Способ двухстадийного гидролиза растительного сырья Советский патент 1990 года по МПК C13K1/02 

Изобретение относится к гидролизной промышленности, преимущественно к получению растворов моносахаридов методом двухстадийного гидролиза растительного сырья.

Цель изобретения - повышение качества гидролизата.

Способ осуществляют следующим образом.

Сырье перед пентозным гидролизом смачивают водой при гидромодуле (ГМ) 1-3 и гидролизуют пентозаны насыщенным паром при температуре 230-250 С и давлении 2,75-4,0 МПа в течение 45-70 с до образования олигосахари- дов с последующим резким снижением давления до атмосферного, затем про- гидролизованный материал,выстреливают из реактора, а экстракцию проводят одновременно с инверсией олиго- сахаридов гексозным гидролизатом при гидромодуле 3-5 в течение 15-30 с при 190-220°Со

Далее разделяют твердую и жидкую фазы, гидролизат направляют на биологическую переработку, а твердый остаток - целлолигнингидролизуют в виде пульпы, разбавленной серной кислотой, при температуре около 240 С; полученный гексозный гидролизат отделяют от лигнина и, не охлаждая, -используют в качестве экстрагирующего агента при экстракции и инверсии пентозных олигосахаридов.

Отсутствие катализатора позволяет провести гидролиз в более мягких условиях до получения продуктов не- | полного гидролиза олигосахаридов, коСП

о

со

05

торые затем подвергают инверсии, что сводит до минимума процесс разложения моносахаридов и улучшает качество растворов за счет уменьшения содержания продуктов разложения.

Максимальный выход Сахаров может i быть достигнут при определенном оптимальном сочетании температуры и длительности процесса.Это сочетание раз- лично для различных видов сырья. Так, на ример, для пентозанов подсолнечной лузги, которые характеризуются пойи- женной скоростью, необходимо выбрать верхние граничные значения парамет- ров гидролиза (250°С, 70 с ), а для пентозанов стержней початков кукурузы, отличающихся высокой скоростью гидролиза - нижние граничные значе- (ния параметров (, 45 с).

Проведение гидролиза гемицеллюлоз в течение 45-70 с при 230-250°С и соответствующем давлении пара обеспечивает практически полное растворение их в пропиточной жидкости с обра- зованием олигосахаридов и почти без разложения; за счет повышения температуры процесс ускоряется почти в 100 раз

Гидролизованный материал выстре- ливают из реактора, при этом за счет практически мгновенного снижения давления (декомпрессии) с 2,75- 4,0 МПа до атмосферного происходит разрыв волокон растительной ткани и измельчение материала до частиц размером менее 1 мм9 что увеличивает в дальнейшем скорость процесса экстракции продуктов гидролиза, так как с уменьшением размера частиц сырья возрастает коэффициент массопередачи.

Кроме того, при декомпрессии происходит самойспарение жидкости и удаляются вредные летучие примеси (фурфурол, органические кислоты и дро), что улучшает качество растворо

Экстракцию проводят одновременно с инверсией олигосахаридов гексозным гидролизатом при ГМ 3-5 в течение 15 30 с при 190-220°Со Продукты неполного гидролиза гемицеллюлоз - олигоса- хариды не утилизируются микроорга- низмами при биохимической переработке гидролизатов, их присутствие уменьшает биологическую доброкачест- венность субстратов. Поэтому необходимо проводить процесс инверсии или иначе дополнительный . гидролиз

„

5

5

для превращения олигосахаридэв в моносахариды. Инверсию проводят гексозным гидролизатом, что позволяет не только повысить концентрацию Сахаров, но и ускорить процесс инверсии, так как в гексозном гидролизате содержится 0,3-0,5% серной кислоты - катализатора инверсии.

Кроме того., гексодный гидролизат, который отбирают после II стадии (высокотемпературного гидролиза целло- лигнина) без охлаждения, обеспечивает поддержание температуры процесса инверсии на уровне 190-220°С. Для достижения максимальной степени инверсии необходимо определенное оптимальное сочетание параметров, характеризуемое критерием гидролиза олигосахаридов, который является величиной постоянной-. Поэтому при максимальной температуре (220°С) длительность процесса должна быть минимальной (15 с), а при минимальной температуре (190 С)-- максимальной (90 с).

