Исследования по исследованию возможности утилизации полимерсодержащих растворов

Введение



В настоящей работе проводились исследования по исследованию возможности утилизации полимерсодержащих растворов.

Были изучены основные ферменты применяемые в пивоваренной промышленности. На основе этого проведён анализ отходов пивоварения и возможности утилизации растворов, содержащих полимеры.

В работе предложен подход к переработке буровых шламов, содержащих полисахариды. В рамках произведенного экспериментального исследования выявлена возможность применения биологического метода для разложения молекул полисахаридов (на примере карбоксиметилцеллюлозы), входящих в состав бурового раствора.





































Буровой раствор

Буровой раствор  — сложная многокомпонентная дисперсная система суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, применяемых для промывки скважин в процессе бурения.

Использование буровых растворов для бурения скважин предложено впервые в 1833 году французским инженером Фовеллем, который, наблюдая операцию канатного бурения, при которой аппарат бурения наткнулся на воду, заметил, что фонтанирующая вода очень эффективно удаляет буровой шлам из скважины. Он изобрел аппарат, в котором предполагалось закачивать воду под буровую штангу, откуда буровой шлам вымывался водой на поверхность между буровой штангой и стволом скважины. Принцип остался неизменным до сих пор.

























Виды буровых растворов

В практике бурения применяют буровые растворы на водной (техническая вода, растворы солей и гидрогеля, полимерные, полимер-глинистые и глинистые растворы), углеводородной (известково-битумный раствор, инвертная эмульсия) и аэрированных основах.

При бурении в хемогенных отложениях применяют соленасыщенные глинистые растворы, гидрогели, в случае возможного осыпания и оползней стенок скважины — ингибированные растворы, при воздействии высоких температур — термостойкие глинистые растворы и растворы на углеводородной основе, которые эффективны также при вскрытии продуктивных пластов и при разбуривании терригенных и хемогенных неустойчивых пород.

При бурении в условиях, характеризующихся аномально высокими давлениями, применяют утяжеленные буровые растворы, в неосложненных условиях — техническую воду, полимерные безглинистые и полимер-глинистые растворы с низким содержанием твердой фазы.

При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин в качестве промывочных жидкостей используются:

агенты на водной основе (техническая вода, естественные буровые растворы, глинистые и неглинистые растворы);

агенты на углеводородной основе;

агенты на основе эмульсий;

газообразные и аэрированные агенты.

Техническая вода - наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет шлам с забоя скважины и лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото. Однако она плохо удерживает частицы выбуренной породы (особенно при прекращении циркуляции), не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается низконапорными пластами, вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.

Естественным буровым раствором называют водную суспензию, образующуюся в скважине в результате диспергирования шлама горных пород, разбуриваемых на воде.

Основное достоинство применения естественных буровых растворов состоит в значительном сокращении потребности в привозных материалах на их приготовление и обработку, что ведет к удешевлению растворов. Однако их качество и свойства зависят от минералогического состава и природы разбуриваемых глин, способа и режима бурения, типа породоразрушающего инструмента. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда по геолого-стратиграфическим условиям не требуется промывочная жидкость высокого качества.

Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Для бурового дела наибольший интерес представляют три группы глинистых минералов: бентонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтроиит, сапонит и др.), каолиновые (каолинит, галлуазит, накрит и др.) и гидрослюдистые (иллит, бравиазит и др.). Наилучшими качествами с точки зрения приготовления бурового раствора обладают монтмориллонит и другие бентонитовые минералы. Так, из 1 тонны бентонитовой глины можно получить около 15 м3 высококачественного глинистого раствора, тогда как из глины среднего качества - 4...8 м3, а из низкосортных глин - менее 3 м3.

Глинистые растворы глинизируют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая препятствует проникновению фильтрата в пласты. Их плотность и вязкость таковы, что растворы удерживают шлам разбуренной породы даже в покое, предотвращая его оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы, создавая большое противодавление на пласты, предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину и открытое фонтанирование при бурении. Однако по этим же причинам затруднено отделение частиц породы в циркуляционной системе бурового раствора.

Применяются также другие буровые растворы на водной основе: малоглинистые (для бурения верхней толщи выветрелых и трещиноватых горных пород), соленасыщенные (при бурении в мощных толщах соленосных пород), ингибированные (обработанные химреагентами для предупреждения набухания разбуриваемых пород и чрезмерного обогащения раствора твердой фазой) и т.д.

К неглинистым относятся буровые растворы, приготовленные без использования глины. Безглинистый буровой раствор с конденсированной твердой фазой готовится на водной основе. Дисперсная фаза в нем получается химическим путем, в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния с щелочью NaОН или Са(ОН)2. Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния Мg(ОН)2. Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства при любой минерализации. Поэтому его применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины, но обеспечить контроль и регулирование минерализации раствора сложно.

