Способ получения ксилозы Советский патент 1980 года по МПК C07H3/02 C13K13/00 

Изобретение относится к усовершек ствованному способу получения ксилозы из пентозансодержащих материалов, предпочтительно из ксилансодержащих материалов, с последующей очисткой и разделением хроматографическим спосо бом. Известен способ получения ксилозы из богатого ксиланом материала путем кислотного гидролиза с последующей нейтрализацией раствора Са{ОН)2И фильтрацией, удалявшей из раствора основную массу загрязнягацих примесей Ксилозу извлекают путем кристаллизации, а очистку проводят путем рекристаллизации для обессоливания к обесцвечивания. Если в качестве исходного материала используют богатый ксиланом растительный продукт, то выход может достигать 1.8% от сырьевого материала l . Известный способ не позволяет использовать его широко в промьЕиленных масштабах из-за ряда недостатков Например, растворы с высоким содержанием ксилозы, полученные из древесных опилок, настолько загрязнены, что необходимы дополнительные дорогостоящие стадии процесса перед тем, как извлекать ксилозу.. Целью изобретения является упрощение технологии и повышение качесчва целевого продукта. Поставленная цель достигается способом получения ксилозы путем кислотного гидролиза пентозансодержащего сырья, нейтрализации, Лильтрации, обессоливания и обесцвечивания полученного гидролизата, отличительной особенностью которого является т, что очищенный гидролизат, содержащий от 25 до 28 вес.% сахароз, подвергают хроматографическому фракционированию, пропуская через колонку, заполненную полистиролсульфонатной катионообменной смолой, поперечно сшитой с 3,5% дивинилбензола, в форме соли щелочноземельного металла, со скоростью от 16 до 17 л/ч на 1 м сечения колонки. Как правило, высота колонки примерно 2,5 - 5 м. Раствор ксилозы высокой степени чистоты можно использовать в качестве источника ксилозы в виде водного раствора или ксилозу можно кристаллизовать из этого раствора. Предлагает мй способ дает возможность получать раствор ксилозы достаточно высокой степени чистоты для гарантированного его гидрирования в

ксилит в 1 - умышленном масштабе. Исхоное сырье представляет собой предпочтительно лигноцеллюлозу, включая древесину различных видов деревьев, например березы и бука. Можно использовать также овсяную шелуху,кукурузУ ные кочерыжки и стебли, кокосовую скорлупу, миндальную шелуху, солому, багассу и отходы семян хлопчатника. При использовании древесины ее предпочтительно измельчают до достояния щепы, стружки, опилок и т.п.

Исходное сырье подвергают гидролизу таким образом, чтобы получить максимальный выход пентоз; полученный раствор нейтрализуют, применяя вещества, не вызываю 1дие разложения Сахаров, например гидроокись натрия

Следующей стадией предлагаемого способа является стадия очистки продуктов гидролиза. Эта стадия включает две основные стадии а именно удаление соли - сульфата натрия и большей части органических примесей и окрашивающих веществ путем применения методики исключения ионов, причем вторая стадия способствует окончательному удалению окрашивающих веществ. Методика исключения ионов позволяет удалять соль из раствора, и подобные процессы обычно используют в сахарной промышленности для очистки мелассы.

После завершения стадии удаления соли раствор все еще содержит некоторое количество органических и неорганических примесей. Их удаляют на .стадии удаления красящих веществ путем обработки загрязненных растворов ионообменными системами, содержащими сильный катионообменный материал, а затем слабым анионообменным материалом, после чего осуществляют стадию пропускания раствора через адсорбент или через слой активированного угля.

Стадия очистки моххет быть еще более усовершенствована, если это необходимо, введением стадии с применением синтетического макроячеистого адсорбента, например Амберлита ХАД для удаления органических примесей. Макроячеистый адсорбент можно использовать на стадии очистки сразу же после стадии исключения ионов, но перед стадией катионного обмена. По альтернативному варианту она может ооставлять заключительную стадию процесса очистки.

