностно-активного вещества (ПВА) в нанодиспергатор и классификатор для отделения полученного нанокомпозитного порошка требуемого размера от крупных частиц и возврата крупных частиц в нанодиспергатор для доизмельчения и получения нанопорошка.1. A plant raw materials processing line equipped with a dryer, a disintegrator for pre-grinding dry plant mass, conveyor systems, pneumatic conveying with cyclones and a fan, characterized in that a feeder, a nanodispersing agent for subsequent grinding of plant materials are installed in the line between the disintegrator and cyclones, a device for injecting a surfactant into a nanodispersing agent and a classifier to separate the resulting nanocomposite powder of the required size ie large particles and large particles in the return nanodispergator for regrinding and nanopowders. 2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что циклон, размещенный за классификатором, служит в качестве сепаратора для окончательного разделения на фракции полученного нанокомпозитного порошка, а циклон, установленный на выходе из сепаратора, служит в качестве воздушно-центробежного фильтра, за которым размещен рукавный фильтр с вентилятором.

2. The line according to claim 1, characterized in that the cyclone placed behind the classifier serves as a separator for final separation into fractions of the obtained nanocomposite powder, and the cyclone installed at the outlet of the separator serves as an air-centrifugal filter, followed by placed a bag filter with a fan.