СПОСОБ ОЧИСТКИ ГИДРОЛИЗАТА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1997 года по МПК C13K1/02 

Изобретение относится к области переработки растительного сырья, в частности к микробиологической промышленности, и может быть использовано для очистки гидролизатов и других полупродуктов в этой отрасли.

Гидролизаты, получаемые при перколяционном гидролизе растительного сырья, представляют собой разбавленные растворы моносахаридов, содержащие ряд истиннорастворимых и коллоидных примесей различного происхождения. В процессе гидролиза наряду с частичным растворением лигнина идут вторичные реакции конденсации растворенных деструктированных частиц лигнина с продуктами распада моносахаридов. При этом образуются сложные вещества лигногуминового комплекса, часть их образует истинные растворы, а часть коллоидные системы различной степени стабильности. Лигногуминовые вещества в коллоидном состоянии отрицательно влияют на выход и качество кормовых дрожжей. Сорбируясь на поверхности дрожжевых клеток, эти примеси нарушают дыхательные и ферментативные процессы (1), а также снижают качество товарной продукции, придавая дрожжам горький вкус и коричневый цвет.

Известен способ (2) очистки гидролизатов растительного сырья, включающий нейтрализацию гидролизата до рН 5,4 и последующее удаление части лигногуминовых веществ с применением неионогенного водорастворимого полимера полиакриламида с расходом 5 10 мг/л и коагулянта сульфата алюминия или хлорного железа с расходом 1 г/л. Этот способ обладает рядом недостатков. В частности, необходимо использовать наряду с флокулянтом значительные количества неорганических коагулянтов. Повышение биологической доброкачественности при такой обработке незначительно. Содержание коллоидных веществ снижается на 15 20% Выход дрожжей увеличивается на 1,0 1,5% от РВ (на 3 5% отн.). Применение полиакриламида без коагулянта малоэффективно. Другим недостатком способа является необходимость дополнительной нейтрализации (от обычной рН 3,6-4,2) до рН 5,4, что увеличивает расход нейтрализующих агентов, повышает вероятность инфицирования субстрата и развития в нем посторонней микрофлоры, а также вызывает сильное пенение субстрата, препятствующее его дальнейшей переработке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ (3), по которому очистка гидролизата растительного сырья ведется при использовании катионных высокомолекулярных флокулянтов, которые добавляют в гидролизат до или после его нейтрализации в количестве от 0,5 до 50 мг/л гидролизной среды. Метод обладает высокой эффективностью очистки при рН субстратов выше 4,0-4,2. Однако этот метод обладает существенным недостатком сравнительно высоким расходом флокулянта (для получения максимальной степени очистки необходим расход катионного флокулянта 20 30 мг/л) и сравнительно низкой эффективностью очистки гидролизатов катионными флокулянтами, например ВПК-402, при рН субстрата ниже 4,0. В то время как промышленными регламентами на производство кормовых дрожжей предусматривается нейтрализациягидролизатов до рН 3,6-4,2. На некоторых гидролизных предприятиях, перерабатывающих, например, растительное пентозансодержащее сырье (рисовая лузга, лиственные породы древесины) нейтрализация выше рН 3,6 затруднена ввиду пенения нейтрализата. Таким образом, эффективность очистки гидролизатов растительного сырья катионными флокулянтами сильно зависит от величины рН среды.

Целью изобретения (требуемым техническим результатом) является повышение эффективности очистки гидролизата в интервале рН 3,0-4,0 и снижение расхода высокомолекулярных катионных флокулянтов.

Поставленная цель (требуемый технический результат) достигается тем, что по способу очистки гидролизата растительного сырья, включающему охлаждение гидролизата, нейтрализацию, внесение флокулянта и отделение взвешенных частиц, согласно изобретения в качестве флокулянта используют композицию из катионного и неионогенного флокулянтов.

Кроме этого, композицию флокулянтов вносят в гидролизат до или после нейтрализации, преимущественно при соотношении (по массе) компонентов в композиции флокулянтов 1: 1 в количестве от 0,5 до 20,0 мг композиции на 1 л гидролизата. При этом компоненты композиции вносят в гидролизат одновременно (вносят композицию флокулянтов непосредственно в гидролизат) либо компоненты композиции флокулянтов вносят последовательно друг за другом, а операцию внесения флокулянта и отделение взвешенных частиц проводят при температуре 40 90^oC при значениях рН среды 3,0^oC4,2.

