encimska razgradnja odpadnega mulja papirne … · encimska razgradnja odpadnega mulja papirne...
TRANSCRIPT
Magistrsko delo
ENCIMSKA RAZGRADNJA ODPADNEGA MULJA PAPIRNE INDUSTRIJE
September, 2015 Matjaž Kitak
Matjaž Kitak
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
Magistrsko delo
Maribor, 2015
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
Magistrsko delo študijskega programa II. stopnje
Študent: Matjaž Kitak
Študijski program: magistrski študijski program II. stopnje Kemijska
tehnika
Predvideni strokovni naslov: magister inženir kemijske tehnike
Mentor: doc. dr. Darja Pečar
Komentor: red. prof. dr. Andreja Goršek
Maribor, 2015
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
I
Kazalo
Kazalo................................................................................................................................... I Izjava .................................................................................................................................. II
Povzetek ............................................................................................................................ IV Abstract .............................................................................................................................. V
Seznam tabel ...................................................................................................................... VI Seznam slik ....................................................................................................................... VII
Uporabljeni simboli ......................................................................................................... VIII 1 Uvod ............................................................................................................................. 1
2 Teoretiĉni del ................................................................................................................ 3 2.1 Kemijska procesna tehnika ..................................................................................... 3
2.2 Šarţni reaktor ......................................................................................................... 4 2.3 Proizvodnja bioetanola ........................................................................................... 7
2.4 Lignocelulozni material.......................................................................................... 8 2.4.1 Odpadni papirni mulj ...................................................................................... 9
2.5 Reakcija hidrolize in alkoholne fermentacije ........................................................ 10 3 Metode dela ................................................................................................................ 12
3.1 Delovanje in specifikacije osrednjega reaktorskega sistema.................................. 12 3.1.1 Uporabljene kemikalije in pripadajoĉa laboratorijska oprema ........................ 16
3.2 Metode dela ......................................................................................................... 17 3.2.1 Predobdelava ................................................................................................ 17
3.2.2 Izraĉun koncentracije glukoze ....................................................................... 18 3.2.3 Izraĉun koliĉine bioetanola ........................................................................... 18
3.2.4 Raĉunalniška simulacija ................................................................................ 18 4 Eksperimentalni del..................................................................................................... 19
4.1 Postopki predobdelave ......................................................................................... 19 4.2 Reakcija hidrolize odpadnega mulja ..................................................................... 22
4.2.1 Merjenje koncentracije glukoze ..................................................................... 23 4.3 Alkoholna fermentacija glukoze v bioetanol ......................................................... 23
5 Rezultati in diskusija ................................................................................................... 24 5.1 Umeritvena krivulja ............................................................................................. 24
5.2 Encimska hidroliza odpadnega mulja ................................................................... 25 5.2.1 Mletje ........................................................................................................... 25
5.2.2 Kislinska predobdelava ................................................................................. 25 5.2.3 Alkalna hidroliza in oksidacija ...................................................................... 28
5.2.4 Primerjava razliĉnih tehnik predobdelave ...................................................... 29 5.3 Fermentacija glukoze v bioetanol ......................................................................... 30
5.4 Blokovna shema procesa ...................................................................................... 32 5.5 Raĉunalniška simulacija ....................................................................................... 33
6 Zakljuĉek .................................................................................................................... 35 7 Literatura .................................................................................................................... 36
8 Priloge ........................................................................................................................ 38 8.1 Bolj razredĉena raztopina (w = 0,1 %): ................................................................. 38
8.2 Manj razredĉena raztopina (w = 0,35 %): ............................................................. 39 9 Ţivljenjepis ................................................................................................................. 40
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
II
Izjava
Izjavljam, da sem magistrsko delo izdelal sam, prispevki drugih so posebej oznaĉeni.
Pregledal sem literaturo s podroĉja magistrskega dela po naslednjih geslih:
Vir: ScienceDirect (http://www.sciencedirect.com/)
Gesla: Število referenc
glucose IN bioethanol IN aspenplus 18
waste sludge IN pretreatment IN aspenplus 20
bioethanol IN cellulase IN enymatic hydrolysis 2
Vir: Wiley Online Library (http://onlinelibrary.wiley.com.ezproxy.lib.ukm.si/)
Gesla: Število referenc
waste sludge IN bioethanol IN enzyme 245
paper mill IN enzymatic hydrolysis IN celullase 3
glucose IN bioethanol IN pretreatment IN waste sludge 163
Vir: COBISS/OPAC (http://www.cobiss.si/scripts/cobiss?ukaz=getid, COBIB.SI)
Gesla: Število referenc
odpadni mulj 50
bioetanol IN encimska hidroliza 2
Skupno število pregledanih člankov: 34
Skupno število pregledanih knjig: 7
Maribor, september 2015 Matjaž Kitak
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
III
ZAHVALA
V času študija in nastajanja tega magistrskega dela
sta me ves čas spremljali, strokovno usmerjali,
svetovali in me spodbujali
mentorica doc. dr. Darja Pečar in
somentorica red. prof. dr. Andreja Goršek,
za kar se jima ISKRENO ZAHVALJUJEM.
Velika zahvala gre moji družini,
predvsem staršema, ki sta me finančno podpirala
in sta verjela vame.
ISKRENA HVALA VSEM!
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
IV
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
Povzetek
Primarni cilj magistrskega dela je bila študija moţnosti koristne uporabe odpadnega mulja
obstojeĉe papirnice. Ta material med drugim vsebuje tudi celulozo, za katero je znano, da ob
ustrezni predobdelavi hidrolizira najprej do enostavnih sladkorjev, ti pa v naslednjem koraku
fermentirajo do bioetanola. Hidrolizo celuloze smo izvajali ob prisotnosti specifiĉnega
encima celulaze in iskali optimalne pogoje za njen najuĉinkovitejši potek. Reakcije
alkoholne fermentacije v okviru tega dela nismo izvajali, saj so predhodne raziskave
pokazale, da gre za dokaj enostavno reakcijo s 100-odstotnim izkoristkom.
Za izvajanje reakcije hidrolize smo uporabljali šarţni reaktorski sistem EasyMax 102. Sistem
je bil izbran zaradi njegove enostavne uporabe, avtomatizacije, natanĉnosti in majhnih
reaktorskih volumnov. Vse te lastnosti sistema smo ob eksperimentalnem delu dodatno potrdili.
Pri encimski hidrolizi smo zaradi majhnega izkoristka reakcije odpadni mulj predhodno
obdelali z razliĉnimi tehnikami predobdelave. Uporabili smo mletje, kislinsko predobdelavo
z orto – fosforjevo kislino, alkalno hidrolizo z NaOH in oksidacijo s H2O2. S temi tehnikami
smo spreminjali kristaliniĉno strukturo celuloze na veĉ amorfnih podroĉjih.
Z eksperimentalnim delom smo doloĉili in potrdili optimalne reakcijske pogoje encimske
hidrolize odpadnega mulja (volumen encima, pH raztopine, ĉas reakcije in vrsto topila). Kot
optimalno tehniko predobdelave smo izbrali kislinsko predobdelavo z orto – fosforjevo
kislino. Pri tej je teoretiĉno izraĉunana dnevna koliĉina bioetanola znašala za bolj razredĉeno
raztopino ( = 1 g/L) 316 kg in za manj razredĉeno raztopino ( = 3,5 g/L) 151 kg.
Ključne besede: odpadni mulj, encimska hidroliza, bioetanol, predobdelava
UDK: 676.038.2(043.2)
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
V
Enzymatic digestion of paper industry waste sludge
Abstract
The primary goal of the master's work was the study of possible re-use of waste sludge from
the paper mill. This material also includes cellulose, for which it is known than if properly
treated it can hydrolyze into simple sugars, which in the next step ferment to bioethanol. We
performed the hydrolysis of cellulose with a specific enzyme celullase and searched for
optimal reaction conditions. Alcohol fermentation was not carried out, since previous research shows it is a fairly simple reaction with 100 % efficiency.
For implementation of hydrolysis reaction we have used batch reactor system EasyMax 102.
It was selected because of its ease of use, automation, precision and small reactor volume.
All these preferences of the system were confirmed during experiments and were used
accordingly.
Due to small yield of reaction, the waste sludge was pretreated with different preatretment
technics. We used grinding of the material, pretreatment with ortho – phosphoric acid,
alkaline hydrolysis with NaOH and oxidation with H2O2. With these technics we changed the crystalline structure of cellulose to different amorfic areas.
With this experimental work we have determined and confirmed optimal reaction conditions
of enzyme hydrolysis of cellulose from the waste sludge (volume of enzyme, pH of the
solution, reaction time and solvent type). As optimal pretreatment technic we chose
pretreatment with ortho – phosphoric acid. The theoretical calculated daily value of
bioethanol was 316 kg for the case of more diluted solution ( = 1 g/L) and 151 kg for the
case of less diluted solution ( = 3,5 g/L).
Key words: waste sludge, enzyme hydrolysis, bioethanol, pretretmant
UDK: 676.038.2(043.2)
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
VI
Seznam tabel
Tabela 2-1: Fizikalne in kemijske lastnosti etanola.20-22
........................................................ 7
Tabela 2-2: Fizikalna ali kemijska lastnost odpadnega mulja.4,26
.......................................... 9
Tabela 4-1: Mase standardnih raztopin. .............................................................................. 23
Tabela 5-1: Vpliv vrste topila na presnovo reakcije hidrolize.............................................. 25
Tabela 5-2: Vpliv spremembe pH na presnovo reakcije hidrolize. ...................................... 26
Tabela 5-3: Vpliv spremembe reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije hidrolize. ................ 27
Tabela 5-4: Vpliv volumna encima na presnovo reakcije hidrolize. .................................... 27
Tabela 5-5: Vpliv predobdelave mulja z alkalno hidrolizo in oksidacijo na presnovo. ......... 28
Tabela 5-6:Vpliv koliĉine encima in pufra na presnovo reakcije hidrolize. ......................... 30
Tabela 5-7: Masni pretoki komponent napajalne zmesi s kislinsko predobdelavo. .............. 31
Tabela 5-8: Masni pretoki komponent napajalne zmesi po razliĉnih metodah predobdelav. 31
Tabela 5-9: Procesni tokovi in procesne enote za separacijski del procesa .......................... 33
Tabela 5-10: Masni pretoki komponent. ............................................................................. 34
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
VII
Seznam slik
Slika 2-1: Shema kemijskega postopka. ................................................................................ 3
Slika 2-2: Šarţni (»batch«) reaktorski sistem. ....................................................................... 4
Slika 2-3: Koncentracijski profil v šarţnem reaktorju (splošni primer). ................................ 6
Slika 2-4: Blokovna shema proizvodnje bioetanola. ............................................................. 7
Slika 2-5: Sestava lignoceluloze.22
....................................................................................... 8
Slika 2-6: Splošna formula celuloze. .................................................................................... 8
Slika 2-7: Mikroskopska poveĉava odpadnega mulja: a) 100x in b) 500x.4 ......................... 10
Slika 2-8: Proces proizvodnje etanola iz glukoze.29
............................................................ 11
Slika 3-1: Reaktorski sistem EasyMax 102. ........................................................................ 12
Slika 3-2: Tloris laboratorijskega reaktorja. ........................................................................ 13
Slika 3-3: Notranjost vloţišĉa. ............................................................................................ 14
Slika 3-4: Stekleni reaktor: a) sestavni deli reaktorja in b) sestavljen reaktor. ..................... 14
Slika 3-5: Shema predobdelave odpadnega mulja.25
........................................................... 17
Slika 4-1: Zmleti odpadni mulj. .......................................................................................... 19
Slika 4-2: Homogena mešanica odpadnega mulja obdelana z orto – fosforjevo kislino. ...... 20
Slika 4-3: Organski in anorganski del po centrifugiranju. ................................................... 20
Slika 4-4: Organski del mulja z 20 % vsebnosti neĉistoĉ. ................................................... 21
Slika 4-5: Vhodni material po konĉani predobdelavi z natrijevim hidroksidom. .................. 21
Slika 4-6: Zmes po predobdelavi z vodikovim peroksidom. ................................................ 22
Slika 4-7: VIS spektrofotometer. ........................................................................................ 23
Slika 5-1: Umeritvena krivulja za doloĉanje koncentracije glukoze. ................................... 24
Slika 5-2: Vpliv spremembe pH na stopnjo presnove hidrolize glukoze. ............................. 26
Slika 5-3: Presnove reakcije hidrolize celuloze z razliĉnimi predobdelavami. ..................... 29
Slika 5-4: Blokovna shema procesa s kislinsko predobdelavo. ............................................ 32
Slika 5-5: Shema frakcionirne destilacije. ........................................................................... 33
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
VIII
Uporabljeni simboli
A absorbanca 1
c koncentracija mol/L
cA koncentracija snovi na koncu mol/L
cA0 koncentracija snovi na zaĉetku mol/L
cg koncentracija glukoze mol/L
crazt mnoţinska koncentracija mol/L
fm frekvenca mešala min-1
mg masa glukoze g
mmulja masa mulja g
n mnoţina mol
nA mnoţina snovi na koncu mol
nA0 mnoţina snovi na zaĉetku mol
t ĉas h
V volumen L
Vencima volumen encima µL
w masni deleţ raztopine %
worg.del masni deleţ organske faze %
wbioetanola masni deleţ bioetanola %
Grški simboli
masna koncentracija g/L
λ valovna dolţina nm
ν hitrost centrifugiranja min-1
ϑ temperatura °C
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
IX
Kratice
ADP adenozid difosfat ATP adenozin trifosfat CEPI Confederation of European paper industries D- D-konfiguracija E85 mešanica 85 % etanola in 15 % bencina EtOH etanol FPU filter paper unit
LED light – emitting diode NAD
+ nikotinamid adenin dinukleotid NADH nikotinamid adenin dinukleotid hidogen n. š. našega štetja Pi piruvat SHF separate hydrolysis and fermentation
SSF simultaneous saccharification and fermentation
TOC total organic carbon
VIS vidno obmoĉje spektrofotometrije
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
1
1 Uvod
Kljub razvoju modernih tehnologij bi si v današnjem ĉasu teţko predstavljali ţivljenje brez
uporabe papirja, bodisi ĉasopisnega, pisemskega, pisalnega, servietnega … Tako lahko z
gotovostjo trdimo, da je iznajdba papirja ena izmed najpomembnejših svetovnih odkritij, saj
spremlja in vpliva na razvoj ĉloveštva skozi celotno zgodovino.
