Агротехнологические аспекты использования различных фракций борщевика сосновского в качестве сырья для получения биоэтанола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Агротехнологические аспекты использования различных фракций борщевика сосновского в качестве сырья для получения биоэтанола

Филипп Леонидович Блинов1, Андрей Васильевич Кудрявцев2, Людмила Юрьевна Васильева3, Вячеслав Викторович Голубев4Н

Ключевые слова: борщевик Сосновского, биоэтанол, гидролиз, ферменты, дрожжи спиртовые

Abstract

Проблема заражения сельскохозяйственных угодий борщевиком Сосновского (БС) напрямую касается и полей ФГБОУ ВО Тверская ГСХА. Однако за последний период, начиная с 2018 года, площади под БС на анализируемых участках снижаются. Это вызвано рядом причин, среди которых имеется не только административное влияние, но и реализация результатов многолетнего накопленного опыта молодых учёных, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Академии, отмечающей в этом году полувековой юбилей. Целью исследований является возможность использования фракций борщевика Сосновского в качестве сырья для получения биоэтанола.

Материалы и методы исследований. В соответствии с программой и методикой проведения экспериментальных исследований, разработанной и утверждённой на кафедре ТТМиК, задачами исследования стало определение содержания сахара и крахмала в различных фракциях БС, с учётом фаз вегетационного периода. Для реализации сформулированной задачи на начальном этапе, с применением цифровых технологий на опытных участках - тепличное хозяйство ФГБОУ ВО Тверская ГСХА и агротехнологический полигон, были выбраны схожие по физико-механическим и технологическим свойствам почвы, её гранулометрическому составу площадки. Также определены временные промежутки проведения исследований по забору проб и дальнейшему анализу полученного материала на содержание сахара и крахмала из борщевика Сосновского. На основании предварительно выполненных лабораторных экспериментальных исследований в период с 2019 по 2021 годы, с применением имеющегося перечня приборов и оборудования академии и общепринятых методик были получены первичные рекогносцировочные результаты [1].

Для оптимизации технологического процесса получения биоэтанола на подготовительном этапе исследовались физико-механические свойства БС, такие как влажность и твердость по фракциям. Оценка влажности сырья производилась с применением сушильного шкафа марки СЭШ - 3 М. Оценка твердости проводилась с применением твердомера Шора типа А ТВР-А.

Результаты исследований и их обсуждение

Полученные результаты экспериментальных исследований приведены в виде таблице 1.

Таблица 1Оценка физико-механических свойств фракций БС в фазах роста растения

На этапе подготовки сырья для исследований фракции БЧ исследовались на содержание сахара и крахмала, т.е. исходных ингредиентов для получения конечного продукта. Оценка содержания сахара и крахмала различных фракций БС в зависимости от фаз роста растения производились в лабораториях ФГБОУ ГЦАС «Тверской» непосредственно перед проведением опыта. Результаты содержания сахара и крахмала приведены в таблице 2.

Анализ таблицы показал различного рода зависимости содержания исследуемых показателей как от фаз вегетации БС, так и от фракций. Наибольшие значения сахара в сухом веществе наблюдались во фракции стеблей в фазе вегетации до цветения - 31,7%, крахмала в фракции корней при фазе роста после цветения - 34,1%.

В процессе изготовления биоэтанола на разных этапах производились измерения показателя - содержание сахара в материале. Методика оценки содержания сахара в биомассе для получения биоэтанола заключалась в следующем.

Подготовленное сырье из расчёта по надземной части (отдельно листья и стебли БС) массой не менее 4 кг, предварительно измельчённое до размерной фракции 1,0-1,5 см, помещали в скороварку объёмом 5 л и осуществляли варку в течение 30 минут (контроль проводился путём хронометрирования с точностью до 0,1 с) при температуре

Таблица 2. Результаты протоколов исследований на содержание сахара и крахмала

98-110°С, что контролировалось термометром марки ТТМП № 7. Полученная биомасса охлаждалась до температуры 65°С в дополнительной охлаждающей ёмкости с постоянным перемешиванием для снижения возможного образования нитритов. Согласно расчетам в охлажденную массу добавлялось 150 г ржаного солода, предварительно измельчённого и просеянного до размера частиц 0,5-0,7 мм и, перемешивая, осуществляем осахаривание полученной биомассы при температуре 24°С. Из сформированного объёма брались пробы объёмом 50 мл. При добавлении в биомассу 5-ти% спиртового раствора йода делался вывод о наличии или отсутствии крахмала. Затем оставшуюся пробу биомассы оценивали рефрактометром (рисунок 1).