При этом в качестве катионного полимерного флокулянта используют, например, полидиметилдиаллиламмонийхлорид (ВПК-402), в качестве неионогенного полиэтиленоксид (ПЭО). Предложенная композиция флокулянтов эффективна не только при очистке гидролизатов растительного сырья, но и для удаления коллоидов из гидролизных сред с добавками послеспиртовой барды, отработанной культуральной жидкости, в которых присутствуют не только лигногуминовые примеси, но и примеси белковой природы и нежелательные микроорганизмы.

По сравнению с прототипом изобретение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, а именно одновременным использованием катионного и неионогенного флокулянтов, что позволяет очищать гидролизат при более низких значениях рН. Поэтому изобретение отвечает требованиям критерия "новизна".

Некоторые отдельные отличительные признаки изобретения известны из уровня техники. Например, известно использование катионных флокулянтов для очистки сточных вод и гидролизных сред, а полиэтиленоксида для очистки воды и в качестве компонента лекарственных средств. Однако по изобретению одновременное или последовательное применение катионного и неионогенного флокулянтов проявляет новое неизвестное ранее свойство способность более эффективной очистки гидролизата при большем диапазоне значений рН среды и повышенной (40 90^oC) температуре, и при экономии дефицитного катионного флокулянта.

Поэтому можно утверждать, что изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень", а проведенный анализ показывает, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, поскольку каждый из них является необходимым, а все вместе они достаточны для достижения цели изобретения (требуемого технического результата).

При этом приведенные ниже примеры практической реализации изобретения доказывают соответствие критерию "промышленная применимость".

Повышение степени очистки, ускорение этого процесса и снижение суммарного расхода высокомолекулярных флокулянтов объясняется следующим. Катионный полиэлектролит, сорбируясь на отрицательно заряженной поверхности коллоидных частиц лигногуминовых веществ, нейтрализует поверхностный заряд этих частиц, придающий им агрегативную и седиментационную стабильность. Затем неионогенный полимер, имеющий молекулярную массу на порядок выше, взаимодействует с нейтрализованными частицами, "сшивая" их полимерными мостиками". При этом образуются крупные, плотные флокулы, обладающие высокой скоростью седиментации. В способе (3) катионный полиэлектролит расходуется как на нейтрализацию поверхностного заряда коллоидов лигногуминовых примесей, так и на образование полимерных мостиков, что приводит к повышенному расходу этого реагента, так как он менее эффективен для мостикообразования по сравнению с высокомолекулярным полиэтиленоксидом. Таким образом, механизм флокуляции в данных условиях включает две стадии. Наряду с окрашенными примесями композиция флокулянтов связывает и выводит из раствора отрицательно заряженные вещества, микроорганизмы, примеси белковой природы и позволяет проводить процесс очистки при более низких значениях рН (3,0 4,0), обычных для дрожжевого производства.

Практически этот способ осуществляется следующим образом. Флокулянты готовили либо для совместного, либо для раздельного внесения в гидролизат. Для этого в одной колбе, снабженной мешалкой, готовят 0,1% водный раствор катионного полиэлектролита, а в другой 0,1% водный раствор неионогенного флокулянта. В случае совместного применения 0,1%-ные растворы реагентов готовили в одной колбе. Затем эти растворы использовали при флокуляционной очистке отнейтрализованных гидроксидом кальция или аммиаком производственных гидролизных сред Ивдельского гидролизного завода, Канского биохимического завода, Сыктывкарского лесопромышленного комплекса и Чимкентского гидролизного завода.

Возможность промышленного использования изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (контрольный по прототипу (3)).

Опыты проведены с производственным гидролизатом растительного сырья, имеющим следующую характеристику: концентрация РВ 4,76% содержание взвешенных веществ 0,810 г/л, концентрация красящих веществ 0,680. Концентрацию красящих веществ определяли по оптической плотности на приборе "Spectromom-410" при длине волны λ, равной 540 нм. Полупродукт нагревали до 80^oC, нейтрализовали аммиаком до соответствующих значений рН и на фильтре "Желтая лента" фильтровали для отделения грубодисперсных примесей. Отнейтрализованный и отфильтрованный нейтрализат, не содержащий взвешенных веществ, направляли на реагентную очистку способом, описанным в примерах 1 18, причем очистка в примерах 1 7 проведена по известному способу, а в примерах 8 18 по предлагаемому. После реагентной очистки массу коллоидных веществ (а.с.), перешедших во взвешенное состояние (флокулят) определяли весовым методом, высушивая на фильтре при 105^oC в течение 2 ч.

