Применение отходов яичной скорлупы в качестве полезных и пригодных для использования продуктов: обзор
Фермерство генерирует различные виды отходов. Снижение экологических проблем, связанных с безответственной утилизацией отходов, зависит от достаточного использования отходов сельского хозяйства. В глобальном масштабе управление сельскохозяйственными отходами является важной и решающей стратегией, поскольку это становится решающим фактором для людей, животных и растительности. Характер, количество и тип отходов различаются в разных странах. Помощь в защиту качества окружающей среды и здоровья требует поиска эффективного способа для надлежащего управления сельскохозяйственными отходами. Для этих целей отходы должны быть переработаны, повторно использованы и направлены к ценному и пригодному для использования продукту. В настоящее время использование отходов является приоритетной задачей для достижения устойчивого развития.
Сельскохозяйственные отходы могут быть классифицированы на биологические, твердые, опасные и отработанное масло, а затем регулируются в соответствии с тем, как они могут быть утилизированы. Твердые бытовые отходы включают в себя любой вид мусора, оставленный сельскохозяйственным предприятием, шлам из очистных сооружений и любые отходы, создаваемые в ходе сельскохозяйственной деятельности. Опасные отходы, которые также состоят из химических веществ, могут быть взрывчатыми, едкими или легковоспламеняющимися и, конечно, опасны для человека, животных и окружающей среды. Сельскохозяйственная техника часто производит масла, которые используются многократно и собирают другие материалы, такие как вода, химические вещества или грязь. Масла должны быть заменены при снижении производительности. Сельскохозяйственное предприятие производит большое количество отработанного масла, и требуется хранить его в резервуарах для предотвращения утечки масла в окружающую среду.
Ожидается, что масла можно использовать в медицинских науках, это является новой практикой. Большинство исследований сельскохозяйственных отходов в основном сосредотачивается на их энергетическом потенциале или в качестве возобновляемого сырья за счет их численности, дешевизны и возобновляемости. Микроорганизмы или их компоненты осуществляют превращение в ценные продукты или источники энергии. Полезные продукты производятся из многих сельскохозяйственных отходов, используемых в качестве эффективного сырья и как хорошая альтернатива в качестве биоматериалов в терапии, которая замещает кости для роста из остеобластов. Развитие биоматериалов осуществляется в связи с ростом числа больных, которые нуждаются в костных заменителях. Очень важно, что биоматериалы являются биосовместимыми с достаточной механической прочностью, чтобы выдержать вес человеческого тела перед использованием в качестве костных имплантатов.
Яичная скорлупа является одним из широко используемых в пищевой промышленности и заводами-изготовителями побочных продуктов. Яйца представляют собой важный компонент в большом разнообразии продуктов, таких как торты, салатные заправки и фаст-фуды, что выливается в результате в несколько тонн отходов яичной скорлупы ежедневно и несет значительные издержки по утилизации в мире. Около 250 тысяч тонн отходов яичной скорлупы производится ежегодно во всем мире.
Большая часть отходов яичной скорлупы в настоящее время накоплена на местах без какой-либо предварительной обработки. Кроме того, с точки зрения охраны окружающей среды управление отходами – неприятная функция из-за запаха биодеградации.
В последние годы большие усилия были приложены для преобразования отходов яичной скорлупы в ценный продукт. Эти основные приложения включают возможный заменитель кости (Dupoirieux и соавт., 1995), в качестве исходного материала для приготовления фосфата кальция биокерамики, такой как гидроксиапатит (НАР) (Balázsi и др., 2007), минерализацию костей и рост, недорогой адсорбент для удаления ионных загрязняющих веществ из водного раствора (Tsai и др., 2008), или катализатор биодизельного топлива.
Куриная яичная скорлупа является одним из сельскохозяйственных отходов, которые заслужили внимание сегодня и имеют потенциал использования в медицинской и стоматологической терапии. Скорлупа имеет в качестве важной составляющей чистый CaCO3 и немного развитой пористости. Ее состав был отмечен химически (по массе) следующим образом: карбонат кальция (94%), карбонат магния (1%), фосфат кальция (1%) и органические вещества (4%).