Prva izdelava papirja sega v leto 105 n. š. in je pripisana kitajskemu ministru Zaj Lunu. V
Evropo se je umetnost izdelovanja papirja prenesla preko Perzije in Sredozemlja v 12.
stoletju. V 19. stoletju pa so se razvili mehanski in kemiĉni postopki ter stroji za izdelavo
celuloznih vlaknin iz lesa in enoletnih rastlin, ki so sedaj osnova za izdelovanje papirja.1
Na letni ravni se proizvede pribliţno 403 milijone ton papirja in papirne kaše. Stopnja
recikliranja le-tega se giblje nekje med 65 % in 72 %. Med najveĉje proizvajalce spadajo
Evropa, Azija ter severna Amerika. Strokovnjaki zdruţenja »Confederation of European
paper industries« (CEPI) napovedujejo še izdatno poveĉanje proizvodnje do leta 2020.
Stopnja recikliranja naj bi ostala konstantna. In ravno pri sami proizvodnji papirja in ponovni
uporabi oz. recikliranju le-tega je glavni stranski produkt odpadni mulj.2,3
Odpani mulj iz tovarn papirja je kemijsko in fizikalno gledano nenavaren odpadek, ki
predstavlja veliko okoljsko obremenitev, saj je sestavljen iz organskih snovi, ki izdatno
onesnaţujejo naše okolje (ogljikov dioksid in metan). Zato je v Sloveniji problematika glede
skladišĉenja in uporabe odpadnega mulja iz tovarn papirja precej aktualna.
Najunĉinkovitejša tehnika ravnanja s tem odpadkom je sušenje surovine ter njena uporaba
kot material na lastnih seţigalnih kotlih in napravah. Moţna je tudi njegova predelava do
konĉnega produkta etanola oz. bioetanola.4
Bistvo vsakega kemijskega oz. industrijskega procesa je minimizirati stroške proizvodnje ter
po moţnosti predelati in koristno uporabiti stranske produkte procesa v takšne s trţno
vrednostjo. Zato smo v okviru magistrskega dela izvedli reakcije za razgradnjo odpadnega
mulja do konĉnega produkta, primernega za uporabo na trgu. Uporabljali smo predhodno
obdelan odpadni mulj, ki nastaja pri proizvodnji papirja obstojeĉe slovenske tovarne papirja.
Ta je sestavljen iz celuloznih vlaken in anorganskega dela. Celulozna vlakna smo s pomoĉjo
encimov razgraditi do enostavnih sladkorjev – glukoze. Naslednje stopnje razgradnje, to je
fermentacije glukoze do konĉnega produkta bioetanola, eksperimentalno nismo izvajali, saj
je reakcija enostavna in poteĉe do 100 % presnove. Naš namen v konĉni fazi raziskav je bil
teoretiĉno oceniti koliĉino ĉistega in trţno vrednega produkta bioetanola. Ta je v zadnjem
ĉasu še posebej pridobil na svoji vrednosti, veljavi ter uporabnosti kot gorivo, saj sluţi kot
nadomestek za okolju škodljiva fosilna goriva. Njegova svetovna proizvodnja iz obnovljivih
virov v letu 2014 je znašala 93 milijonov litrov.4,5,6
Z izvajanjem laboratorijskih eksperimentov smo hoteli potrditi in preveriti do sedaj ţe
opravljene raziskave na podroĉju uporabe razliĉnih postopkov predobdelave in same reakcije
hidrolize celuloze iz odpadnega mulja do enostavnih sladkorjev. V nadaljevanju navajamo
nekaj najpomembnejših rezultatov razliĉnih avtorjev.7 – 11
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
2
Cabrera in soavtorji7 so v svoji raziskavi prouĉevali vpliv postopka predobdelave z
natrijevim hidroksidom in vodikovim peroksidom na uĉinkovitost hidrolize pri razliĉnih
pogojih. Spreminjali so koncentracijo preobdelane mešanice in ĉas predobdelave. Encimsko
hidrolizo predobdelanih kmetijskih ostankov (biomase) so izvedli do enostavnih sladkorjev.
Pri tem so prišli do zakljuĉka, da je bila v primeru vodikovega peroksida (w = 4 %) po 24
urah v predobdelavi doseţena 77,5-odstotna presnova. V primeru natrijevega hidroksida (w
= 1 %) pa je bila po 48 urah v predobdelavi doseţena 92,6-odstotna presnova.
Li Zhang X. in soavtorji8 so optimirali kislinsko hidrolizo mikrokristaliniĉne in surove
celuloze s pomoĉjo katalizatorja FeCl3. Ugotovili so, da omenjeni katalizator uĉinkuje na
amorfna podroĉja in jih spodbudi k hidrolizi. Pri izvajanju reakcij so spreminjali reakcijski
ĉas, temperaturo in koncentracijo katalizatorja ter reakcijske mešanice. Najvišjo presnovo
(63,59 %) so dobili po 64,02 min pri temperaturi 88,28 °C in koncentraciji FeCl3 , c = 0,4
mol/L.
Pheng in Chen9 sta pri pretvorbi odpadnega mulja do etanola uporabljala SHF proces
(separacija, hidroliza in fermentacija) z encimom celulaze. Raziskava je temeljila na
optimiranju ĉasa hidrolize, koncentraciji substrata in encima. Optimalni ĉas hidrolize je bil
82,7 ur pri koncentraciji substrata, =40,8 g/L in aktivnosti encima 18,1 FPU/g substrata. Pri
34,2-odstotni presnovi celuloze sta iz 1 kg suhega odpadnega mulja dobila 190 g etanola.
Prav tako so Yamashita, Sasaki in Nakamura 10
izvajali SSF proces odpadnega mulja in kot
rezultat podali ĉistoto etanola. Za postopek predobdelave so uporabili mletje in postopek s
fosforno kislino. Ugotovili so, da v primeru soĉasne predobdelave mulja z mletjem in
fosforno kislino nastane konĉni produkt – etanol ĉistote 81,5 %. Doloĉili so tudi ĉistoto
etanola ob uporabi neobdelanega odpadnega mulja. V tem primeru je bila ĉistota 54,3 %.
Vpliv alkalne predobdelave pri nizki temperaturi z natrijevim hidroksidom v kombinaciji z
ureo so prouĉevali Zhao in soavtorji 11
. Rezultat raziskovanja je bil, da predobdelava pod
temperaturo ledišĉa (−15 °C) in izbranih masnih deleţih natrijevega hidroksida in uree daje
visoko stopnjo presnove celuloze do glukoze (nad 70 %). Ob uporabi istih masnih deleţev
topila, vendar višji temperaturi predobdelave (23 in 60 °C) je bila stopnja presnove niţja (20
in 24 %).
Namen magistrskega dela v konĉni fazi je bila študija moţnosti naĉrtovanja ekonomsko
uĉinkovitega biokemijskega procesa 12
, pri katerem je bilo potrebno doloĉiti sintezne poti in
kljuĉne procesne parametre. Kot optimizacijski kriterij smo izbrali iztoĉno koncentracijo
bioetanola. Predpostavili smo, da bodo na potek reakcije hidrolize vplivali temperatura,
hitrost mešanja reakcijske zmesi in koncentracija biološkega katalizatorja (celulaze). Glede
na izbrane reakcijske poti in optimalne procesne pogoje smo razvili procesno shemo za
predlagan postopek ter ocenili koliĉino bioetanola kot moţnega trţnega produkta.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
3
2 Teoretični del
Osnova za dobro in kvalitetno izvajanje kemijskih eksperimentov je poznavanje ter
razumevanje njihove teorije. Zato v tem poglavju predstavljamo najpomembnejše teoretiĉne
osnove naših raziskav.
2.1 Kemijska procesna tehnika
Osnovna naloga kemijske procesne tehnike je pretvorba izhodnih surovin (reaktantov) do
konĉnih reakcijskih produktov pri optimalnih reakcijskih pogojih. Pri tem študiramo razliĉne
predobdelavne procese, sintezne poti ter na koncu separacijo ţeljenega materiala. Ravno zato
je kemijska procesna tehnika širok znanstveni model, ki ga lahko razdelimo v naslednje
sklope :13
kemijska sinteza,
kemijska procesna tehnika,
strojna in aparaturna tehnika,
tehnika meritev, vodenja in regulacije.
Postopke kemijske sinteze lahko z drugo besedo imenujemo tudi kemijska tehnologija. To so
procesi, ki zdruţujejo na eni strani kemijske spremembe in na drugi sam potek ter
mehanizem kemijskih reakcij. Da lahko proces poteĉe, je potrebno prouĉiti proizvodno
tehniĉne korake. Med te operacije spadajo mletje, gretje, hlajenje, loĉevanje in še mnogi
drugi. Zanje je znaĉilno, da pri teh operacijah ne potekajo kemijske spremembe, ampak
prihaja do koncentracijskih, temperaturnih, agregatnih, velikostnih … sprememb. S tem
podroĉjem se ukvarja kemijska procesna tehnika.
Zadnja dva sklopa (strojna in aparturna tehnika ter tehnika meritev, vodenja in regulacije) sta
medsebojno povezana in najpomembnejša za izvedbo kemijske reakcije. Na sliki 2–1 je
prikazana enostavna shema kemijskega postopka, na kateri so oznaĉeni najpomembnejši
zgoraj opisani sklopi kemijske procesne tehnike.13
Slika 2-1: Shema kemijskega postopka.
KEMIJSKI REAKTOR LOČEVANJE
MLETJE
GRETJE
SUROVINA
SUROVINA
SUROVI
PRODUKT
KONČNI
PRODUKT
KONČNI
PRODUKT
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
4
2.2 Šaržni reaktor
Pri laboratorijskem delu smo uporabljali šarţni oz. diskontinuirni reaktorski sistem. Šarţni
(»batch«) reaktor je zelo enostaven in uporaben sistem za izvajanje kemijskih reakcij v
laboratorijskem in industrijskem merilu. S preprostimi besedami je to zaprti ali odprti sistem,
v katerega vnesemo reaktante, zapremo in izpostavimo reakcijskim pogojem. Po doloĉenem
ĉasu, ko je reakcija konĉana, se iz posode odstrani reakcijska mešanica skupaj s produkti.
