Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов
Владельцы патента RU 2346055:
Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к химической переработке древесины, а именно к гидролизной промышленности. Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов предусматривает измельчение сырья до фракции с размером частиц 0,1-1,6 мм, обработку сырья раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты, при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов. Затем проводят гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часов. Разбавляют массу водой до гидромодуля 80-100 и осуществляют инверсию при температуре 90-100°С в течение 1-2 часов. Изобретение обеспечивает повышение выхода глюкозы по сравнению с известным способом. 2 табл.
Изобретение относится к химической переработке древесины, а именно к гидролизной промышленности.
Известен способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих материалов, предусматривающий измельчение сырья, воздействие на него острым паром при температуре и давлении, обработку раствором щелочи, кислотный гидролиз, разбавление водой и нагревание массы при 120°С в течение 1 часа (SU 1072816, опубл. 07.02.1984).
Недостаток способа - в низком выходе глюкозы. Из щепы дуба выход глюкозы составляет 70% на вес целлюлозы, из щепы березы - 56,6% вес. По мнению авторов патента, низкий выход глюкозы обусловлен недостаточной активацией сырья в процессе его подготовки к гидролизу. Известно, что обработка древесины паром сопровождается образованием уксусной кислоты, которая оказывает благоприятное действие на подготовку сырья. В описанном способе при обработке паром образуется недостаточно уксусной кислоты, поэтому для повышения выхода глюкозы целесообразно добавить около 6% кислоты.
Известен способ получения глюкозы путем гидролиза измельченных целлюлозосодержащих материалов серной кислотой (концентрация 62-80%) с добавлением каталитических количеств азотной кислоты и последующей инверсии (SU 1588764, опубл. 30.08.1990).
К недостаткам способа следует отнести низкий выход глюкозы, что обусловлено отсутствием стадии обработки сырья перед кислотным гидролизом, которая позволяет снизить в целлюлозосодержащем сырье содержание лигнина и гемицеллюлоз.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья, включающий измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре в присутствии окисленной или восстановленной форм металла (церий или железо), разбавление водой и инверсию (SU 1520103, 07.08.1989).
Недостатком указанного способа является низкий выход глюкозы, что обусловлено отсутствием предварительной обработки сырья перед кислотным гидролизом. Необработанное сырье содержит большое количество лигнина и гемицеллюлозы, которые препятствуют выделению глюкозы в сиропы.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение выхода глюкозы.
Технический результат достигается тем, что в способе получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, предусматривающем измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре, разбавление водой и инверсию, используют фракцию измельченного сырья с размером частиц 0,1-1,6 мм и ее обрабатывают раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов, подвергают кислотному гидролизу при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часов, разбавляют водой до гидромодуля 80-100, причем инверсию проводят при температуре 90-100°С в течение 1-2 часов.
Способ осуществляют следующим образом.
Целлюлозосодержащие отходы (древесную щепу, опилки, соломы и т.п.) измельчают в дисковой мельнице до размера частиц 0,1-1,6 мм для разрушения кристаллической структуры и увеличения удельной поверхности частиц сырья, что повышает полноту извлечения глюкозы при кислотном гидролизе. Измельченное сырье обрабатывают раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты, при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов. Полученная в результате такой обработки целлюлоза имеет низкое содержание лигнина и не имеет гемицеллюлоз, которые препятствуют выделению глюкозы в сироп. Следовательно, предварительная обработка раствором данного состава способствует повышению выхода глюкозы.
Обработанную целлюлозу подвергают гидролизу 80%-ной серной кислотой при комнатной температуре при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часа. Сырье, предварительно обработанное раствором уксусной кислоты и пероксида водорода с каталитической добавкой серной кислоты, содержащее низкое количество лигнина и гемицеллюлоз, при кислотном гидролизе в указанных условиях дает повышенный выход глюкозы. Далее массу разбавляют водой до гидромодуля 80-100 и осуществляют инверсию при температуре 90-100°С в течение 1-2 часов. Такие условия инверсии гидролизованного сырья позволяют получить глюкозный сироп с повышенным содержанием глюкозы.