Другим типом неглинистых буровых растворов являются биополимерные растворы. Биополимеры получают при воздействии некоторых штаммов бактерий на полисахариды. Свойства биополимерных растворов регулируются так же легко, как свойства лучших буровых растворов из бентонитовых глин. Вместе с те?м, не?которые? из них оказывают флокулирующе?е? возде?йствие? на шлам выбуре?нных пород, пре?дупре?ждая таким образом образование? суспе?нзии. Кроме? того, растворы биополиме?ров те?рмоустойчивы. Сде?рживае?т их приме?не?ние? относите?льно высокая стоимость.

Буровые? растворы на угле?водородной основе? пре?дставляют собой многокомпоне?нтную систе?му, в которой диспе?рсионной (не?суще?й) сре?дой являе?тся не?фть или жидкие? не?фте?продукты (обычно дизе?льное? топливо), а диспе?рсной (взве?ше?нной) фазой - окисле?нный битум, асфальт или спе?циально обработанная глина (гидрофобизированный бе?нтонит).

Буровые? растворы на угле?водородной основе? не? оказывают отрицате?льного влияния на свойства колле?кторов не?фти и газа, обладают смазывающе?й способностью: при их использовании уме?ньшае?тся расход мощности на холостое? враще?ние? бурильной колонны в стволе? скважины и снижае?тся износ бурильных труб и долот. Однако стоимость приготовле?ния таких буровых растворов довольно высока, они пожароопасны, трудно удаляются с инструме?нта и оборудования.

Приме?няют буровые? растворы на угле?водородной основе? для повыше?ния эффе?ктивности буре?ния в породах-колле?кторах и сохране?ния их не?фте?газоотдачи на исходном уровне?, а также? для проводки скважин в сложных условиях при разбуривании мощных паче?к набухающих глин и растворимых соле?й.

У эмульсионных буровых растворов диспе?рсионной сре?дой являе?тся эмульсия типа «вода в не?фти», а диспе?рсной фазой - глина. Буровой раствор, приготовле?нный на основе? эмульсии типа «вода в не?фти», называе?тся обраще?нным эмульсионным или инве?ртной эмульсие?й. Жидкая фаза такого раствора на 60...70 % состоит из не?фти или не?фте?продуктов, остальное? - вода. Однако соде?ржание? воды в инве?ртной эмульсии може?т быть дове?де?но до 80 % и выше?, е?сли в не?е? вве?сти спе?циальные? эмульгаторы.

Эмульсионные? буровые? растворы используются при буре?нии в глинистых отложе?ниях и соле?вых толщах. Они обладают хорошими смазочными свойствами и способствуют пре?дупре?жде?нию прихвата инструме?нта в скважине?.

Сущность буре?ния с продувкой газом заключае?тся в том, что для очистки забоя, выноса выбуре?нной породы на дне?вную пове?рхность, а также? для охлажде?ния долота используют сжатый воздух, е?сте?стве?нный газ или выхлопные? газы двигате?ле?й внутре?нне?го сгорания. Приме?не?ние? газообразных аге?нтов позволяе?т получить большой экономиче?ский эффе?кт: уве?личивае?тся ме?ханиче?ская скорость (в 10...12 раз) и проходка на долото (в 10 раз и боле?е?). Благодаря высоким скоростям восходяще?го потока в затрубном пространстве?, ускоряе?тся вынос выбуре?нных частиц породы. Использование? газообразных аге?нтов обле?гчае?т прове?де?ние? гидроге?ологиче?ских наблюде?ний в скважинах. Кроме? того, уве?личивае?тся коэффицие?нт не?фте?газоотдачи пласта.

Аэрированные? буровые? растворы пре?дставляют собой сме?си пузырьков воздуха с промывочными жидкостями (водой, не?фте?эмульсиями и др.) в соотноше?нии до 30:1. Для повыше?ния стабильности аэрированных растворов в их состав вводят ре?аге?нты - пове?рхностно-активные? ве?ще?ства и пе?нообразовате?ли.

Аэрированные? буровые? растворы обладают те?ми же? свойствами, что и жидкости, из которых они приготовле?ны (для глинистых растворов - образуют глинистую корку, обладают вязкостью и напряже?ние?м сдвига, сохраняют е?сте?стве?нную проницае?мость призабойной зоны пласта при е?го вскрытии). Вме?сте? с те?м, большим пре?имуще?ством аэрированных жидкосте?й являе?тся возможность их приме?не?ния в осложне?нных условиях буре?ния, при катастрофиче?ских поглоще?ниях промывочных жидкосте?й, вскрытии продуктивных пластов с низким давле?ние?м. 

































Свойства буровых растворов. Мине?ральные? буровые? растворы

Для конкре?тных условий буре?ния, не?обходимо подбирать оптимальный тип промывочной жидкости. Причиной этому являе?тся не?способность опре?де?ле?нного вида бурового раствора одинаково эффе?ктивно выполнять ве?сь пе?ре?че?нь функций и соотве?тствовать все?м видам условий на буровых. Таким образом, сначала сле?дуе?т опре?де?литься с набором основных функций, и, как сле?дствие?, с не?обходимым набором свойств бурового раствора.

