Технология получения пентозных гидролизатов и методы его интенсификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахстанский инженерно-педагогический университет Дружбы народов

Технология получения пентозных гидролизатов и методы его интенсификации

Утемисова И.

Для получения пентозных гидролизатов из растительного сырья, пригодных для гидрирования или получения кристаллической ксилозы, применяется технология, обеспечивающая максимальное превращение пентозанов, содержащихся в растительном сырье, в ксилозу при одновременном сохранении целлюлозы. Это условие обеспечивается соответствующим подбором параметров режима гидролиза. Концентрация сахаров в гидролизате должна быть максимальной, так как по ходу процесса вся вода из него должна быть выпарена. Полученный гидролизат должен содержать минимальное количество посторонних примесей, мешающих кристаллизации ксилозы и ксилита, а также отравляющих катализатор гидрирования [1]. Перед гидрированием пентозный гидролизат должен иметь нейтральную или слабощелочную реакцию. Применяемый технологический процесс должен удовлетворять всем этим требованиям. Одним из основных показателей, характеризующих качество получаемых гидролизатов, является их доброкачественность, вычисляемая по формуле

Этот показатель выражает содержание сахаров в гидролизате в процентах от общего содержания сухих веществ в растворе. В чистом растворе ксилозы доброкачественность гидролизата должна быть равна 100%. Чем больше в нем посторонних примесей, тем меньше доброкачественность. Существенное влияние на чистоту получаемых пентозных гидролизатов оказывает предварительное облагораживание растительного сырья с целью удаления дубильных веществ, пектинов, жиров, смол, растворимого лигнина, азотистых веществ и зольных элементов [2]. На рисунке 4 приведена традиционная схема получения пентозных гидролизатов. По этой схеме измельченное растительное сырье влажностью около 10% из бункера питателем подается в смеситель 3, представляющий собой шнек длиной 3-4 м и высотой около 1,5 м. Над шнеком располагается распылительное устройство, позволяющее равномерно разбрызгивать на движущееся сырье разбавленную серную кислоту концентрацией 8--10%. Эта кислота с гидромодулем 0,4 поступает из напорного бака 2. В шнеке смесь хорошо перемешивается. Увлажненное растительное сырье из смесителя непрерывно поступает на ленточный транспортер 4 и далее сбрасывается в очередной гидролизаппарат 5. За время загрузки, продолжающейся 30-40 мин, в гидролизаппарат поступает около 7 т увлажненного кислотой сырья. После закрывания крышки в загруженный гидролизаппарат 6 подается из сборника 9 горячая вода, нагретая до 100°С, в количестве, соответствующем гидромодулю 3,5. При этом образующаяся горячая разбавленная кислота вступает в реакцию с зольными элементами сырья, превращая их в водорастворимое состояние. Одновременно в раствор переходит около 25% белковых веществ и около 2-2,5% пентозанов. Всего в раствор переходит около 10% от исходного сырья. Немедленно по заполнении гидролиз аппарата горячей водой начинается перколяция, заключающаяся в том, что в течение первого часа в гидролиз аппарат подается равномерно горячая вода (100° С) в количестве 1,5 модуля и такое же количество жидкости отбирается снизу гидролиз аппарата в сборник 8. В течение второго часа перколяции поступающая вода нагревается до 110° С. Модуль подачи остается 1,5 и модуль выдачи тоже 1,5. Таким образом, общий объем отобранной жидкости в сборнике 8 составляет 3 гидромодуля, т. е. 3 м3 жидкости на 1 т сухого исходного сырья. По окончании операции облагораживания растительное сырье освобождается от избытка воды вытеснением ее сжатым воздухом, после чего подвергается пентозному гидролизу с помощью 2-3%-ной серной кислоты, предварительно нагретой до 110°С, которая поступает в гидролиз аппарат 6, сразу после вытеснения последних порций горячей промывной воды.

