Способ гидролиза растительного сырья

 

СПОСОБ-ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, включающий обработку измельченного исходного материала под давлением в присутствии катализаторов , о тлича ющийся тем, что, с целью повьппения степени гидролиза, обработку сырья проводят при давлении 1-2 ата во вращающихся электромагнитных полях, создаваемых встречно бегзга(имк электромагнитными волнами, генерируемыми с частотой 50-2000 Гц, при напряженности поля 100-10000 Э. (/) ;о со sl со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

COLLHAËÈÑÒИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGKOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3280103/30-15 (22) 06. 02. 81 (46) 23. 12.85. Бюл. Ф 47 (7 1) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (72) В.Г.Попов, Б.С.Ксенофонтов и П.А.Смыслов (53) 542.93:636.086(088.8) (56) 1. Котовский Л.В. Древесина как кормовой продукт. Л.: 1934, с. 34-40.

2. Патент. США И - 3990945, кл. 195-33, 1976.

3. Заявка ФРГ У 2541! 19, кл. С 13 К 1/02, 1979.

4. Патент СССР N - 651652, кл. А 23 К 1/12, 1979.

„„SU„„11 9797 (51)4 С 13 К 1 02 А 23 К 1/12 (54) (57) СПОСОБ ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬ

НОГО СЫРЬЯ, включающий обработку измельченного исходного материала под давлением в присутствии катализаторов, отличающийся тем, что, с целью повышения степени гидролиза, обработку сырья проводят при давлении 1-2 ата во вращающихся электромагнитных полях, создаваемых встречно бегущими электромагнитными волнами, генерируемыми с частотой 50-2000 Гц, при напряженности поля 100-1ОООО Э.

Изобретение относится к гидролизу растительного сырья и может быть использовано в микробиологической, химической, пищевой и других отраслях промьппленности, где могут найти применение гидролизаты растительного сырья и другие продук. ты гидролиза.

Известен способ гидролиза растительного сырья, который предусматривает измельчение исходного сырья (таких как древесное сырье, отходы древесины, солому, кукурузную кочерыжку)), кислотную, щелочную или ферментативную обработку при 110i135 С под давлением 3-7 ата до осахаривания целлюлозы Я .

Существенным недостатком известного способа является проведение процесса при повышенных давлениях, приводящих к усложнению аппаратурного оформления и, как следствие, к уДорожанию процесса.

Известен фермантативный способ гидролиза растительных целлюлозосодержащих материалов, предусматривающий расщепление целлюлозы до водорастворимых сахаров с помощью целлюлолитического фермента, полученного при культивировании целлюлолитического микроорганизма при давлении 2-4 ата, а также разделение стадий приготовления фермента и гидролиза и использования для гидролиза целиком культуральной массы целлюлолитического микроорганизма без фракционирования на компонен- . ты j2) .

Известный способ не позволяет провести глубокий гидролиз при повышенных давлениях. !

Известен также способ гидролиза растительных веществ, содержащих полисахариды, путем кислотного гидролиза при повышенных температурах и давлении. Сырье непосредственно перед входом в реактор обрабатывают концентрированной кислотой. Гидролиз проводят непрерывно в две стадии в одном реакторе. Первую стадию проводят в верхней части реактора в паровой фазе обработкой.концентрированной кислотой и парами воды, при этом пентозан превращается в фурфурол, уксусную кислоту„ метанол и ацетон, а гексозан расщепляется в ди- и трисахариды. Вторую стадию проводят в нижней части

Кислотным катализатором может служить любая нетоксичная кислота (фосфорная, уксусная, угольная, соляная, серная, сернистая). Она должна находиться 2-3 ч при нормальном давлении и окружающей температуре в контакте с кормом, чтобы осуществить полное насыщение органических частиц.

1199797 2 реактора в жидкой фазе обработкой разбавленной кислотой и парами воды, при этом ди- и трисахариды, получаемые в первой стадии, расщепляются до моносахаридов и, кроме того образуются сахарные и жирные кислоты

Проведение гидролиза по данному способу, в частности при обработке

10 березовой щепы (с содержанием целлюлозы 727, влаги 157), при 185 С и давлении 11 ата в течение 30 мин позволяет расщепить 91,57 содержащейся в сырье целлюлозы и получить

15 16,97. фурфурола, 12,27. органических кислот, а также 20,57 моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье j3) .

Недостатком известного способа

20 является небольшая глубина расщепления содержащейся в сырье целлюлозы при большом избыточном давлении.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является спо25 соб гидролиза грубых кормов, включающий кислотный гидролиз исходного сырья при избыточном давлении и повы. шенной температуре в присутствии ферромагнитного катализатора для

З0 разрушения лигнин-целлюлозных связей и осахаривания сырья..

В качестве исходного растительного сырья используют кочерыжки кукурузных початков, стебель кукурузы, солому злаковых культур (пшеницы, овса, риса), древесину и древесные отходы и т.д. Исходный материал предварительно измельчают до частиц, максимальный размер которых составля40 ет не более 0,6 см. Для этого материал сначала направляют в дробилку, затем в смесителе частицы органического материала перемешиваются с водной суспензией, содержащей метал45 лический и кислотный катализаторы.