Šarţni reaktor ima obliko cilindriĉne posode z zaobljenimi robovi na dnu, ter pokrovom ali
brez njega na vrhu. Nad sistemom je namešĉeno mešalo razliĉnih oblik (veslasto, sidrasto,
turbinsko, lopatasto …). Pogon mešala je v laboratorijskem merilu preko elektro motorja z
magnetom, v industrijskem merilu ima svoj pogon preko klasiĉnega elektromotorja. V
primeru, da med mešanjem tekoĉine prihaja do trombe, je potrebno na stene reaktorja
namestiti pregrade, ki to prepreĉujejo. Pri uporabi mešal je potrebno upoštevati razmerje
med premerom posode in premerom mešala (3 : 1). Na sliki 2–2 je mešalni del reaktorja
oznaĉen z modro barvo.14,15
Gretje ali hlajenje reakcijske mešanice v notranjosti reaktorja se izvaja preko reaktorjevega
plašĉa, po katerem kroţi medij (olje ali voda). Reaktorjeva površina je lahko v celoti obdana
s plašĉem, ali pa je obdan s cevjo v obliki spirale, po kateri se pretaka hladilni ali grelni
medij. Ta del je na sliki 2–2 oznaĉen z rdeĉo barvo. Kontrola temperature zmesi se izvaja
preko termometra, ki je vstavljen na vrhu sistema in sega v sredino reaktorja.15-17
Šarţni reaktor omogoĉa izvajanje reakcij pri povišanem tlaku, v tem primeru se imenuje
avtoklav. Bistvenega pomena je, da pri višjem tlaku uporabljamo magnetno mešalo namesto
mehanskega.16
Slika 2-2: Šarţni (»batch«) reaktorski sistem.
REAKTORSKA POSODA
PLAŠČ REAKTORJA
MEŠALO
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
5
Iz zgoraj predstavljenega je razvidno, da gre za enostaven kemijski reaktor, ki kljub temu
daje zelo zadovoljive rezultate. Njegova najveĉja prednost je v enostavni uporabi, primeren
je za poskusne izdelave barvil ali zdravil. Reakcije v njem lahko potekajo tako v trdni kot
tekoĉi fazi ali pa v kombinaciji teh dveh. Proizvodne koliĉine znašajo od 100 kg do veĉ
1 000 kg. Primeren je za proizvodnjo veĉ razliĉnih koliĉin snovi, ki imajo doloĉeno
specifikacijo, ter reakcij fermentacije. Zraven prednosti se pojavljajo tudi slabosti šarţnega
reaktorja. Ena izmed veĉjih slabosti so visoki obratovalni stroški, saj je pri vsakem izvajanju
novega eksperimenta reaktorski sistem potrebno ponovno segrevati ali ohlajati. Prav tako se
med samim praznjenjem posode pojavi tako imenovani »mrtvi ĉas«, ko med
odstranjevanjem konĉnega produkta iz sistema reaktor ne more obratovati. V veĉini
primerov je iz dobljene zmesi potrebno konĉni produkt separirati.13,15
Snovno bilanco produkta za šarţni reaktor predstavlja enaĉba 2.1, in sicer:14
VTOK N ST J NJE IZTOK KUMUL CIJ 2.1
Spremembo reaktantov v produkt oz. presnovo reakcije pri konstantnem volumnu zapišemo splošno z enaĉbo 2.2:
18
2.2
kjer je:
XA – stopnja presnove [%],
nA0 – mnoţina snovi na zaĉetku reakcije [mol],
nA – mnoţina snovi na koncu reakcije [mol].
Osnovno zvezo za izraĉun mnoţine snovi predstavlja enaĉba 2.3:18
2.3
kjer je:
n – mnoţina snovi [mol],
c – koncentracija snovi [mol/L],
V – volumen [L].
Ob upoštevanju enaĉbe za izraĉun mnoţine snovi (enaĉba 2.3) in konstantnega
volumnadobimo konĉno obliko enaĉbe za presnovo reakcije 2.4:18
2.4
kjer je:
cA – koncentracija snovi na koncu reakcije [mol/L],
cA0 – koncentracija snovi na zaĉetku reakcije [mol/L].
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
6
Spremljanje koncentracijskega profila v šarţnem reaktorju lahko grafiĉno prikaţemo z
grafom c f(t) (slika 2–3). Modra krivulja predstavlja koncentracijo produkta. Ta je ob
zaĉetku reakcije niĉ, nato se viša in doseţe neko konĉno vrednost.
Rdeĉa krivulja predstavlja koncentracijo reaktanta. Ta ima nasprotni potek. Na zaĉetku ima
doloĉeno vrednost , med potekom reakcije se spreminja – zniţuje, dokler se ne porabi oz. ga
nekaj ostane nezreagiranega.
Slika 2-3: Koncentracijski profil v šarţnem reaktorju (splošni primer).
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
c[m
ol/L
]
t [min]
Koncentracija produkt Koncentracija reaktant
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
7
2.3 Proizvodnja bioetanola
Proizvodnja etanola je kompleksni proces, pri katerem lahko dobimo sintetiĉni etanol ali
bioetanol. Slednjega pridobivamo iz biomasnih materialov, ki vsebujejo razliĉne sladkorje, škrob in celulozo (koruza, sladkorni trs, les, pšenica …).
18
Bioetanol se v današnjem ĉasu vse veĉ uporablja kot gorivo pri pogonskih sredstvih ali
pomoţno gorivo predvsem iz razloga manjšega onesnaţevanja okolja, ter veĉje energetske
varnosti. Biogoriva se proizvajajo v dveh generacijah. Prva generacija – konvencionalna
biogoriva, se proizvajajo iz sladkorja ali škroba. Druga generacija – napredna biogoriva, se
proizvajajo iz biomase (lignoceluloze). V svetu je kot gorivo poznano E85, ki pomeni
mešanico 85 % etanola in 15 % bencina. Ta mešanica ima manjše oktansko število kot
obiĉajni bencin, kar se odraţa v manjšem izkoristku pri izgorevanju motorja. Fizikalne in
kemijske lastnosti etanola oz. bioetanola so prikazane v tabeli 2.1:20−22
Tabela 2-1: Fizikalne in kemijske lastnosti etanola.20−22
Pretvorba biomase v bioetanol poteka v dveh zaporednih reakcijskih stopnjah. Prva stopnja
je pretvorba biomase v enostavne sladkorje – glukozo, ob prisotnosti encima celulaze. Druga
stopnja je fermentacija enostavnih sladkorjev – glukoze do konĉnega produkta bioetanola, ki
ga je v nadaljevanju potrebno loĉiti iz dobljene reakcijske mešanice. Poenostavljena blokovna shema procesa je na sliki 2–4.
23
Slika 2-4: Blokovna shema proizvodnje bioetanola.
BIOMASA GLUKOZABIOETANOL S
PRIMESMIHIDROLIZA FERMENTACIJA BIOETANOL SEPARACIJA
kemijska ali fizikalna lastnost vrednost
drugo ime etilni alkohol
kratica EtOH
molekulska formula C2H5OH
molekulska masa 46,07 g/mol
vrelišče 78 °C
tališče −114 °C
gostota 789 g/L
barva brezbarven
agregatno stanje tekoĉe
topnost v polarnih topilih
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
8
2.4 Lignocelulozni material
Lignocelulozni material oz. rastlinsko obnovljivi material lahko glede na izvor surovine
razvrstimo v tri podskupine:24
primarni viri (bombaţ, seno, gradbeni les …),
lignocelulozni odpadki iz kmetijstva (slama, storţi od kuruze, hlevski gnoj …),
celulozni komunalni odpadki (papir, odpadni mulj …).
Lignoceluloza je sestavljena iz kompleksnih ogljikovih hidratov, kot so celuloza (40 %–
50 %), hemiceluloza (25 %–35 %) in lignin (15 %–20 %). Preprost prikaz materiala z vsemi
podenotami je predstavljen na sliki 2–5.22
Slika 2-5: Sestava lignoceluloze.22
Celuloza:
Celuloza je polimer, ki je v naravi proizveden s pomoĉjo rastlinskih celic. S kemijskega
stališĉa je sestavljen iz polisaharidnih enot glukoze, povezanih med seboj z β – 1,4 vezmi.
Splošna formula (C6H10O5)n je prikazana na sliki 2–6, pri ĉemer je »n« število monomernih
enot. Njena struktura je linearna in tesno povezana v snope, kar ji daje moĉno odpornost
proti reakciji hidrolize. Zato je za veĉjo uĉinkovitost reakcije material z vsebnostjo celuloze potrebno predhodno predobdelati (kemijsko ali fizikalno).
25
Slika 2-6: Splošna formula celuloze.
CELULOZA
LIGNIN
HEMICELULOZA
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
9
Hemiceluloza:
Hemiceluloza je sestavljena iz homo in hetero polimernih polisaharidov razliĉnih vrst
sladkorjev (pentoze, heksoze), povezanih med seboj z glikozidnimi vezmi. V primerjavi s
celulozo je zaradi prisotnosti stranskih verig v celoti ali delno nekristaliniĉna.25
Lignin:
Lignin je prav tako polimer iz fenilpropanskih enot. Netopen je v vodi in ga je izredno teţko
hidrolizirati. Nahaja se med celuloznimi snopi in varuje rastlinski material pred mehanskimi
poškodbami.25
2.4.1 Odpadni papirni mulj
Kot je bilo ţe uvodoma omenjeno, gre kemijsko in fizikalno gledano za odpadek, ki
predstavlja veliko ekološko obremenitev. Ker vsebuje velik deleţ ogljika, je njegovo
odlaganje v naravo prepovedano. Del odpadnega papirnega mulja se lahko uporabi kot sekundarna surovina v proizvodnji cementa in opekarni. Ostalo se seţge v seţigalnicah.
Odpadni papirni mulj vsebuje anorganski (kaolin, karbonat) in organski del (celulozna
vlakna). V osnovi je sestavljen iz celuloznih vlaken in polnil iz kalcijevega karbonata, gline
in vodotopnih ostankov kemikalij. Zaradi industrijske proizvodnje so prisotne tudi druge
spojine (pepel, aluminjev in ţelezov oksid …). Ĉe ga hoĉemo pretvoriti v bioetanol, je
uporaben samo organski del, anorganskega je potrebno odstraniti. Odpadni mulj je sivo bela
trdna snov, ki vsebuje veliko vode. Nekatere njegove fizikalne in kemijske lastnosti so podane v tabeli 2–2.
4,26
Tabela 2-2: Fizikalna ali kemijska lastnost odpadnega mulja.4,26
kemijska ali fizikalna lastnost vrednost
barva bela
gostota mokrega materiala 12,7 kg/m3
gostota suhega materiala 6,1 kg/m3
agregatno stanje trdno
pH 8,3
električna konduktivnost 0,2 mS/cm
skupni ogljik (TOC) 153 g/kg
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
10
Na prvi pogled je oblika mulja dokaj enostavna, vendar mikroskopska poveĉava pokaţe
njegovo kompleksno zgradbo. To lahko vidimo na sliki 2–7, kjer so prikazana vlakna
odpadnega mulja pri razliĉnih mikroskopskih poveĉavah.4
Slika 2-7: Mikroskopska poveĉava odpadnega mulja: a) 100x in b) 500x.4
2.5 Reakcija hidrolize in alkoholne fermentacije
Reakcija hidrolize pomeni cepitev molekul oz. njenih kovalentnih vezi. Splošna reakcija
hidrolize je zapisana na sledeĉ naĉin:27
A-B + H-O-H A-H + B-OH 2.5
Iz enaĉbe 2.5 je razvidno, da se izhodna spojina razcepi na dva dela, pri ĉemer se v en del
vgradi hidroksilna skupina (hidroksilni anion), v drugega pa vodik (kation).
Reakcija hidrolize je v osnovi obratna reakcija nevtralizacije. Po Brønstedovi teoriji kislin in
baz je reakcija hidrolize imenovana protolizna reakcija. V tem primeru gre za sprejemanje in
oddajanje protona.27
Reakcija hidrolize je znaĉilna tudi za specifiĉne polimere, kjer se kot katalizatorji
uporabljajo kisline – ţveplova kislina ali lugi – natrijev hidroksid. Ta tip reakcije se pojavi
pri amidih in estrih. Do same hidrolize pride zaradi nukleofilnega napada (voda, hidroskidni
ion) na ogljik v karbonilni skupini amida ali estra.28
V primeru odpadnega mulja hitrost
kemijske reakcije pospešimo z dodatkom celulaze, ki je specifiĉen encim za to vrsto
reakcije.
