Классификация и перспективы развития методов гидролиза растительного сырья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахстанский инженерно-педагогический университет Дружбы народов

Классификация и перспективы развития методов гидролиза растительного сырья

Утемисова И.

Гидролиз полисахаридов с помощью кислотных катализаторов был открыт около 200 лет назад. За эти годы общирные иисследования и технологические разработки в этой области привели к созданию гидролизных производств различного профиля. Однако достигнутый в них выход целевых продуктов до настоящего времени все еще невысок. В связи с этим как в нашей стране, так и за рубежом продолжаются поиски путей и методов повышения эффективности гидролизных производств [1]. Большое разнообразие методов и технологических приемов гидролиза растительного сырья обусловлено наличием значительного числа факторов, влияющих на скорость процесса и выход продуктов реакции [3].

Поэтому очень необходимой является классификация основных методов гидролиза на строго научной основе. Четкая систематизация облегчит сравнительную оценку методов гидролиза и выбор наиболее эффективных технологических процессов. Попытка классификации методов гидролиза предпринята в работе Е.Д. Гельфанда [2], который делит их на статические (без протока воды относительно сырья), динамические (с протокам воды) и комбинированные. Хотя наличие или отсутствие протока жидкости по отношению к гидролизуемому сырью оказывает влияние на результаты гидролиза, этот частный гидродинамический фактор не может служить основной для всесторонней классификации методов гидролиза [3]. Поэтому все методы гидролиза целесообразно классифицировать по группам признаков, относящихся к химической кинетике гидролиза полисахаридов, макрокинетике и технике гидролиза растительного сырья [1].

По современным представлениям на скорость реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов растительного сырья и реальный выход моносахаридов оказывают влияние факторы химической кинетики и макрокинетические факторы, которые в свою очередь связаны с техническими приемами и конструкциями технологического оборудования. Из кинетических факторов на процесс гидролиза основное влияние оказывают реакционная способность и агрегатное состояние полисахаридов, активность и концентрация катализатора и температура процесса (рис.2).

При переработке растительного сырья с применением разбавленных кислот гидролиз гемицеллюлоз начинается в гетерогенных условиях и завершается в гомогенных. Что касается трудногидролизуемых полисахаридов, то реакция протекает в гетерогенных условиях, хотя при этом не удается определить границу раздела фаз из-за частичного проникновения раствора катализатора в субмикроскопическую структуру клеточных стенок растительного сырья. При гидролизе углеводного комплекса древесины в первую очередь реагируют полисахариды фракций с низкой степенью ориентации макромолекул, а при достаточно жестких параметрах процесса гидролизуются высокоупорядоченные фракции. Перевод полисахаридов в раствор при действии минеральных концентрированных кислот повышает их реакционную способность [1].

В «бескислотных» методах гидролиза и «автогидролизе» катализатором процесса служит уксусная кислота, образующаяся в результате реакции деацетилирования гемицеллюлоз. Активность слабых органических и минеральных кислот и солевых катализаторов обеспечивает достаточно полный гидролиз гемицеллюлоз и дегидратацию образующихся моносахаридов [2]. При классификации методов гидролиза по температуре процесса выделен способ активации полисахаридов при замораживании (-10єС), гидролиз при комнатной температуре (25-45єС) концентрированными кислотами, при повышенной температуре (100-200єС) разбавленными кислотами и высокотемпературный гидролиз (200-240єС). Все реальные технологические процессы гидролиза протекают в неизотермических условиях. Помимо понятия о гетерогенных и гомогенных условиях протекания химических реакций, учитывающих агрегатное состояние реагирующих веществ, в химической кинетике разделяют гомофазные и гетерофазные процессы. В первых из них все исходные, промежуточные и конечные вещества находятся в пределах одной фазы; в гетерофазных процессах компоненты образуют более чем одну фазу. Большинство химических процессов, протекающих в условиях гидролиза, относятся к гетерофазным [3]. С технологической точки зрения важное значение имеет агрегатное состояние фазы между частицами гидролизуемого сырья. По этому признаку различают парофазный и жидкофазный гидролиз (рис.3).

В химической кинетике рассматривают замкнутые и незамкнутые, так называемые открытые системы. В замкнутых системах во время реакции не проводится подача исходных веществ и выведение продуктов реакции. Примером замкнутых систем может служить одноступенчатой гидролиз, который ранее назывался стационарным. Термин «стационарный» в данном случае неприменим, так как в химической технологии под стационарным понимают процессы, параметры которых (концентрация реагентов и катализаторов, температура, давление и др.) не изменяются во времени.

В незамкнутых системах проводится подача в реактор реагентов или катализаторов и выдача продуктов реакции. К незамкнутым системам можно отнести многоступенчатый, перколяционный и непрерывный гидролиз [4].

