Способ гидролиза пентозансодержащего растительного сырья Советский патент 1982 года по МПК C13K1/02 

(54) СПОСОБ ГИДРОЛИЗА ПЕНТОЗАНСОДЕРЖАЦЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

1

Изобретение относится к гидролизной и микробиологической промышленности, а именно к способу гидролиза растительного сырья, такого как хлопковая шелуха, кукурузная кочерыжка, подсолнечная, хлопковая и рисовая лузка, солома, лиственная древесина (береза, осина) и др., используемых для производства кристаллического ксилита, кормовых дрожжей и др. продуктов.

При производстве кристаллического ксилита растворы пентозных Сахаров проходят сложную технологию очистки их от различных примесей, образующихся как за счет растворения неуглеводных компонентов клеточной стенки, так и за счет частичного разложения Сахаров и конденсации продуктов многокомпонентной системы пентозного гидролизата.

В производстве дрожжей используют растворы гексозных Сахаров, которые также подвергают очистке для снижения содержания в них ингибиторов роста дрожжей.

Себестоимость кристаллического ксилита и дрожжей сравнительно высокая, что определяется в значительной степени технологией гидролиза сырья, а также способами очистки растворов Сахаров.

В связи с этим большое значение

10 приобретает вопрос совершенствования технологии получения кристаллического ксилита и кормовых дрожжей для интенсификации процессов гидролиза, улучшения качества растворов

ts и повышения выхода пентозных Сахаров.

Сырье, богатое пентозанами, например, хлопковую шелуху вначале обл агораживают (очищают) от примесей,

