СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРОВ, УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ПРОДУКТ
METHOD OF PREPARING WOOD RAW MATERIAL TO OBTAIN SUGARS, INSTALLATION FOR REALISING SAID METHOD AND PRODUCT

Изобретение относится к области переработки древесного сырья, в частности его отходов, для получения сахаров (полисахаридов и др.), используемых для различных целей, например в производстве спиртов.
В патентной литературе достаточно широко представлены способы производства сахаров, которые включают как обязательную стадию подготовку древесного сырья и последующее его ферментолизное осахаривание.
Практически все известные технологии включают в качестве способов подготовки древесного сырья его обязательное измельчение до определенных размеров.
Так, в заявке JP 55009758 раскрывается способ подготовки древесного сырья для получения сахаров, включающий измельчение отходов древесины в вибрационной мельнице.
В процессе измельчения могут вводиться некоторые полезные добавки для разрушения лигнина, например, такие как бело-красная плесень (грибок), заявка JP 2008006372.
Устройства для подготовки древесного сырья представляют собой несложные установки. Так, в JP 59224694 раскрывается устройство, включающее средство подачи небольших кусочков древесины или ее отходов, выполненное в виде воронки, и узел измельчения - мельницу, где в качестве мелющих элементов использованы лопатки.
2
Наиболее близкий способ к предложенному раскрыт в JP 63137693 и включает предварительное измельчение грубо размолотого древесного сырья в измельчителе барабанного типа под давлением более 50 кг/мм с получением измельченных пластинок сырья, которые затем подают в дезинтегратор и размалывают до конечного размера. Соответственно, устройство для реализации данного известного способа включает узел подачи сырья, узел предварительного измельчения и дезинтегратор. В данном патенте также сообщается о продукте, полученном описанным способом, который приводит к повышению выхода сахаров в результате ферментолизного осахаривания.
Однако ни в одном из этих патентов не уделяется должного внимания качеству измельчения древесины при ее размоле, от которого, в основном, и зависит выход продукта. Поэтому все анализируемые технологии характеризуются повышенной трудоемкостью процесса переработки, а также низким выходом сахаров. Так, например, в способе, взятом за прототип, обработка в дезинтеграторе не дает гарантированного измельчения древесины: проводится обязательная классификация измельченного сырья и, если измельченное сырье содержит грубые частицы, то осуществляется его возврат на стадию предварительного измельчения, что значительно усложняет процесс.
Технической задачей настоящей группы изобретений является создание способа подготовки древесного сырья для получения сахаров, установки для его осуществления и продукта, полученным заявленным способом. Предлагаемые решения позволяют упростить способ подготовки древесного сырья и улучшить экологические условия производства по сравнению с используемыми в настоящее время химическими способами (к ним относят, например, обработку разбавленной серной кислотой, щелочным раствором и т.п.).
Техническим результатом группы изобретений является повышение выхода сахаров на стадии ферментолиза, существенное упрощение способа подготовки древесного сырья.
Поставленная задача решается тем, что в способе подготовки древесного сырья для получения сахаров, включающем его размол, предварительно проводят грубый размол сырья, затем из него экстрагируют смолистые вещества, после чего осуществляют тонкий размол и механоактивацию полученного продукта.
Предпочтительно грубый размол древесного сырья осуществляют при температуре 120-130°С.
Однако осуществлять грубый размол можно и без продувки воздухом. Движение древесного сырья внутри аппарата, соударение частиц обрабатываемого материала и их трение приводят к измельчению и одновременному нагреву сырья и к его высушиванию (до влажности не более 10%).
В некоторых воплощениях изобретения желательно в процессе тонкого размола и механоактивации осуществлять дополнительное воздействие углекислым газом.
При этом воздействие углекислым газом может быть осуществлено как пропусканием его через аппарат в газообразной форме, так и в жидком виде при сверхкритическом давлении.
Из всех видов экстракции для удаления смолистых веществ, как показали исследования авторов, целесообразно использовать ультразвуковую экстракцию, при этом важно, что полученные продукты могут быть направлены на переработку для получения ценных фармацевтических препаратов.