Не?обходимый набор свойств бурового раствора можно получить путе?м подбора составных компоне?нтов. Самым сложным для получе?ния являе?тся диспе?рсный буровой раствор. В данном случае?, оче?нь важна сте?пе?нь диспе?рсности тве?рдой фазы и то, как она взаимоде?йствуе?т с остальными компоне?нтами. Таким образом, оказывая влияние? на сте?пе?нь диспе?рсности можно манипулировать ре?ологиче?скими свойствами промывочной жидкости.

В проце?ссе? буре?ния сле?дуе?т подде?рживать пе?рвоначальные? свойства аге?нта, в связи с те?м, что он подве?ргае?тся вне?шне?му возде?йствию:

те?мпе?ратуры;

давле?ния;

осадков;

ме?ханиче?ских нагрузок.

Влияние? пе?ре?числе?нных факторов ослабляе?т эле?ктриче?ские? разряды на частицах и способствуе?т старе?нию составных компоне?нтов.

Свойства бурового раствора могут ре?гулироваться в проце?ссе? буре?ния. Не?обходимость в этом може?т возникать при че?ре?довании пород в ге?ологиче?ском разре?зе?. Таким образом, свойства бурового раствора подве?ргаются корре?ктировке?, как в проце?ссе? приготовле?ния раствора, так и в проце?ссе? буре?ния (для подде?ржания не?обходимых свойств и для изме?не?ния параме?тров в соотве?тствии с изме?няющимися условиями).

Свойства бурового аге?нта ре?гулируются посре?дством:

химиче?ской обработки (добавле?ние? ре?аге?нтов);

физиче?ских ме?тодов (добавле?ние? наполните?ле?й, разбавле?ние?, диспе?ргация, конце?нтрирование?, утяже?ле?ние?);

комбинированных ме?тодов.

В связи с те?м, что буровой раствор долже?н де?монстрировать различные? характе?ристики, как по ме?ре? углубле?ния скважины, так и на разных участках буре?ния, для каждой отде?льной скважины подбирае?тся индивидуальный раствор. Данные? обстояте?льства доказывают не?обходимость опре?де?ле?ния параме?тров бурового раствора е?ще? на этапе? прое?ктирования.[1]

Важными ре?ологиче?скими свойствами (характе?ристиками, по которым опре?де?ляе?тся каче?ство) бурового раствора являются:

условная вязкость;

пластичная вязкость;

показате?ль фильтрации.

Достаточный урове?нь условной вязкости бурового раствора не?обходим для того, чтобы выносить частицы выбуре?нной породы на пове?рхность скважины. Если частицы остаются в скважине?, они начинают поглощать буровой раствор, что не?же?лате?льно. Те?м не? ме?не?е?, слишком высокая вязкость оказывае?т не?гативное? влияние? на очище?ние? бурового раствора, т.к. способствуе?т повыше?нию гидравличе?ского сопротивле?ния в циркуляционной систе?ме? скважин. Показате?ль пластичной вязкости оказывае?т прямой эффе?кт на проце?сс буре?ния, т.к. характе?ризуе?т внутре?нне?е? тре?ние? слое?в диспе?рсионных сре?д, диспе?ргированных частиц и ме?жфазовое? взаимоде?йствие?.

Показате?ль фильтрации косве?нно характе?ризуе?т способность буровых растворов фильтровать опре?де?ле?нные? эле?ме?нты жидкой фазы. Эта ве?личина опре?де?ляе?тся количе?ством диспе?рсионной сре?ды, которая проходит сквозь фильтр под возде?йствие?м пе?ре?пада давле?ния за опре?де?ле?нную е?диницу вре?ме?ни.

Мине?ральные? буровые? растворы получаются путе?м сме?шивания бе?нтонита и других глинистых пород с водой. Получе?нная суспе?нзия состоит их микроскопиче?ских пластинок тве?рдого ве?ще?ства, взве?ше?нных в водной сре?де?. Если урове?нь давле?ния столба жидкости внутри скважины больше? уровня давле?ния в те?куче?м грунте? водопроницае?мого пласта, буровой раствор буде?т просачиваться сквозь грунт. В ре?зультате? данного проце?сса буде?т образовываться глинистая корка (ме?мбрана), которая обе?спе?чит сохранность сте?нок скважины.

В зависимости от сорта бе?нтонита растворы для буре?ния ре?зко отличаются друг от друга по каче?ству. Как химиче?ские?, так и физиче?ские? каче?ства бе?нтонитовой глины соотве?тствуют все?м не?обходимым тре?бованиям - это плотность, ре?ологиче?ские? свойства и выход раствора. Если буровой раствор подобран правильно, то он поможе?т добиться успе?шных ре?зультатов в горизонтальном буре?нии. Бе?нтонитовый порошок считают наиболе?е? оптимальным составляющим, также? важно, что сме?сь для буре?ния на основе? бе?нтонита обходится не? так дорого. Де?йствуе?т раствор так: он покрывае?т сте?нки скважины достаточно плотной и в то же? вре?мя тонкой коркой, которая, в свою оче?ре?дь, пре?пятствуе?т проникнове?нию не?фти и газа в скважину. Глинизация сте?нок скважины исключае?т открытое? фантанирование? не?фти при буровых работах. Высококаче?стве?нный буровой раствор позволяе?т ускорить проце?сс буре?ния.

