Способ получения растворов моносахаридов из растительного сырья Советский патент 1988 года по МПК C07H3/02 

Изобретение относится к гидролизной промышленности, а именно к способу получения растворов моносахаридов путем гидролиза растительного сырья разбавленными минеральными кислотами.

Цель изобретения - повышение выхода и качества целевого продукта при сокращении энергозатрат на процесс за счет обработки сырья в непрерывном противотоке сырья и кислоты при конкретном зонном распределении температуры и выдачи гидролизата без :вскипания воды.

Пример. Измельченная древесина (100 кг в пересчете на абсолютно ( сухое вещество), содержащая 20% лег- когидролизуемых полисахаридов (ЛГП) и 40% трудногидролизуемых полисахаридов (ТГП) в сепараторе-пропарочной камере разогревается острым паром до 130°С, из которого через шнек принудительного потопления сырья передается в колонный гидролизаппарат (г/а). В верхней части г/а сырье обрабатывается в противотоке смесью, состоящей из 635,7 кг гексозного гидролизата с содержанием 5.60% моносахаридов, 0,5% серной кислоты и .400 к 0,5% серной кислоты, нагретых до , Обработка сырья ведется в течение 90 мин. При этом 95% ЛГП переходит в раствор в виде моносахаридов и олигосахаридов, образуя гидролизат в количестве 1056,5 кг с содержанием 5,35% Сахаров и 0,5% серной кислоты. Этот гидролизат без снижения температуры 130 С передается в инвертор, в котором выдерживается в течение 60 мин для дополнительнбго гидролиза олигосахаридов до моносахаридов.

Частично гидролизованная древесина (целлолигнин) в количестве 79,2кг передвигается в зону гидролиза ТГП, в которой также в противотоке обрабатывается 600 кг 0,5%-ной серной кислотой при в течение 60 мин. При этом 80% ТГП переходит в раствор в виде моносахаридов, образуя гидролизат с содержанием 5,95% моносахаридов и 0,5% серной кислоты с температурой 190°С в количестве 600 кг. Это гидролизат передается в зону гидролиза ЛГП. Снижение его температуры

с 190 до 130 С производят добавкой свежей 0,5%-ной серной кислоты, подаваемой на границе зон в количестве 400 кг с температурой 40 С.

0

Из зоны гидролиза ТГП лигнин в количестве 43,5 кг в противотоке фаз промывается 200 кг воды с температурой 80 С. Промывная вода переходит в зону гидролиза ТГП, в нижнюю часть которой подается свежая кислота в количестве 400 кг с содержанием 0,75% серной кислоты с температурой 220°С.

Эта ки слота, смешиваясь с промывной водой, образует 600 кг кислоты с температурой 190 С и содержанием 0,5% серной кислоты.

Лигнин в количестве 43,5 кг выгружается из г/а при температуре 80 С без выделения пара. Общий материальный баланс по сухим веществам и воде приведен в табл. 1.

Четыре температурные зоны устанавливают следующим образом. Первая зо-;. на имеет температуру 117 С для подогрева и пропитки поступающего сырья и для охлаждения выдаваемого гидро- 5 лизата-, вторая зона имеет температуру 130 С для гидролиза легкогйдролизуе- мой фракции полисахаридов; третья зона с температурой 190°С предназначена для гидролиза ТГП и четвертая зона с температурой 80°С для отмывки сахара и кислоты от лигнинд и снижения температуры выгружаемой лигно- пульпы с целью исключения паровых выбросов.

Установление заданных температур по зонам достигается в первой зоне подачей исходного сырья в количестве 1т абсолютно сухого на 10 т выдаваемого гидролизата, которое, отни- 0 мая тепло от гидролизата,

0

5

охлаждает

его перед выдачей из г/а до 117 CJ во второй зоне введением четырех модулей свежей варочной 0,5%-ной кислоты (модуль М - количество в м 5 кислоты на 1 т абсолютно сухого сырья) с температурой 40 С в нижнюю часть второй зоны, которая смешиваясь с гидролизатом, поступающим из третьей зоны, снижает его температуру до 130°С, при которой происходит гидролиз ЛГП сырья; в третьей зоне введением четырех модулей варочной кислоты с концентрацией серной кис-lO ,

0

лоты 0,75% и температурой 220 С в c нижнюю часть третьей зоны, которая, смешиваясь с поступающей из четвертой зоны промывной водой, обеспечивает заданную температуру для гидролиза целлюлозы в зоне 190 С и концентрацию

серной кислоты 0,5%J в четвертой зоне введением двух модулей воды на промьшку лигнина.с температурой 80°С при этом отмываются от лигнина образовавшиеся сахара и лигнин выгружается без вскипания жидкости.