Гидромодуль имеет решающее значение для повышения концентрации раствора, которая является одним из показателей его качества. Выбор численного значения ГМ зависит от содержания Сахаров в исходном сырье. Так, например, стержни початков кукурузы содержат около 40% пентозных Сахаров и для получения концентрированных растворов необходимо подать 5 ГМ жид- ,кости: содержание пентозных сахаров в подсолнечной лузге составляет около 20% и для получения концентрированного раствора необходимо 3 ГМ жидкости .

После проведения экстракции и инверсии продуктов I стадии гидролиза проводят известными способами разделение жидкой (гидролизата) и твердой (целлолигнина) фаз, гидролизат выводят из цикла, а целлолигнин направляют на II стадию гидролиза. Для этого приготавливают пульпу целлолигнина в 0,5%-ном водном растворе серной кислоты. Затем пульпу целлолигнина гидролизуют при температуре около 240СС гексозный гидролизат, не охлаждая, отделяют от лигнина и направляют на экстракцию и инверсию продуктов пентозного гидролиза.

На чертеже изображена схема, поясняющая предлагаемый способ.

Сырье смачивают водой в количестве 1-3 ГМ в шнеке-смачивателе 1, затем подают в гидролизер 2 I стадии - гидролиза, где его обрабатывают па- ром при температуре 230-250СС и давлении 2,75-4,0 МПа в течение 45-70 с до образования олигосахаридов, затем прогидролизованный материал, представляющий собой целлолигнин, пропитанный раствором олигосахаридов, выстреливают в циклон 3, где происходит разделение твердой и паровой фаз, причем за счет резкого снижения давления с 2,75-4,0 до атмосферного происходит разрыв волокон растительной ткани с измельчением целлолигнина до частиц размером менее 1 мм, а летучие примеси (фурфурол, органические кислоты и др.), ухудшающие качество получаемых в дальнейшем растворов Сахаров, удаляются с парами самоиспарения,

Из циклона 3 прогидролизованный материал подают в экстрактор-инвер-. тор 4. Сюда же поступает 3-5 ГМ гек- созного гидролизата от II стадии гидролиза. Экстракцию и инверсию проводят одновременно. Мелкодисперсная структура материала и высокая (190- 220°С) температура позволяют провести процесс за 15-30 сэ

Разделение твердой (целлолигнина) и жидкой (пентозно-гексозного гидролизата) фазы осуществляют на винтовой отжимной машине 5. Гидролизат охлаждают в испарителе 6 и передают на дальнейшую переработку, а целлолигнин разбавляют 0,5%-ным раствором серной кислоты до образования пульпы, подогревают паром до температуры около 240°С и насосом 7 подают в гидролизер 8 II стадии гидролиза. Затем лигнин отделяют на винтовой машине 9, а гексозный гидролизат возвращают на инверсию и экстракцию продуктов I стадии гидролиза

Пример, 10 кг (в расчете на абс.сухое вещество) стержней початков кукурузы (СПК) смачивают холодной юдой так, чтобы вся жид-

кость впиталась частицами сырья (10 л, JQ ный материал выстреливают из реак- ГМ ) и гидролизуют пентозаны насы- тора, при этом он измельчается до

частиц размером менее 1 мм. С пара- it

щенным водяным паром при 230 С (и соответствующем давлении пара 2874 МПа) в течение 45 с (нижние граничные условия гидролиза являются оптимальными для гидролиза пентозанов СПК, которые характеризуются высо- , кой скоростью гидролиза . При гидролизе пентозанов СПК образуется 4 кг

ми самоиспарения при выстреле улетучивается 0,01 кг фурфурола и 0,2 кг 55 органических кислот0

Экстракцию продуктов пентозного гидролиза проводят одновременно с инверсией олигосахаридов в течение 3Q с, для чего используют 30 л (3 ГМ

10

15

20

641966

опигосахаридов, которые растворены

в iC л лапиллярно-впитгнной жидкости Прогидролизованный материал выстреливают из реактора, при этом за счет мгновенного снижения давления с 2,75 МПа до атмосферного растительная ткань разрывается и материал размельчается до частиц размером менее 1 мм. При этом с парами самоиспарения улетучивается 0,02 кг фурфурола и 0,3 кг органических кислот. Экстракцию продуктов пентозного гидролиза проводят одновременно с инверсией олигосахаридов в течение 15 с, для чего используют 50 л (5 ГМ) гексозного гидролизата при 190°С с содержанием 2,7 кг гектоз. При этом олигосахариды превращаются в пенто- зы и, смешиваясь с гексозным гидро- лизатом, образуют 60 л пентозно- гексозного гидролизата с содержанием 6,7 кг Сахаров (концентрация в растворе 11,2%). Гидролизат отжимают и передают на дальнейшую переработку, а оставшийся целлолигнин смешивают с 50 л 0,5%-ного раствора кис- лотн и проводят гексозный гидролиз пульпы при 200 С в течение 3 мин. Затем гексозный гидролизат отжимают и направляют на экстракцию и инверсию продуктов пентозного гидролиза, причем за счет теплопотерь температура его снижается до 190°С.