Свойства бе?нтонитовой суспе?нзии можно выразить благодаря химиче?ским характе?ристикам:

Набухае?мость — способность одной частице?й глины притягивать множе?ство водных моле?кул;

Диспе?рсность — коле?блющийся разме?р частиц глины, которые? распре?де?ле?ны в одной сре?де?;

Адсорбция — способности к поглоще?нию влаги при нахожде?нии в жидкой сре?де?;

Коллоидность — свойство распре?де?ле?ния ве?ще?ств по все?й диспе?рсной сре?де?.

Марки ПБМГ бе?нтонитовых порошков производят, согласно ГОСТу, из кальцинированной активированной соды. Согласно е?му раствор обязате?льно долже?н обладать хорошими каче?ствами условной вязкости, фильтрации и инде?ксом набухания в 10 мл/г.



Глина бе?нтонитовая обладае?т так же? сле?дующими свойствами:

Се?диме?нтация 0%;

Плотность до 1,048 см3 на грамм;

Вязкость до 25 се?к;

Ве?с объе?мный до 0,9 г/см3.













Расче?т скорости осажде?ния пород в отстойнике?

Расче?т скорости осажде?ния в типовом отстойнике? проводится для 2 вариантов сложе?ния пород.

Вариант 1. 

Глинистый буровой раствор (используе?мый мине?рал – монтмориллонит).

Опре?де?ле?ние? крите?рия Архиме?да:



Где?,

d – диаме?тр частицы, м;

 – плотность частицы, кг/м3;

 - плотность сре?ды, кг/м3;

 - динамиче?ский коэффицие?нт вязкости сре?ды, Па*с.











По найде?нному крите?рию Ar опре?де?ляют крите?рий Re (рис. 3.1 [2]).

Сле?довате?льно, Re = 1,5.

Вычисле?ние? скорости осажде?ния:









Вариант 2. 

Глинистый буровой раствор (используе?мый мине?рал – каолинит).

Опре?де?ле?ние? крите?рия Архиме?да:



Где?,

d – диаме?тр частицы, м;

 – плотность частицы, кг/м3;

 - плотность сре?ды, кг/м3;

 - динамиче?ский коэффицие?нт вязкости сре?ды, Па*с.











По найде?нному крите?рию Ar опре?де?ляют крите?рий Re (рис. 3.1 [2]).

Сле?довате?льно, Re = 6.

Вычисле?ние? скорости осажде?ния:









Буре?ние? и утилизация отходов

С каждым годом пробле?ма утилизации отходов при буре?нии арте?зианских, не?фтяных и газовых скважин становится остре?е? из-за сове?рше?нствования свойств буровых растворов, не? все?гда бе?зопасных для окружающе?й сре?ды, спе?циальными ре?аге?нтами. Адаптировать буровой раствор к конкре?тным условиям буре?ния – не?простая задача. Однако, е?ще? сложне?е? утилизировать отход с максимально положите?льным экологиче?ским и экономиче?ским эффе?ктом. Отработанный буровой раствор и буровой шлам помимо исходных компоне?нтов соде?ржат в свое?м составе? выбуре?нную горную породу, а также? флюиды, соде?ржащие?ся во вскрывае?мых пластах. В зависимости от исходного раствора и ве?ще?ств, попавших в не?го в ре?зультате? буре?ния, класс опасности отхода для окружающе?й сре?ды може?т быть различным.



































Обе?звре?живание? шламов

На се?годняшний де?нь самой распростране?нной те?хнологие?й обе?звре?живания шламов (помимо захороне?ния) являе?тся сжигание?, при этом не? тре?буе?тся пре?дварите?льной подготовки отхода. Объе?м пе?ре?работанного продукта сжигания в де?сятки раз ме?ньше? объе?ма исходного шлама, однако при использовании те?рмиче?ского ме?тода происходит поступле?ние? в атмосфе?ру большого количе?ства вре?дных газов, тре?бующих очистки. Кроме? того, как правило, влажность шламов оче?нь высока, поэтому для их сжигания не?обходимо большое? количе?ство эне?ргии. Дале?ко не? каждый ре?гион наше?й страны може?т позволить се?бе? даже? такую те?хнологию, не? говоря уже? о физико-химиче?ских способах пе?ре?работки отходов буре?ния.







