Общий модуль подачи промьтной воды, варочной кислоты равен 10. Модул отбора гидролизата из г/а также равен 10.

Г/а работает при постоянном избыточном давлении 1,7 МПа, которое позволяет создать в нем четырехзонное распределение температур оптимальных для проведения гидролиза ЛГП и ТГП с минимальным разложением образующихся моносахаридов.

На фиг. 1 изображена схема осуществления процесса-, на фиг. 2 - зависимость выхода РВ из опилок от . гидромодуля.

На схеме изображены бункер 1, шне ковый дозатор 2, шламоотделитель 3, высоконапорньш питатель 4, насос 5, бак 6 оборотной воды, сепаратор и пропарочная камера 7, бак оборотной воды 8, высоконапорньм насос 9, шнек 10 для принудительного потопления сырья, клапан 11 вьщачи гидролизата, г/а 12, клапан 13 выдачи лигно пульпы, инвертор 14, испаритель 15, теплообменник-конденсатор 16, водогрейный котел 17, смеситель 18 жидкостных потоков.

Определение выхода моносахаридов проведено по следующей методике: реакции образования моносахаридов проходят во второй и третьей зонах, в первой зоне осуществляется пропитка загруженной древесины гидролизатом, в четвертой зоне проводится отмывка от лигнина моносахаридов и серной кислоты горячей водой. Расчет выхода сахара во второй зоне проведен по уравнению

.p,kt е )

А„(1 количество растворившихся гемицеллюлоз (ЛГП),

количество I и II фракций

полисахаридов, гидролизую- gg щихся с разными скоростями, для хвойной дервесины равна 35 и 65% соответственно:

k - константа скорости гидролиза целлюлозы для 0,5%-ной серной кислоты, мин ; р1и PI коэффициенты гидролизуемости I и II фракций ЛГП; t - время гидролиза, мин. В соответствии с этим уравнением для гидролиза древесины 0,5%-ной серной кислоты требуемая тельность процесса при растворения 95% ЛГП составляет около 90 мин.

Расчет выхода сахара в третьей зоне проведен по уравнению

.) е продолжи-130°С для

Z

а U, (U ц (1

0

5

- g °°

где Z - выход сахара от исходного

целлолигнина ац - содержание целлюлозы в целлолйгнине j

Шц - стехиометрический коэффициент для пересчета целлюлозы в глюкозу;

k, - константа скорости гидролиза I

0

5

целлюлозы, - , t продолжительность гидролиза,

i

k - константа скорости распада

I

глюкозы, - ; ч

«6 0

5

0

коэффициент распределения сахара в реакционном пространстве ;

р - коэффициент вытеснения саха- ра;

V - скорость перколяции, 1/ч;

Q8ц - внутренний гидромодуль, Q неп количество неподвижной жидкости-,

g - коэффициент массопередачи,

1/Ч.

При противоточном непрерывном гидролизе коэффициент распределения сахара л всегда меньше 0,5, величина его уменьшается с увеличением глубины гидролиза и может быть вычис:1е- на по уравнению

б

п - 1 - In п (п - Din п

где п - величина,обратная остаточному количеству полисахаридов.

Время пребывания гидролизуемого сырья по зонам колонного гидролизап- парата: первая зона 10 мин, вторая зона 90 мин, третья зона 60 мин и четвертая §она 20 мин (общее время 3ч). Расчеты показывают, что температура, концентрация варочной кислоты и принятое время пребывания Гидролизуембго материала в г/а 3 ч обеспечивают глубину гидролиза полисахаридов на 85%, Во второй зоне обеспечивается гидролиз легкогидроли зуемой фракции полисахаридов на 95% и в третьей зоне гидролиз целлюлозы на 80%. Если принять в исходном абсолютно сухом сырье содержание ЛГП 20% и ТГП 40%, то общий выход моносахаридов составит 56,5% (20x1,11х хО,95) + (40.1,11x0,80), где 1,11 стехиометрический коэффициент перевода полисахаридов в моносахариды.

