Способ получения растворов моносахаридов Советский патент 1986 года по МПК C13K1/02 

Изобретение относится к гидролиз- ной промьшшенности, преимущественно к получению моносахаридов путем гидролиза растительного сырья минеральными кислотами с последующей пере- работкой сахароз на ксилит, фурфурол кормовые дрожжи и другие продукты.

Целью изобретения является ускорение процесса гидролиза, снижение энергозатрат и расхода минеральной кислоты.

Способ получения растворов моносахаридов осуществляют следующим образом.

Растительное сырье измельчают до частиц размером от 0,5 до 1 мм и приготавливают пульпу с содержанием сухих веществ от 8 до 15% (гидромодуль от 6j1 до 12,5) путем смешения измельченного сырья с гексозным гид- ролизатом, полученным на 11-й стадии гидролиза, причем гексозньгй гидроли- зат имеет температуру от 190 до , так как разделение его с лигнином после 11-й стадии (гидролиза дел лолигнина) происходит при темпера- туре реакции и тепло, затраченное на осуществление II-и стадии гидролиза, сохраняется.

В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается до 170-240°С, что вполне достаточно для проведения высокотемпературного гидролиза гемицеллюлоз.

Концентргадия серной кислоты в приготовленной пульпе соответствует той при которой проводился гексозный гидролиз, а именно от 0,1 до 0,5%. Параметры гидролиза (температура, кон- центрахщя минеральной кислоты, продолжительность) взаимосвязаны и обеспечивают нуяшую глубину гидролиза полисахаридов (без их распада) только в определенном соотношении, которое зависит от разновидности cijpbH. Поэтому при заданных температурах и концентрации кислоты, как это имеет место в предлагаемом способе, время подбирают таким образом, чтобы условия гидролиза бьши оптимальными,Таки условия обеспечиваются при продолжительности гидролиза гемицеллюлтоз з пределах от 0,5 до 5 мин. Причем для сырья, гемицеллюлозы которого гидро- лиэуются легко (например, кукурузная кочерыжка), выбирают нижние пределы (190 С; 0,5 мин; 0,1% кислоты).,

а для более трудногидролизуемых геми- целлншоз (например, подсолнечной лузги или древесины аерезы) - верхние пределы параметров реакции ( 5 мин; 0,5% кислоты). Полученную пульпу насосом подают в трубу-реактор

В результате гидролиза гемицеллю- лоз образуются моносахариды (в основном пентозы), которые переходят в раствор и смешиваются с coдepжaщИlvшcя в поданном на приготовление пульпы гидролизате гексозными сахарами.Полученную в результате пульпу, состоящую из пентозно-гексозного гидроли- зата и целлолигнина, разделяют на винтовой отжимной машине. Жидкая фаза, пройдя через систему испарите

ла, а целлолигнин без охлаждения передается на 11-ю стадию гидролиза, которую проводят также в пульпах в прямотоке. Для приготовления пульпы целлолигнина используют от 0,1 до 0,5%-ный раствор минеральной кислоты в количестве, обеспечившощем концентрацию сухих веществ от 5 до 7%, Полученную пульпу нагревают в пароэжекци- онном смесителе до 190-270 С и подают насосом в трубу-реактор; продолжительность пребывания пульпы в зоне реакции от 3 до 5 мин. В результате гидролиза целлюлозы образуются моносахарида - гексозы, которые переходят в раствор; негидролизируемый остаток (лигнин) образует твердую фазу. Затем смесь гексозного гидролизата и лигнина, не охлаждая, разделяют на винтовой отжимной машине. Лигнин выводят из цикла, а гексозный гидроли- зат возвращают на 1-ю стадию гидролиза.

Пример 1. 10 кг стержней початков кукурузы измельчают до частиц размером 0,5-1 мм, приготавливают пульпу с содержанием 14,5% сухих веществ, используя для этого 69,2 л гексозного гидролизата,полу- . ченного на 11-й стадии гидролиза, с температурой 200°С и концентрацией серной кислоты 0,5%. В процессе приготовления пульпы за счет теплопо- терь в окружающую среду и на подо- гр растительного материала температура снижается от 200 до 190°С. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольных элементов сырья снижается до 0,15%. Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в течение 0,5 мин проходит по трубе-реактору; полученную в

