УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к области гидролиза целлюлозы (из целлюлозосодержащего сырья) до глюкозы, которая может быть использована как компонент кормов сельскохозяйственным животным, а также может стать основой для получения компонентов моторных топлив, таких как этанол и бутанол.
Гидролиз целлюлозы используется преимущественно для производства биоэтанола, получаемого последующим сбраживанием глюкозосодержащего раствора. Полученный этанол может быть использован для различных технических целей, в том числе как добавка к топливу.
Известные технологии гидролиза целлюлозы заключаются в высокотемпературной обработке целлюлозосодержащего сырья в традиционном реакторе гидролиза в присутствии минеральных кислот [Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. Учебник для вузов - М.: Лесная промышленность, 1989; с.30-35).
Традиционные технологии обладают низкой энергоэффективностью, низкими выходами целевого продукта, необходимостью работы с высокими давлениями. Наличие температурного градиента способствует карамелизации (термической деструкции) глюкозы, тем самым еще больше снижая выход целевого продуктов.
Также известно устройство для гидролиза целлюлозы, выполненное в виде реактора и предусматривающее использование ферментов, известных под общим названием целлюлаз (гидролаз) [Клесов А.А. Ферментативное превращение целлюлозы // Итоги науки и техники. - 1983. - No 1. - С.63-150;
Синицин А.П. Сравнительное изучение влияния различных видов предобработки на скорость ферментативного гидролиза природных целлюлозосодержащих материалов / А.П.Синицин, Г.В.Ковалев, С.Р.Меса-Манреса // Химия древесины. - 1984. - №5. - С.60-71].
Указанное устройство включает блоки для предобработки сырья, его размола до определенной консистенции, а также предусматривает использование классических нагревательных элементов, что обуславливает возникновение температурного градиента, снижающего эффективность гидролиза.
Известны способ и устройство для производства сахаров из материалов, содержащих целлюлозу и гемицеллюлозу, основу которых составляет схема термической обработки целлюлозы в присутствии кислоты в реакторе с последующей переработкой полученной в результате гидролиза реакционной массы в спирт с помощью ферментативного сбраживания в аппарате для сбраживания (RU 2144087, С13К 1/02, С12Р 7/10)
Недостатками данного устройства являются:
1. сложность схемы производства;
2. постадийность производства;
3. низкая энергоэффективность производства вследствие использования технологии «стеночного нагрева» в результате конвективной передачи энергии. При этом к.п.д. нагревательных элементов составляет не более 30%. Остальная энергия рассеивается в атмосферу и идет на обогрев реактора.
4. необходимость отмывания глюкозы как полупродукта первой ступени от избытка кислоты для дальнейшего сбраживания в спиртосодержащую жидкость;
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего упрощение технологии производства, повышение надежности и достижение энергоэффективности не менее 60% за счет объемного нагрева реакционной массы, и, как следствие, сокращения тепловых потерь при нагреве реакционной массы.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для гидролиза целлюлозосодержащего сырья содержит волновод, передняя часть которого выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, а задняя - в виде прямоугольно-трапециидального параллелепипеда, последовательно размещенные в передней части волновода магнетрон и реакционную камеру, вход которой соединен с блоком подачи сырья, связанным с блоком подготовки сырья, а выход через клапан высокого давления подсоединен к приемнику продуктов реакции, и размещенный в задней части волновода энергоприемник, выполненный в виде трубки каплевидной формы, расширенная часть которой расположена в торцевом конце указанной части волновода, связанной по входу-выходу, соответственно, с патрубками для подачи и вывода воды.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема установки.
Устройство для гидролиза целлюлозосодержащего сырья содержит волновод 1, передняя часть 2 которого выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, а задняя 3 - в виде прямоугольно-трапециидального параллелепипеда. В волноводе 1 в его передней части 2 последовательно размещены магнетрон 4 и реакционная камера 5, вмонтированная в волновод 1 посредством соединительных элементов 6. Вход реакционной камеры 5 соединен с блоком подачи сырья 7, связанным с блоком подготовки сырья 8, а выход реакционной камеры 5 через клапан высокого давления 9 подсоединен к приемнику продуктов реакции 10. В задней части 3 волновода 1 размещен энергоприемник 11, выполненный в виде трубки каплевидной формы из кварца, расширенная часть которой расположена в торцевом конце указанной части волновода 1. Вход и выход энергоприемника 11, связаны, соответственно, с патрубками 12 и 13 для подачи и вывода воды. Контроль температуры воды на выходе из энергоприемника 11 осуществляется посредством датчика температуры 14. На выходной линии реактора 5 установлен манометр 15.