Полученные показания заносились в первичную таблицу журнала исследований для оценки содержания сахаров. После добавления спиртовых дрожжей на период 6 суток масса помещалась в помещение с температурой 35-40°С. После прохождения установленного периода осуществлялись повторные замеры в трёхкратной повторности с отражением результатов в журнале. Измерения показателя сахара проводились ареометром марки АСП - 3 (рисунок 2).

Для оценки количества сахаров значение разницы после брожения и до начала брожения делилось пополам, получив тем самым содержание сахара в процентах. Результаты измерений сахара приведены в таблице 3.

Рисунок 1. Рефрактометр марки АТС - 40

Рисунок 2. Набор ареометров марки АСП - 3

Таблица 3 Оценка сахара во фракциях БС

Отмечается, что в фазе бутонизации и цветения наблюдается прирост количества сахаров в надземной части БС и соответственно отток их из подземной части. На основании анализа информационных источников [2, 3] получение биоэтанола из сырья борщевика Сосновского с содержанием сахара в пределах от 2,5 до 5,5% требуется порядка 7,5-8,0 кг. Составив определённую пропорцию, с учётом процентного содержания сахара в фракциях БС, составлены пропорции ингредиентов. Так, для листьев требуется 4 кг и 150 г солода, для стеблей - аналогично, а при корнях достаточно 1,5 кг сырья для получения биоэтанола с содержанием спирта 91,8-92,3%.

Заключение

Сравнение полученных в лабораторных условиях данных осуществлялось с анализом результатов по сахару и крахмалу, представленных на условиях договорных отношений с ФГБУ ГЦАС «Тверской». По полученным данным установлено расхождение в пределах 3 -5%, что является приемлемой ошибкой измерений для повышения оперативности работы.

В процессе проведения экспериментов для повышения производительности, снижения трудоёмкости были совершенствованы технологические процессы и механизированы ряд технологических операций, что позволило повысить уровень механизации до 70% и снизить трудоёмкость процесса получения конечного продукта, а также выполнение контрольных измерений в среднем на 15-18%, в сравнении с ручным способом.

Так, для получения сырья использовалась малогабаритная техника и садовый инвентарь с приводом от бензиновых и электродвигателей. На скашивании надземной части растений использовались садовые ножницы марки «Champion» и открытая косилка марки «Заря», агрегатируемая с мотоблоком «Нева». Подземную часть растения извлекали с применением садового ручного культиватора марки «Торнадо» и шнековым мотобуром «BR 52/000». Для измельчения массы применялся измельчитель древесной растительности марки «Sterwins», а электроплита «Zencha» заменена на индукционную марки «IPLATE T-24». Непосредственные технологические операции получения исходной биомассы и измерения проведены в аналогичной повторности.

Анализ полученных данных позволяет сделать выводы, что использование оптимальных технологических операций по подготовке сырья и ускорению процесса брожения снизит трудоёмкость на выполнение одного эксперимента, а выбор исходного материала в определенный период вегетации растения повысит качество продукта - биоэтанола из борщевика Сосновского.

Список источников

борщевик сосновского биоэтанол

1. Некоторые итоги рефрактометрического определения сахаров в корнях борщевика Сосновского / А.В. Кудрявцев, А.С. Фирсов, В.Р. Лозован [и др.] // Зелёный журнал. Бюллетень ботанического сада Тверского государственного университета. 2019. № 7. С. 32-36.

2. Доржиев С.С., Базарова Е.Г. Биоэтанола из зелёной массы борщевика Сосновского // Инновации в сельском хозяйстве. 2012. № 2. С. 10-17.

3. Павлов А.В., Баранова Н.Д., Шурупов Е.А. Аннергия инвазивных растений на примере борщевика Сосновского // Сб.н.тр. Естествознание: исследование и обучение. Материалы научно-практической конференции. Ярославль. 2020. С. 246-254.

References

1. Kudryavtsev, A.V., A.S. Firsov, V.R. Lozovan et al. Some results of the refractometric determination of sugars in the roots of hogweed of the Sosnovsky. Green Journal. Bulletin of the Botanical Garden of Tver State University, 2019, no. 7, pp. 32-36.

2. Dorzhiev, S.S. and E.G. Bazarova. Bioethanol from the green mass of Sosnovsky hogweed. Innovations in agriculture, 2012, no. 2. pp. 10-17.

3. Pavlov, A.V., N.D. Baranova and E.A. Shurupov. Annergy of invasive plants on the example of Sosnovsky hogweed. Sb.n.tr. Science: Research and training. Materials of the scientific and practical conference. Yaroslavl, 2020, pp. 246-254.

Размещено на Allbest.ru