В качестве металлического катализатора используют железо или марганец или производные этих металлов в количестве 0,47. от веса сухого корма.:

1199797

Указанная цель достигается тем, что гидролиз растительного сырья проводят во вращающихся электромагнитных полях, создаваемых встречно бегущими электромагнитными волнами с частотой 50-2000 Гц прн.напряженности. поля 100-10000 Э и избыточном давлении 1 0 — 2,0 ата, при этом в область действия поля помещен ферромагнитный катализатор.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

55

Смешивание растительного корма с кислотой проводят в соотношении

40:бО (вес.Х). Конечный продукт пос. ле нейтрализации высушивают. Затем смесь поступает на стадию окисления, где она подвергается окислению при повышенном давлении и температуре в присутствии кислорода в течение 12-20 мин. Температура поддержи" вается в пределах 105 110 С, давле- .1О о ние составляет 10;5 кг/см, чтобы обеспечить приблизительно 1,2—

2, 1 кг/см избыточного парциального давления кислорода.

Количество кислорода, которое 15 необходимо для реакции со смесью на стадии окисления, составляет

3,75-5 вес.Х от веса сухого растительного органического материала.

Окисленная смесь подается затем 2О на гидролиз, который ведут до осахаривания целлюлозы. Далее смесь у гидролизного аппарата поступает на нейтрализацию кислотных катализаторов до рН 5,5, которая осуществля- 25 ется различными веществами, однако предпочтительно используется амми.ак, В результате получают раствор с высоким содержанием питательных веществ, который используют для кормления без дополнительной обработки. Если продукт предназначен для перевозки или хранения, необходимо его высушивание Я .

Существенным недостатком извест35 ного способа является проведение обработки грубых кормов при повышенном давлении, что усложняет про-. цесс, при этом степень гидролиза является невысокой и выход сахаров незначительный.

Цель изобретения — уменьшение величины избыточного давления н повышение выхода сахаров за счет увеличений степени гидролиэа.

Исходное растительное сырье, в частности солому злаковых культур, кукурузную кочерыжку, древесные опилки, предварительно измельчают обычным путем до частиц размером

0,1-1,0 мм. Затем частицы растительного материала перемешивают с.водной суспенэией, содержащей металлический и кислотный катализаторы. В. качестве катализатора используют преимущественно железо или марганецв виде частиц размером О, 1-1,0 мм.

Количество катализатора составляет

0,1-0,3% от сухого веса растительного сырья.

В качестве кислотного катализатора . используют фосфорную, соляную, серную и сернистую кислоты. Кислота должна находиться 2-3 ч при нормальном давлении и окружающей температуре в контакте с кормом, чтобы осуществить полное насыщение органических частиц.

Затем смесь поступает в зону действия вращающихся электромагнит ных полей, создаваемых встречно бегущими электромагнитными волнами с частотой 50-2000 Гц и напряженностью поля 100-10000 3 при давлении 1,0—

2,0 ата и температуре 120-150 С в течение 7-40 мин, где подвергается одновременно окислению и гидролиэу..

В зону действия поля могут быть также помещены ферромагнитные частицы размером 1,0-10 мм покрытые пластмассовой оболочкой и выполняющие функцию перемешивающих элементов.

После окисления и гидролиза смесь поступает на нейтрализацию кислотных катализаторов, которая осуществляется различными веществами, однако предпочтительно используется аммиак.

В результате обработки растительного сырья по данному способу получают раствор, содержащий 15-20Х фурфурола, 11-14Х органических кислот, 18-22Х моносахаридов в пересчете на содержание. целлюлозы в сырье.

Если продукт предназначен для перевозки или хранения, необходимо его высушивание. Высушенный продукт упаковывается, например, в мешки или собирается в большие емкости, удобные для перевозки.

На фиг. 1 изображена схема применяемой .установки, разрез, на фиг. 2 — то же, вид сбоку.

1199797 4

Пример 1. Пшеничную солому измельчают до частиц размером

0 2 мм и подвергают щелочному гидо ролизу при рН 11,5, при 120 С и давлении 1,4 ата в течение 16 мин при воздействии электромагнитных полей частотой 625 Гц и напряженностью поля 4850 Э.

Проводят обработку по предлагаемому способу. Выход редуцирующих веществ составляет до 10,2Х от сухого веса соломы. . Пример 2. Пшеничную солому измельчают до частиц размером

1,0 мм и подвергают ферментативному гидролизу при рН 4,5, при 45 С и давлении 1,2 ата в течение 20 мин с наложением электромагнитных полей частотой 400 Гц и напряженностью поля .8000 Э.

В качестве фермента добавляют пектофоэтидин в количестве 0,1Х к сухому весу соломы.

Проведение обработки по данному способу позволяет получить выход редуцирующих веществ до 11,0Х от сухого веса соломы.