Для проведения флокуляционной очистки по способу, описанному в прототипе, 100 мл гидролизата предварительно нагревали до 80^oC, нейтрализовали аммиаком до рН 3,0. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,450. Затем добавляли при перемешивании 2 мл 0,1% раствора (расход 20 мг/л) катионного высокомолекулярного флокулянта ВПК-402. Продолжительность флокуляции 30 мин, температура 80^oC. Время отстаивания составило 30 мин. Образовавшийся осадок (флокулят) отделяли на фильтре. Концентрация красящих веществ после очистки 0,360; масса флокулята 0,210 г/л.

Пример 2. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Отличалась только степень нейтрализации. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,2. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,450. Содержание красящих веществ после очистки 0,358; масса флокулята 0,258 г/л.

Пример 3. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,4. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ -0,455. Содержание красящих веществ после очистки 0,326; масса флокулята 0,316 г/л.

Пример 4. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,6. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,469. Содержание красящих веществ после очистки 0,306; масса флокулята 0,359 г/л.

Пример 5. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,8. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,478. Содержание красящих веществ после очистки 0,276; масса флокулята 0,392 г/л.

Пример 6. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 4,0. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,493. Содержание красящих веществ после очистки 0,273; масса флокулята 0,413 г/л.

Пример 7. Опыт проводили по известному способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 4,2. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,501. Содержание красящих веществ после очистки 0,229; масса флокулята 0,480 г/л.

Пример 8. 100 мл гидролизата предварительно нагревали до 80^oC, нейтрализовали аммиаком до значения рН 3,0. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,450. Затем добавляли при перемешивании композицию флокулянтов: 0,5 мл 0,1% раствора ВПК-402 (расход 5 мг/л) и 0,5 мл 0,1% раствора ПЭО (расход 5 мг/л). Соотношение флокулянтов 1:1 в композиции является оптимальным. Продолжительность флокуляции 30 мин, температура 80^oC. Время отстаивания составило 30 мин. Образовавшийся осадок (флокулят) отделяли на фильтре. Концентрация красящих веществ после очистки 0,225. Масса флокулята 0,416 г/л.

Пример 9. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,2. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,450. Содержание красящих веществ после очистки 0,213; масса флокулята 0,422 г/л.

Пример 10. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,4. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,455. Содержание красящих веществ после очистки 0,206; масса флокулята 0,464 г/л.

Пример 11. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до РН 3,6. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,469. Содержание красящих веществ после очистки 0,202; масса флокулята 0,483 г/л.

Пример 12. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 3,8. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,478. Содержание красящих веществ после очистки 0,196; масса флокулята 0,503 г/л.

Пример 13. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 4,0. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,493. Содержание красящих веществ после очистки 0,201; масса флокулята 0,511 г/л.

Пример 14. Опыт проводили по предлагаемому способу и с тем же гидролизатом, как в примере 1. Гидролизат нейтрализовали до рН 4,2. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,501. Содержание красящих веществ после очистки 0,203; масса флокулята 0,500 г/л.

Пример 15. 100 мл гидролизата предварительно нагревали до 80^oC, нейтрализовали аммиаком до рН 4,2. Характеристика нейтрализата: концентрация красящих веществ 0,501. Затем добавляли при перемешивании композицию флокулянтов: 1,0 мл 0,1% раствора ВПК-402 (расход 10 мг/л) и 1,0 мл 0,1% раствора ПЭО (расход 10 мг/л). Продолжительность флокуляции 30 мин, температура 80^oC, концентрация красящих веществ после очистки 0,203; масса флокулята 0,513 г/л.

Пример 16. Опыт проводили так же и с тем же нейтрализатом с рН4,2, как в примере 15. Различие составлял порядок введения реагентов. Реагенты добавляли раздельно: вначале 1,0 мл 0,1% раствора ВПК-402 (расход 10 мг/л), затем 1,0 мл 0,1% раствора ПЭО (расход 10 мг/л). Концентрация красящих веществ после очистки 0,203; масса флокулята 0,513 г/л. Из сравнения полученных результатов в примерах 15 и 16 можно сделать вывод, что порядок введения реагентов не влияет на степень очистки нейтрализата.