20 а затем проводят гидролиз пентозанов для получения пентозных Сахаров, а далее гидролиз целлюлозы для получения г-оксозных Сахаров. 39 Известен способ гидролиза растительного сырья с использованием низкотемпературных режимов пентозно го гидролиза, осуществляемый при 100°С, При этом температура процесса в промышленном реакторе достигае ся и поддерживается в зоне реакции путем подачи острого пара при 250300°С. По окончании гидролиза пентозано выводят образовавшиеся сахара и далее сырье нагревают острым паром до температуры гидролиза 170-180 С, а затем проводят перколяционный гек созный гидролиз 1J , Недостатком такого способа является то, что прогрев сырья острым паром создает условия неравномерной его отработки, поскольку пар поступает снизу с температурой 250-300 С и в зависимости от плотности сырья, размера частиц и др. факторов проходит с различной скоростью. Применение острого пара для прогрева приводит также к деструкции нижних слоев сырья и ухудшению его фильтрующих свойств. Одновременно часть пара конденси руется в сырье и это приводит к повышенному содержанию жидкости в сырье и разбавлению серной кислоты При гидролизе,.а также снижению концентрации сахара в капиллярной структуре материала. Продолжительность процессов гидролиза ТЗ-15 ч. Повышенная температура в нижних зонах сырья создает возможность образования фурфуролапри пентозном гидролизе и его увеличенное содержание в пентозном гидролизате, а также в первых фракциях гексозного гидролизата. Деструкция сырья также приводит снижению качества гексозного гидролизата из-за большой длительности его пребывания в зоне реакции в свя зи с плохой выдачей его из аппарата Для улучшения качества раствора пентозного сахара и интенсификации процесса гидролиза известно использование способа гидролиза раститель ного сырья с применением горизонтал ной пер оляции, которая предусматри вает удлинение фильтрующих труб, а также удлинение трубы, подающей рас воры, и различное ее расположение в аппарате, что должно обеспечить изменение направления масти Г1ОТ1-1КЛ из в(--.рт икального в гс)ризонтг1льный 2 j . Однако при этом пар неравномерно прогревает сырье и температура пентозного гидролиза снижается. Это приводит к снижению выхода Сахаров и ухудшению качественных показателей растворов. При гексозном гидролизе отмечается меньшая деструкция сырья и в связи с этим меньшее загрязнение раствора сахара, частично уносимым целлолигнином и лигнином. Однако процесс не нашел практического применения из-за трудностей в аппаратурном оформлении. Известен также способ получения Сахаров из пентозансодержащего сырья, согласно которому сырье предварительно очищают кислотой, экстрагируют примеси водой и ведут пентозный гидролиз в две стадии в стационарных условиях, сначала в паровой фазе при 100-130°С в течение 30-60 мин, и концентрации серной кислоты 0,5 2,5% а затем при 70-130°С в течение 30-90 мин, и концентрации серной кислоты 0,,2%, после чего проводят гексозный гидролиз и отбор как пентозного, так и гексозного гидролизатовНедостатками такого способа гидролиза растительного сырья являются длительность процесса, а также значительное содержание фурфурола в пентозном гидролизате. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ гидролиза пентозансодержащего растительного сырья, предусматривающего очистку сырья путем смачивания его 6-20%-ным раствором серной кислоты при температуре не более 120°С, экстракцию образовавшихся при этом солей водой, в гидролизаппарате, затем не прекращая выдачу экстракта осуществляют подачу 1-2 -ного раствора серной кислоты для проведения процесса гидролиза при постепенном нагревании массы от 110-120 до ЙОС, отбор экстракта прекращают через 30-50 мин. и производят выдачу пентозного гидролизата. Отобрав 3-4гидромодуля пентозного гидролизата ведут отбор гексозного гидролизата при дальнейшем постепенном нагревании гидролизуемой массы от ДО 200 с. В последние 30-50 мин варки подают только воду для оТмывки лигнина от кислоты и Сахаров. Отбор гидролизата и подачу серной кислоты осуществляют непрерывно.При этом общая продолжительность процес сов очистки пентозного и гексоэного гидролиза 12-13 ч, а пентозного гид ролиза Ц-5 ч + . Выход пентозного сахара 19-20% при содержании фурфурола в пентозно гидролизате 1 ,5-2,0% от РВ. Так как при введении раствора серной кислоты в начальной стадии ее подается 35% от общего количества подаваемого на гидррлиз, а температура постепенно изменяется от 100 до в течение ЦО-бО мин, то на данной операции не достигается максимального образования сахара и только при дальнейшем перколяцион ном пентозном гидролизе завершается полное образование пентоз при одновременном выведении их из сферы реакции. В связи с этим процесс пентозног гидролиза длителен и сахара, находясь в зоне реакции, могут подвергаться частичному разрушению до фур фурола , что ухудшает в последующем переработку растворов пентоз на последующих стадиях в производстве ксилита. Одновременно длительность процес са влияет на структуру сырья, вызывая деструкцию материала и ухудшени условий получения высокого качества гексозных гидролизатов. Цель изобретения - ускорение про цесса и улучшение качества пентозного гидролизата. Поставленная цель достигается те что согласно способу гидролиза пентозансодержащего растительного сырь предусматривающем предварительную очистку его раствором серной кислоты, экстракцию примесей водой, гидролиз серной кислотой и отмывку пол ченных сахароз, гидролиз предварите но очищенного сырья проводят при не прерывной подачи 1,0-5 0%-ного раст вора серной кислоты при гидромодуле 0,8-2,5 и температуре 100-135 С с одновременной выдачей капиллярно впитанного сырьем экстракта и после дующего дополнительного капиллярног при 100-125С в течение 20-60 мин, при этом процесс гидролиза ведут при гидромодуле 1-3Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Исходное сырье, например, хлопковую шелуху, очищают путем смачивания 2-1511-ным раствором серной кислоты при 20-50 С и далее экстрагируют примеси