Способ гидролиза растительного сырья Советский патент 1985 года по МПК C13K1/02 A23K1/12 

Изобретение относится к гидроли зу растительного сырья и может быть использовано в микробиологической, химической, пищевой и других отраслях промьппленности, где могут найти применение гидролизаты растительного сырья и другие проду ты гидролиза. Известен способ гидролиза расти тельного сырья, которьй предусматривает измельчение исходного сырья (таких как древесное сырье, отходы древесины, солому, кукурузную коче рыжку) , кислотную, щелочн1то или ферментативную обработку при 110llSSC под давлением 3-7 ата до осахаривания целлюлозы lj Существенным недостатком извест ного способа является проведение процесса при повьшенных давлениях, приводящих к усложнению аппаратурного оформления и, как следствие, к удорожанию процесса. Известен фермантатийный способ гидролиза растительных целлюлозосо держащих материалов, предусматрива щий расщепление целлюлозы до водорастворимых Сахаров с помощью целлншолитического фермента, полученного при культивировании целлюл литического микроорганизма при дав лении 2-А ата, а также разделение стадий приготовления фермента и гидролиза и использования для гидр лиза целиком культуральной массы целлюлолитического микроорганизма без фракционирования на компоненты 2 . Известный способ не позволяет провести глубокий гидролиз при повьшенных давлениях. I Известен также способ гидролиза растительных веществ, содержащих полисахариды, путем кислотного гид ролиза при повьщгенных температурах и давлении. Сырье непосредственно перед входом в реактор обрабатываю концентрированной кислотой. Гидролиз проводят непрерьшно в две студии в одном реакторе. Первую стади проводят в верхней части реактора в паровой фазе обработкой концентрированной кислотой и парами воды, при этом пентозан превращается в фурфурол, уксусную кислоту, метанол и ацетон, а гексозан расщепляется в ди- и трисахариды. Вторзпо стадию проводят в нижней части 972 реактора в жидкой фазе обработкой разбавленной кислотой и парами воды, при этом ди- и трисахариды, получаемые в первой стадии, расщепляются до моносахаридов и, кроме того, образуются сахарные и жирные кислоты. Проведение гидролиза по данному способу, в частности при обработке березовой щепы (с содержанием целлюлозы 72%, влаги 15%), при и давлении 11 ата в течение 30 мин позволяет расщепить 91,5% содержащейся в сьфье целлюлозы и получить 16,9% фурфурола, 12,2% органических кислот, а также 20,5% моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье з . Недостатком известного способа является небольшая глубина расщепления содержащейся в сьфье целлюлозы при большом избыточном давлении. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ гидролиза грубых кормов, включающий кислотный гидролиз исходного сьфья при избыточном давлении и повышенной температуре в присутствии ферромагнитного катализатора для разрушения лигнин-целлюлозных связей и осахаривания сырья. В качестве исходного растительного сырья используют кочерыжки кукурузных початков, стебель кукурузы, солому злаковых культур (пшеницы, овса, риса), древесину и древесные отходы и т.д. Исходный материал предварительно измельчают до частиц,/ максимальный размер которых составляет не более 0,i6 см. Для этого материал сначала направляют в дробилку, затем в смесителе частицы органического материала перемешиваются с водной суспензией, содержащей металлический и кислотный катализаторы. В качестве металлического катализатора используют железо или марганец или производные этих металлов в количестве 0,4%- от веса сухого корма. Кислотным катализатором может служить любая нетоксичная кислота (фосфорная, уксусная, угольная, соляная, серная, сернистая). Она должна находиться 2-3 ч при нормальном давлении и окружающей температуре в контакте с кормом, чтобы осуществить полное насыщение органических частиц. Смешивание растительного корма с кислотой проводят в соотйошении 40:60 (вес.%). Конечный продукт по ле нейтрализации высушивают. Затем смесь поступает на стадию окисления, где она подвергается окислени при повьш1енном давлении и температ ре в йрисутствии кислорода в течение 12-20 мин. Температура поддерж вается в пределах 105-110 С, давле ние составляет 10,-5 кг/см, чтобы обеспечить приблизительно 1,22,1 кг/см избыточного парциальног давления кислорода. Количество кислорода, которое необходимо для реакции со смесью на стадии окисления, составля|ет 3,75-5 вес.% от веса сухого растительного органического материала. Окисленная смесь подается затем на гидролиз, которьй ведут до осах ривания целлюлозы. Далее смесь у гидролизного аппарата поступает на нейтрализацию кислотных катализато ров до рН 5,5, которая осуществля ется различными веществами, однако предпочтительно используется аммиак. В результате получают раствор с высоким содержанием питательных веществ, который используют для кормления без дополнительной обработки. Если продукт предназначен для перевозки или хранения, необходимо его высушивание 4 . Существенным недостатком извест ного способа является проведение обработки грубых кормов при повышенном давлении, что усложняет про цесс, при этом степень гидролиза является невысокой и выход Сахаров незиачительный. Цель изобретения - уменьшение величины избыточного Давления и повьшение выхода Сахаров за счет увеличения степени гидролиза. Указанная цель достигается тем, что гидролиз растительного сырья пр водят во .вращающихся электромагнитных полях, создаваемых встречно бегущими злектромагнитнь1ми волками с частотой 50-2000 Гц при, напряженности, поля 100-10000 Э и избыточном давлении 1,0 - 2,0 ата, при этом в обла:сть действия поля помещен ферромагнитный катализатор. Предлагаемый способ заключается в следующем. 