Устройство работает следующим образом.
Измельченное и смешанное с катализатором целлюлозосодержащее сырье подается в реактор 5. В качестве сырья могут быть использованы отходы целлюлозно-бумажной промышленности, а также отходы деревообработки такие как щепа и опилки. Катализатором гидролиза могут выступать различные минеральные кислоты, такие как соляная или серная. На магнетрон 4 подается электрическая нагрузка мощностью от 100 до 1000 Вт. Магнетрон 4 генерирует сверхвысокочастотное электромагнитное излучение в диапазоне частот от 900 до 6000 МГц. Излучение, пройдя по волноводу 1, поглощается реакционной массой в реакторе 5. Нагреваясь до определенной температуры, реакционная масса гидролизуется. Растущее при этом давление способствует гидролизу. При достижении определенных параметров давления и вкладываемой в реакционную массу мощности, определяемой с помощью энергоприемника 12, происходит сброс гидролизата в приемник 7. Энергоприемник 12 за счет оптимизации его формы и соответствующего расположения в задней части 3 волновода 1 выполняет функцию калориметра. Задняя часть 3 волновода 1 за счет оптимизации его формы выполняет роль концентратора электромагнитного излучении и совместно с энергоприемником 12 образуют блок согласующей нагрузки.
Трапециоподобная форма блока согласующей нагрузки обусловлена необходимостью концентрирования микроволновой энергии в точке, где каплевидная емкость имеет наибольшее сечение. Через емкость должна непрерывно протекать вода, как вещество, наиболее восприимчивое к микроволновому излучению. Вода поглощает избыточное микроволновое излучение и при этом нагревается. Непрерывный поток воды позволяет выводить избыток энергии из установки, препятствуя перегреванию магнетрона. Таким образом, блок согласующей нагрузки повышает надежность и эффективность работы магнетрона. Отражение микроволновой энергии, не поглощенной реакционной массой от стенок волновода 1, на магнетрон 4 может привести к его перегреву и выводу из строя.
Зная объемную скорость потока жидкости, протекающей через калориметр 11, и ее теплоемкость можно определить количество энергии, поглощенное блоком согласующей нагрузки. Для этого необходимо измерить температуру на входе 12 и на выходе 13 из калориметра 11. Разница температур позволит отыскать количество энергии, поглощенное блоком согласующей нагрузки. Учитывая параметры работы магнетрона, можно найти количество энергии, поглощенное реакционной массой. Найденное количество энергии позволит косвенно отыскать температуру реакционной массы, что невозможно сделать методами прямых измерений. Температура реакционной массы представляет собой важный показатель, значительно влияющий на степень гидролиза целлюлозосодержащего сырья.
Продукт, содержащий глюкозу и остатки катализатора может быть использован далее в других технологических производствах. Продукт анализируется известными методами жидкостной хроматографии.
Пример 1.
Для получения раствора глюкозы концентрацией не менее 1 г на литр берут предварительно измельченную в гомогенизующем устройстве целлюлозу (или древесные опилки) в количестве 100 г, добавляют растворитель, например воду объемом не менее 250 мл, добавляют катализатор - кислоту Бренстэда (протонная кислота), например серную кислоту, или кислоту Льюиса (апротонная кислота), например, трихлорид железа. Далее, подают питание на магнетрон 4 мощностью 580 Вт и фиксируют изменения, происходящие в калориметре 11. Затем с помощью блока подачи сырья 7 направляют в реактор 5. По датчику температуры 14 определяют изменение температуры, по которой судят о величине поглощения электромагнитного излучения реакционной массой. Изменение температуры зависит, в частности, от объема калориметра 11 и объемной скорости протекающей воды. При достижении давления не менее 3 атм и температуры не менее 393 К в реакторе 5 происходит сброс гидролизата, содержащего продукт, в приемник 10. Энергозатраты составляют не более 1КВт*ч/кг.
Предлагаемое устройство позволяет получать глюкозу из любого типа сырья, включая хвойные и лиственные породы древесины и отходы деревообрабатывающей промышленности.