Стержень початка кукурузы и стебли: применение

Кукуруза одна из важнейших сельскохозяйственных культур в мире. Она находит широкое применение в пищевой промышленности, в производстве кормов для животных, получения биотоплива, а также многих других продуктов. Однако при выращивании и переработке кукурузы образуется значительное количество отходов в виде стержней початков, стеблей и листьев. Объем отходов, образующихся в процессе переработки, составляет около 75% от первоначального веса сырья, что представляет собой значительную долю.

Традиционно эти отходы зачастую просто сжигались или запахивались, что приводило к нерациональному использованию ценных ресурсов и негативному воздействию на окружающую среду. Однако в последние годы в глобальном масштабе все больше внимания уделяется комплексной переработке отходов сельскохозяйственного производства и поиску эффективных способов их применения в различных отраслях промышленности.

Стержни кукурузных початков: производство этанола и фурфурола

Стержни кукурузных початков, оставшиеся после извлечения зерен, богаты целлюлозой и пентозанами, из которых впоследствии производят этанол, а также фурфурол — важный промышленный химический продукт.

Повышенный спрос на кукурузу со стороны производителей этанола приведет к ее дефициту и, как следствие, к существенному удорожанию не только кукурузы, но и других злаковых культур», — Михаил Аким, профессор НИУ ВШЭ.

Целлюлозная составляющая кукурузных стержней служит основным сырьем для получения этанола путем ферментации и последующей дистилляции. Этанол является одним из наиболее перспективных видов биотоплива. Его промышленное производство из растительного сырья имеет довольно длительную историю — первые патенты на получение биоспирта путем сбраживания были выданы еще в начале XX века. Однако широкомасштабное его применение в качестве альтернативного топлива началось относительно недавно — с развитием технологий возобновляемой энергетики и ростом глобальных проблем, связанных с изменением климата.

Использование этанола в качестве моторного топлива позволяет значительно снизить выбросы парниковых газов и зависимость от невозобновляемых ископаемых источников энергии, таких как нефть и газ. По оценкам экспертов, применение биотоплива может сократить эмиссию углекислого газа на 12% по сравнению с традиционным топливом. Оно может полностью заменять бензин или использоваться в виде добавки в определенной пропорции для повышения октанового числа топливной смеси.

На первом этапе производства происходит предобработка стержней для разрушения лигноцеллюлозного комплекса и высвобождения целлюлозы. Это достигается с помощью физических, химических или биологических методов, таких как измельчение, обработка кислотами или использование целлюлозо-расщепляющих ферментов.

Далее проводится собственно ферментация целлюлозы под действием специальных штаммов дрожжей или бактерий. В результате образуются простые сахара, которые, в свою очередь, сбраживаются с образованием спиртов. Полученный сырой этанол затем концентрируется методом дистилляции для достижения требуемой чистоты продукта.

Помимо топливного назначения, этанол широко используется как растворитель в химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической и других отраслях промышленности. Он также входит в состав антифризов, лакокрасочных материалов и прочих продуктов.

Производство фурфурола

Наряду с получением этанола, стержни початков служат главным источником сырья для производства фурфурола (фурфуральдегида) — ценного органического растворителя и исходного соединения при синтезе многих других химических продуктов.

История производства фурфуральдегида получила начало в 1832 году, когда этот продукт был впервые выделен немецким химиком Доберейнером при нагревании растительных материалов с муравьиной кислотой. В промышленных масштабах выпуск фурфурола начался только в 1922 году.

Продукт получают в результате гидролиза пентозанов — полисахаридов, содержащихся в стержнях кукурузы. Гидролиз проводят с применением разбавленных минеральных кислот при высоких температурах и давлении.

Процесс производства фурфурола состоит из нескольких стадий. Сначала размолотые стержни смешивают с раствором серной кислоты и нагревают в специальных роторных варочных котлах при температуре 160-170°C и давлении 8-10 атмосфер. В таких условиях происходит гидролиз пентозанов с образованием фурфуральдегида, который затем отгоняют с водяным паром.

Сырой фурфурол, полученный после конденсации паров, содержит примеси и нежелательные соединения, которые удаляются путем дальнейшей перегонки и очистки. Конечный продукт имеет чистоту не менее 99%.