Пример 3. Пшеничную солому измельчают до частиц размером

0,8 мм и подвергают кислотному гидролизу при 110 С и давлении 1,5 ата в течение 20 мин при воздейств2щ электромагнитных полей частотой

1025 Гц и напряженностью поля 5050 Э

Проводят обработку по предлагаемому способу..Выход редуцирующих веществ до 11,3Х от сухого веса соломы.

Пример 4. Предварительно измельченное до размеров 10-20 мм древесное сырье (смесь березы и сос55

5 установка содержит сосуд 1 для проведения гидролиза, размещенный между индукторами 2.

В пространстве между двумя плоскими индукторами в результате сложения .двух бегущих электромагнитных полей создается результирующее вращаЮщееся электромагнитное поле.

Для получения вращающихся электро-. магнитных полей различной частоты индукторы подключают к преобразователям частоты. Изменение напряженности электромагнитного поля достигается как варьированием тока в обмотках индуктора, так и расстоя нием между индукторами. ны в весовом соотношении 1:2) гомогенизируют до коллоидных размеров, Затем частицы растительного сырья перемешивают с водной суспензией, 5 содержащей металлический и кислотный катализаторы.

В качестве катализатора используют марганец в количестве 0,2Х от сухого веса растительного материала.

10 В качестве кислотного катализатора используют серную кислоту при соотношении сырья и кислоты, равном

35:65 (вес.Х). Затем смесь подвергают окислению и гидролизу с одно15 временным воздействием наложенных вращающихся электромагнитных полей, создаваемых встречно бегущими электромагнитными полями частотой 50 Гц и напряженностью поля 100 Э, при

20 давлении 1,0 ата и температуре

135 С в течение 25 мин. В зону действия поля помещают покрытые пластмас совой оболочкой ферромагнитные частицы размером .3,0 мм. Время обработки

25 смеси в электромагнитном поле 12 мин, Смесь иэ окислителя-гидролизатора поступает на нейтрализацию кислотных катализаторов, которую осуществляют аммиачной водой до доведениярН 6,030 7,0. Проведение обработки по предлагаемому способу позволяет расщепить

94,8 содержащейся в сырье целлюлозы и получить 18,1Х фурфурола. 13,4Х органических кислот, а также 21,8Х

35 моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье.

Пример 5. Древесное сырье (смесь березы и сосны в весовом соотношении 1:2) подвергают технологической переработке аналогично примеру 1, за исключением того, что час . тота электромагнитного поля составляет 1025 Гц, а напряженноств поля

5050 Э.

45 Проведение обработки по предлагае. мому способу позволяет расщепить

97,2Х содержащейся в сырье целлюлозы и получить 19,3Х фурфурола, 15,2Х органических кислот, а также 22,5Х моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье.

Пример 6. Древесное сырье (смесь березы и сосны в весовом соотношении 1:2) подвергают технологической переработке аналогично примеру 1-2, за исключением того, что частота электромагнитного поля

Сырье предлагаемому известному

Выход реду цирующих:. веществ, Ж

Количество расщепившейся целлюлоsbt X

Выход редуцирую щих веществ, Ж во расщепившейся целлюлозы, %

10,8

6,6

Пшеничная солома

23,1

97,7

14 1

81,2

Древесное сырье

Таблица 2 предлагаемому известному

40,3

52Ф1

20:1

25:1

54,8

42,4

56,3

43,2

30:1

58, 7

46,1

35:1

45,6

58,9

38:1

7 1 составляет 2000 Гц, а напряженность поля.30000 Э.

Проведение обработки по предлагаемому способу позволяет расщепить

95,1% содержащейся в сырье целлюлозы и поЛучить 18,7% фурфурола, 14,2% органических кислот, а также 22,0% моносахаридов в пересчете на содержание целлюлозы в сырье.

Положительный эффект предлагаемол Л го способа состоит в повышении сте пени расщепления целлюлозы., а также в увеличении выхода фурфурола, органи-. ческих кислот и моносахаридов при снижении давления в 3-9 раз.

В табл. 1 приведены сравнительные данные проведения гидролнза

Весовое соотношение древесные опилки. отходы производства переработки льна

199797 8 древесины и соломы по,предлагаемому и известному способам.

При использовании предлагаемого

-способа значительно увеличивается

5 выход редуцирующих веществ и количество расщепившейся целлюлозы, что повышает, наприиер, .технологические показатели процесса выращивания гидролизных дрожжей, используемык в

r0 качестве кормовой добавки. В табл. 2 приведены сравнительные данные получения кормовых дрожжей на гидролизате смеси древесных . опилок и отходов, производства пере, 15 работки льна в весовом соотношении . соответственно 38: 1 — 20: 1 по предлагаемому и известному способам., Таблица

Проведение гидролиза но способу

Выход дрожжей = Х, по спо<;обу

119979?

Заказ 7795/30

Тираж 363 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Л.Мурая

Редактор Н.Гунько Техред З,Палий Корректор А.Тяско