Reakcija alkoholne fermentacije ali alkoholno vrenje je biološki proces, pri katerem se
sladkor – glukoza pretvori v obliko adenozin trifosfata (ATP), kot metabolni produkt pa
nastaneta etanol in ogljikov dioksid. Za takšno delovanje so potrebni anaerobni pogoji in
prisotnost encima iz vrst kvasovke Saccharomyces cerevisiae. Optimalna temperatura
delovanja encima kvasovk je med 35 in 37 °C.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
11
Biokemijsko reakcijo za pretvorbo glukoze v etanol lahko zapišemo z enaĉbo 2.6:29
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP 2.6
Na sliki 2–8 je prikazan celoten proces alkoholne fermentacije glukoze do konĉnega
produkta etanola. V prvem koraku se mulekula glukoze najprej razcepi do dveh molekul
piruvata. Pri tem se sprosti energija (eksotermna reakcija) in pride do vezave anorganskih
fosfatov na adenozin difosfat – ADP, ter redukcijo oz. sprejemanje vodikovega protona
nikotinamid dinukleotida – NAD+ v NADH. V drugem koraku se novo nastali molekuli
piruvata pretvorita v dve novo nastali molekuli acetaldehida. Kot stranski produkt nastane
ogljikov dioksid. Konĉni korak je pretvorba acetaldehida z oksidacijo NADH oz. vezavo
vodikovega protona v etanol.29
Slika 2-8: Proces proizvodnje etanola iz glukoze.29
GLUKOZA
2 ETANOL
2 ACETALDEHID
2 PIRUVAT
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
12
3 Metode dela
Pri laboratorijskem delu je kljuĉnega pomena izbira ustrezne in natanĉne metode dela, ter
izvajanje eksperimentov na sodobni in tehnološko dovršeni procesni opremi. Zato bo v tem
poglavju sledil opis osrednjega reaktorskega sistema in pregled izbranih metod dela.
Eksperimentalni del v okviru magistrskega dela je bil v celoti opravljen na Fakulteti za
kemijo in kemijsko tehnologijo v Mariboru, natanĉneje v Laboratoriju za procesno sistemsko
tehniko in trajnostni razvoj.
3.1 Delovanje in specifikacije osrednjega reaktorskega sistema
Pri izvajanju hidrolize celuloze iz odpadnega mulja smo uporabljali reaktorski sistem
EasyMax 102 proizvajalca Mettler Toledo, ki je predstavljen na sliki 3–1. Ta sistem po
naĉinu delovanja uvršĉamo med šarţne reaktorje. Zanje je znaĉilno, da reakcija poteĉe/steĉe
z mešanjem z razliĉnimi vrstami mešal. Temperaturno odvisnost v reaktorju nadzorujemo z grelnim ali hladilnim medijem v plašĉu reaktorja.
30
Slika 3-1: Reaktorski sistem EasyMax 102.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
13
Reaktorski sistem EasyMax 102 predstavlja novo generacijo avtomatiziranih sistemov za
laboratorijske analize in organske sinteze. Omogoĉa izvajanje kalorimetriĉnih meritev za
posamezne reakcije. Te meritve so pri prenosu podatkov kemijskega procesa iz
laboratorijskega na industrijsko merilo kemijskemu inţenirju v izredno pomoĉ. Z njimi
dobimo podatke o varnosti procesa ter snovnem in toplotnem prenosu.31
Primerjava med tem reaktorskim sistemom in prav tako avtomatiziranim RC1
laboratorijskim reaktorjem pokaţe mnoge prednosti prvega. Izrazita prednost sistema
EasyMax 102 je majhna velikost reaktorjev. Ta specifikacija je v kemijskem inţenirstvu zelo
pomembna, saj je v najveĉ primerih za izvajanje testnih reakcij na razpolago majhna koliĉina
reaktantov. Sistem prav tako odlikuje zelo dobra natanĉnost pri izvajanju poskusnih
eksperimentov, pri doloĉenih temperaturnih profilih in razliĉnih hitrostih mešanja.
Upravljanje sistema in doloĉanje reakcijskih pogojev (temperature, hitrosti mešanja, ĉasa
reakcije …) izvajamo s pomoĉjo majhnega zaslona na dotik. Zajemanje podatkov lahko
poteka preko osebnega raĉunalnika, ali jih shranjujemo na USB kljuĉek. Vse te lastnosti pripomerejo k temu, da je EasyMax 102 enostaven in varen za laboratorijsko delo.
Reaktorski sistem je zasnovan tako, da lahko na njem hkrati potekata loĉeno dve reakciji. V
grobem je sestavljen iz naslednjih pomoţnih reaktorskih komponent (slika 3–2 v tlorisnem pogledu):
dveh steklenih reaktorjev, temperaturnega termostata, dodatka za kalorimerijo, merilca pretoka zraka, merilca pretoka hladilne vode in krmilnega modula.
Slika 3-2: Tloris laboratorijskega reaktorja.
krmilni modul
steklena reaktorja
merilec pretoka hladilne vodemerilec pretoka zraka
temperaturni termostat
dodatek za kolorimetrijo
33 cm
28cm
36 cm
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
14
V nadaljevanju sledi kratek opis in predstavitev posameznih delov reaktorskega sistema EasyMax 102.
Steklena reaktorja:
Sistem omogoĉa hkraten in loĉen potek dveh neodvisnih reakcij. Za to sta namenjena dva
steklena reaktorja za razliĉne tipe reakcij in sintez. Vstavljena sta v notranjost naprave (slika
3–3), kjer poteka gretje ali hlajenje reaktorskega plašĉa in mešanje preko magnetnega mešala
razliĉnih oblik in z moţnostjo regulacije od (50 – 1 000) min-1
.
Slika 3-3: Notranjost vloţišĉa.
Volumen reaktorske posode je lahko 50 mL ali 100 mL. Na vrh valjastega reaktorja se s
pomoĉjo tesnila in zaponke stabilizira veĉvratni pokrov, kar je razvidno iz slike 3–4. Ravno
ta omogoĉa, da lahko med sintezami spremljamo in spreminjamo razliĉne procesne
parametre ter izvajamo kalorimetriĉne študije. Reaktorja imata tudi moţnost dodajanja
reaktantov v mešanico brez prekinjanja oz. zaustavljanja poteka reakcije. Med potekom
sintez je moţno reakcijsko zmes spremljati skozi stekleno vitrino na ĉelni strani naprave, ki si jo lahko osvetlimo z LED svetilko.
Slika 3-4: Stekleni reaktor: a) sestavni deli reaktorja in b) sestavljen reaktor.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
15
Temperaturni termostat:
Tehnologija termostata deluje po principu »trdne faze«. To pomeni, da gretje poteka s
pomoĉjo elektriĉne energije, hlajenje pa deluje po Peltierjevem efektu. Pri tem pojavu se
ustvari temperaturna razlika na podlagi elektriĉne napetosti. Do tega pride, ko elektriĉni tok
steĉe ĉez dve razliĉni kovini, ki sta povezani na Peltierjevih spojih. Eden od spojev se
segreva, drugi hladi in tako se prenaša toplotni tok.32
Ta naĉin segrevanja in hlajenja
omogoĉa delovanje reaktorskega sistema v temperaturnem obmoĉju od (-40 180) °C. To
reguliramo preko zaslona na dotik, kjer lahko spremljamo temperaturni profil reakcije v
notranjosti in plašĉu reaktorja. Za laţje doloĉanje dejanske temperature v notranjosti
reakcijske mešanice uporabimo termometer, ki ga vstavimo skozi odprtino na pokrovu.
Krmilni modul:
Preko krmilnega modula (zaslona na dotik) upravljamo delovanje celotnega reakcijskega
sistema. Je izredno enostaven, hiter, zanesljiv in priroĉen za eksperimentalno delo.
Merilec pretoka zraka in hladilne vode:
Sistem ima vgrajeni ĉrpalki za pretok zraka in hladilne vode. Pretok hladilne vode nam
omogoĉa hlajenje termostatiranega dela sistema. Pretok zraka sluţi za odstranjevanje
kondenzata iz prostora med reaktorjem in grelnim plašĉem. S pomoĉjo merilcev ob strani
reaktorskega sistema lahko ti dve veliĉini reguliramo na ţeljeno vrednost.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
16
3.1.1 Uporabljene kemikalije in pripadajoča laboratorijska oprema
Pri hidrolizi odpadnega mulja smo upoštevali navodila za varno delo v laboratoriju in hkrati
uporabljali sledeĉe kemikalije:
encim Cellulase from Aspergillus sp: Sigma – Aldrich,
orto – fosforno kislino (H3PO4), 85 %; Kemika Zagreb,
glukozni reagent; Roche,
natrijev hidroksid (NaOH); J.T. Baker,
belox 30; (w = 30 % H2O2),
D(+) – glukozo; Sigma – Aldrich,
deionizirano vodo.
Zraven vseh zgoraj naštetih kemikalij smo za uspešno delo potrebovali še sodobno, visoko tehnološko razvito in natanĉno laboratorijsko opremo:
spektrofotometer UV – VIS (Varian),
termostat za vodo (Lauda),
megnetno mešalo Rotamix SHP – 10 (Tehtnica Ţelezniki),
kriostat (WiseCircu),
centrifugo 5804 R (Eppendorf),
pH meter (Metller Toledo).
Uporabljali smo še osnovno laboratorijsko opremo:
ĉaše,
merilne valje (50, 100, 500 mL),
buĉke (100 mL),
magnetne mešalĉke,
centrifugirke,
kivete (semi – micro).
Kot osnovno surovino pri dvostopenjski razgradnji odpadnega mulja smo uporabljali stranski
produkt – odpadni mulj iz Goriĉan tovarne papirja Medvode, d. d.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
17
3.2 Metode dela
Pri eksperimentalnem delu smo uporabljali razliĉne fizikalne, kemijske in analitske metode
za predobdelavo celuloze: spektrofotometrijo za doloĉanje koncentracije glukoze, alkoholno
fermentacijo za pridobivanje bioetanola in raĉunalniško simulacijo procesa z Aspen Plus
simulacijskim programom.
3.2.1 Predobdelava
Predobdelava je v kemijski industriji zelo pomemben del celotnega postopka. Z njo osnovni
vhodni surovini spremenimo sestavo in strukturo do te mere, da lahko v nadaljevanju laţje
poteĉe kemijska reakcija. Zato je potrebno izbrati in naĉrtovati takšen postopek, pri katerem
bomo na eni strani ĉim bolj zniţali obratovalne stroške predobdelave in na drugi strani ta
postopek ĉim bolj uspešno izvedli.33
Postopke predobdelave odpadnega mulja (lignin in hemiceluloza) lahko v grobem razdelimo
na tri podskupine, in sicer:25
fizikalno – mehansko predobdelavo,
kemijsko preobdelavo,
biološko predobdelavo.
Za naše laboratorijsko delo smo izbrali fizikalno – mehansko in kemijsko predobdelavo. Za
laţjo predstavo funkcije predobdelave odpadnega mulja, ki je sestavljen iz veĉ komponent
(lignin, hemiceluloza, celuloza …), si pomagamo s shemo na sliki 3–5.
Slika 3-5: Shema predobdelave odpadnega mulja.25
Hemiceluloza ima kratke stranske verige iz razliĉnih vrst sladkorjev, ter niţjo molekulsko
maso od celuloze. V odpadnem mulju ima funkcijo povezave molekul lignina in celuloze.
Zato je osnovni cilj predobdelave razbiti strukturo lignina (kristaliniĉno podroĉje) in s tem
dobiti veĉje število amorfnih podroĉij. To pomeni, da ima odpadni mulj pred predobdelavo
dolge verige lignina, po njej se te verige pretrgajo na krajša obmoĉja. Tako dobljena
struktura omogoĉa laţji dostop encimov ali kisline do aktivnih mest za potek reakcije hidrolize.