В промышленности фурфурол имеет обширную сферу использования:

• В качестве избирательного растворителя для рафинирования растительных масел, канифоли и очистки продуктов нефтепереработки.
• Для улучшения характеристик дизельного топлива, таких как вязкость и цетановое число, способствуя более эффективному сгоранию.
• В производстве абразивных материалов со смоляными связующими, обеспечивая прочность и износостойкость.
• В синтезе важных промышленных продуктов, таких как фурфуролфенольные смолы (в результате конденсации с фенолом), применяемые в качестве связующих, герметиков, лаков.
• В качестве исходного сырья для производства гексаметилендиамина, который далее идет на изготовление нейлона.

Производство фурфурола является важным процессом в химической промышленности, находя применение в различных областях, от фармацевтики до производства пластмасс и красителей. Экологические аспекты и поиск новых, более устойчивых методов производства остаются в центре внимания исследователей, стремящихся сделать этот процесс более эффективным и безопасным для окружающей среды. Будущее производства фурфурола обещает быть наполненным инновациями, способствующими улучшению его экологических характеристик и расширению сфер применения.

Стебли и листья кукурузы

Помимо стержней кукурузных початков, важным сельскохозяйственным сырьем являются стебли и листья этой ценной сельскохозяйственной культуры, которые также находят широкое применение. После сбора урожая зерен они остаются на полях в качестве отходов. Однако кукурузная ботва может найти эффективное применение в различных отраслях.

1. Производство кормов

Эти растительные остатки богаты клетчаткой, протеином и другими питательными веществами. Их можно скармливать в свежем или измельченном виде крупному рогатому скоту, овцам, козам и другим жвачным животным.

Для лучшей усвояемости и повышения питательной ценности стебли и листья кукурузы часто подвергают специальной обработке — запариванию, силосованию, приготовлению травяной муки и гранул. Кукурузный силос является ценным концентрированным кормом.

2. Подстилка для животных

Измельченная кукурузная ботва также востребована в качестве подстилочного материала в животноводческих хозяйствах, поскольку она обладает хорошей влагопоглощающей способностью. После использования ее можно компостировать с получением ценного органического удобрения.

3. Топливо

В некоторых регионах отходы кукурузы применяются в качестве бытового топлива. После высушивания они используются для прямого сжигания в печах и котлах как самостоятельно, так и в смеси с другими древесными и растительными материалами. В промышленных масштабах из стеблей и листьев кукурузы могут производить пеллеты и брикеты — удобное топливо для энергетических установок.

4. Источник клетчатки

В стеблях и листьях содержится значительное количество клетчатки — полимера целлюлозы. Этот ценный материал можно извлекать и использовать в различных отраслях промышленности. Например, клетчатка служит сырьем для производства искусственного волокна — вискозы, из которого изготавливают нити для текстильной промышленности. Целлюлоза, полученная из стеблей и листьев, также применяется для изготовления бумаги, картона, волокнистых плит и других материалов. После соответствующей обработки из нее получают ценные производные — метилцеллюлозу, нитроцеллюлозу, ацетатцеллюлозу.

5. Другое применение

Помимо основных направлений, кукурузные растительные остатки находят применение в различных областях. Измельченная масса используется как мульчирующий материал в садоводстве и огородничестве для подавления роста сорняков и сохранения влаги. Из нее также можно производить упаковочные материалы, наполнители для мебели, строительные плиты и другие изделия. В азиатских странах кукурузную солому используют для плетения циновок, корзин, шляп и сувенирной продукции.

Богатый компонентный состав стеблей и листьев позволяет рассматривать их в качестве перспективного сырья для производства энзимов, биопластиков, биоэтанола и других востребованных продуктов биотехнологий.

Вторичная переработка отходов кукурузного производства открывает захватывающие перспективы для «зеленых» технологий и обеспечивает существенную экономическую выгоду за счет производства ценных побочных продуктов. Инновационные биотехнологии позволяют создавать замкнутые безотходные циклы, бережно относясь к природным богатствам и оставляя благоприятную среду будущим поколениям.