974 Исходное растительное сьфье, в частности солому злаковых культур, кукурузнзпо кочерыжку, древесные опилки, предварительно измельчают обычным путем до частиц размером 0,1-1,0 мм. Затем частицы растительного материала перемешивают с.водной суспензией, содержащей металлический и кислотный катализаторы. В. качестве катализатора используют преимущественно железо или марганец в виде частиц размером 0,1-1,0 мм. Количество катализатора составляет 0,1-0,3% от сухого веса растительного сырья. В качестве киcлotнoгo катализатора используют фосфорную, соляную, серную и сернистую кислоты. Кислота должна находиться 2-3 ч при нормальном давлении и окружающей температуре в контакте с кормом, чтобы осуществить полное насыщение органических частиц. .. Затем смесь поступает в зону действия вращающихся злектромагнитных полей, создавуаемых встречно бегущими электромагнитньови волнами с частотой 50-2000 Гц и напряженностью поля 100-10000 Э при давлении 1,0 2,0 ата и температуре 120-150 С в течение 7-40 мин, где подвергается одновременно окислению и гидролизу. В зону действия поля могут быть также помещены ферромагнитные частицы размером 1,0-10 мм покрытые пластмассовой оболочкой и выполняющие фу вкцшо перемещиваюпрх элементов. После окисления и гидролиза смесь поступает на нейтрализацию кислотных катализаторов, которая осуществляется различными веществами, однако предпочтительно используется аммиак.. В результате обработки растительного сырья по данному способу получают раствор, содержащий 15-20% фурфурола, 11-14% органических кислот, 18-22% моносахаридов в пересчёте на содержание цеплюлозы в сырье. Если продукт предназначен для перевозки или хранения, необходимо его высушивание. Высушенш продукт упаковывается, например, в меппси или собирается в бо;пьшие емкости, удобные для перевозки. На фиг. 1 изображена схема применяемой -установки, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сбоку. Установка содержит сосуд 1 для проведения гидролиза, размещенный между индукторами 2. В пространстве между двумя плос кими индукторами в результате сложения .двух бегущих электромагнитных полей создается результирзпгадее вращающееся электромагнитное поле. Для получений вращающихся злектрот магнитных полей различной частоты индукторы подключают к преобразователям частоты. Изменение напря;кенности электромагнитного поля достигается как варьированием тока В обмотках индуктора, так и рассто нием между индукторами. Пример 1. Пшеничную солом измельчают до частиц размером 0,2 мм и подвергают щелочному гидролизу при рН 11,5, при и давлении 1,4 ата в течение 16 мин при воздействии электромагнитных полей частотой 625 Гц и напряженностью поля 4850 Э. Проводят обработку по предлагае мому способу. Выход редуцирующих веществ составляет до 10,2% от сухого веса соломы. .Пример 2. Пшеничную солом измельчают до частиц размером 1,0 мм и подвергают ф ерментативному гидролизу при рН 4,5, при 45 С и давлении 1,2 ата в течение 20 ми с наложением электромагнитных поле ,частотой 400 Гц и напряженностью поля 8000 Э. В качестве фермента добавляют пектофоэтидин в количестве 0,1% к сухому весу соломы. Проведение обработки по данному способу позволяет получить выход . редуцирующих веществ до 11,0% от сухого веса соломы. П р и м е р 3. Пшеничную солом измельчают до частиц размером 0,8 мм и подвергают кислотному гид ролизу при tlO С и давлении 1,5 ат в течение 20 мин при воздействии электромагнитных полей частотой 1025 Гц и напряженностью поля 5050 Проводят обработку по предлагае мому способу. .Выход редуцирующих веществ до 11,3% от сухого веса соломы. Пример 4. Предварительно измельченное до размеров 10-20 мм древесное сырье (смесь березы и со ны в весовом соотношении 1:2) гомогенизируют до коллоидных размеров.I Затем частицы растительного сырья перемешивают с водной суспензией, содержащей металлический и кислотный катализаторы. В качестве катализатора используют марганец в количестве 0,2% от сухого веса растительного материала. В качестве кислотного катализатора используют серную кислоту при соотношении сырья и кислоты, равном 35:65 (вес.%). Затем смесь подвергают окислению и гидролизу с одновременным воздействием наложенных вращающихся электромагнитных полей, создаваемых встречно бегзгащми электромагнитными полями частотой 50 Гц и напряженностью поля 100 Э, при давлений 1,0 ата и температуре 135 С в течение 25 мин. В зону действия поля помещают покрытые пластмассовой оболочкой ферромагнитные частицы размером 3,0 мм. Время обработки смеси в электромагнитном поле 12 мин Смесь из окислйтеля-гидролизатора поступает на нейтрализацию кислотных катализаторов, которую осуществляют аммиачной водой до доведения рН 6,07,0. Проведение обработки по предлагаемому способу позволяет расщепить 94,8% содержащейся в сьфье целлюлозы и получить 18,1% фурфурола. 13,4% органических кислот, а также 21,8% моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье. Пример 5. Древесное сырье (смесь березы и сосны в весовом соотношении 1:2) подвергают технологической переработке аналогично примеру 1, за исключением того, что частота электромагнитного поля составляет 1025 Гц, а напряженность поля 5050 Э. Проведение,обработки по предлагаемому способу позволяет расщепить 97,2% содержащейся в сырье целлюлозы и получить 19,3% фурфурола, 15,2% органических кислот, а также 22,5% моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье. П р и м е р 6. Древесное сырье (смесь березы и сосны в весовом соотношении 1:2) подвергают технологической переработке аналогично примеру 1-2, за исключением того, что частота электромагнитного поля