34
LIGNIN
CELULOZA
PREDOBDELAVAHEMICELULOZA
LIGNINCELULOZA
HEMICELULOZA
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
18
3.2.2 Izračun koncentracije glukoze
Za doloĉanje koncentracije glukoze pri hidrolizi odpadnega mulja v prvi stopnji reakcijskega
mehanizma smo uporabili spektrofotometriĉne meritve absorbance sladkorja (glukoze). Te
vrednosti smo zabeleţili s pomoĉjo VIS spektrofotometra (400–700 nm). Za osnovo smo
najprej izmerili absorbance (A) razliĉnih znanih koncentracij ĉiste glukoze. Iz dobljenih
vrednosti smo skonstruirali graf A f(cg) in tako dobili umeritveno krivuljo.
3.2.3 Izračun količine bioetanola
Najpomebnejši del izraĉuna pri študiji je bila koliĉina glavnega produkta – bioetanola po
fermentaciji sladkorjev. Izhajali smo iz reakcije alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol, kar je obravnavano v poglavju 2.5.
Z upoštevanjem stehiometrije reakcije (enaĉba 2.6) smo nastavili osnovo za izraĉun
bioetanola, nastalega pri reakciji:
C H O C H
Ob uporabi enaĉbe za doloĉitev koncentracije glukoze in stehiometrijskega razmerja
glukoza : etanol (1 : 2), smo nastavili sklepni raĉun za konĉno koliĉino bioetanola,
dobljenega pri reakciji:
C H O C H
V nadaljevanju smo na osnovi znanih koncentracij glukoze (glede na razliĉne reakcijske
pogoje), doloĉali koncentracije bioetanola.
3.2.4 Računalniška simulacija
Z izvajanjem eksperimentov v laboratoriju smo pridobili podatke, s katerimi bi lahko
prenesli sistem v industrijsko merilo (scale – up). Pri tem nam je bil v pomoĉ raĉunalniški
program Aspen Plus. Gre za izredno tehnološko razvit program, ki omogoĉa simuliranje
procesa pod takšnimi pogoji, kot bodo zahtevani v industriji. Delovanje programa poteka na
osnovi matematiĉnih modelov, empiriĉnih korelacij in tehnik analize. Z njim ustvarjamo
procesne sheme iz procesnih enot (kompresorji, ĉrpalke, separatorji, reaktorji …), pri tem
nam je na voljo obseţna zbirka kemijskih in fizikalnih parametrov. Za kemijskega inţinerja
je izredno pomembna izbira raznih modelov poteka reakcij ter moţnost spreminjanja in
optimiranja reakcijskih pogojev.35,36
V našem primeru smo simulirali separacijo bioetanola iz reakcijske zmesi po fermentaciji, za
kar smo uporabili model frakcionirne destilacijske kolone.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
19
4 Eksperimentalni del
Uspešnost laboratorijskega dela je v veliki meri odvisna od natanĉnosti in kvalitete
opravljenega eksperimentalnega dela. Samo zanesljivi ter ponovljivi rezultati omogoĉajo
naĉrtovanje ekonomsko in energetsko varĉnih procesov z visokimi izkoristki.
V tem poglavju predstavljamo eksperimentalno delo, ki je bilo opravljeno v okviru naših
raziskav. Gre za postopek predobdelave odpadnega mulja in reakcije hidrolize tako
predobdelane celuloze.
4.1 Postopki predobdelave
Za izvedbo reakcije hidrolize celuloze iz odpadnega mulja je bilo potrebno surov material
predhodno obdelati. V nadaljevanju sledi opis štirih razliĉnih tehnik predobdelave, in sicer: mletja, kislinske predobdelave (H3PO4), alkalne hidrolize (NaOH) in oksidacije (H2O2).
Mletje:
Najprej smo odpadni mulj v zraĉnem sušilniku posušili do konstantne mase. Suh material
smo nato zmleli v centrifugalnem mlinu (primer tega je lahko mlinĉek za kavo). Mulj je pri
tem dobil obliko vate, kar lahko vidimo na sliki 4–1. Tako smo dobili reaktant, ki je bil
pripravljen za izvajanje reakcije hidrolize.
Slika 4-1: Zmleti odpadni mulj.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
20
Kislinska predobdelava:
Postopek kislinske predobdelave z orto – fosforjevo kislino je potekal po naslednjih zaporednih stopnjah:
1. V reaktor smo zatehtali pribliţno 20 g suhega in zmletega odpadnega mulja, ter
dodali 70 mL 85-odstotne orto – fosforjeve kisline. Reakcijsko mešanico smo
termostatirali na temperaturo, 50 °C in jo najprej mešali z vrtilno frekvenco
mešala, fm 150 min-1
(zaradi visoke gostote), nakar smo obrate postopoma veĉali do
fm 300 min-1
. Mešanje smo izvajali cca. 2 uri oz. tako dolgo, dokler ni bila
reakcijska mešanica povsem homogena. Primer takšne mešanice je prikazan na sliki
4–2.
Slika 4-2: Homogena mešanica odpadnega mulja, obdelana z orto – fosforjevo kislino.
2. Naslednja stopnja je bila centrifugiranje homogenizirane mešanice. To smo storili z
namenom loĉevanja organskega od anorganskega dela, ki se je posedel na dno
centrifugirke, kar je razvidno iz slike 4–3. Centrifugirali smo 5 min pri v 5 000 min-
1. Organski del smo nato zlili v vodo, ohlajeno z ledom in s tem prepreĉili ponovno
nastajanje kristaliniĉnih podroĉij v celuloznih vlaknih. Dobili smo veĉ amorfnih
podroĉij, kar je ugodno vplivalo na nadaljnji potek hidrolize. Dobljen trdni ostanek
smo veĉkrat sprali z deionizirano vodo in na koncu še z acetonom, ter ga dali v
eksikator. Reakcije hidrolize smo izvedli s posušenim predobdelanim organskim
delom mulja.
Slika 4-3: Organski in anorganski del po centrifugiranju.
ANORGANSKI DEL
ORGANSKI DEL
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
21
3. Na koncu smo izvedli še analizo organskega dela. Predobdelan odpadni mulj smo
seţgali v peĉi pri temperaturi, 500 °C. Pri tem se je organski del (celuloza)
seţgal, vendar je še vseeno ostalo nekaj anorganskega dela (pribliţno 20 %). Iz tega
lahko sklepamo, da centrifugiranje ni povsem loĉilo organskega in anorganskega
dela.
Na sliki 4–4 lahko vidimo celulozo iz odpadnega mulja po konĉani predobdelavi z orto –
fosforjevo kislino, ki je pripravljena za encimsko reakcijo hidrolize. Za še boljši izkoristek reakcije hidrolize smo obdelan material v terilnici zdrobili v prah.
Slika 4-4: Organski del mulja z 20 % vsebnosti neĉistoĉ.
Alkalna hidroliza:
Alkalno hidrolizo smo izvedli z natrijevim hidroksidom razliĉnih koncentracij, in sicer 3-
odstotno in 7-odstotno raztopino NaOH. Predhodno posušeno celulozo smo raztopili v
natrijevem hidroksidu. Tako dobljeno zmes smo zamrznili za 24 ur pri −16 °C. Po
preteku tega ĉasa smo obdelan material odtalili in veĉkrat sprali z deionizirano vodo. Loĉitev
tekoĉine in trdne snovi smo izvedli s filtriranjem. Po veĉkratnem spiranju je material dobil
obliko, primerno za reakcijo hidrolize, kot je prikazano na sliki 4–5.
Slika 4-5: Vhodni material po konĉani predobdelavi z natrijevim hidroksidom.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
22
Oksidacija:
Oksidacijo smo izvedli z vodikovim peroksidom. Suh trdni odpadni mulj (m 2,5 g) in
peroksid smo zmešali v razmerju 1 : 20, reakcijo smo izvajali z dvema razliĉnima
koncentracijama peroksida. Mešanico s H2O2 (w = 5 %) smo termostatirali na temperaturo,
50 °C in mešali 1 uro z vrtilno frekvenco mešala, fm 120 min-1
. Dobljeno zmes, ki je na
sliki 4–6, smo veĉkrat sprali in prefiltrirali. Obdelan material smo posušili v eksikatorju ter
ga tako pripravili za nadaljno reakcijo hidrolize. Enak postopek smo ponovili še s H2O2 (w = 1,5 %), le da je pri tem mešanje potekalo 20 ur.
Slika 4-6: Zmes po predobdelavi z vodikovim peroksidom.
4.2 Reakcija hidrolize odpadnega mulja
Reakcijo hidrolize celuloze iz odpadnega mulja smo, kot je ţe bilo omenjeno, izvajali v
reaktorskem sistemu EasyMax 102. Predhodno obdelan mulj smo zatehtali v stekleni reaktor
in dodali topilo (V = 50 mL). Kot topilo smo uporabili deionizirano vodo ali acetatni pufer
(ocetna kislina in natrijev acetat). Reakcijsko mešanico smo nato postopoma segreli na
45 °C in nekje po eni minuti dodali encim celulazo. Po preteku reakcijskega ĉasa smo zmes
ohladili na sobno temperaturo ter iz nje s filtrnimi plošĉicami odstranili morebitne primesi
odpadnega mulja, ki niso zreagirale. Dobljeni filtrat smo pred merjenjem še temperaturno
obdelali v vreli vodi in s tem denaturirali encim. Tako je bila raztopina pripravljena na
merjenje vsebnosti glukoze z VIS spektrofotometrom.
Eksperimente smo izvajali vedno pri konstantni:
temperaturi, 45 °C,
vrtilni frekvenci mešala, fm 200 min-1
,
volumnu topila, V 50 mL.
Spreminjali smo naslednje reakcijske parametre:
volumen encima celulaze, V (100, 500, 1000, 2000 in 3000) L,
ĉas reakcije, t (24 in 48) h,
pH topila, (4, 5 in 6), maso reaktanta – celuloze iz odpadnega mulja.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
23
4.2.1 Merjenje koncentracije glukoze
Za merjenje koncentracije glukoze v nastali reakcijski mešanici odpadnega mulja je bilo
potrebno najprej skonstruirati umeritveno krivuljo. To smo pripravili iz razliĉnih masnih
koncentracij glukoze. Izraĉunane mase (tabela 4–1) smo zatehtali v buĉke ter jih dopolnili do
oznake. Merjenje absorbance je potekalo tako, da smo odpepitirali 10 L osnovne raztopine
standardne glukoze, ter dodali glukozni reagent (V 990 L). Nato smo nastalo raztopino
dobro pretresli na stresalniku in 10 min termostatirali pri 36 °C. Po preteku tega ĉasa
smo na VIS spektrofotometru (slika 4–7) izmerili vrednost absorbance pri valovni dolţini
500 nm.
Tabela 4-1: Mase standardnih raztopin.
V [mL] mg [g]
100 0
100 0,0900
100 0,1802
100 0,2702
100 0,3603
100 0,4504
100 0,5405
Absorbance dobljenih vzorcev glukoze po hidrolizi celuloze smo izmerili enako, kot je bilo
opisano zgoraj. Vendar v tem primeru nismo vzeli standardne raztopine glukoze, ampak raztopino glukoze v vzorcu.
Slika 4-7: VIS spektrofotometer.
4.3 Alkoholna fermentacija glukoze v bioetanol
Alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol nismo izvajali neposredno v laboratoriju, ampak
smo povzeli izkoristek reakcije po ţe narejeni študiji iz leta 2013. 100-odstotna presnova
fermentacije glukoze do bioetanola je bila doseţena po 24 urah.37
Dobljena koncentracija
glukoze pri eksperimentalnem izvajanju reakcije hidrolize je bila tako nizka, da bi bilo med
reakcijo fermentacije nemogoĉe zasledovati dobljeno koncentracijo bioetanola. Ob
upoštevanju vseh podatkov smo dobljeno koliĉino bioetanola grobo ocenili.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
24
5 Rezultati in diskusija
5.1 Umeritvena krivulja
Za izraĉun koncentracije glukoze smo potrebovali umeritveno krivuljo. To smo skonstruirali
na osnovi meritev standarnih raztopin glukoze razliĉnih masnih koncentracij. Te so
prikazane v poglavju 4.2.1. Krivuljo smo skonstruirali znova, ko smo porabili stekleniĉko
glukoznega reagenta z razlogom, da ne bi prihajalo do odstopanj med posameznimi šarţami reagenta. Na sliki 5–1 je prikazan primer umeritvene krivulje.