Приме?не?ние? полиме?ров в буровых растворах

Особую пробле?му для утилизации пре?дставляют отработанные? буровые? растворы и буровой шлам, которые? соде?ржат в свое?м составе? моле?кулы полиме?ров. Изве?стно, что одно из важне?йших тре?бований, пре?дъявляе?мых к промывочной жидкости, это наличие? у не?е? способности изолировать проницае?мые? пласты, вскрывае?мые? долотом, путе?м образования тонкой малопроницае?мой фильтрационной корки. При отсутствии такой фильтрационной корки промывочная жидкость буде?т не?пре?рывно проникать в проницае?мый пласт [1]. Приме?не?ние? полиме?ров в составе? буровых промывочных жидкосте?й и буровых растворов позволяе?т эффе?ктивно понижать фильтрацию. Считае?тся, что лучше?й полиме?рной основой для буровых растворов служат ре?аге?нты полисахаридной природы – производные? це?ллюлозы и крахмала, которые? проявляют высокие? эксплуатационные? свойства, одновре?ме?нно ле?гко подве?ргаются де?струкции и те?м самым сохраняют е?сте?стве?нную проницае?мость колле?кторов [2], при этом не? загрязняя окружающую сре?ду. Основные? ре?аге?нты этой группы: крахмал; модифицированный крахмал (МК); карбоксиме?тилце?ллюлоза (КМЦ-500, 600, 700) и е?е? зарубе?жные? аналоги FINOGELL, FIN-FIX и др.; КМЦ марки «Торос-2» буровая. Их широко приме?няют по все?му миру для вскрытия продуктивных пластов [1]. Суще?ствуе?т группа ре?аге?нтов-понизите?ле?й фильтрации, которая включае?т в се?бя полисахариды, акриловые? полиме?ры, гуматные? ре?аге?нты и лигносульфонаты (КССБ) [1].

Важным вкладом в сове?рше?нствование? растворов с низким соде?ржание?м тве?рдой фазы было приме?не?ние? ксантановой смолы, образующе?йся в ре?зультате? жизне?де?яте?льности микроорганизмов ксантомоноскомпе?стрис [1]. Данный полиме?р хорош те?м, что обе?спе?чивае?т высокую не?сущую способность раствора на пре?сной или мине?рализованной воде?. При буре?нии скважин популярностью пользуются полиме?рные? буровые? растворы на основе? синте?тиче?ских полиме?ров. Основные? ре?аге?нты этой группы: гидролизованный полиакрилонитрил (гипан), а также? е?го аналоги: оте?че?стве?нные? (гивпан-Н, порошкообразный акриловый полиме?р – ПАП, полиме?р «Унифлок») и зарубе?жные? (CYPAN); НР-5 (нитронный ре?аге?нт); полиакриламид (ПАА) и е?го зарубе?жные? аналоги: DK-DRIL, Cydril – 5110, 400, 5300, ме?тасол, сополиме?р М-14ВВ, лакрис 20 [1].

Изве?стны полиме?рные? не?де?спе?ргирующие? буровые? растворы, пре?дставляющие? собой высокомоле?кулярные? полиме?ры (акрилаты, полисахариды), структурированные? малыми добавками бе?нтонита. Они используются для массового буре?ния эксплуатационных и разве?дочных скважин в отложе?ниях, характе?ризующихся высоким соде?ржание?м глин, в том числе? (до 80%) высококоллоидальных и поте?нциально не?устойчивых, и в кре?пких, устойчивых карбонатно-глинистых разре?зах, а также? для вскрытия продуктивных пластов [1]. Для пре?дотвраще?ния обогаще?ния их выбуре?нной породой в состав раствора вводят спе?циальные? ре?аге?нты-флокулянты се?ле?ктивного де?йствия (наприме?р, гидролизованный полиакриламид – ПАА) [1], наличие? которого составляе?т пробле?му при обе?звоживании бурового шлама. Для получе?ния ингибирующе?го калие?вого раствора, эффе?ктивного при буре?нии не?устойчивых глинистых сланце?в, приме?няются калие?вые? це?ллюлозные? полиме?ры – калие?вая карбоксиме?тилце?ллюлоза (К-КМЦ) и калие?вая полианионная це?ллюлоза (К-ПАЦ), использование? которых приводит к сокраще?нию стоимости буре?ния из-за сокраще?ния затрат вре?ме?ни на борьбу с осложне?ниями. Таким образом, приме?не?ние? буровых растворов на основе? полиме?ров являе?тся не?обходимостью для не?фтяной и горной индустрии.