Другое применение отходов яичной скорлупы было упомянуто ранее в качестве катализатора биодизельного топлива. Биодизель, состоящий из греческого слова «био» и «дизель» от Рудольфа Дизеля, относится к возобновляемой альтернативе нефтяного дизельного топлива из моноалкильных сложных эфиров жирных кислот, аналогичен нефтяному дизельному топливу с точки зрения физических свойств, за исключением несравненных преимуществ как возобновляемый, биоразлагаемый, не токсичный и с низкими выбросами. Как правило, он может быть изготовлен из переработанных органических масел и жиров, таких как соевые бобы, рапс, подсолнечник, кокосовый орех, кукуруза, семена хлопчатника, горчица, пальмовое масло, арахисовое, животные жиры, отходы растительного масла и водорослей путем переэтерификации из них в присутствии катализаторов, таких как NaOH, KOH или NaOCH3, которые добавляются в переэтерификацию из-за скорости реакции, которую они вызывают. Цена на биодизель может быть снижена с использованием отработанных масел и непищевых масел. Другим важным вопросом в выходе биодизеля является выбор катализатора. Оба типа катализаторов, гомогенные и гетерогенные, могут катализировать переэтерификацию. Гомогенные базовые катализаторы, такие как NaOH и KOH, обладают высокой каталитической активностью, но их разделение и повторное использование после реакции затруднительно. Другие гомогенные типы, такие как гидроксиды и алкоголяты щелочных металлов, и гомогенные кислоты, такие как H2SO4, являются в основном едкими и также вступают в реакцию со свободной жирной кислотой с образованием нежелательных побочных продуктов мыла, которые требуют дорогостоящего разделения. Рециркуляция гомогенных кислотных катализаторов затруднена, потому что процесс требует высокой температуры и иногда вызывает серьезные проблемы с окружающей средой и коррозией.
Гетерогенные катализаторы получили заметное внимание для решения проблем гомогенных катализаторов, так как они не вызывают коррозии, пригодны для повторного использования и эффективны и могут упростить этапы разделения и очистки. Было изучено много гетерогенных катализаторов переэтерификации масел, таких как яичная скорлупа из-за ее внутренней структуры пор в кальцинированной яичной скорлупе, высокого содержания CaCO3 и большого количества. Из яичной скорлупы можно приготовить активный гетерогенный катализатор.
Другим глобальным кризисом является загрязнение воды и очистка сточных вод, особенно промышленных сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами, которые обычно образуются в результате многих видов промышленных процессов. Следовательно, сточные воды без какой-либо обработки подходящим процессом могут вызвать серьезные экологические проблемы в естественной экосистеме, и накопление ионов металлов будет происходить либо через прямое потребление, либо через пищевые цепи. Соответственно, следует предотвратить попадание тяжелых металлов в экосистему из-за их токсичности. Для этой цели было предложено и исследовано несколько подходов, включая химическое осаждение, коагуляцию, ионный обмен, экстракцию растворителем, фильтрацию, выпаривание и мембранные методы. Некоторые из этих подходов очень дороги и менее эффективны с некоторыми ограничениями, такими как необходимость нескольких предварительных обработок, а также дополнительных обработок. Из-за этих ограничений многие исследователи выбрали регенерацию природных отходов для обработки тяжелых металлов из водных растворов. Была изучена и оценена адсорбционная способность тяжелых металлов с рисовой шелухой и зелеными водорослями. Другие исследователи сообщали о результатах адсорбции тяжелых металлов на раковине краба и оболочках креветок. Потенциальная возможность регенерированных отходов в качестве адсорбентов была предложена для удаления свинца оболочкой краба. Кроме того, были изучены другие отходы с точки зрения применимости, такие как вулканический шлак, летучая зола, цеолит, хитозан, опилки и уголь. В соответствии с важными вопросами в производственном процессе, такими как минимизация отходов, максимальная регенерация отходов и энергии и извлечение драгоценного материала, разработка различных экологически чистых и экономичных материалов после очистки сточных вод была проведена несколькими исследователями.