водой при 70-120 С и доводят содержание жидкости в сырье до объема заполняющего только поликапиллярную структуру материала или до гидромодуля 1-3. Затем сырье обрабатывают 1,05,0%-ным раствором серной кислоты путем подачи ее при 100-135 С в количестве 0,8-2,5 гидромодуля и одновременной выдачи в том же количестве остаточной жидкости до полного ее замещения катализатором. При этом сырье равномерно прогревается до температуры гидролиза и одновременно осуществляется процесс образования моносахаров и диффузии их в капиллярно впитанную жидкость. Это позволяет совмещенно производить процесс равномерного введения катализатора в капилляры сырья и нагрев его до температуры реакции. В течение 20-60 мин осуществляют последующий дополнительный капиллярный гидролиз при 100-120°С. При этом завершается максимальное образование пентозного сахара и равномерное его распределение в капиллярной структуре по всему объему. Далее проводят отмывку Сахаров в течение 30-90 мин. при 20-120 С водой или водой в сочетании с рециркулирующим раствором сахара, полученном на первой стадии, а также при промывке. При этом продолжительность пентозного гидролиза снижается на 25 kO%, содержание фурфурола в гидролизате уменьшается в 2- раза, а выход пентозного сахара от массы сырья повышается на 5-10%. Пример 1.100 г хлопковой шелухи, предварительно очищенной путем обработки ее раствором серной кислоты и экстракцией примесей водой, гидролизуют при гидромодуле 2. Для этого сначала в течение 60 мин подают 5,0%-ный раствор серной кислоты при в количестве 1,2 гидромодуля и рдновременно в том же количестве выделяют капиллярно впитанный сырьем раствор, затем проводят дополнительный капиллярный гидролиз при 100 С в течение 60 мин.При этом осуществляется в капиллярах максимальное образование Сахаров, которы выводят в течение 60 мин при 120°С рециркулирующим раствором, полученным на первой стадии, а затем водой Время,пентозногогидролиза3 ч. Со держание фурфурола в пентозном гидролизате 0,5% от сахара, а выход пентоз 21% от массы сырья, П,р и м е р 2. 100 г кукурузной кочерыжки, предварительно очищенной путем обработки ее раствором серной кислоты и экстракцией примесей водой, гидролизуют при гидромодуле 3. Для этого сначала подают рас твор серной кислоты при 125 С в течение 60 мин. в количестве 2,5 гидромодулей и одновременно выдают из сырья капиллярно впитанный раствор в том же количестве. При этом сырье нагревается до температуры реакции и достигается равномерное распредел ние катализатора в капиллярной стру туре материала, это обеспечивает ча тичное образование моносахаров.Дале производят капиллярный гидролиз в течение 40 мин при 120 С. При этом завершается образование пентозных Сахаров и далее их выводят в течение 90 мин при 80-100 С водой или рециркулирующим раствором-сахара, полученного на первой стадии гидролиза и в конце промывки сырья. Врем пентозного гидролиза 3 ч. При этом содержание фурфурола в пентозном гидролизате 0,61, а выход пентозного сахара 35.8%,, Пример 3 50 г хлопковой лузги предварительно смачивают 10%-ным раствором серной кислоты пр 20-25 С и гидромодуле 0,3. Затем смоченное сырье обрабатывают водой при ЮоРс. Далее проводят гидролиз очищенного от примесей сырья при гидромодуле 1, для чего сначала осуществляют подачу 1,0 -ного раствора серной кислоты в течение 50 мин при 135С в количестве 0,8 гидромодулей и одновременно вытесняют капиллярно впитанный раствор из сырья в том же количестве Затем проводят дополнительный капиллярный гидролиз в течение 20 мин при 1251АО С. Образовавшиеся сахара выводят водой из зоны реакции при 100 С в течение 60 мин. Время пентозного гидролиза 2 ч 10 мин. При этом содержание фурфурола в пентозном гидролизате 0,, а выход пентозного сахара Зв. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает снижение времени пентозносо гидролиза на , содержание фурфурола в пентозном гидролизате уменьшается в 2-4 раза, а выход пентозного сахара повышается на 5-10: Поскольку осуществляют совмещение процессов введения катализатора в поликапиллярную структуру материала и нагрева его до температуры гидролиза,то обеспечивается ускорение процесса пентозного гидролиза и улучшаются условия равномерного протекания процессов. Проведение дополнительного капиллярного гидролиза без подачи нижнего пара обеспечивает снижение содержания фурфурола при сохранении пентоз от разрушения, что приводит к повышению выхода пентозных сахароз. Одновременно достигается сохранение структуры материала от деструкции и лучшая фильтрация сырья при пентозном и гексозном гидролизе,что обеспечивает получение более доброкачественных растворов для производства кормовых дрожжей, По предварительным расчетам эффективность внедрения предлагаемого способа гидролиза пентозансодержащего сырья на гидролизных заводах Средней Азии благодаря снижению времени пентозного гидролиза, уменьшению содержания фурфурола и повышению выхода пентозного сахара, составит около 200 тыс.руб.. Формула изобретения Способ гидролиза пентозансодержащего растительного сырья, предусматриваю(|ий предварительную очистку его раствором серной кислоты, экстракцию примесей водой, гидролиз серной кислотой и отмывку полученных Сахаров, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса и улучшения качества пентозного гидролизата, гидролиз предварительно очищенного сырья проводят при непрерывной подачи 1 ,0-5,0-i-ного раствора серной кислоть при гидромодуле 0,8-2,5 и температуре 100-135°С с 9 92007 одновременной выдачей капиллярно впитанного сырьем экстракта и последующего дополнительного капиллярного гидролиза при 100-125 С в течение 20-60 мин, при этом процесс гидро- 5 лиза ведут при гидромодуле 1-3. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 110 1 . Гидролизная и лесохимическая промышленность, 952, № 1, с.57. 2. Гидролизная и лесохимическая пррмышленность, 1956, Ь t, с. 7-Э. 3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2/23175/28-13, кл. С 13 К 1/02, 1979. . Авторское свидетельство СССР № 326219, кл. С 13 К 1/02, 1968.