Очищенный раствор пентоз, полученный на стадии очистки, можно за.тем использовать для извлечения кси, лозы путем хроматографического фракционирования с получением раствора высокой степени чистоты в отношении ксилозы, после чего осуществляют кристаллизацию. Пентозные мелассы, представляющие собой неразделенные фракции, можно подвергать последующему хроматографическому фракционированию для выделения одного или нескольких других Сахаров, присутствующих в этом продукте. Их можно также применять в качестве источника углеводов для ферментативных процессов.

Пример 1. Для получения ксилозы по способу согласно изобретению используют березовую древесину в виде стружки.

Березовые стружки в количестве, обеспечивающем получение 1000 г сухого вещества, подвергают гидролизу с применением серной кислоты и получают смесь гидролизата и древесной массы, содержащей в общей сложности 204 г ксилозы. Эту массу удаляют из гидролизата и либо отбрасывают, либо используют для других целей. Остаток гидролизата,содержащий 204 г ксилозы, нейтрализуют едким натром с получением гидролизата, содержащего 204 г ксилозы, 110 г органического материала, включая ксилозу, и 67 г неорганического материала. Гидролизат затем нагревают для удаления нежелательной уксусной кислоты и воды, а затем подвергают стадии удаления солей путем исключения ионов и очистки пропусканием раствора последовательно через слои сильного катионообменного материала и слабого анионообменного материала. При этом 14 г ксилозы вместе с большей частью неорганического материала и некоторым количеством органического материала удаляют и отбрасывают в солевую фракцию. Сахарную фракцию, содержащую большую часть ксилозы вместе с частью органических примесей и с небольшим количеством органических примесей, снова упаривают для удаления дополнительного количества воды.

Полученный в результате концентрированный раствор Сахаров пропускают для удаления красящих веществ через слой активированного угля. Очищенный, таким образом раствор содержит 181 г ксилозы с 40 г органического материала.

Обогащенный ксилозой раствор подвергают очистке хроматографическим Фракционированием с последующей кристаллизацией. Очищенный раствор пентоз содержит, кроме ксилозы, некоторые сахара и может быть в значительной степени обогащен ксилозой с использованием способа хроматографического фракционирования. Применяют хроматографическую колонку, заполненную катионообменным материалом сильнокислого характера в виде сульфонйрованного полистирола, сшитого 3,5% дивинилбензола, в стронциевой форме. Высота колонки 1, О м, диаметр 9,4 см Смолу погружают в воду. В качестве исходного раствора используют раство пентоз ,содержглий 25% сухого остатка

следующего состава, % (в расчете на сухой остаток):

Ксилоза 73

Арабиноза 6,1

Манноза 9,0

Галактоза 5,1

Глюкоза 6,8

Раствор равномерно подают через верх колонки со скоростью 27 мл/мин до тех пор, пока в колонку не загружены все 60 г твердых частиц. Первые 108 мл материала, проходящег через колонку и содержащего преимущественно воду, которая находилась первоначально в колонке, отбрасывают. Анализ последующих фракциs показан в табл,1.

При соединении фракций 6,7 и В получают раствор, содержащий ксилозу со степенью чистоты 89%. Эту обогащенную ксилозой фракцию можно использовать для получения чистой кристаллической ксилозы. Обога1иенный ксилозой раствор, получаемый соединением фракции 6,7 и 8, можно (по альтернативному варианту) гидрировать с получением относительно чистого раствора ксилита. Можно также кристаллизовать ксилозу из неочищенного раствора, например из исходного раствора, применяемого выше в этом примере, после чего можно Фракционировать сахара, остающиеся в сиропе,, посредством хроматографии с применением ионообменных смол. Фракцию,обогащенную ксилозой, рециркулируют на стадию кристаллизации. Также можно получить другие пентозы и гексозы из соответствующих фракций, а остаточные фракции можно вводить в мелиссы из пентоз.