Об использовании активированного угля из опилок в качестве очистителя сточных вод сообщалось у Malik, 2004. Другой рекомендацией для текстильной краски из сточных вод были апельсиновые корки, заявленные Haddadian и др. в 2013 г., что было весьма примечательно для обработки. Раковина устрицы была довольно впечатляющей, чтобы адсорбировать сероводород из поровой воды.
Нет достаточного внимания относительно преобразования отходов в полезные материалы, несмотря на полезные свойства. В этом контексте различные применения отходов яичной скорлупы были использованы, чтобы предложить рекомендации для любого обработчика яиц, заявителя и потребителя, путем анализа информации о технологических возможностях свойств яичной скорлупы. В связи с этим претендентами являются приоритетными те, которые экономически целесообразны, и выгоды, доступные для отраслей промышленности для их обработки, наряду с экологическими проблемами.
В этом обзоре представлены результаты, основанные на характеристике отходов и альтернативном использовании этих материалов, которые можно использовать в качестве основы для расчета объемов, полученных на предприятии по переработке яиц. Кроме того, это исследование может продемонстрировать экономичный процесс обработки для повторного использования полезных продуктов из отходов яичной скорлупы и их применения в различных аспектах, которые делают процесс экономически эффективным и экологически безопасным, а также дают новый путь для обращения с твердыми отходами.
Применение яичной скорлупы в производстве биодизеля
Оксид кальция (CaO) является одним из наиболее перспективных оксидов щелочноземельных металлов с высокой основностью, который подходит для производства биодизеля. Раковины моллюсков, яичная скорлупа и раковины мидий могут быть прокалены, чтобы получить CaO, используемый в качестве гетерогенного катализатора в производстве биодизеля.
Биодизель уже был коммерчески произведен из возобновляемых ресурсов, таких как соевое масло, реакцией переэтерификации с использованием гомогенных сильных оснований или кислот в качестве катализаторов. Как сообщают другие исследователи, в химический состав отходов яичной скорлупы в основном входит карбонат кальция. Из-за внутренней структуры пор на поверхности яичной скорлупы и ее обилия яичная скорлупа является хорошим сырьем для приготовления тонкого порошка, который может проложить путь для его применения, такого как пористый твердый катализатор. Фактически твердые основные катализаторы, полученные из яичной скорлупы, были получены путем кальцинирования.
Возможность применения яичной скорлупы в качестве катализатора в каталитическом процессе производства биодизеля была исследована Wei и соавторами в 2009 г. Повторное использование скорлупы яиц в качестве недорогого катализатора для производства биодизеля было оценено с точки зрения переработки отходов яичной скорлупы, минимизации загрязнения, снижения себестоимости производства биодизеля и делая процесс производства биодизеля полностью экологичным.
Отходы яичной скорлупы использовались для переэтерификации отработанных кулинарных масел и давали выход биодизеля 100% с использованием 4 мас.% катализатора в течение времени реакции 5 ч (Navajas и др., 2013), тогда как Niju с соавт. в 2014 г. использовали яичную скорлупу при обработке кальцинированием-гидратацией-дегидратацией для получения катализатора CaO. Результаты переэтерификации отработанного масла для жарки (WFO) показали, что конверсия метилового эфира составляла 67,57% для коммерческого CaO и 94,52% для CaO, полученного в результате обработки кальцинированием-гидратацией-дегидратацией яичной скорлупы на катализаторе с 5 мас.% (основанного по массе масла), соотношение метанола к маслу 12:1, температура реакции 65°С и время действия 1 час. Недавно Chen и др. (2014) получили CaO-катализатор из яичной скорлупы страуса и сообщили, что максимальный выход биодизеля (92,7%) был получен из пальмового масла при следующих условиях: катализатор 8 мас.%, соотношение метанол-масло 9:1, время реакции 60 мин и мощность ультразвука 60% амплитуды. Кроме того, этот CaO-катализатор можно повторно использовать более 8 раз без значительной потери активности. Все эти исследования отходов показали, что для достижения высоких выходов биодизеля необходимы более высокий вес катализатора и более длительное время реакции.
