Способ получения растворов моносахаридов

 

СОЮЗ CQBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

gag С 13 К 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЮ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОИГФ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

7 с

М

1 (21} 3806452/28-13 (22) 29.10.84 (46) 30.08.86. Бюл. 9 32 (71) Северо-Кавказский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института гидролиэа (72) А.И. Филатова, Б.А. Глазман, Н.Д. Хоменко и Ю.С. Еременко (53) 633 ° 534(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 407873, кл. С 13 К 1/02, 1971.

Авторское свидетельство СССР

9 834127, кл. С 13 К 1/02, 1979. (54)(57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРОВ

ИОНОСАХАРИДОВ, предусматривающий непрерывный двухстадийный гидролиз пульпы растительного сырья кислотным

„SU„„1254013 А1 агентом под воздействием температуры с последующим разделением гидролизата и лигнина, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса гидролиэа, снижения энергозатрат и расхода кислоты, первую стадию гидролиза проводят при температуре от

170 до 240 С, концентрации кислоты от 0,1 до 0,5Х в течение от 0,5 до

5 мин, причем s качестве кислотного агента на первой стадии используют гексозный гидролиэат с температурой от 190 до 270 С, полученный на второй стадии, а концентрация пульпы растительного сырья на первой стадии составляет от 8 до 15Х сухих ве- Э ществ, а на второй — от 5 до 7Ж.

3 125

Изобретение относится к гидролизной промышленности, преимущественно к получению моносахаридов путем гицролиза растительного сырья минеральными кислотами с последующей переработкой сахаров на ксилит, фурфурол, кормовые дрожжи и другие продукты.

Целью изобретения является ускорение процесса гидролиза, снижение энергозатрат и расхода минеральной кислоты.

Способ получения растворов моносахаридов осуществляют следующим образом.

Растительное сырье измельчают до частиц размером от 0 5 до 1 мм и приготавливают пульпу с содержанием сухих веществ от 8 до 157. (гидромодуль от 6,1 до 12,5) путем смешения измельченного сырья с гексозным гидролизатом, полученным на II-й стадии гидролиза, причем гексозный гидролизат имеет температуру от f90 до

270 С, так как разделение его с лигнином после II-й стадии (гидролиза целлолигнина) происходит при темпера туре реакции и тепло, затраченное на осуществление ХХ-й стадии гидролиза, сохраняется.

В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура. снижается ро

170-240 С, что вполне достаточно для проведения высокотемпературного гидролиза гемицеллюлоз.

Концентрация серной кислоты в приготовленной пульпе соответствует той, при которой проводился гексозный гидролиз, а именно от 0,1 до 0,57.. Параметры гидролиза (температура, концентрация минеральной кислоты, продолжительность} взаимосвязаны и обеспечИВают нужную глубину гидролиза полисахаридов (без их распада) толька в определенном соотношении, которое зависит от разновидности сырья. Поэтому при заданных температурах и концентрации кислоты, как это имеет место в предлагаемом спасобе, время подбирают таким образом, чтобы условия гидролиза были оптимальными. Такие условия обеспечиваются при продолжительности гидролиза гемицеллюлоз в пределах от 0,5 до 5 мин. Причем для сырья, гемицеллюлозы которого гидролизуются легко (например, кукурузная кочерыжка), выбирают нижние пределы (190 С; 0,5 мин; 0,17. кислоты), 4013 2 а для более трудногидролизуемых гемицеллюлоз (например, подсолнечной лузги или древесины Эереэы) — верхние пределы параметров реакции (240 С;

S мин; 0,57 кислоты). Полученную пульпу насосом подают в трубу-реактор, В результате гидролиза гемицеллюлоз образуются моносахариды (в основном пентозы), которые переходят в ра-!

О створ и смешиваются с содержащимися в поданном на приготовление пульпы гидролизате гексозными сахарами.Полученную в результате пульпу, состоящую из пентозно-гексозного гидролизата и целлолигнина, разделяют на винтовой отжимной машине, Жидкая фаза, пройдя через систему испарителей, охлаждается и выводится из цикла, а целлолигнин без охлаждения

20 передается на П-ю стадию гидролиэа, которую проводят также в пульпах в прямотоке. Для приготовления пульпы целлолигнина используют от 0,1 до

0,57.-ный раствор минеральной кислоты

25 в количестве, обеспечивающем концентрацию сухих веществ от 5 до 77. Полученную пульпу нагревают в пароэжекционном смесителе до 190-270 С и подают насосом в трубу-реактор; продол б жительность пребывания пульпы в зоне реакции от 3 до 5 мин. В результате гидролиэа целлюлозы образуются моносахариды — гексозы, которые переходят в раствор; негидролиэируемый остаток (лигнин) образует твердую фазу.

Затем смесь гексозного гидролизата и лигнина, не охлаждая, разделяют на винтовой отжимной машине. Лигнин выводят иэ цикла, а гексозный гидролизат возвращают на I-ю стадию гидролиза.