Пример 2. Обогащенный ксилозой раствор, полученный гидролизом березовой древесины с последующим удалением солей и красящих веществ по методике примера 1, подвергают дальнейшей очистке хроматографическим Фракционированием на колонке с ионообменной смолой по методике, описанной ниже. Раствор, обогащенный ксилозой, имеет по данным газохроматографического анализа следующий состав , %:

Арабиноза 6

Ксилоза 78

Манноза 6,5

Галактоза 5

Глюкоза 4,5

В качестве смолы используют катионообменнун) смолу сильно кислого характера, представляющую собой сульфонированный полистирол,сшитый 3,58; дивинилбензола, причем смола находится в кальциевой форме. Средний размер частиц смолы 0,32 мм. Разделение осуществляют при . Высота колонки 350 см, диаметр

22,5 см.Колонку погружают в воду. Обся ащенный раствор подают в колонку с постоянной скоростью 17 л/ч. Всего в колонку подают 4 кг твердого материала в виде раствора, содержащего 26% твердых частиц.

Первый поток, вытекающий из колонки, в количестве примерно 88 л, содержащий в основном воду, отбрасывают. Затем собирают и анализируют последующие фракции. Состав этих -фракций приведен в табл.2.

Фракции 3-6 соединяют, цолучая 35 л раствора, обогар енного ксилозой/ следукяцего состава, г: Арабиноза

Ксилоза2433 (85%)

Манноза240

Гаипактоза108

ГлюкозаS3

Пример 3. Раствор, обогащенный ксилозой, полученный гидролизом древесины березы с последующими протессами удаления солей и удаления красящих веществ, описанными вЬяие, подвергают дальнейшей очистке хроматографическим фракционированием на колонке с ионооОменной смолой, как описано ниже. Со:-тав твердых веществ раствора, обога1ченного ксилозой, определенный по данным газохроматографического анализа, следующий, %: Арабиноза 6,5 Ксилоза 77 Манноза7

Галактоза 4 Глюкоза5,5

В качестве смолы используют катионообменную смолу сильно кислого характера, т.е. сульфонированный полистирол, сшитый 2,5% дивинилбензола, причем смола находится в стронциевой форме. Средний размер частиц смолы 0,32 мм. Разделение осуществляют при 51°С. Длина колонки 350 см, диаметр 22,5 см. Колонку погружают в воду. Обогащенный ксилозой раствор подают

в колонку с постоянной скоростью 15 л/ч. Общее количество твердых веществ, подаваемое в колонку, составляет 4 кг в виде раствора с со.держанием твердых веществ 28%).

Первый поток, вытекающий из колонки, в количестве 88 л, содержащий преимущественно воду, отбрасывают. Затем последующие фракции собирают и подвергают анализу. Полученные результаты приведены в табл.З.

Фракции 3-6 собирают, получая 35 л обогащенного ксилозой раствора слеЛУЮЩего состава, г :

Арабиноза

Ксилоза 2385 (90%)

Манноза124

Галактоза 48 Глюкоза82

Таблица 1

-Таблица 2

8

66 99 66

Формула изобретения

Способ получения ксилозы путем кислотного гидролиза пентозансодержапего сырья, нейтрализации, фильтрации, обессоливания и обесцвечивания полученного гидролизата, отлчающийся. тем,что, с целью упрощения процесса и повышения качества целевого продукта,очищенный гидролмзат, содержащий от 25 до 28 вее.% сахароз, подвергают хроматографическому фракционированию,

Таблица 3

пропуская через колонку, заполненную полистиролсульфонатной катионообменной смолой, поперечно сшитой с 3,5% дивинилбензола, в форме соли щелочноземельного металла, со скоростью от 16 до 17 л/ч на 1 м сечения колонки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции № 2047193, кл. С 13 К 9/00, опублик.1971 fnpoтотип).