Slika 5-1: Umeritvena krivulja za doloĉanje koncentracije glukoze.
Z uporabo linearne regresije smo doloĉili enaĉbo premice zgornjega eksperimentalnega primera, in sicer:
5.1
kjer je:
y – vrednost absorbance A,
x – koncentracija glukoze cg [mmol/L].
Vsem dobljenim hidroliziranim vzorcem smo izmerili absorbanco in z enaĉbo premice
(primer te je lahko enaĉba 5.1) doloĉili koncentracijo nastale glukoze. Po enaĉbi 2.4 smo
nato izraĉunali presnovo reakcije hidrolize celuloze iz odpadnega mulja v glukozo.
Iz slike 5–1 je razvidno, da umeritvena krivulja A f(cg) ne poteka skozi izhodišĉe
karteziĉnega koordinatnega sistema. Razlog za to je v odzivnosti reagenta, ki je lahko
posledica intenzitete njegove obarvanosti.
y = 0,0598x + 0,0239R² = 0,9964
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 5 10 15 20 25 30 35
A [
1]
cg [mmol/L]
Eksperimentalni podatki Linearna
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
25
5.2 Encimska hidroliza odpadnega mulja
Reakcijo hidrolize smo izvajali s celulozo, ki je bila predhodno obdelana na razliĉne naĉine.
Koncentracija nastale glukoze je bila v vseh primerih izraĉunana glede na organski del.
Reakcijski parametri so bili pri izvajanju hidrolize sledeĉi: temperatura, 45 °C, ĉas
reakcije, t 24, 48 h, volumen raztopine V 50 mL in vrtilna frekvenca mešala, fm 200
min-1
za vse izvedene reakcije enaki. V naslednjem podpoglavju sledi prikaz rezultatov in primerjav med razliĉnimi tehnikami predobdelave mulja.
5.2.1 Mletje
Pri predhodno obdelanem mulju z mletjem smo reakcijo hidrolize izvajali z dvema
razliĉnima topiloma: deionizirano vodo (pH smo uravnali na ţeljeno vrednost) in puferno
raztopino (acetatni pufer). V tabeli 5–1 je prikazan vpliv vrste topila na stopnjo presnove pri reakciji hidrolize.
Tabela 5-1: Vpliv vrste topila na presnovo reakcije hidrolize.
Iz tabele 5–1 je razvidno, da je bila hidroliza izvedena z enako koliĉino encima, mulja ter pH
reakcijske mešanice. V tem primeru smo prouĉevali le vpliv vrste topila na izkoristek
reakcije pri mletju kot naĉinu predobdelave. Ugotovitev je bila, da vrsta topila ni pomembna,
saj v našem primeru ne vpliva na presnovo oz. je razlika med njima minimalna. Prav tako je
mletje zaradi nizke presnove reakcije dokaj neprimeren naĉin predobdelave. Glede na
stroškovno in izvedbeno plat ne predstavlja veĉjih omejitev.
5.2.2 Kislinska predobdelava
Za kislinsko preobdelavo smo ţe iz pregledane literature ugotovili, da je najbolj primeren in
uĉinkovit postopek.38
Zato smo ravno v tem primeru prouĉevali vpliv procesnih parametrov
(ĉasa, koliĉine encima in pH vrednosti) na presnovo reakcije hidrolize. Nespremenjeni so
ostali masa odpadnega mulja, vrsta in volumen topila (acetatni pufer).
Prvo bistveno razliko med mletjem in kislinsko predobdelavo smo ugotovili ţe po
opravljenem ţarjenju. Pri kislinski predobdelavi z orto – fosforjevo kislino je bil deleţ
organske faze 82,04 %, pri mletju pa le 43,85 %.
Po postopku ţarjenja smo ugotovili, da tudi kislinska predobdelava ne odstrani
anorganskega dela v celoti. Ostanek tega je še vedno 18 %, kar moti potek encimske
hidrolize.
Vencima [µL] mmulja [g] pH Vrsta topila cg[mmol/50mL] XA [%] worg. del[%]
500 0,42 5 Voda 0,0590 5,4 43,85
500 0,42 5 Pufer 0,0387 3,8 43,85
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
26
V primeru dvakratne kislinske predobdelave se je organski deleţ nekoliko zvišal (88,6 %).
Vendar sta se s tem poveĉala tudi ĉas in strošek predobdelave, izkoristek reakcije je ostal
nespremenjen.
V tabeli 5–2 je prikazana presnova reakcije hidrolize pri razliĉnih vredostih pH (4, 5 in 6),
ter konstantnih reakcijskih parametrih. Vidimo, da je optimalna vrednost za izvedbo
encimske reakcije hidrolize odpadnega mulja pH = 5, kar smo prav tako zasledili v
literaturi.39
Tabela 5-2: Vpliv spremembe pH na presnovo reakcije hidrolize.
Pri višjem ali niţjem pH se presnova reakcije zniţa glede na optimalno vrednost. Odvisnost
presnove reakcije hidrolize od pH vrednosti prikazuje slika 5–2.
Slika 5-2: Vpliv spremembe pH na stopnjo presnove hidrolize glukoze.
24
26
28
30
32
34
36
38
40
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
XA
[%]
pH
Eksperimentalni podatki
Vencima [µL] mmulja [g] pH Vrsta topila cg[mmol/50mL] XA [%] worg. del[%]
500 0,15 4 Pufer 0,1738 25,4 82,04
500 0,15 6 Pufer 0,2135 29,3 82,04
500 0,15 5 Pufer 0,2476 36,5 82,04
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
27
Ob preverjanju vpliva reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije smo ugotovili, da se presnova
tudi po 48 urah ne poveĉa veĉ kot za 10 %. To bistveno ne vpliva na konĉni izkoristek
dobljenega bioetanola (tabela 5–3). Poveĉa se le strošek proizvodnje.
Tabela 5-3: Vpliv spremembe reakcijskega ĉasa na presnovo reakcije hidrolize.
Ţe uvodoma smo sklepali, da bo na presnovo encimske hidrolize odpadnega mulja najbolj
vplival volumen encima. V tabeli 5–4 so prikazane presnove v primeru spreminjanja
volumna encima in konstantnih ostalih reakcijskih parametrih.
Tabela 5-4: Vpliv volumna encima na presnovo reakcije hidrolize.
Iz tabele 5–4 je razvidno, da s 100 µL in 500 µL encima doseţemo skoraj enako presnovo.
Prav tako sta presnovi pri 1 000 µL in 2 000 µL dokaj identiĉni, vendar dvakrat višji kot pri
manjšem volumnu encima. Poskusili smo tudi s 3 000 µL, presnova se je še nekoliko
poveĉala. Ta sprememba ni bila znatna, zato smo kot optimalno koliĉino encima izbrali
3 000 µL. Z nadaljnjim poveĉevanjem volumna encima bi najverjetneje prišlo do inhibicije.
t [h] mmulja [g] pH Vrsta topila cg[mmol/50mL] XA [%] worg. del[%]
24 0,15 5 Pufer 0,4902 72,2 82,04
48 0,15 5 Pufer 0,5591 82,2 82,04
Vencima [µL] mmulja [g] pH Vrsta topila cg[mmol/50mL] XA [%] worg. del[%]
100 0,15 5 Pufer 0,2488 36,7 82,04
500 0,15 5 Pufer 0,2476 36,5 82,04
1 000 0,15 5 Pufer 0,4443 65,1 82,04
2 000 0,15 5 Pufer 0,4604 67,3 82,04
3 000 0,15 5 Pufer 0,4902 72,2 82,04
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
28
5.2.3 Alkalna hidroliza in oksidacija
Glede na podatke iz literature smo priĉakovali, da bosta ti dve tehniki predobdelave dajali
manjše izkoristke reakcij. Zato smo se odloĉili, da jih izvedemo samo v eni paralelki.7
Iz tabele 5–5 je razvidno, da dobimo po predobdelavi z natrijevim hidroksidom pri enakih
reakcijskih pogojih veĉjo presnovo kot z vodikovim peroksidom. Vendar je deleţ organske
faze veĉji pri oksidaciji, kar pomeni,da smo s tem postopkom iz raztopine izloĉili veĉ
anorganskega dela, ki moti potek encimske hidrolize odpadnega mulja.
Primerjava presnov pri predobdelavi z alkalno hidrolizo pokaţe, da ni bistvene razlike med
3-odstotnim in 7-odstotnim NaOH. Enako pokaţe primerjava presnov reakcij hidrolize
celuloze, ki smo jo s H2O2 razliĉno dolgo predobdelovali.
Tabela 5-5: Vpliv predobdelave mulja z alkalno hidrolizo in oksidacijo na presnovo.
Tehnika
predobdelave Vencima [µL] mmulja [g] pH Vrsta topila XA [%] worg. del[%]
3 % NaOH 500 0,15 5 Pufer 22,6 40,78
7 % NaOH 500 0,15 5 Pufer 21,4 49,07
1 h H2O2 500 0,15 5 Pufer 7,8 92,96
12 h H2O2 500 0,15 5 Pufer 11,8 75,65
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
29
5.2.4 Primerjava različnih tehnik predobdelave
Primerjava razliĉnih tehnik predobdelave je najbolj zanimiv in pomemben del raziskav pred
samim naĉrtovanjem procesa v industrijskem merilu. Potrebno je izbrati postopek z
najniţjimi stroški in najveĉjim izkoristkom reakcije.
Na sliki 5–4 so prikazane presnove vseh tehnik predobdelave (mletja, kislinske predobdelave
z orto – fosforjevo kislino, alkalne hidrolize z NaOH ter oksidacije s H2O2) pri enakih
reakcijskih pogojih.
Slika 5-3: Presnove reakcije hidrolize celuloze z razliĉnimi predobdelavami.
Iz slike 5–4 je razvidno, da s kislinsko predobdelavo z orto – fosforjevo kislino doseţemo
najvišjo stopnjo presnove v primerjavi z drugimi tehnikami. Potrebno pa je omeniti, da je ta
postopek zelo zahteven, dolgotrajen in finanĉno neugoden.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
XA
[%]
mletje
kislinska preobdelava
3 % NaOH
7 % NaOH
H2O2 1 h
H2O2 12 h
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
30
5.3 Fermentacija glukoze v bioetanol
Alkoholne fermentacije glukoze v bioetanol v laboratorijskem merilu nismo izvajali, saj je
bilo iz predhodnih raziskav ugotovljeno, da je reakcija neproblematiĉna in zlahka doseţemo
skoraj 100-odtotno presnovo. Problematika, ki smo jo zaznali, ni bila v poteku reakcije
fermentacije, temveĉ v prenizki koncentraciji potencialnega produkta bioetanola. Spodaj
navedeni podatki so zato izraĉunani samo za kislinsko predobdelavo z orto – fosforjevo
kislino, ker nam daje najveĉjo stopnjo presnove hidrolize.
Reakcija hidrolize namreĉ poteka v moĉno razredĉenem mediju, zato je koncentracija nastale
glukoze kljub 72,2-odstotni presnovi nizka, = 1 g/L. Poslediĉno je tudi koncentracija
bioetanola zelo nizka, kar bi oteţilo njegovo separacijo do konĉnega produkta. V ta namen
smo izvedli reakcijo hidrolize tako, da smo poveĉali koliĉino predobdelanega mulja,
zmanjšali koliĉino dodanega pufra in poveĉali koliĉino encima. Priĉakovali smo nastanek
bolj koncentrirane raztopine glukoze. Rezultati dodatnih poskusov so podani v tabeli 5–6.
Tabela 5-6:Vpliv koliĉine encima in pufra na presnovo reakcije hidrolize.
Ugotovili smo, da se je kljub poveĉani koliĉini nastale glukoze presnova reakcije hidrolize
zniţala, kar pripisujemo moţnemu pojavu inhibicije. Vendar bi bilo v primeru industrijske proizvodnje bolj koncentriran bioetanol laţje loĉevati iz reakcijske zmesi.
Na osnovi podatka iz tovarne, da letno nastaja pribliţno 2 000 t mulja in ob upoštevanju
eksperimentalnih podatkov (najveĉja presnova reakcije hidrolize je 72,2 %), ter stehiometrije
reakcije (enaĉba 2.6) smo izraĉunali teoretiĉno moţno koliĉino bioetanola v konĉni
raztopini. Dnevna proizvodnja za 280 dni letnega obratovanja bi znašala 316 kg za primer
bolj razredĉene raztopine bioetanola ( = 1 g/L) oziroma 151 kg za primer manj razredĉene
raztopine bioetanola ( = 3,5 g/L).
