Способ гидролиза гемицеллюлоз растительных материалов для получения ксилозных растворов Российский патент 2021 года по МПК C08B37/14 C13K1/02 

Изобретение относится к химической и пищевой промышленностям, а именно к получению ксилозных растворов пригодных к гидрированию в ксилит.

Известен способ переработки растительного сырья для получения пентозных гидролизатов, содержащих, преимущественно, ксилозу для получения ксилита (патент РФ 2109059) где в качестве ксилозосодержащего сырья использовали пивную дробину, являющуюся отходом пивоваренного производства. По этому способу осуществляют высокотемпературную промывку дробины, при которой твердую фазу смешивают с водой в соотношении 1:3-5, выдерживают при периодическом перемешивании в течение 10-30 мин при 140-160°С с последующим отделением твердой фазы. Промытую массу затем подвергают гемицеллюлозному гидролизу 0,5-2,5%-ной серной кислоты в течение 2-4 ч при 100-120°С.

Общее содержание сахаров в гидролизате составляет 4,8%, при этом от суммарной концентрации сахаров, количество ксилозы составляет 71,0%, арабинозы 17,0%, галактозы 10,0% и глюкозы 2,0%. Доброкачественность гидролизата составляет 80,0%.

Наиболее близким способом гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья для получения ксилозных растворов для последующего получения ксилита описанны в монографии Ю.И. Холькина «Технология гидролизных производств» М, «Лесная промышленность» 1988 г. Способы получения ксилита включают в себя: облагораживание измельченного растительного сырья разбавленным раствором серной кислоты при температуре 100-120°С сотбором 3-4 ГМ кислого экстракта; гидролиз сырья с использованием 0,5-2,5% серной кислоты, при температуре 120-140°С в течение 2-4 часов или бескислотный гидролиз при температуре 180°С в течение 6 час; инверсию гидролизата при 100°С в течение 4-6 часов; нейтрализацию кислоты известью до рН4-6; фильтрацию нейтрализата с использованием коагулянтов; обесцвечивание нейтрализата активированным углем; упаривание очищенного нейтрализата до концентрации 65% сахаров.

Разработанные процессы производства растворов ксилозы обладают рядом существенных недостатков, в частности:

- для проведения кислотного и бескислотного гидролиза требуется большой расход тепловой энергии и капиталоемкое оборудование в кислотостойком исполнении;

- параллельно с гидролизом полисахаридов происходит частичное растворение лигнина и распад сахаров, что снижает выход ксилозы и способствует получению гидролизатов с низкой доброкачественностью (около 70%).

- гемицеллюлозные ксилозные гидролизаты имеют низкую концентрацию сахаров (менее 5%), высокую цветность, что требует значительных затрат на упаривание и очистку ксилозы от посторонних примесей;

- в процессе гидролиза образуется большое количество твердых и жидких отходов содержащих токсичные примеси распада сахаров (фурфурол, оксиметилфурфурол), утилизация которых требует дополнительных расходов.

Для устранения указанных недостатков предложен новый способ гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья с получением гидролизатов, содержащих ксилозу для получения ксилита.

Технический результат заключается в проведении гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья ультранизкими концентрациями серной кислоты в непрерывных условиях; экстракцией полученных моно- и олигосахаридов водой; последующим упариванием кислого гидролизата с одновременной инверсией олигосахаридов; упрощении процесса очистки ксилозных гидролизатов и снижении расхода реагентов и энергоресурсов на его осуществление.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что для гидролиза древесину березы обрабатывают в реакторе серной кислотой концентрацией 0,15-0,5% при соотношении сырье : варочный раствор 1:(2-5), температуре 160-180°С, давлении 6-9 бар в течение 20-60 мин. Полученные при гидролизе гемицеллюлоз моно- и олигосахара экстрагируют водой из гидролизат-массы. Экстракт упаривают до концентрации сахаров 20-25% и кислоты 0,5-1,5% проводя одновременную с упариванием инверсию олигосахаридов.