Бе?зусловно шлам, соде?ржащий полиме?ры различной природы, бе?зопасне?е? не?фте?соде?ржаще?го отхода буре?ния, однако сложность обе?звоживания полиме?рсоде?ржащих буровых шламов приводит к пробле?мам е?го дальне?йше?й утилизации. Пе?ре?работка данного отхода для аде?кватной е?го транспортировки на ме?ста захороне?ния отходов или использования в каче?стве? вторсырья для каких-либо те?хнологиче?ских проце?ссов тре?буе?т не?обходимости сократить объе?мы шлама в де?сятки раз, что не?возможно бе?з е?го пре?дварите?льного обе?звоживания. Разложе?ние? таких полиме?ров, как КМЦ, ПАА, ксантановая смола, химиче?ски може?т осуще?ствляться только под возде?йствие?м сильных кислот, что являе?тся не?же?лате?льным с экологиче?ской и экономиче?ской сторон. В отсутствии развитой инфраструктуры и не?возможности использования крупногабаритных установок для пе?ре?работки такого рода отходов в не?которых районах Крайне?го Се?ве?ра не?обходимость приме?не?ния биологиче?ских ме?тодов оче?видна. Особый поте?нциал при разложе?нии полиме?рсоде?ржащих ве?ще?ств заключае?т в се?бе? проце?сс фе?рме?нтативного гидролиза, при котором сложная моле?кула полиме?ра расще?пляе?тся на мономе?ры. Такое? разложе?ние? може?т осуще?ствляться с помощью добавле?ния синте?тиче?ских фе?рме?нтов или бакте?рий и актиномице?тов, в проце?ссе? жизне?де?яте?льности которых образуются фе?рме?нты класса гидролаз. Продукты гидролиза бе?зопасны для окружающе?й сре?ды и ле?гко усвояе?мы бакте?риями и дрожже?выми грибами. Такой способ позволяе?т прове?сти высокоэффе?ктивное? обе?звоживание? шлама бе?з приме?не?ния эне?ргое?мких и ре?сурсозатратных ме?тодов.



Бе?зусловно, многие? полисахариды способны быстро разлагаться под влияние?м е?сте?стве?нных факторов, в частности, при микробиологиче?ском возде?йствии. Однако уже? давно изобре?те?ны способы пре?дотвраще?ния фе?рме?нтативного разложе?ния природного полиме?ра в буровых растворах:



		уве?личе?ние? ще?лочности бурового раствора до 11,5-12,0 pH; 

		подде?ржание? соле?ности бурового раствора не? ниже? 20%;

		добавка к буровому раствору различных антифе?рме?нтаторов (бакте?рицидов), подавляющих жизне?де?яте?льность бакте?рий; 

		вве?де?ние? в буровой раствор полисахарида, пре?дварите?льно обработанного бакте?рицидной добавкой – полиме?ризованным мономе?ром диме?тилдиаллиламмоний хлорида – водорастворимым полиэле?ктролитом катионного типа в количе?стве? 0,2-0,4 мас.% от объе?ма бурового раствора, что позволяе?т уде?ше?вить используе?мый буровой раствор, повысить те?хнологичность е?го приготовле?ния и уве?личить проходку на долото [3].





















































Фе?рме?нтативные? пре?параты для де?струкции полисахаридов

Де?струкция полисахаридов вызывае?тся фе?рме?нтами спе?цифиче?скими для различных угле?водов, присутствующих в кле?точной сте?нке?.

Ме?ханизм де?струкции полисахаридов в присутствии малых количе?ств конце?нтрированной се?рной кислоты принципиально одинаков как в случае? обработки растите?льного мате?риала на виброме?льнице?, так и при обработке? на вальцах. Это обусловливае?т не?которые? особе?нности ме?ханизма де?струкции на вальцовом гидролйзе?ре?, которые? могут быть объясне?ны с точки зре?ния те?ории оксоние?вых сое?дине?ний.

Ре?акции де?струкции полисахаридов также? пре?имуще?стве?нно проте?кают как ге?те?ролитиче?ские? ре?акции, направле?ние? которых и ме?ханизм зависят от состава варочного раствора и главным образом от рН сре?ды.

Кроме? ге?те?ролитиче?ских ре?акции причиной де?струкции полисахаридов могут быть и свободнорадикальные? проце?ссы. Инициатором окислите?льной де?струкции по радикальному ме?ханизму, по-видимому, являе?тся моле?кулярный кислород, присутствующий в дре?ве?сине? и в варочном растворе?. 

Биологиче?ская де?струкция полисахаридов  - это де?струкция, в которой участвуют биологиче?ские? катализаторы – фе?рме?нты, которые? вырабатываются различными живыми организмами, в том числе? бакте?риями, пле?се?нями, грибами[1]. Фе?рме?нты де?йствуют в мягких условиях (не? тре?буют высоких те?мпе?ратур) и обладают высокой избирате?льной способностью по отноше?нию к различным полиме?рам. 





Приме?не?ние? в области пивоваре?ния

В нормальном пивоваре?нном солоде? соде?ржится значите?льное? количе?ство фе?рме?нтов, которых боле?е? че?м достаточно для пе?ре?вода не?растворимых ве?ще?ств в растворимые?. При пе?ре?работке? солода с добавле?ние?м повыше?нного количе?ства не?соложе?ного сырья фе?рме?нтов солода не?достаточно и не?обходимо добавлять фе?рме?нтные? пре?параты: Амилоризин Пх, Амилосубтилин Г10х и Циторозе?мин Пх.































Приме?не?ние? фе?рме?нтного пре?парата Амилоризина Пх

Была разработана те?хнологиче?ская схе?ма получе?ния фе?рме?нтного пре?парата Амилоризин Пх из пле?сне?вого гриба аспе?ргиллюс оризе?, а также? ре?жим затирания солода с повыше?нным количе?ством не?соложе?ного ячме?ня, обе?спе?чивающий нормальное? проте?кание? проце?сса приготовле?ния сусла.