Пример 17. Опыт проводили с тем же нейтрализатом (рН 4,2) и так же, как и в примере 15. Различие составляет точка ввода композиции реагентов после или до нейтрализации гидролизата. В первом случае для очистки в нейтрализат с рН 4,2 вносили композицию 0,25 мл 0,1% раствора ВПК-402 (расход 0,25 мг/л) и 0,25 мл 0,1% раствор ПЭО (расход 0,25 мг/л). Концентрация красящих веществ после очистки 0,320, масса флокулята 0,230 г/л. Во втором случае, к 100 мл гидролизата (рН 1,3) добавляли композицию 0,25 мл 0,1% раствора (расход 0,25 мг/л) и 0,25 мл 0,1% раствора ПЭО (расход 0,25 мг/л). Гидролизат нейтрализуют до рН 4,2. Раствор перемешивают. Время отстаивания составляет 30 мин. Концентрация красящих веществ после очистки 0,320; масса флокулята 0,230 г/л.

Таким образом, изменение последовательности внесения реагентов в гидролизат до или после его нейтрализации не влияет на скорость осаждения коллоидов и степень очистки гидролизных сред.

Пример 18. Исследования проводили с тем же нейтрализатом (рН 4,2) и так же, как в примере 15. Различие составляет расход вводимой композиции. В нейтрализат добавляли 0,2 мл 0,1% раствора ВПК-402 (расход 0,2 мг/л) и 0,2 мл 0,1% раствора ПЭО (расход 0,2 мг/л). Концентрация красящих веществ после очистки 0,452; масса флокулята 0,095 г/л. Эффективность очистки низкая.

Результаты, приведенные в примерах 1 18, сведены в таблицу.

Таким образом, для очистки гидролизных сред композицию высокомолекулярных флокулянтов следует применять в количествах 0,5 10 мг/л. При расходе реагента < 0,5 мг/л время отстоя увеличивается, а эффект осветления хуже, чем по прототипу. При больших расходах (> 10 мг/л) при незначительном увеличении эффекта осветления неоправданно высоким становится расход реагентов.

Анализ примеров 1 8 (известный способ) указывает на сильную зависимость степени очистки ВПК-402 (оптимальный расход 20 мг/л) от рН гидролизной среды. При снижении рН от 4,2 до 3,0 концентрация красящих веществ увеличивается примерно на порядок, масса осаждаемых коллоидных примесей, перешедших во взвешенное состояние снижается на 0,270 г/л. Использование же композиции реагентов (суммарный расход 10 мг/л) позволяет эффективно вести очистку гидролизных сред в более широком диапазоне рН.

Результаты очистки нейтрализата при рН 3,6 композицией реагентов (расход 10 мг/л) сравнимы с результатами очистки ВПК-402 (расход 20 мг/л) при рН 4,2.

Таким образом, в предлагаемом способе (примеры 8 14) при снижении от 4,2 до 3,0 концентрация красящих веществ после очистки изменяется на 0,023, а масса флокулята на 0,084 г/л. Следовательно, предлагаемая композиция флокулянтов с оптимальным соотношением реагентов 1:1 (расход 10 мг/л) позволяет проводить очистку при более низких значениях рН, что особенно важно в случаях нарушения технологического режима на гидролизных предприятиях. Расход реагентов снижается примерно в 2 раза по сравнению со способом очистки с применением одного катионного флокулянта. При очистке гидролизных сред с помощью предложенной композиции реагентов образуются более крупные флокулы, скорость осаждения которых выше, чем в случае использования одного катионного флокулянта.

Использования: в микробиологической промышленности, в частности для очистки гидролизатов. Сущность изобретения: гидролизат охлаждают, нейтрализуют, вносят катионный флокулянт - полидиметилдиаллиламмоний хлорид и неионогенный флокулянт - полиэтиленоксид в соотношении 1:1, отделяют взвешенные частицы. 5 з.п.ф-лы, 1 табл.

1 1. Способ очистки гидролизата растительного сырья, включающий охлаждение гидролизата, нейтрализацию, внесение катионного флокулянта и отделение взвешенных частиц, отличающийся тем, что наряду с катионным флокулянтом в гидролизат вносят неионогенный флокулянт, при этом в качестве катионного флокулянта используют полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве неионогенного полиэтиленоксид в соотношении 1 1.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что флокулянты вносят в гидролизат перед нейтрализацией.2 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что флокулянты вносят в количестве 0,5 20,0 мг на 1 л гидролизата.2 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что флокулянты вносят в гидролизат одновременно.2 5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что флокулянты вносят в гидролизат последовательно: вначале катионный, затем неоногенный.2 6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что внесение флокулянтов и отделение взвешенных частиц ведут при pH среды 3,0 4,2.