Пример 1. 10 грамм абсолютно сухого целлюлозосодержащего сырья (солома пшеницы) размалывают на дисковой мельнице (фракция с размером частиц от 1,6 до 0,1 мм). Измельченный материал переносят в реактор из нержавеющей стали объемом 0,2 л и заливают раствором состава: 20% мас. уксусной кислоты, 5% мас. пероксида водорода, 2% мас. серной кислоты в качестве катализатора и повергают обработке в термошкафу при температуре 110°С в течение 3 ч. Отношение сырья к раствору равно 1:5 (гидромодуль 5). В результате получают целлюлозу, которую отделяют от раствора фильтрованием. Затем эту целлюлозу переносят в стеклянный стакан и подвергают гидролизу 80%-ной серной кислотой (гидромодуль 5) при температуре 20°С в течение 2 ч при постоянном перемешивании. Далее реакционную смесь переносят в колбу, добавляют воду до гидромодуля 100 и проводят инверсию при температуре 80°С, используя обратный холодильник, в течение 1 ч. После этого раствор нейтрализуют известковым молоком, выпавший осадок отфильтровывают. Полученный прозрачный раствор анализируют на содержание глюкозы эбулиостатическим методом. Выход глюкозы составляет 82,1% от массы целлюлозы (см. таблицу 1).
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| Влияние условий обработки измельченной соломы пшеницы раствором, содержащим смесь уксусной кислоты, пероксида водорода, серной кислоты, а также условий последующего гидролиза и инверсии на выход глюкозы | ||||||||||||||
| №п/п | Содержание реагентов в растворе | Условия обработки сырья | Условия гидролиза | Условия инверсии | Выход глюкозы, %** | |||||||||
| СН3СООН % | H2O2 % | H2SO4 % | ГМ* | Т,°С | τ, ч | H2SO4 % | ГМ* | Т,°С | τ, ч | ГМ* | Т,°С | τ, ч | ||
| 1 | 20 | 5 | 2 | 5 | 110 | 3 | 80 | 5 | 20 | 2 | 100 | 80 | 1 | 82,1 |
| 2 | 25,8 | 4,2 | 1,5 | 5 | 115 | 2,5 | 80 | 3 | 20 | 2 | 90 | 100 | 2 | 91,6 |
| 3 | 30 | 2 | 2 | 5 | 120 | 2 | 80 | 3 | 20 | 1 | 80 | 100 | 2 | 84,6 |
| ГМ* - гидромодуль; %** - от массы абсолютно сухой целлюлозы |
Примеры 2-3. Проводят аналогично примеру 1. Отличия заключаются в содержании реагентов в растворе, которым обрабатывают солому пшеницы, температуре обработки и ее продолжительности (см. таблицу 1). Выход глюкозы составляет 84,6-91,6% от массы целлюлозы.
Примеры 4-9. Проводят аналогично примеру 1. Опилки древесины березы обрабатывают раствором, содержащим 25,8% мас. уксусной кислоты, 4,2% мас. пероксида водорода, 1,5% мас. серной кислоты в качестве катализатора, при температуре 115°С в течение 2,5 ч. Отношение сырья к раствору равно 1:5 (гидромодуль 5). Отличия заключаются в параметрах процесса гидролиза (концентрации серной кислоты, гидромодуле, продолжительности) и параметрах процесса инверсии (гидромодуле, температуре и продолжительности). Выход глюкозы составляет 80,6-98,5% от массы целлюлозы (см. таблицу 2).
| Таблица 2 | ||||||||
| Влияние условий процессов гидролиза и последующей инверсии опилок березы, обработанных смесью уксусной кислоты, пероксида водорода и серной кислоты на выход глюкозы | ||||||||
| № п/п | Условия гидролиза и инверсии | Выход глюкозы, %** | ||||||
| гидролиз | инверсия | |||||||
| H2SO4, % | ГМ* | Т,°С | τ, ч | ГМ* | Т,°С | τ, ч | ||
| 4 | 80 | 5 | 20 | 1 | 80 | 100 | 2 | 97,3 |
| 5 | 70 | 3 | 20 | 2 | 100 | 90 | 2 | 97,9 |
| 6 | 60 | 5 | 20 | 2 | 100 | 90 | 1 | 98,5 |
| 7 | 80 | 3 | 20 | 2 | 100 | 90 | 1 | 80,6 |
| 8 | 70 | 5 | 20 | 1 | 80 | 100 | 1 | 93,7 |
| 9 | 60 | 3 | 20 | 1 | 80 | 100 | 2 | 85,2 |
| ГМ* - гидромодуль; %** - от массы абсолютно сухой целлюлозы |
Таким образом, предложенный способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов позволяет повысить выход глюкозы.
Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, предусматривающий измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре, разбавление водой и инверсию, отличающийся тем, что используют фракцию измельченного сырья с размером частиц 0,1-1,6 мм и ее обрабатывают раствором, содержащим 20-30 мас.% уксусной кислоты, 2-5 мас.% пероксида водорода и 1,5-2,0 мас.% серной кислоты, при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 ч, подвергают кислотному гидролизу при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 ч, разбавляют водой до гидромодуля 80-100, причем инверсию проводят при температуре 90-100°С в течение 1-2 ч.