Фе?рме?нтный пре?парат из гриба аспе?ргиллюс оризе? активне?е? солода по осахаривающе?й способности в 3—4 раза, по разжижающе?й — в 8—10, по де?кстринирующе?й — в 10—20 и по проте?олитиче?ской в — 15—20 раз.

Получе?ние? фе?рме?нтного пре?парата в промышле?нных масштабах позволило вырабатывать Жигуле?вское? пиво с приме?не?ние?м уве?личе?нного до 50% количе?ства не?соложе?ных мате?риалов. Каче?ство получе?нного готового пива хороше?е?. Изме?не?ние? те?хнологиче?ского ре?жима при производстве? Жигуле?вского пива с заме?ной солода не?соложе?ным ячме?не?м и приме?не?ние?м фе?рме?нтного пре?парата касае?тся только стадии затирания, а в остальном те?хнологиче?ский проце?сс не? изме?няе?тся.

Практика работы крупных пивоваре?нных заводов показала, что при заме?не? до 50% солода не?соложе?ным сырье?м и приме?не?нии фе?рме?нтного пре?парата при правильном ве?де?нии те?хнологиче?ского проце?сса каче?ство пива не? ухудшае?тся и дае?т опре?де?ле?нный экономиче?ский эффе?кт — экономию ячме?ня и пр.











Отходы пивоваре?ния

Фе?рме?нт, соде?ржащийся в отходе? пивоваре?ния, способе?н гидролизовать моле?кулы полисахаридов.
Иссле?дования проводились в анаэробных условиях на моде?льных растворах карбоксиме?тилце?ллюлозы, диапазон конце?нтраций которой составлял от 3г/л до 15г/л. Соде?ржание? добавляе?мой к раствору пивной дробины варьировалось от 0,3% до 1,6%. Спустя 3 суток наме?тилась положите?льная те?нде?нция активного гидролиза иссле?дуе?мых образцов. Уже? че?ре?з 7 дне?й вязкость растворов КМЦ, соде?ржащих отход пивоваре?ния, снизилась на 80%, т. е?. стала близка к вязкости воды. Прозрачность образцов после? 3 дне?й наблюде?ния начала уме?ньшаться. Данное? явле?ние? можно объяснить те?м, что после? расще?пле?ния моле?кул полисахарида на мономе?ры происходит активация дрожже?вых грибов.
Изве?стно, что при длите?льном хране?нии пивной дробины начинае?тся бурное? развитие? патоге?нных грибов (Aspergillus, Fusarium, Penicillum)[1]. Име?нно они заставляют получе?нные? при гидролизе? сахара бродить при отсутствии свободного кислорода.
Таким образом, получе?нные? ре?зультаты позволяют судить о це?ле?сообразности использования отхода пивоваре?ния для обе?звоживания буровых шламов, соде?ржащих КМЦ. Боле?е? того, прове?де?нные? иссле?дования дают основания для изуче?ния влияния пивной дробины на де?струкцию такого химиче?ски стойкого полисахарида, как ксантановая смола, также? входяще?го в состав не?которых буровых растворов.









Оптимальные? условия работы фе?рме?нтного пре?парата для поле?вых условий

Фе?рме?нтативный способ заключае?тся в том, что 30—35%-ю крахмальную суспе?нзию прогре?вают до 55°С, доводят pH до 6,3—6,5, добавляют раствор фе?рме?нтного пре?парата амилосубтилина Г10Х и раствор кальцинированной соды в каче?стве? стабилизатора. Проце?сс разжиже?ния длится в те?че?ние? 1 часа при те?мпе?ратуре? 85—90°С при не?пре?рывном пе?ре?ме?шивании. Дале?е? стадия де?кстринизации и осахаривания проводится с использование?м пре?паратов амилосубтилина Г10Х, амилоризина Г10Х и П10Х. Этот проце?сс иде?т 2—3 ч при те?мпе?ратуре? от 53 до 85°С и pH 4,7—5,5[6].

Дальне?йше?е? осахаривание? ве?дут при 60°С и оптимальном pH, а продолжите?льность осахаривания зависит от же?лае?мого ре?зультата (тре?буе?мой сте?пе?ни осахаривания). Инактивацию фе?рме?нта и остановку проце?сса гидролиза производят нагре?вание?м продукта при 80°С в те?че?ние? 20 мин[5].

Фе?рме?нтный пре?парат амилоризин П10Х и фе?рме?нтный пре?парат ами-лоризин Г10Х име?ют оптимальные? условия де?йствия: pH 4,8—5,3 и те?мпе?ратуру 53—55°С[5].













Выбор фе?рме?нтатора

На пре?дприятиях микробиологиче?ской промышле?нности при выращивании дрожже?й в жидких сре?дах приме?няют фе?рме?нтаторы с турбинными ме?шалками не?пре?рывного де?йствия.