результате гидролиза гемицеллюлоз пульпу, состоящую из пентозно-гек- созного гидролизата и целлолигнина, разделяют на винтовой отжимной машине. Жидкую фазу, содержащую 6,8 кг Сахаров, через систему испарителей выводят из цикла, а 5 кг (в пересчете на абсолютно сухое вещество) целлолигнина, не охлаждая, передают на гексозный гидролиз; для приготовления пульпы используют 0,5%-ный раствор серной кислоты в количестве 71,4 л, при этом полученную пульпу с содержанием 7% сухих веществ нагревают в пароэжекционном смесителе до и пропускают по трубе-реактору в течение 3 мин. Затем смесь гексозного гидролизата и лигнина разделяют при температуре реакции на винтовой отжимной машине, 1,5 кг лигнина (в пересчете на а.с.в), содержащего 2,2 л неотжавшегося гидролизата, вьшодят из цикла, а 69,2 л гексозного гидролизата возвращают на 1-ю стадию гидролиза.

Пример 2. 10 кг подсолнечной лузги измельчают до частиц размером 1 t-iM, приготавливают пульпу с содержанием 8,6% сухих веществ, используя для этого 116,4 л гексозного гидролизата, полученного на 11-й стадии гидролиза, содержащего 2,2 кг гексозных Сахаров и имеющего температуру 270°С и концентрацию серной кислоты 0,5%v В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается до 220°С. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольны элементов сырья уменьшается до 0,12% что недостаточно для проведения гидролиза гемицеллюлоз подсолнечной лузгиJ для доведения концентрации кислоты до 0,5% в пульпу добавляют концентрированную серную кислоту. Пульпа при достигнутых температуре и концентрации кислоты в течение 5 мин проходит по трубе-реактору.При этом происходит гидролиз гемицеллюло подсолнечной лузги и образовавшиеся при этом 1,6 кг Сахаров переходят в гексозный гидролизат. Полученную в результате пульпу, состоящую из пен- тозно-гексозного гидролиэата и целлолигнина разделяют на винтовой ной машине. Жидкую фазу, содержащую 3,8 кг Сахаров, через систему испа

10

5

0

5

0

5

5

0

гревают до 270°С

рителей ВЫРОДЯТ из цикла, а 6,0 кг (в пересчете на а.с.в) целлолигнина, не охлаждая, передают на гексозный гидролиз.

Для приготовления пульпы используют 0,5%-ный раствор серной кислоты в количестве 120 л; полученную пульпу с содержанием 5% сухих веществ на- в пароэжекционном смесителе

и пропускают по трубе-реактору в течение 5 мин. При этом обра- . зуется 2,2 кг гексозных Сахаров. Затем смесь гексозного гидролизата и лигвина разделяют при температуре реакции на винтовой отжимной машине; 2,4 кг лигнина (в пересчете на а.с,в) содержащего 3,6 л неотжавшегося гидролизата, выводят из цикла, а 116,4 л гексозного гидролизата возвращают на 1-ю стадию .гидролиза.

Пример 3. 10 кг подсолнечной лузги измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 7% сухих веществ, используя для этого 116,4 л гексозного гидролизата, полученного на 11-й стадии гидролиза (см. пример 2), а также 26,5 л свежей воды, которук предварительно подогревают острым паром до 220 С; далее гидролиз ведут по примеру 2. При этом вследствие уменьшения содержания сухих веществ в пульпе от 8 до 7% увеличиваются расход воды (примерно на 22%), пара (примерно на 18%) и серной кислоты (примерно на 31%).

Пример 4. 10 кг стержней початков кукурузы измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 16% сухих веществ, используя для этого 62,5 л гексозного гидролизата, полученную на второй стадии гидролиза (см. пример 1). Далее проводят гидролиз по примеру 1. При этом из-за увеличения содержания сущих веществ от 14,5 до 16% ухудшается гидротранспорт пульпы, происходит расслоение твердой и жидкой фаз в трубе-реакторе, что не позволяет достигнуть положительного эффекта.