П р и м е р 2. 10 кг (в расчете на абс.сухое вещество) оболочек семян подсолнечника (ОСП) смачивают холодной водой гак, чтобы вся жидкость впиталась частицами сырья (ГМ 3) и гидролизуют пентозаны насыщенным паром при 250°С (и соответствующем давлении 4 МПа) в течение 70 с (верхние граничные условия гидролиза являются оптимальными для пентозанов ОСП, 45 которые обладают пониженной скоростью гидролиза). При гидролизе пентозанов ОСП образуется 2,2 кг олигосахаридов которые растворены в 5 л капиллярно- впитанной жидкости. Прогидрелизован25

30

35

40

частиц размером менее 1 мм. С пара- it

ми самоиспарения при выстреле улетучивается 0,01 кг фурфурола и 0,2 кг органических кислот0

Экстракцию продуктов пентозного гидролиза проводят одновременно с инверсией олигосахаридов в течение 3Q с, для чего используют 30 л (3 ГМ)

10

гексозного гидролиза при 220°С с. содержанием 2 кг гексоз При этом олигосахариды превращаются в пенто- зы,и, смешиваясь с гексозами, образуют 35 п пентозно-гексозного гидролиз ата с содержанием 4,2 кг сахароз (концентрация в растворе 12%). Гидро- лизат отжимают и передают на дальнейшую переработкуt а оставшийся целлолигнин смешивают с 30 л 0,5%- ного раствора кислоты и проводят гек- созный гидролиз рульпы при 270°С в течение 5 мин. Затем гексозный гидроли- зат отжимают и направляют на экстрак- цию и инверсию продуктов пентозного гидролиза, причем за счет теплопо-, терь температура его снижается до 220°С.

Предложенный способ позволяет уве- 20 личить концентрацию Сахаров в 1,1- 2,5 раза.

15641968

Формула изобретения

Способ двухстадийного гидролиза растительного сырья, включающий не первой стадии пентозный гидролиз, инверсию и экстракцию Сахаров, а на второй - гексозный гидролиз, отличающийся тем, что, с гелью повышения качества гидролиза- та, перед первой стадией сырье пропитывают водой при гидромодуле 1-3, пентозный гидролиз осуществляют путем обработки насыщенным паром при темпера- -уре 230-250°С и давлении 2,75-- 4,0 МПа в течение 45-70 с с последующим резким снижением .давления до атмосферного, а инверсию и экстракцию проводят одновременно путем воздействия гексозного гидролизата при гидромодуле 3-5 в течение 15-30 с при температуре 190-220°С.

;

0

Способ двухстадийного гидролиза растительного сырья, включающий не первой стадии пентозный гидролиз, инверсию и экстракцию Сахаров, а на второй - гексозный гидролиз, отличающийся тем, что, с гелью повышения качества гидролиза- та, перед первой стадией сырье пропитывают водой при гидромодуле 1-3, пентозный гидролиз осуществляют путем обработки насыщенным паром при темпера- -уре 230-250°С и давлении 2,75-- 4,0 МПа в течение 45-70 с с последующим резким снижением .давления до атмосферного, а инверсию и экстракцию проводят одновременно путем воздействия гексозного гидролизата при гидромодуле 3-5 в течение 15-30 с при температуре 190-220°С.

Изобретение может быть использовано в гидролизной промышленности при получении растворов моносахаридов методом гидролиза пентозансодержащего растительного сырья с последующей переработкой сахаров на кормовые дрожжи, фурфурол и другие продукты. Цель изобретения - повышение качества гидролизата. Перед первой стадией гидролиза сырье пропитывают водой при гидромодуле 1-3, пентозный гидролиз осуществляют путем обработки насыщенным паром при 230-250°С и давлении 2,75-4,0 МПа в течение 45-70 с с последующим резким снижением давления до атмосферного, а инверсию и экстракцию проводят одновременно путем воздействия гексозного гидролизата при гидромодуле 3-5 течение 15-30 с при 190-220°С. 1 ил.

Т

0,5% -ний „

р-р HgSOt, П&Р