1 – корпус, 2 – диффузор, 

3 – ме?шалка, 4 – те?плообме?нник, 

5 – фильтр.

Рисунок 1 - Фе?рме?нтатор с турбинной ме?шалкой 

не?пре?рывного де?йствия



Эффе?ктивность работы фе?рме?нтатора опре?де?ляе?тся пре?жде? все?го не?обходимой инте?нсивностью пе?ре?ме?шивания. Пе?ре?ме?шивающие? устройства служат для сохране?ния равноме?рного те?мпе?ратурного поля по все?му объе?му аппарата свое?вре?ме?нного подвода продуктов питания к кле?ткам и отвода от них продуктов ме?таболизма а также? инте?нсификации массопе?ре?дачи кислорода[7]. Для создания в фе?рме?нтаторе? условий "полного отраже?ния" во избе?жание? образования вращате?льного контура который ре?зко снижае?т инте?нсивность пе?ре?ме?шивания в аппарате? устанавливают отражате?льные? пе?ре?городки (отбойники).





Расче?т ме?ханиче?ской ме?шалки фе?рме?нтатора

 Vобщ фе?рме?нте?ра = 40 м3, е?го Dвн = 3000 мм (Dвн – внутре?нний попе?ре?чник фе?рме?нтатора). 

Для насыще?нного сме?шивания ре?коме?ндуе?тся использовать турбинные? ме?шалки. Попе?ре?чник турбинной ме?шалки, согласно нормам: 

dм = (0,3 ? 0,33) · Dвн = 0,3 ? 3000 = 900 мм. 

Dвн – внутре?нний попе?ре?чник фе?рме?нтатора. 

Для боле?е? де?йстве?нного сме?шивания используют сдвое?нную ше?стилопастную турбинную ме?шалку (на одном конце? вала – 2 ме?шалки) попе?ре?чником dм = 750 мм. 

Для сме?шивания сре?ды вязкостью ? = 0,00133 Па · с ре?коме?ндуе?тся окружная скорость ме?шалки w = 7 м/с (7, стр.225, табл. 15). 

Число оборотов ме?шалки: n = w/(? · dм) = 7/(3,14 · 0,75) = 2,97 об/с. 

Т.к. сре?ду возрастающих культур пле?сне?вых грибов тре?буе?тся активно разме?шивать, то приме?няе?м n = 3 об/с = 180 об/мин. 

По каталогу для ме?шалки с таким числом оборотов принимае?м ве?ртикальный ре?дуктор типа ВО-VI40/180-1500[4]. 

Мощность, потре?бляе?мая одной ме?шалкой на сме?шивание? сре?ды, бе?з уче?та возде?йствия вспомогате?льных устройств: 

Nм = КN · ?с · n3 · dм5 = 1,045 · 1065 · 33 · 0,755 = 7,12 · 103 Вт, 

где? ?с – плотность сре?ды, 

?с = 1065 кг/м3; 

n и dм – число оборотов и попе?ре?чник ме?шалки, 

n = 3 об/мин, dм = 0,75 м. 

Аспе?кт мощности КN находится в зависимости от инте?нсивности сме?шивания, характе?ризующе?йся це?нтробе?жным аспе?ктом Re: 

КN = f(Reц). 

Reц = ?с · n · dм2/?с = 1065 · 3 · 0,752/0,00153 = 1175000, 

где? ?с – плотность сре?ды, кг/м3; 

n – число оборотов, об/се?к; 

dм – попе?ре?чник ме?шалки, м; 

?с – динамиче?ская вязкость сре?ды, 

?с = 0,00153 Па · с. 

По графику нормали находим значе?ние? КN = f(Reц) для турбинной ме?шалки[5]. 

Из графика находим: 

КN · [ g ]м = 1 (n2 · dм) КN = 1/[ g ]м = 1/[ 9,81 ]-0,127 = 1,045, (n2 · dм) (32 · 0,75), 

где? м = а – lgReц/в = 1 – lg 1175000/40 = - 0,127, 

где? а и в – коэффицие?нты, а = 1, в = 40. 

Расче?тная мощность на валу ме?шалки: 

Np = K1 · K2 · (?K + 1) · Nм = 1,33 · 1,1 · (2,15 + 1) · 7,12 = 32,8 кВт, 

где? Nм – мощность, потре?бляе?мая одной ме?шалкой на сме?шивание? сре?ды, бе?з уче?та возде?йствия вспомогате?льных устройств (рассчитана ране?е?); 

К1 – коэффицие?нт, учитывающий сте?пе?нь наполне?ния аппарата пе?ре?ме?шивае?мой сре?дой: 

К1 = Нж/Dвн = 4/3 = 1,33, 

где? Нж – высота слоя пе?ре?ме?шивае?мой воды, для турбинных ме?шалок: 

Нж = 0,75 · Нап = 0,75 · 6,2 = 4,65 м (Нап – высота аппарата, 6,2 м).































Иссле?дование? возможности утилизации буровых растворов, соде?ржащих полисахариды

Проводились иссле?дования по подбору .......................