Введение к работе
Актуальность работы. По прогнозам ведущих аналитических организаций мировой рынок итаконовой кислоты достигнет в 2017 году 400 млн. долларов. Столь высокий интерес вызван в первую очередь тем, что итаконовая кислота является перспективным продуктом, способным заменить некоторые виды нефтехимического сырья, и может производиться с использованием возобновляемых растительных ресурсов. На основе итаконовой кислоты может быть получена широкая гамма полимерных материалов с различными физико-химическими свойствами, в том числе перспективных с точки зрения применения в нефтегазовой отрасли в качестве альтернативы полиакриламиду (ПАА).
ПАА в настоящее время является одним из наиболее распространенных водорастворимых полимеров, его катионные и анионные производные широко используются на всех этапах эксплуатации месторождений: от бурения до вторичной добычи, что позволяет получать прибыль в десятки раз превышающую стоимость использованного полимера. Несмотря на низкую токсичность собственно ПАА, его технические образцы могут проявлять высокую токсичность из-за содержания в них остаточных количеств мономера – акриламида.
Таким образом, замена ПАА полимерами на основе итаконовой кислоты будет способствовать не только расширению функциональных возможностей полимерных материалов на ее основе, но и улучшению экологической и санитарной обстановки в отрасли, а также сокращению потребности в ресурсах нефтяного происхождения.
Цели и задачи исследования. Основная цель работы: создание нового метода получения функциональных полимерных материалов для нефтегазовой отрасли на базе итаконовой кислоты и её производных, с использованием доступного сырья биологического происхождения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Разработка простого и эффективного метода биотехнологического получения итаконовой кислоты непосредственно из твердого целлюлозосодержащего сырья.
2) Оптимизация метода получения итаконового ангидрида из дешевого биотехнологического сырья – лимонной кислоты, путем реализации его в поточном режиме.
3) Синтез и исследование функциональных полимеров и сополимеров полученной итаконовой кислоты с регулируемыми свойствами.
4) Оценка перспектив практического применения полученных полимеров в нефтегазовой отрасли и выработка рекомендаций по структуре и составу применяемых материалов.
Научная новизна.
– В ходе работы впервые продемонстрирована возможность биотехнологического получения итаконовой кислоты напрямую из целлюлозосодержащего сырья с помощью грибов Aspergillus terreus. Достигнутые значения основных параметров, среди которых: конечная концентрация итаконовой кислоты в культуральной жидкости, скорость ферментации, конверсия и селективность, сопоставимы со значениями для процессов ферментации традиционного сахаросодержащего сырья.
– В ходе оптимизации метода получения итаконового ангидрида из лимонной кислоты в лабораторных условиях была продемонстрирована возможность получения итаконового ангидрида из лимонной кислоты в непрерывном режиме с выходом более 90% и высокой селективностью.
– Разработана методика синтеза, впервые получены и охарактеризованы следующие полимеры: поли(N-винилпирролидон)-со-(итаконовая кислота), поли(монопирролидиниламид итаконовой кислоты), поли(мономорфолиниламид итаконовой кислоты) Все полученные полимеры охарактеризованы по спектрам ЯМР, данным гель-проникающей хроматографии и элементного анализа.
– Показано, что синтезированные поли(монопирролидиниламид итаконовой кислоты), поли(мономорфолиниламид итаконовой кислоты) проявляют высокую активность в качестве кинетических ингибиторов гидратообразования и превосходят по своим характеристикам коммерчески доступный ингибитор Luvicap 55W, а образцы поли(N-винилпирролидон)-со-(итаконовой кислоты) обладают флокулирующей способностью по отношению к неорганическим взвесям наравне с препаратами частично гидролизованного полиакриламида.
Практическая ценность. Получение итаконовой кислоты ферментацией твердого целлюлозосодержащего сырья может лечь в основу создания интегрированного метода биотехнологического производства данного продукта, что соответствует самым современным тенденциям развития промышленной биотехнологии.
Усовершенствованный метод конверсии лимонной кислоты в непрерывном режиме открывает возможность создания конкурентоспособной технологии получения итаконового ангидрида ввиду низкой рыночной стоимости лимонной кислоты.
Предложенная схема использования итаконового ангидрида в качестве реагента для полимерной химии позволит упростить процесс получения полимеров и сополимеров итаконовой кислоты и открывает широкие возможности для создания эффективных реагентов для нефтегазовой отрасли.
Отдельные материалы диссертации вошли в курс «Биотехнология в нефтегазовой отрасли» для студентов факультета Химической технологии и экологии, обучающихся по профилям 240401 – Химическая технология органических веществ; 240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродистых материалов.
На основе разработанных в ходе работы научно-технических решений были поданы 2 заявки на патент: на изобретение «Флокулянт для очистки воды и способ его получения», рег. № 2012151207 от 29.11.2012 г. и на полезную модель «Устройство для получения термически нестабильных ангидридов органических кислот» рег. № 2013147276 от 23.10.2013 г.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены в докладах и презентациях на XX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2013 г.), на 67-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2013» (Москва, 2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ в журналах, рекомендованных ВАК, 2 тезисов докладов в сборниках материалов научных конференций.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 165 страницах и включает 17 рисунков и 15 таблиц. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы. Библиография включает в себя 66 наименований, в том числе 54 иностранных источника.