Tan и др. (2015) показали, что применение гетерогенного основного катализатора CaO, который был получен при кальцинировании отходов яичной скорлупы в процессе переэтерификации, имеет многообещающий потенциал для использования в целях производства биодизеля (рис. 2).
Еще одно исследование было проведено Yin с соавт. в 2016 г. по производству биодизеля из дистиллята дезодоратора соевого масла (SODD) с использованием кальцинированной утиной скорлупы (DES) в качестве катализатора, который является недорогим и экологически чистым источником карбоната кальция. Была протестирована возможность повторного использования катализатора, полученного из DES, и результаты показали, что выход биодизеля был выше 80% после 5-кратного использования и ниже 60% после 8-кратного использования.
Joshi и соавт. в 2015 г. изучали переэтерификацию масел ятрофы и каранджи, используя в качестве катализатора смешанные оксиды металлов на основе яичной скорлупы. Большие площади поверхности катализаторов наблюдались, когда они были прокалены при 900°С, и, следовательно, они показали высокую каталитическую активность. Niju и др. в 2014 г. показали, что обработка кальцинированием-гидратацией-дегидратацией является достаточным методом для повышения каталитической активности отходов скорлупы.
Активные катализаторы производства биодизеля были получены из скорлупы яиц с использованием простого прокаливания на воздухе. Физико-химические свойства активированных катализаторов характеризовались XRD, сорбцией N2, CO2-TPD, TGA-DTG, XRF и SEM, в то время как каталитическая активность была проверена при получении биодизеля путем переэтерификации на пальмовом масле с метанолом в микроволновых условиях. Было исследовано влияние микроволновой мощности, времени реакции, соотношения метанол-масло и загрузки катализатора. Результаты эксперимента показали, что катализаторы имели высокое содержание CaO (99,2 мас.%) с высокой плотностью местоположения сильного основания. Каталитическое испытание продемонстрировало значительное улучшение производства биодизеля с использованием микроволн по сравнению с обычным нагревом. Макс. выход метиловых эфиров жирных кислот достигал 96,7% при оптимальных условиях времени реакции 4 мин при мощности микроволнового излучения 900 Вт, соотношении метанол-масло 18:1 и загрузке катализатора 15%. Результаты показали, что катализаторы CaO, полученные из яичной скорлупы, показали хорошую возможность повторного использования и имели высокий потенциал для использования в качестве катализаторов производства биодизеля при переэтерификации пальмового масла с помощью микроволнового излучения.
Alba-Rubio и др. в 2010 г. сообщили, что реакция переэтерификации нефти и метанола может быть эффективно катализирована СаО с выходом биодизеля выше 90%. Это исследование также показало, что базовая сила CaO достаточна для этой реакции, которую можно получить из отработанной яичной скорлупы, чтобы не только продемонстрировать высокую потенциальную возможность использования в качестве катализаторов синтеза биодизеля, но и повысить ценность получения зеленого биодизеля из-за его экологичных характеристик и низкой стоимости. В исследованиях, в которых изучалась переэтерификация масла пальмового олеина метанолом, катализируемого СаО, полученным из отходов раковин моллюсков, костей и яичной скорлупы (Witoon 2011; Viriya-Empikul и соавт. 2012), было установлено, что эти катализаторы активны в производстве биодизеля, что приводит к метиловому эфиру жирной кислоты (FAME) выше 90%. Среди полученных катализаторов катализатор из яичной скорлупы показал самые высокие каталитические свойства по сравнению с другими. Однако эти реакции требуют более длительного времени (> 60 мин) для достижения удовлетворительной конверсии масла в биодизель из-за ограничений по тепломассопереносу.
Авторы: Hamideh Faridi, Akbar Arabhosseini
Статья из журнала «Research in Agricultural Engineering», №64, 2018 г.
Перевод подготовила Елена Михаленко