Первая стадия очистки заключается в инверсии декстринов, попадающих в гидролизат в условиях мягкого режима пентозного гидролиза. Инверсия состоит в выдерживании кислого пентозного гидролизата в сборнике-инверторе 14 при 100°С в течение 4-8 ч или при температуре 120-125°С в течение 40 мин в инверторе непрерывного действия. Затем иивертированнный гидролизат передается в реактор 16, снабженный мешалкой, где он обрабатывается активированным углем типа коллактивит, поступающим через загрузочную воронку 15. Количество угля составляет около 15-17% от пентоз, содержащихся в растворе. Активированный уголь удаляет из гидролизата значительную часть красящих веществ и растворенных коллоидов, а также перешедшие в раствор частично гидролизованные белки. Обработанный углем кислый пентозный гидролизат передается с помощью центробежного насоса в отстойник 18 полунепрерывного типа, где он отделяется от отработанного угля и других взвешенных частиц, унесенных из гидролизаппарата, в течение 4-5 ч. Затем отстоявшийся гидролизат из сборника 20 насосом 21 подается на контрольную очистку - фильтрацию через ткань бельтинг на фильтр-прессе 22 при температуре около 70°С.

После фильтрации гидролизат проходит пластинчатый теплообменник 23, где он охлаждается до 35°С. К этому времени доброкачественность гидролизата поднимается до 71-72%.

Охлажденный гидролизат поступает на установку, состоящую из системы колонн (24-27), заполненных ионообменными смолами для отчистки. В результате обработки ионитами гидролизат освобождается от кислот и солей. Очищенный гидролизат собирают в промежуточном сборнике 27. Регенерация основного анионита ЭД-10 в колонне 26 осуществляется так же, как анионита АН-1 в колонне 24. Катионит в колонне 25 регенерируется промыванием сначала 2%-ной соляной кислотой, а затем дистиллированной водой. Очищенный на ионообменииках гидролизат имеет рН 6,1-7,3 и цветность от 0 до 20° Штаммера. Доброкачественность его поднимается до 98-100%. Потери РВ при этой операции составляют 10-12%. К ним относятся главным образом удержанные анионитами уроновые и альдобиуроновые кислоты, имеющие высокую редуцирующую способность. После обработки ионообменниками содержание уроновых кислот снижается с 11-15% до 3% от общего содержания редуцирующих веществ. Одновременно содержание азота падает с 1 до 0,06-0,10%. Содержание золы при этой обработке снижается с 3,5 до 0,4-0,6%. Подготовленный таким образом пентозный гидролизат из сборника 27 насосом 28 подается на установку для гидрирования. В работах [4,65,66] предложена технологическая схема получения ксилита, которая позволяет в качестве растительного сырья для гидролиза путем кислотного катализа использовать кукурузные кочерыжки (ВИР -156, Каз-126), гуза - паю (Ф-108, С-1727, 108Ф), виноградную лозу (Дамский пальчик, Победа, Розовый тайфун), дармину, которые широко распространены в Центральной Азии. Состав и свойства полисахаридов этого растительного сырья позволяет перерабатывать их по описанной выше технологии. В работах [67,68] в качестве растительного сырья для гидролиза выбрана пивная дробина - отход пивоваренного производства. По патенту [67] на первой стадии процесса пивную дробину натуральной влажности подвергают дезинтеграции в дисковой мельнице в течение от 1-5 с с частотой колебаний вибратора 10-50 Гц, а затем отделяют твердую фазу от жидкой суспензии с помощью, например, шнекового пресса. Жидкая суспензия представляют собой пасту, обогащенную белком, а твердая фаза с влажностью 40-45% имеет вид волокнистой массы и обогащена клетчаткой. На второй стадии процесса осуществляют высокотемпературную промывку, при которой твердую фазу смешивают с водой в соотношении 1: 3 - 5, выдерживают при периодическом перемешивании в течение 10 - 30 минут при 140 - 160єС с последующим отделением твердой фазы, которую затем подвергают гидролизу 0,5-2,5% - ной серной кислоты в течение 2 - 4 ч при 100-120єС. Общее содержание сахаров составляет 4,8%, при этом количество ксилозы составляет 71,0% от суммарной концентрации сахаров, арабинозы 17,0%, галактозы 10,0%, и глюкозы 2,0%. Доброкачественность гидролизата составляет 80,0%. Отжатая на шнековом прессе жидкая суспензия обогащена неуглеводными примесями (белки, жиры, пектины), поэтому ее направляют для последующего использования, например в пищевой промышленности для замеса теста, приготовления кормов для сельскохозяйственных животных и т.п. Однако в работе не проанализирован состав гидролизатов и не показана возможность их дальнейшего использования. В работе [3] дается сравнительная характеристика кислотного и ферментативного способа гидролиза пивной дробины. Показано что недостатком кислотного гидролиза являются неселективность процесса, т.к. при этом помимо низкомолекулярных углеводов образуются такие токсичные продукты, как фурфурол и гидрооксифурфурол. Недостатком кислотного гидролиза являются также значительные энергетические затраты на его осуществление и неоходимость использования коррозинностойкого оборудования. Поэтому авторы предлагают использовать ферментативный гидролиз с ферментом Целловиридином, тем более, что при кислотном гидролизе пивной дробины выход ксилозы составил всего 15-20 % от теоретического, т.к. в работе не выполнена оптимизация процесса гидролиза.