Vencima [µL] mmulja [g] pH Vpufra [mL] thidrolize [h] XA [%] worg. del[%]
3 000 0,15 5 50 24 72,2 82,04
5 000 0,5 5 / 24 9,3 82,04
5 000 0,5 5 / 48 10,6 82,04
5 000 0,5 5 15 24 34,2 82,04
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
31
Tabela 5–7 prikazuje izraĉunano sestavo napajalne mešanice, ki bi jo bilo potrebno voditi v
proces separacije za obe izraĉunani varianti ob uporabi kislinske predobdelave. Pri izraĉunih
smo upoštevali še izgube pri sušenju, centrifugiranju in prenašanju materiala.
Tabela 5-7: Masni pretoki komponent napajalne zmesi s kislinsko predobdelavo.
Komponenta
qm [t/d]
wbietanola = 0,1 %,
XA = 72,2 %
qm [t/d]
wbietanola = 0,35 %,
XA = 34,2 %
napajalna mešanica 373,315 43,196
voda 372,696 42,901
ogljikov dioksid 0,303 0,144
bioetanol 0,316 0,151
Na enak naĉin kot zgoraj smo izraĉunali sestavo napajalne mešanice za najveĉji posamezni
izbrani primer izkoristka reakcije za razliĉne tehnike predobdelave (mletje, oksidacija in alkalna hidroliza).
Tabela 5-8: Masni pretoki komponent napajalne zmesi po razliĉnih metodah predobdelav.
Komponenta
qm [t/d]
mletje
XA = 5,4 %
qm [t/d]
3 % NaOH
XA = 22,6 %
qm [t/d]
12 h H2O2
XA = 11,8 %
napajalna mešanica 127,732 355,755 355,755
voda 127,705 355,638 355,665
ogljikov dioksid 0,0128 0,057 0,044
bioetanol 0,0134 0,060 0,046
Iz tabele 5–8 lahko razberemo podatke za napajalno mešanico in njene komponente. V
primeru uporabe ostalih treh tehnik predobdelave bi dnevna proizvodnja bioetanola z
doloĉeno masno koncentracijo znašala:
mletje: 13,4 kg ( = 0,1 g/L),
alkalna hidroliza (3 % NaOH): 60 kg ( = 0,2 g/L),
oksidacija (12 h H2O2): 46 kg ( = 0,17 g/L).
Proizvodnja bioetanola v tabeli 5–8 je v primerjavi s podatki iz tabele 5–7 bistveno niţja (v
primeru posamezne najveĉje proizvodnje ta razlika znaša skoraj 80 %). Prav tako je njegova
masna koncentracija niţja. Iz podatkov smo sklepali, da so ostale tehnike predobdelave manj unĉinkovite in predvsem iz ekonomskega vidika neupraviĉene.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
32
5.4 Blokovna shema procesa
Na sliki 5–5 je prikazana moţna shema celotnega procesa v primeru izbrane kislinske
predobdelave z orto – fosforjevo kislino, od zaĉetne vhodne surovine (odpadnega mulja) do
konĉnega produkta (bioetanola) z vsemi vmesnimi stopnjami. Ta postopek predobdelave
smo izbrali zaradi najvišje stopnje presnove.
Slika 5-4: Blokovna shema procesa s kislinsko predobdelavo.
Iz slike 5–4 je razvidno, da bi proces predobdelave odpadnega mulja zahteval 7 procesnih
stopenj, od katerih sta sušenje in centrifugiranje stroškovno odloĉujoĉa. Obratovalne stroške
v tem delu procesa bi moĉno poveĉala tudi uporaba kemikalij (predvsem kisline).
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
33
5.5 Računalniška simulacija
Separacije bioetanola od vode in ogljikovega dioksida zaradi neprimerne laboratorijske
opreme nismo izvajali eksperimentalno, ampak smo za ta namen uporabili raĉunalniško
simulacijo s programom Aspen Plus. Shematski prikaz tega dela procesa je predstavljen na
sliki 5–6. Za loĉitev smo izbrali frakcionirno destilacijsko kolono, kjer se je izvedla loĉitev
azeotropne zmesi etanol – voda. Doloĉili smo optimalne parametre destilacijske kolone, in
sicer:
tlak grelnika in kondenzatorja: 1 bar,
temperaturo vtoka: 35 °C,
število prekatov 18: (napajalni prekat 2).
Slika 5-5: Shema frakcionirne destilacije.
V spodnji tabeli 5–9 so prikazani in opisani procesni tokovi in procesna enota.
Tabela 5-9: Procesni tokovi in procesne enote za separacijski del procesa
Oznaka Procesni tok ali enota
1 NAPAJALNA ZMES
2 DESTILAT
3 DESTILACIJSKI OSTANEK
B1
FRAKCIONIRNA DESTILACIJSKA
KOLONA
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
34
Pri optimiranju destilacijske kolone smo ugotovili, da bi za najboljšo loĉitev bioetanola iz
napajalne mešanice morali uporabiti veĉ frakcionirnih destilacijskih kolon, kar bi izdatno
poveĉalo investicijske in obratovalne stroške. Ker pa je splošno znano, da sistem etanol –
voda tvori azeotrop, je popolna loĉitev teh dveh komponent nemogoĉa.40
V tabeli 5–10 je
prikazan masni pretok za vse tri komponente (vodo, ogljikov dioksid in bioetanol) v
posameznem procesnem toku za bolj razredĉeno in manj razredĉeno napajalno raztopino
(raztopina po fermentaciji sladkorjev).
Tabela 5-10: Masni pretoki komponent.
qm [kg/h]
wbietanola = 0,1 %, XA = 72,2 %
KOMPONENTA 1 2 3
BIOETANOL 13,16 13,16 2,54E-7
OGLJIKOV DIOKSID 12,63 12,63 5,84E-29
VODA 15529,00 867,13 14661,88
qm [kg/h]
wbietanola = 0,35 %, XA = 34,2 %
KOMPONENTA 1 2 3
BIOETANOL 6,29 6,29 5,44E-7
OGLJIKOV DIOKSID 6,00 6,00 1,22E-28
VODA 1787,54 77,00 1710,54
Iz tabele 5–10 je razvidno, da v primeru bolj razredĉene raztopine vodimo v frakcionirno
destilacijsko kolono napajalno zmes (tokovnica 1) z 0,1-odstotnim deleţem bioetanola. Po
loĉevanju v koloni dobimo na iztoku iz kondenzatorja (tokovnica 2) 1,5-odstotni bioetanol
skupaj s celotnim ogljikovim dioksidom in majhnim deleţem vode. Na iztoku iz uparjalnika
(tokovnica 3) je najveĉ vode ter zanemarljiv deleţ bioetanola in ogljikovega dioksida.
Podobno velja za manj razredĉeno raztopino, le da v tem primeru vodimo v frakcionirno
destilacijsko kolono napajalno zmes z 0,35-odstotnim bioetanolom. Na iztoku iz
kondenzatorja pa je njegov deleţ 7,0 %. Ĉistota takšnega bioetanola je prenizka, zato ga ne
moremo uporabiti kot biogorivo.41
Loĉevanje komponent v frakcionirni destilacijski koloni je bilo uspešno v obeh primerih
(bolj in manj razredĉena raztopina), saj je v ostanku zelo majhen deleţ bioetanola. V
destilatu je bila prisotna tudi voda, kar je posledica njene vezave na ogljikov dioksid.
Sicer bi za uĉinkovitejši proces lahko destilat (tokovnica 2) vodili v drugo frakcionirno
destilacijsko kolono, s ĉimer bi zvišali ĉistoto bioetanola. Vendar bi investicijski stroški
dodatne kolone prevladali nad prihodki zaradi veĉje koncentracije bioetanola. Z raĉunalniško
simulacijo smo torej potrdili naše domneve z zaĉetka izvajanja raziskav. Investicija v takšen proces bi bila najverjetneje neupraviĉena.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
35
6 Zaključek
Prenos doloĉenega kemijskega procesa iz laboratorijskega na industrijski nivo (»scale up«)
zahteva veliko znanja, izkušenj in eksperimentalnega dela. Potrebno je upoštevati, optimirati
in rešiti vrsto dejavnikov, da je proces ekonomsko ter energetsko unĉinkovito izveden. Ob
vsem tem je za kemijskega inţenirja zelo pomembno, da dela in optimira s sodobno ter
napredno laboratorijsko ali raĉunalniško opremo.
V okviru magistrske naloge smo skušali ĉim bolj upoštevati vse zgoraj naštete dejavnike in
preveriti moţnosti uporabe odpadnega mulja iz papirne industrije, ki velja za okoljsko
problematiĉen odpadek, za koristen stranski produkt z dodano vrednostjo. V našem primeru
bi to bil bioetanol. Predvideli smo tri stopnje procesa: predobdelavo mulja oz. celuloze,
encimsko hidrolizo celuloze do vmesnega produkta – glukoze in alkoholno fermentacijo
glukoze do bioetanola.
Pri eksperimentalnem delu smo uporabljali tehnološko dovršen reaktorski sistem EasyMax
102. V njem smo izvajali encimsko hidrolizo celuloze s specifiĉnim encimom – celulazo pri
razliĉnih reakcijskih pogojih. Za veĉji izkoristek reakcije je bilo potrebno vhodno surovino
predhodno obdelati. Za predobdelavo smo izbirali med štirimi razliĉnimi tehnikami, in sicer:
mletjem, kislinsko preobdelavo z orto – fosforjevo kislino, alkalno hidrolizo z NaOH in
oksidacijo s H2O2. Optimirali in spreminjali smo volumen dodanega encima V = (100, 500,
1 000, 2 000 in 3 000) µL, vrsto topila (deionizirana voda in acetatni pufer), maso odpadnega
mulja m = (0,15, 0,42 in 0,5) g, ĉas izvajanja reakcije t = (24 in 48 h) ter pH = (4, 5 in 6)
reakcijske mešanice. Med izvajanjem reakcije sta bili temperatura (ϑ = 45 °C) in vrtilna
frekvenca mešala (fm = 200 min-1
) konstantni.
Alkoholne fermentacije glukoze do bioetanola nismo izvajali neposredno v laboratoriju, saj
je proces enostaven in zlahka dosegamo praktiĉno 100-odstotno presnovo. Tako smo za
doloĉanje koncentracije etanola po drugi stopnji procesa uporabili podatke iz literature.36
Sestavo zmesi s teoretiĉno izraĉunano koliĉino bioetanola (po procesu fermentacije
sladkorjev s kvasovkami) smo uporabili kot vhodni podatek pri simulaciji separacijskega
dela procesa z raĉunalniškim programom Aspen Plus. Poskušali smo loĉiti bioetanol od vode
in ogljikovega dioksida.
Kljub temu, da odpadni mulj papirne industrije predstavlja velik okoljski problem, saj se ga
na letni ravni proizvede ogromno, z izvedenimi raziskavami nismo mogli potrditi ekonomske
uspešnosti procesa za razgradnjo odpadnega mulja do bioetanola. Ob upoštevanju, da
odpadni mulj vsebuje 60 % vode in da je v suhem preostanku pribliţno 50 % anorganskih
snovi, je razumljivo, da tudi po izbiri najuĉinkovitejšega postopka predobdelave, optimiranju
reakcijskih pogojev obeh stopenj procesa in konĉni separaciji ne moremo dobiti takšne
koliĉine bioetanola, ki bi upraviĉila investicijo v dodaten proces.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
36
7 Literatura
1. Slovenski veliki leksikon NE-PI 8; Zaloţba Mladinska knjiga, 2007.
2. http://www.fao.org/forestry/354450e287e9c252335f2936d3cdc5b6bbd5ff.pdf (dostop:2.7.2015).
3. http://www.cepi.org/node/16410 (dostop: 2.7.2015).
4. Gornjak I., Samec N. Ali je papirniški mulj strošek ali energent, julij 2013,
http://www.zelenaslovenija.si/images/stories/eol/EOL_80/EOL80_papirniski_mulj.pdf (dostop: 3.7.2015).