Из макрокинетических факторов (рис.3) на выход моносахаридов основное влияние оказывают диффузионные, гидродинамические и геометрические факторы, а также величина гидромодуля. В свою очередь гидродинамика процесса зависит от гранулометрического состава и физической структуры сырья и конструктивных особенностей гидролизаппаратов. В ряде работ [4] предложены новые способы повышения производительности действующих гидролизаппаратов за счет использования новых способов гидролиза и конструктивного оформления аппарата, совершенствования периодических и внедрения непрерывных процессов.

При математическом описании гидродинамики процессов в химической технологии широко используют модели идеального смешения и идеального вытеснения. Согласно модели идеального смешении принимается, что поступающий в аппарат поток мгновенно распределяется по всему объему вследствие полного перемешивания частиц среды. В соответствии с моделью идеального вытеснения принимается, что течение потока происходит без перемешивания в направления движения и с равномерным распределением вещества в направлении, перпендикулярном движению. Вторая модель достаточно широко применяется для описания гидродинамики перколяционного гидролиза. Рассматриваемые факторы в совокупности влияют на реальные технологические процессы [4]. В настоящие время на предприятиях дрожжевого и спирто-дрожжевого профилей применяют методы гетерогенного и гомогенного жидкофазного высокомодульного одно- и двухстадийного перколяционного гидролиза растительного сырья разбавленной минеральной кислотой в аппаратах периодического действия. На предприятиях фурфурольного, фурфурольно-дрожжевого и ксилитно- дрожжевого профилей используют прямой парафазный фурфурольный гидролиз в аппаратах периодического и непрерывного действия, фурфурольно-гексозный и пентозно-гексозный гидролиз пентозансодержащего сырья [2].

В зависимости от объема гидролизаппаратов применяют вертикальную, совмещенную и перколяцию с восходящим потоком жидкости. Наиболее прогрессивны сейчас двухстадийные режимы перколяционного гидролиза в аппаратах с совмещенной перколяцией и восходящим потоком жидкости. На основе маломодульного парофазного гидролиза полисахаридов растительного сырья с применением соответствующих катализаторов и реагентов разрабатывается бессточная и безотходная технология получения растительно-углеводных кормов [3]. К перспективным следует отнести высокотемпературный гидролиз, автогидролиз, ферментативный гидролиз, сонохимию, радиолиз и их сочетание в настоящей классификации [3].

Использование озвучивания как средства для ускорения органических реакций в углеводной химии используется в условиях традиционного органического синтеза. Исследовано протекание репрезентативных реакций, включая манипуляции с гидроксильной группой (ацилирование, введение и удаление защитных групп, миграция защитных групп), синтез тиогликозидов, 1,3-диполярное присоединение и восстановительное расщепление бензилидена, обычно используемых в синтезе углеводных производных. Изучен также ряд реакций гликозилирования, которые используют тиогликозиды, гликозилтрихлорацетилидаты, гликозилбромиды и гликозилацетаты в качестве гликозильных доноров. Полученные результаты показывают, что озвучивание может значительно снизить время реакции, повысить активность реагентов и привести к повышению выхода и достижению превосходной стереоселективности. Важно, что озвучивание позволяет разработать общий протокол гликозилирования. Озвучивание совместимо с условиями, используемыми для традиционного органического синтеза. гидролитический расщепление полисахарид растительный

В рассмотренных схемах систематизированы по важнейшим признакам лишь основные методы гидролиза. Возможно дальнейшее развитие и детализация этих схем с учетом различных способов активации сырья, использования новых катализаторов, многостадийных процессов переработки растительного сырья на основе химических и биотехнологических процессов [2].

Список литературы

1. Парфенова Л.Н., Заручевных И.А.Технические и модифицированные лигнины как компоненты искусственных почвогрунтов из отходов целлюлозно-бумажной промышленности. // Целлюлоза. Бумага. Картон.- Москва, 2007, №12, спец вып., с. 60-61, 76

2. Кедельбаев Б.Ш. Атенова А.С. Помолы из отходов химфармпроизводств, / Поиск.- Алматы, 1998.- №5- С. 5-8.

3. Кедельбаев Б.Ш., Жаксылыкова Р. Гидролиз растительного сырья Южного Казахстана, / Наука и образование Южного Казахстана.- Шымкент, 1999.- №6. - С 292.

4. Патент РФ № 2109059. Способ переработки растительного сырья для получения пентозных гидролизатов, содержащих преимущественно ксилозу / Блинков С.Д. // 30.10.97, опубл. 20.04.98г.

Аннотация

Осы ма?алада ?сімдік шикізатты гидролиздеу ?дістерін дамытуды санаттастыру ж?не б?л т?сілдерді? келешегі туралы баяндал?ан.

This article contains data on classification and development prospects of vegetable raw materials hydrolysis methods.

Размещено на Allbest.ru