Пример 1. 10 кг стержней початков кукурузы измельчают до частиц размером 0,5-1 мм, приготавливают пульпу с содержанием 14,57 сухих веществ, используя для этого

69,2 л гексозного гидролизата,полу- . ченного на II-й стадии гидролиэа, с температурой 200 С и концентрацией серной кислоты 0,57. В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев раст .тельного материала температура снижается от 200 до 190 С. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольных элементов сырья снижается до 0,157. Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в течение 0 5 мин проходит по трубе-реактору; полученную в результате гидролиэа гемицеллюлоз пульпу, состоящую из пентозно-гексозного гидропиэата и целлолигнина, разделяют на винтовой отжимной машине. Жидкую фазу, содержащую 6,8 кг сахаров, через систему испарителей выводят из цикла, а 5 кг (в пересчете на абсолютно сухое вещество) целлолигнина, не охлаждая, передают на гексозный гидролиз; для приготовле- !О ния пульпы используют 0,5 .-ный раствор серной кислоты в количестве

71,4 л, при этом полученную пульпу с содержанием 7Х сухих веществ нагревают в пароэжекционном смесителе до 200 С и пропускают по трубе-реактору в течение 3 мин. Затем смесь гексозного гидролизата и лигнина разделяют при температуре реакции на винтовой отжимной машине, 1,5 кг 2О лигнина (в пересчете на а.с.в), содержащего 2,2 л неотжавшегося гидролизата, выводят из цикла, а 69,2 л гексозного гидролизата возвращают на I-ю стадию гидролиза. 25

Пример 2. !О кг подсолнечной лузги измельчают до частиц размером 1 мм, приготавливают пульпу с содержанием 8,67 сухих веществ, используя для этого 1!6,4 л гексозного гидролизата, полученного íà II-й стадии гидролиза, содержащего 2,2 кг гексозных сахаров и имеющего температуру 270 С и концентрацию серной кислоты 0 57. В процессе приготов35 ленни пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается до 220 С. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольных элементов сырья уменьшается до 0,12Х, что недостаточно для проведения гидролиза гемицеллюлоз подсолнечной лузги; для доведения концентрации кислоты до 0,57 в пульпу добавляют концентрированную серную кислоту.

Пульпа при достигнутых температуре и концентрации кислоты в течение

5 мин проходит по трубе-реактору.При этом происходит гидролиз гемицеллюлоз подсолнечной лузги и образовавшиеся при этом 1,6 кг сахаров переходят в гексозный гидролизат. Полученную в результате пульпу, состоящую из пентозно-гексозного гидролиэата и целлоЫ лигнина разделяют на винтовой отжимной машине. Жидкую фазу, содержащую

3,8 кг сахаров, через систему испа1254013 4 рителей выводят из цикла, а 6,0 кг (в пересчете на а.с.в) целлолигнина, не охлаждая, передают на гексозный гидролиз.

Для приготовления пульпы используют 0,57-ный раствор серной кислоты в количестве 120 л; полученную пульпу с содержанием 57 сухих веществ нагревают в пароэжекционном смесителе о до 270 С и пропускают по трубе-реактору в течение 5 мин. При этом обра- . зуется 2,2 кг гексозных сахаров. Затем смесь гексозного гидролизата и лигнина разделяют при температуре реакции на винтовой отжимной машине;

2,4 кг лигнина (в пересчете на а.с.в) содержащего 3,6 л неотжавшегося гидролизата, выводят из цикла, а 116,4 л гексозного гидролизата возвращают на I-ю стадию гидролиза.

Ч р и м е р 3. 10 кг подсолнечной лузги измельчают до частиц размером 0 5-1 0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 77. сухих веществ, используя для этого 116 4 л гексозного гидролизата, полученного íà II-й стадии гидролиза (см. пример 2), а также 26,5 л свежей воды, которук предварительно подогревают острым

О паром до 220 С; далее гидролиз ведут по примеру 2. При этом вследствие уменьшения содержания сухих веществ в пульпе от 8 до 77. увеличиваются расход воды (примерно на 227.), пара (примерно íà 18X) и серной кислоты (примерно íà 31X).

Пример 4. 10 кг стержней початков кукурузы измельчают до час-: тиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 16Х сухих веществ, используя для этого

62,5 л гексозного гидролизата, полученную на второй стадии гидролиза (см. пример 1), Далее проводят- гидролиз по примеру 1. При этом из-sa увеличения содержания сущих веществ от 14,5 до 16Х ухудшается гидротранспорт пульпы, происходит расслоение твердой и жидкой фаз в трубе-реакторе, что не позволяет достигнуть положительного эффекта.

Пример 6. 10 кг хлопковой шелухи измельчают до частиц размером 0,5-1 0 мм, приготавливают пульпу с содержанием 8Х сухих веществ, используя для этого 125 л гексозно- го гидролизата, полученного íà II-й стадии гидролиза, с температурой!