5. Sternad B. Študija razgradnje škroba v odpadni vodi papirne industrije. Diplomsko delo
2014.
6. http://ethanolrfa.org/pages/World-Fuel-Ethanol-Production (dostop: 3.7.2015).
7. Cabrera, E., Muñoz, M.J., Martín, R., Caro, I., Curbelo, C., Díaz, A.B., Alkaline and
alkaline peroxide pretreatments at mild temperature to enhance enzymatic hydrolysis of
rice hulls and straw, Bioresource Technology (2014).
8. Li, J., Zhang, X., Zhang, M., Xiu, H., Hang H, Optimization of Selective Acid Hydrolysis
of Cellulose for Microcrystalline Cellulose using FeCl3, BioResouces 9 (1), 1334-1345,
2014.
9. Peng, L., Chen, Y., Conversion of paper sludge to ethanol by separate hydrolysis and
fermentation (SHF) using Saccharomyces cerevisiae, Biomass and Bioenery 35, 1600-
1606, 2011.
10. Yamashita, Y., Sasaki, C., Nakamura, Y., Development of efficient system for ethanol
production from paper sludge pretreated by ball milling and phosphoric acid,
Carbohydrate Polymers 79 250-254, 2010.
11. Zhao, Y., Wang, Y., Zhu, J.Y., Ragauskas, A., Deng, Y., Enhanced Enzymatic
Hydrolysis of Spruce by Alkaline Pretreatment at Low Temperature, Biotechnology and
Bioengieering 99 (6), 1320-1328, 2008.
12. Goršek, ., Peĉar, D., Kitak. M., Študija encimske razgradnje odpadnega mulja v
tovarni papirja Medvode, Poroĉilo o opravljenih raziskavah (interno gradivo), Maribor
2014.
13. Ignatowitz, E., prevod Ĉelnik L., Kemijska tehnika. Ljubljana: Zaloţništvo Jutro, 1996.
14. Goršek, A., Bioreakcijska tehnika: zbrano gradivo za predmet Bioreakcijska tehnika. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2006.
15. http://www.umich.edu/~elements/5e/asyLearn/bits/batch/index.htm (dostop: 15.7.2015).
16. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/Reactors/Batch/Batch.html (dostop:
15.7.2015).
17. Bisio, A., Kabel, R., Scale up of chemical processes (Conversion from Laboratory Scale Testes to successful Comercial Size Design). New York: John Wiley, 1985.
18. Levenspiel, O., Chemical reaction engineering, third edition. John Wiley, 1999.
19. PorSimPlusApplicationExample: Bioethanol Productiom Plant 2009.
20. http://www.wolframalpha.com/input/?i=ethanol (dostop: 20.7.2015).
21. http://www.energap.si/uploads/bioetanol_ok.pdf (dostop: 20.7.2015).
22. Janušiĉ, V., Ćurić, D., Kriĉka, T., Predtretmani u proizvodnji bioetanola iz lignocelulozne biomase, struĉni ĉlanek, 2008.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
37
23. Brethauer, S., Wyman, E. C., Review: Continuous h.ydrolysis and fermentation for cellulosic ethanol production, Bioresource Technology 101, 4862-4874, 2010.
24. http://studentski.net/gradivo/ulj_fkt_bi2_mol_sno_biomasa_pretvorba_polisaharidov_01
?r=1 (dostop: 22.7.2015).
25. Harmsen, P.F.H., Huijgen, W.J.J., Bermundez Lopez, L.M., Bakker, R.R.C., Literature
Review of Physical and Chemical Pretreatment Processes for Lignocellulosic Biomass,
Food & Biobased Research, Biosynergy, ECN, 2010.
26. Kuokkanena, T., Nurmesniemib, H., Poykio, R., Kujalad, K., Kaakinene, J.,
Kuokkanena, M., Chemical and leaching properties of paper mill sludge, Chemical
Speciation and Bioavailability 20(2), 111-122, 2008.
27. Deuden, Leksikon kemija, Uĉila 2008.
28. Drofenik, M., Splošna in anorganska kemija, Univerzitetni uĉbenik, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2003.
29. https://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fermentation (dostop: 23.7.2015).
30. Kitak, M. Hidroliza maltoze: uporaba laboratorijskega reaktorja z nasutjem za
določanje kinetičnih parametrov reakcije. Diplomska naloga, 2012.
31. http://si.mt.com/si/sl/home/supportive_content/White_Papers/productorganizations/autochem/Guide-to-Reaction-Calorimetry.html (dostop 29.7.2015)
32. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect (dostop: 29.7.2015).
33. Moiser, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y.Y., Holtzapple, M., Ladisch, M.,
Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomassI, Bioresource Technology 96, 673-686, 2005.
34. Zeeman, G., Hendriks, A.T.W.M., Pretreatments to enhance the digestibility of
lignocellulosic biomass, Bioresource Technology 100, 10-18, 2009.
35. Bohanec, M. Proizvodnja formalina z manjšo porabo pogonskih sredstev. Diplomska naloga, 2010.
36. Trop, P. Absorbcijska hladilna naprava za proizvodnjo industrijske hladilne vode.
Diplomska naloga, 2009.
37. Sternad B., Peĉar D., Goršek . Študija razgradnje škroba v odpadni vodi tovarne papirja Medvode, Poroĉilo o opravljenih raziskavah (interno gradivo), 2013.
38. Wei, S., Kumar, V., Banker, G.S., Phosphoric acid mediated depolymerization and
decrystallization of cellulose: preparation of low crystallinity cellulose – a new pharmaceutical excipient. International Journal of Pharmaceutics 142, 175-181, 1996.
39. Pezsa N., Ailer P. Bioethanol production from paper sludge prereated by subcritical
water. Hungarian journal of industrial chemistry Veszprem, 39(2), 321-324, 2011.
40. https://en.wikipedia.org/wiki/Azeotrope (dostop: 30.7.2015)
41. http://ethanolrfa.org/page//RFA%20Fuel%20Ethanol%20Industry%20Guideline%201210.pdf?nocdn=1 (dostop: 30.7.2015)
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
38
8 Priloge
Tukaj so zbrani rezultati raĉunalniške simulacije za primer z bolj razredĉeno in manj
razredĉeno raztopino etanola.
8.1 Bolj razredčena raztopina (w = 0,1 %):
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
39
8.2 Manj razredčena raztopina (w = 0,35 %):
Heat and Material Balance Table
Stream ID 1 2 3 S1 S2
From B1 B1 B2 B2
To B1 B2
Phase LIQUID LIQUID LIQUID MIXED LIQUID
Substream: MIXED
Mole Flow km ol/hr
ETHANOL ,1365704 ,1365704 1,18053E-8 0,0 ,1365704
CARBO-01 ,1363333 ,1363333 2,7776E-30 ,1363333 0,0
WATER 99,22364 4,274150 94,94949 4,274150 0,0
Total Flow km ol/hr 99,49654 4,547053 94,94949 4,410483 ,1365704
Total Flow kg/hr 1799,833 89,29167 1710,542 83,00000 6,291666
Total Flow l/min 30,48209 1,414327 31,03316 11,19298 ,1211614
Temperature C 35,00000 -36,04533 99,64912 -36,04533 -36,04533
Pressure bar 1,000000 1,000000 1,000000 1,000000 1,000000
Vapor Frac 0,0 0,0 0,0 6,90727E-3 0,0
Liquid Frac 1,000000 1,000000 1,000000 ,9930927 1,000000
Solid Frac 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Enthalpy cal/m ol -68117,83 -70138,76 -66892,31 -70188,92 -67921,84
Enthalpy cal/gm -3765,620 -3571,718 -3713,088 -3729,723 -1474,349
Enthalpy cal/s ec -1,8826E+6 -88590,19 -1,7643E+6 -85990,85 -2576,698
Entropy cal/m ol-K -38,36783 -43,36296 -34,88843 -42,03966 -88,91594
Entropy cal/gm-K -2,121011 -2,208198 -1,936602 -2,233918 -1,930058
Dens ity mol/c c ,0544016 ,0535832 ,0509935 6,56734E-3 ,0187862
Dens ity gm /cc ,9840935 1,052228 ,9186633 ,1235894 ,8654659
Average MW 18,08941 19,63726 18,01528 18,81880 46,06904
Liq Vol 60F l/min 30,10388 1,539913 28,56397 1,407502 ,1324111
Mole Frac
ETHANOL
CARBO-01
WATER
Mas s Flow kg/hr
ETHANOL 6,291667 6,291666 5,43857E-7 0,0 6,291666
CARBO-01 6,000000 6,000000 1,2224E-28 6,000000 0,0
WATER 1787,542 77,00000 1710,542 77,00000 0,0
Mas s Frac
ETHANOL 3,49569E-3 ,0704619 3,1794E-10 0,0 1,000000
CARBO-01 3,33364E-3 ,0671955 7,1463E-32 ,0722891 0,0
WATER ,9931707 ,8623425 1,000000 ,9277108 0,0
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
40
9 Življenjepis
OSEBNI POD TKI Matjaţ Kitak
Stoperce 71A, 2289 Stoperce, Slovenija
031 716 476
Spol moški | Datum rojstva 18/09/1990 | Drţavljanstvo Slovensko
DELOVNE IZKUŠNJE
2012 Opravljanje industrijskega projekta
KGZS Ptuj, Ormoška cesta 28
▪ Priprava vzorcev mleka in zemlje za analizo.
2014 Opravljanje industrijskega projekta
IKEM , d. o. o, Lovrenc na Dravskem polju
▪ Mletje vzorcev, priprava razklopov.
2014
2014/2015
2015
Sodelovnaje na projektu »Po kreativni poti do praktiĉnega znanja«
Univerza v Mariboru in podjetje Echo, d.o.o
Sodelovanje na delu projekta »Senzorji in merilni sistemi za in-situ
spremljanje parametrov v biotehnoloških procesih«.
Delo v laboratoriju KGZS Ptuj
KGZS Ptuj, Ormoška cesta 28
nalitika zemlje in toksinov
Sodelovanje na projektu «Po kreativni poti do praktiĉnega znanja«
Univerza v Mariboru
Sodelovanje na delu projekta »Priprava in karakterizacija poliHIPE
nosilcev za vezavo polutantov (PK-PHIPEN-VP)«.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
41
IZOBR ŢEV NJE IN
USPOS BLJ NJE
KOMPETENCE
2009-2012 Diplomirani inţenir kemijske tehnologije (UN)
Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Smetanova
ulica 17, 2000 Maribor
▪ Pridobljeno znanje iz: matematike, fizike, anorganske, organske in analizne kemije, termodinamike, reakcijske tehnike, prenosa snovi, separacijske tehnike,
mehanike fluidov …
▪ Diplomsko delo z naslovom: Hidroliza maltoze: uporaba laboratorijskega reaktorja z nasutjem za doloĉanje kinetiĉnih parametrov reakcije, sem opravljal v
Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj, ter ga zakljuĉil z
odliko pri mentorici red. prof. dr. ndreji Goršek
2005-2009 Gimnazijski maturant
Gimnazija Ptuj, Volkmerjeva cesta 15, 2250 Ptuj
1997-2005 Osnovna šola
Osnovna šola Majšperk, Majšperk 32B, 2322 Majšperk
Materni jezik slovenšĉina
Drugi jeziki R ZUMEV NJE GOVORJENJE
PISNO
SPOROĈ NJE
Slušno
razumevanje
Bralno
razumevanje
Govorno
sporazumevan-
je
Govorno
sporoĉanje
nglešĉina B2 B1 B1 B1 B1
Nemšĉina C1 C2 C1 C1 C1
Stopnja: 1/2: Osnovni uporabnik - B1/2: Samostojni uporabnik - C1/2
Usposobljeni uporabnik
Skupni evropski jezikovni okvir
Komunikacijske
kompetence ▪ Sprošĉen nastop,
▪ Zmoţnost delovanja v timu,
▪ Organizacijske sposobnosti.
Encimska razgradnja odpadnega mulja papirne industrije
42
Raĉunalniške kompetence ▪ Dobro obvladovanje orodij Microsoft Office™,
▪ Simuliranje ( spen Plus in G MS),
▪ Wolfram Mathematica in M TL B.
Umetniške kompetence ▪ Plesalec pri FS KPD Stoperce,
▪ Igralec gledališke skupine KPD Stoperce.
Vozniško dovoljenje ▪ B, F