Пример 6. 10 кг хлопковой шелухи измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 8% сухих веществ, используя для этого 125 л гексозного гидролизата, полученного на 11-й стадии гидролиза, с температурой

512

и концентрацией серной кислоты 0,5%, В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду я на подогрев растительного материала температура снижается от 180 до , Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольных элементов сырья снижается до 0,1%. Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в течение 0,5 мин проходит по трубе-реактору. За это время гемицеллкхпозы хлопковой шелухи, которые, как и гемицеллюлозы стержней початков кукурузы, являются наиболее легкогид- ролизувмыми полисахаридами (по сравнению с другими видами сырья), полностью растворяются и гидролизуются до моносахаридов. Выход РВ при этом составляет 2,4 или 85% от теоретически возможного. Если продолжительность гидролиза уменьшить до 0,3- 0,4 мин, то растворившиеся полисахариды не успевают полностью прогид- ролизоваться и содержатся в растворе в виде олигосахаридов, что требует введения дополнительной операции - инверсии гидролизата и, следовательно, увеличения энергозатрат.

Пример 6. 10 кг древесины березы измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливает пульпу с. содержанием 15% сухих веществ, используя для этого 66,7 л гексозного гид- ролизата, полученного на 11-й стадии гидролиза и имеющего температуру 270 С и концентрацию серной кислоты 0,5%, В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается от 270 до . Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольны элементов сырья уменьшается до 0,4%, Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в течение , 4,5 мин проходит по трубе-реактору. При указанных высоких параметрах гемицеллюлозы древесины березы, которые являются одними из наиболее труд ногидролизуемых, полностью раство - ряются и гидролизуются до моносахаридов при минимальной степени разло

0

5

0

5

01

0

5

0

5

0

36

женин последних. Выход РВ при этом составляет 2,6 кг или 85% от теоретически возможного. Дальнейшее ужесточение параметров гидролиза, например, путем повьппения температуры до 250°С или продолжительности до 6 мин или концентрации кислоты до 0,6% приведет к заметному распаду сахароз, уменьшению выхода продукта до 60-70% от теории и, следовательно, к неопралданному увеличению энергозатрат, времени и расхода минеральной кислоты на единицу продукции. Пример 7, 10 кг стержней початков кукурузы измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 10% сухих . веществ, используя для этого 100 л гексозного гидролизата, полученного на 11-й стадии гидролиза, с температурой 190°С и концентрацией серной кислоты 0,4%. В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается до 160 С, Концентрация серной кислты за счет нейтрализации зольных элементов сырья снижается до 0,15%, Полученная пульпа в течение 0,5 мин проходит по трубе-реактору. При указанной температуре () гемицеллюлозы стержней початков кукурузы растворятся не полностью, а лишь на 60-70%, от их исходного содержания в сырье, что приведет к уменьшению выхода са- харов и, следовательно, к увеличению энергозатрат, времени и расхода минеральной кислоты на единицу продукции. К такому же результату приведет уменьшение концентрации кислоты, например, до 0,07%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет ускорить проведение гидролиза в 24-240 раз, снизить энергозатраты на проведение гидролиза почти в 2 раза, сократить расход катализатора (серной кислоты) на 0,1- 0,5 т на 1 т сьфья.

В таблице представлены показатели и основные параметрил процесса растительного сырья по предлагаемому способу в сравнении с известным.

1-ястадия (гидролиз гемицеллкшоз)

Гидродинамический прии-Противоток твердой и Прямоток

ципжидкой фаз

Расход свежего катали-От О,t до 0,5 т на 1 т Нет

затора (минеральнаясырья

кислота)

Концентрация кислоты,%От 2 до 9

Расход свежей воды5 т на 1 т сырья

пульпы

Гидромодуль, Грекиций агент Температура,С

Продолжительность, мин

Содержание сухих веществ в пульпе, %

Разделение твердой И

жидкой фазПосле

Использование тепла гидролизата

От 0,1 до 0,5 (в гексозном гидролизате)

Нет (в качестве жидкой фазы используется гексозный гид- ролизат)

От 6,1 до 12,5 Гидролизат 11-ой стадии От 170 до 240

От 0,5 до 5,0 11-я стадия (гидролиз целлолигнина)

От 8 до 20От 5 до 7

охлаждения До охлаждения Не используется Используется на 1-ой стадии

Свежий пар От 100 до 120

120

Редактор Л. Повхан Заказ 4687/29

Составитель А. Снницын

Техред М.Ходанич Корректор А. Обручар

Тираж 328Подписное

ВНИШШ Государствевиого комитета СССР

по делам изобретений н открытий 113035, Москва, Ж-35, Рау18ская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

пульпы