Предпочтительно упаривание экстракта проводится на трех или более ступенчатых выпарных установках, где на последних ступенях выпарки, для полной инверсии олигосахаридов, упаривание проводится в течение 2-4 часов при температуре 100-120⁰С в зависимости от концентрации кислоты в экстракте.

Дальнейшая обработка концентрата проводится по известным способам и включает нейтрализацию серной кислоты известью, обесцвечивание активированным углем, фильтрацию и деионизацию раствора. [Холькин Ю.И. Современная технология ксилита ОНТИТВИ Микробиопром, М., 1988, - 56 с.]

Данный способ обеспечивает высокий выход сахаров с содержанием ксилозы до 80%. Способ позволяет снизить расходы материальных и энергетических ресурсов, может быть осуществлен на компактном высокопроизводительном оборудовании с низкими трудозатратами. Расход серной кислоты по предлагаемому способу снижается с 300 до 106 кг/т, а извести с 250 до 75 кг/т ксилозы.

Неизвестно использование ультранизких концентраций серной кислоты для гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья. Таким образом, изобретение отвечает условию охраноспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролиз-аппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,15%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:5. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуются. Гидролизат-массу охлаждают и непрерывно выгружают из аппарата, массу подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 30% и кислоты 1,0%.Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 120°С в течение 2 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 33 кг/т ксилита, выход ксилозы - 23% ота.с.д.

Пример 2. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролизаппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,5%, температурой 160°С и давлении более 6 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:2. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 1,0%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 100°С в течение 4 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 25 кг/т ксилита, выход ксилозы - 23,5% ота.с.д.

Пример 3. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролизаппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,5%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:5. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 20 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата, и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8%) упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 1,5%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 100°С в течение 2 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 40 кг/т ксилита, выход ксилозы - 24,5% ота.с.д.

Пример 4. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролиз-аппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,15%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина: варочный раствор 1:2. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата, и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 0,5%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 120⁰С в течение 4 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 15 кг/т ксилита, выход ксилозы - 22,5% ота.с.д.

Изобретение относится к химической и пищевой промышленностям, а именно к получению ксилозных растворов для получения ксилита. Способ гидролиза гемицеллюлоз древесины березы для получения ксилозных растворов для производства ксилита предусматривает проведение гидролиза серной кислотой с концентрацией 0,15-0,5% при соотношении сырье – измельченная древесина березы : варочный раствор 1:(2-5), температуре 160-180⁰С в течение 20-60 минут с последующей экстракцией водорастворимых моно- и олигосахаридов и кислоты водой, упариванием экстракта до концентрации сахаров 25-30% и кислоты 0,5-1,5% с одновременным проведением инверсии олигосахаридов в процессе упаривания. После осуществляют нейтрализацию полученного концентрата известью, фильтрацию и деионизацию раствора. Предпочтительно упаривание экстракта проводится на трех или более ступенчатых выпарных установках, где на последних ступенях выпарки, для полной инверсии олигосахаридов, упаривание проводится в течение 2-4 часов при температуре 100-120⁰С в зависимости от концентрации кислоты в экстракте. Изобретение направлено на упрощение процесса очистки ксилозных гидролизатов и снижение расхода реагентов и энергоресурсов на его осуществление. 1 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Способ гидролиза гемицеллюлоз древесины березы для получения ксилозных растворов для производства ксилита, отличающийся тем, что гидролиз проводят серной кислотой с концентрацией 0,15-0,5% при соотношении сырье – измельченная древесина березы : варочный раствор 1:(2-5), температуре 160-180°С в течение 20-60 минут с последующей экстракцией водорастворимых моно- и олигосахаридов и кислоты водой, упариванием экстракта до концентрации сахаров 25-30% и кислоты 0,5-1,5% с одновременным проведением инверсии олигосахаридов в процессе упаривания, последующей нейтрализации полученного концентрата известью, фильтрации и деионизации раствора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упаривание экстракта проводится на трех или более ступенчатых выпарных установках, где на последних ступенях выпарки, для полной инверсии олигосахаридов, упаривание проводится в течение 2-4 часов при температуре 100-120°С в зависимости от концентрации кислоты в экстракте.