5 1254

180 С и концентрацией серной кислоты

0,57.. В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается от

180 до 170 Ñ. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации эольных элементов сырья снижается до

0,17. Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в тече- ние 0,5 мин проходит по трубе-реактору. За это время гемицеллюлозы хлопковой шелухи, которые, как и гемицеллюлозы стержней початков кукурузы, являются наиболее легкогидролизуемыми полисахаридами (по сравнению с другими видами сырья), полностью растворяются и гидролизуются до моносахаридов. Выход РВ при этом составляет 2,4 или 85Х от теоретически возможного. Если продолжительность гидролиза уменьшить до 0,30,4 мин, то растворившиеся полисахариды не успевают полностью прогидролизоваться и содержатся в растворе в виде олигосахаридов, что требует введения дополнительной операции— инверсии гидролизата и, следовательно, увеличения энергозатрат.

Пример 6. 10 кг древесины березы измельчают до частиц размером

0,5-1,0 мм, приготавливают пульпу с. содержанием 157. сухих веществ,используя для этого 66,7 л гексозного гидролизата, полученного на II-й стадии гидролиза и имеющего температуру

270 С и концентрацию серной кислоты

0,57., В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается от

270 до 240 С. Концентрация серной кислоты за счет нейтрализации зольных элементов сырья уменьшается до 0,4%.

Пульпа при полученных температуре и концентрации кислоты в течение

4,5 мин проходит по трубе-реактору..

При указанных высоких параметрах гемицеллюлозы древесины березы, которые являются одними из наиболее трудногидролизуеиых, полностью раство— ряются и гидролизуются до моносахаридав при минимальной степени разло013 Ь жения последних, Выход РВ при этом составляет 2,6 кг или 857. от теоретически возможного. Дальнейшее "ужесle точение параметров гидролиэа, на— пример, путем повышения температуры о до 250 С или продолжительности до

6 мин или концентрации кислоты до

0,6Х приведет к заметному распаду сахаров, уменьшению выхода продукта до 60-70Х от теории и, следовательно, к неоправданному увеличению энергозатрат, времени и расхода минеральной кислоты на единицу продукции.

Пример 7, 10 кг стержней

Ю початков кукурузы измельчают до частиц размером 0,5-1,0 мм, приготавливают пульну с содержанием t07. сухих веществ, используя для этого 100 л гексозного гидролизата, полученного на II-й стадии гидролиза, с температурой 190 С и концентрацией серной кислоты 0,4Х. В процессе приготовления пульпы за счет теплопотерь в окружающую среду и на подогрев растительного материала температура снижается до 160 С. Концентрация серной кислты за счет нейтрализации зольных элементов сырья снижается до О, 15Х. Полученная пульпа в течение 0,5 мин проходит по трубе-реактору. При указанной температуре (160 С) гемицеллюлоэы стержней початков кукурузы растворятся не полностью, а лишь на 60-70Х, от их исходного содержания в сырье, что приведет к уменьшению выхода сахаров и, следовательно, к увеличению энергозатрат, времени и расхода минеральной кислоты на единицу продукции. К такому же результату приведет уменьшение концентрации кислоты, например, до 0,077..

Таким образом, предлагаемый способ позволяет ускорить проведение гидролиза в 24-240 раз, снизить энергозатраты на проведение гидролиза почти в 2 раза, сократить расход катализатора (серной кислоты) на О, I0,5 т на 1 т сырья.

В таблице представлены показатели и основные параметры процесса растительного сырья по предлагаемому способу в сравнении с известным.

1254013

Показатели по известному ому способу чсМВь

I-я стадия (гидролиз гемицеллюлоз) Гидродинамический принцип

Прямоток пульпы

Противоток твердой и жидкой фаз

От 0,1 до 0,5 т на 1 т сырья

Нет

От 0,1 до 0 5 (в гексозном гидролизате) Концентрация кислоты,% От 2 до 9

5 т на 1 т сырья

Расход свежей воды

От 170 до 240

Продолжительность, мин

От 0,5 до 5,0

120

II-я стадия (гидролиз целлолигнина) Содержание сухих веществ в пульпе, %

От 8 до 20

От 5 до 7

Разделение твердой и лидкой- фаз

До охлаждения

После охлаждения

Использование тепла

Используется на Е-ой стадии

Не используется гидролизата

Составитель А. Синицын

Техред Я.Ходанич Корректор А. Обручар

Редактор Л. Повхан

Тираж 328 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 4687/29

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Расход свежего катализатора (минеральная кислота) Гидромодуль, м /т

Греющий агент о

Температура, С

Свежий пар

От 100 до 120

Технологические параметры способу по предлагаем

Нет (в качестве жидкой фазы используется гексозный гидролиэат) От 6,1 до 12,5

Гидролизат II-ой стадии