71

составляет 2000 Гц, а напряженность поля 40000 Э.

Проведение обработки по предла гаемому способу позволяет расщепить 95,1% содержащейся в сырье целлюлозы и получить 18,7% фурфурола, 14,2% органических кислот, а также 22,0% моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сьфье.

Положительный эффект предлагаемо:го .состоит в повьшении степени расщепления целлюлозы, а также в увеличении выхода фурфурола, органи-г ческих кислот и моносахаридов при , снижении давления в 3-9 раз. i В табл. 1 приведены сравнительные данные проведения гидроли з

997978

древесины и соломы по. предлагаемому и известному способам. При использовании предлагаемого

-способа значительно з еличивается 5 выход редуцирующих веществ и количество расщепившейся целлюлозы, что повышает, например, .технологические показатели процесса выращивания . гидролизных дрожжей, используемых в 10 качестве кормовой добавки. . . В табл. 2 приведены сравнительные данные получения кормовых дрож. жей на гидрояизате смеси древесных

опилок и отходов, производства переработки льна в весовфм соотношении соответственно 38:-1 - 20:1 по предлагаемому и известному способам.

Таблица )

СПОСОБ-ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, включающий обработку измельченного исходного материала под давлением в присутствии катализаторов, о тлича ющийся тем, что, с целью повьппения степени гидролиза, обработку сырья проводят при давлении 1-2 ата во вращающихся электромагнитных полях, создаваемых встречно бегзга(имк электромагнитными волнами, генерируемыми с частотой 50-2000 Гц, при напряженности поля 100-10000 Э. (/) ;о со sl со

Весовое соотношение древесные опилки отходы производства переработки льна

20:1 25:1 30:1 35:1 38:1

Т а б л и ц :а 2

; Выход дроласей,; %, йо

известному

предлагаемому

52,1 54,8 56,3 58,7 58,9