Вне зависимости от природы растительного сырья, применяемого для получения пентозных гидролизатов, с целью повышения технико-экономических показателей процесса продолжается исследования по интенсификации процесса гидролиза [4].

Представляет значительный интерес процессы автогидролиза. Так, в работе [4] с целью получения жидкой фазы как источника органических веществ и целлюлозы проводили автогидролиз древесины пауловинии и последующую варку при 150-180єС в течение 30-90 минут в среде 20-60%-ного этанола при гидромодуле 8:1 с добавлением 10 % Na2CО3 и 0,5% антрахинона. Оптимальное количество растворимых компонентов получено при проведении автогидролиза при 190єС. Раствор содержал (в г/л): 0,92 глюкозы, 1,61 ксилозы, 0,6 арабинозы, 0,93 уксусной кислоты, 0,047 5- гидроксиметилфурфурола, 0,141 фурфурола и 14,66 олигомеров. При варке древесины при 180єС в течение 30 минут в 20%-ном этаноле получена целлюлоза с выходом 38%, жесткостью 45 ед. Каппа и прочностью бумажной отливки на растяжение 28,87 Нм/г.

Предложен способ гидролиза органических соединений, в частности полисахаридов, таких как крахмал, агар, гуаровая камедь или целлюлоза, с целью получения моносахаридов или олигосахаридов [4]. Способ предусматривает проведение гидротермической реакции в горячей воде при давлении 5-100 МПа и температуре 140-300єС в присуствии двуокси углерода, добавляемой в воду под давлением. Двуокись углерода, непосредственно растворяемая в горячей воде, может быть использована в виде газа, жидкости или твердого материала. В результате реакции гидролиза получают предпочтительно такой моносахарид, как глюкоза или галактоза, или олигосахариды, которые могут быть использованы в пищевых продуктах, лекарственных материалах и др. Регулирование параметров обработки (таких как температура, продолжительность) позволяет осуществлять синтез различных соединений с широким диапазоном степени полимеризации. В качестве исходного сырья может быть использован крахмалсодержащий сельскохозяйственный продукт - древесина или бумага.

Патентуется способ переработки биомассы (БМ), содержащей древесную целлюлозу, в продукт, который может быть подвергнут дальнейшей переработке на стадии ферментации, и устройство для его осуществления [2]. Способ включает контактирование в реакторе БМ с кислотой, пока через реактор пропускают поток газа (СО2), в реакторе контролируется величина рН, серная кислота в реакторе образуется при подаче в него газа SO3. Количество образующейся кислоты в реакторе составляло 1 - 2кг на 1кг сухой БМ, концентрация соответствовала 70-75% при температуре 60-100oС. Обработку БМ проводили за 10-14 часов. Устройством для переработки БМ служил реактор периодического действия - емкость, в которой материал подвергали перемешиванию и которая имела отводы для кислоты и газа. Исследован состав продуктов гидролиза целлюлозы, который проводили в 0,05% - ном растворе Н2SO4 при температуре 215 и 240єС. Установлено, что основными продуктами гидролиза при этих условиях являются целлотриоза, целлотетраоза, целлобиоза, глюкоза и фруктоза. В качестве побочных продуктов найдены фурфурол, левулиновая кислота, кетоны, альдегиды и кислоты [1].

Т.о, процессы и технологии получения пентозных гидролизатов постоянно совершенствуются, интенсифируются, но при этом сохраняется основной принцип пентозно-гексозного режима: максимальное превращение пентозанов, содержащихся в растительном сырье, в ксилозу при одновременном сохранении целлюлозы. Полученный гидролизат должен удовлетворять требованиям для последующего гидрирования ксилозы до ксилита. пентозный гидролизат кристаллический ксилоза

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 пентозды гидролизаттарды алу технологиясы ж?не оны ?ар?ындату т?сілдері туралы баяндал?ан.

This article contains data on pentose hydrolysis products receiving technology and methods of its intensification.

Размещено на Allbest.ru