Таким образом, предлагаемый способ получения моносахаридов из растительного сырья обладает следующими преимуществами:-уменьшается время пребьшания моносахаридов в реакционном пространстве, улучшается выход

25 отмьшку сахара от лигнина ведут с модулем 2 и температурой 70-95 выдачу гидролизата из гидролизап рата ведут в инвертор без измене температуры, а лигнин выгружают

и качество целевого продукта, появляется возможность автоматизации про- зо виде пульпы без выделения паров, цесса и улучшения условий труда.

В табл. 2 приведены составы гидро- лизатов по известному и предлагаемому способам при использовайии березовой древесины.

35

2. Способ по п. 1, отлич ющийся тем, что в качестве бавленной серной кислоты использ ее 0,5%-ный раствор.

Формула изобретения

1. Способ получения растворов мо- носахаридов из растительного сырья путем обработки сырья разбавленной серной кислотой при избыточном давлении и повьшенной температуре в аппарате не- прерьгеного действия с верхней подачей сырья, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода и качества целевого продукта при сокращении энергозатрат на процесс, обработку сырья проводят в противотоке

сырья и кислоты (гидролизата) с пе- ременнь жидкостным модулем к исходному сырью и четырехзонным распределением температур, при этом гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов

сырья ведут гексозным гидролизатом при температуре 115-140 С с жидкост- ныя модулем 10, гидролиз тРУДНогидроли- зуемых полисахаридов ведут при температуре 185-195 С с жидкостным модулем 6,

отмьшку сахара от лигнина ведут водой с модулем 2 и температурой 70-95°С, выдачу гидролизата из гидролизаппа- рата ведут в инвертор без изменения температуры, а лигнин выгружают в

виде пульпы без выделения паров,

35

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве разбавленной серной кислоты используют ее 0,5%-ный раствор.

Изобретение относиться к саха- рам, в частности к получению растворов моносахаридов (МС) из растительного сырья. С целью повышения выхода и качества МС при сокращении энергозатрат на процесс обработку сырья проводят в противотоке сырья и разб. HjiSO (предпочтителен 0,5%-ньй раствор) гидролизата с переменным жидкостным модулем к исходному сьфью и 4-зонным распределением температур. - При этом гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов сырья ведут гексозным гидролизатом при 115-140 С с жидкостным модулем 10. Гидролиз трудногидро- лизуемых полисахаридов ведут при 185- 195 С с жидкостным модулем 6. Отмьш- ку сахара от лигнина ведут водой с модулем 2 температурой 70-95 С. Вьща- чу гидролизата из гидролизаппарата ведут в инвертор без изменения температуры, а лигнин выгружают в виде пульпы без вьщеления паров. Процесс проводят в аппарате непрерывного действия с верхней подачей сырья при избыточном давлении. Способ обеспечивает уменьшение времени пребывания МС в реакционном пространстве, улучшаются выход и качество целевого продукта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл. с (Л

100 кг абсолютно сухой древесины с жанием 20 кг ЛГП

40 кг ТГП 400 кг 0,5%-ной серной кислоты с Т

400 кг 0,75%-ной серной кислоты с Т 220°С

200 кг воды с Т 80 С

1056,5 кг гидролизата, содержащего 56,5 кг сахара

43,5 кг лигнина

Известный 16,7

Предлагаемый

10

482,88 0,15 0,54 0,080,090,006 0,40 0,050,24

56,35,65 0,05 0,20,040,060,005 0,67 0,040,15

И:змельченная 1 древесина

;Таблкца 2|

ruspo,g Зада

(pati

Лигнонуяып

ftSQ

I

3 350

300

I

r

200

7 89 70 n 12 13 7 Гидромодуль озиг.г

15 16