Поставленная задача решается также созданием установки для подготовки древесного сырья для получения сахаров в соответствии с вышеприведенным способом, которая содержит последовательно установленные аппарат для грубого размола древесного сырья, аппарат для экстракции смолистых веществ и аппарат для тонкого размола и механоактивации полученного продукта.
При этом аппарат для тонкого размола и механоактивации может содержать средство для подачи углекислого газа.
Заявитель защищает также продукт, полученный предложенным способом.
Сущность изобретений состоит в следующем.
Известно, что структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру, и содержат примерно 65-70% кристаллической и 25-35% аморфной части, причем у хвойных пород аморфной части меньше, у лиственных пород больше - 28-35%. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-вальсовых сил связи и когезии, поэтому в совокупности древесина состоит из матричной пространственной сетки лигнина и кристаллического волокнистого наполнителя в виде целлюлозы.
Как показали исследования авторов, при измельчении древесины путем механоактивации происходит увеличение степени аморфизации структуры целлюлозы.
Под механоактивацией в уровне техники понимают процесс измельчения материалов до размеров, не превышающих нескольких микрон, приводящий к переходу пассивной (неактивной) поверхности материалов к химически активному состоянию, которое выражается в повышенной способности к реакциям в ходе последующих технологических операций.
Таким активированным (в частности, аморфным) слоям поверхности материалов свойственна аномально высокая химическая активность и сорбционная способность, а также и аномально низкое диффузионное сопротивление. Аккумулированные в разупорядоченной структуре поверхностных слоев значительные запасы энергии и низкое диффузионное их сопротивление могут быть реализованы в низкотемпературных химических реакциях и определяют протекающие в них механохимические и механосорбционные процессы.
Все это обусловливает увеличение степени развития поверхности, что способствует равномерному диспергированию измельченной древесины в культуральных жидкостях в процессе ее осахаривания и, в свою очередь, приводит к росту потребления сырья бактериями культуральной жидкости и, как следствие, к повышению выхода сахаров.
Состояние активированного материала характеризуется, прежде всего, его энергосодержанием, обусловленным поверхностной энергией, аккумулированной в виде различных дефектов структуры, а также энергией искажения его кристаллической решетки. Впоследствии эта накопленная энергия оказывает позитивное влияние на кинетику основных технологических процессов.
В предложенном способе размол может быть осуществлен в две стадии, первой из которых является традиционный грубый размол в мельницах, а второй стадией является тонкий размол и механоактивация древесного сырья, при этом между стадиями осуществляют экстракцию смолистых веществ из древесного сырья.
Увеличение вышеописанной активности материалов достигается в результате измельчения, диспергации (размола) в специальных энергонапряженных аппаратах измельчения с расходом энергии 100 кВт ч/т и более.
Условно можно выделить несколько основных способов измельчения материалов с использованием энергонапряженных аппаратов тонкого размола - измельчение методом раздавливания, истирания и раскалывания (метод свободного удара), а также совокупность перечисленных методов. Для реализации заявленного способа наиболее желательно воспользоваться методом раскалывания свободным ударом, используемым в измельчителях-дезинтеграторах (хотя при этом и не исключаются другие энергонапряженные аппараты тонкого размола). Разрушение (измельчение) материала методом свободного удара заключается в воздействии на обрабатываемый материал механических ударных элементов (бил, движущихся с высокой окружной скоростью). Данная модель разрушения материалов позволяет достигать дополнительного технического результата - повышенной монодисперсности древесного сырья.
Для дополнительной интенсификации процесса тонкого размола и механоактивации осуществляют воздействие углекислым газом при сверхкритическом давлении (жидким) или газообразным углекислым газом, что приводит в присутствии влаги к образованию угольной кислоты, которая блокирует «слипание» пыли и образование вторичных кристаллов.
Операция экстракции смолистых веществ после грубого размола является обязательной, поскольку содержание смол в лиственных породах достигает 1%, а в хвойных может быть до 2%. Вязкие среды затрудняют движение мелющих тел, что препятствует тонкому размолу и механоактивации древесного сырья. Наиболее оптимальным является проведение экстракции в ультразвуковых аппаратах, обеспечивающих наиболее полное и ускоренное извлечение смолы из перерабатываемой древесины. Полученные в результате экстракции смолистые вещества отделяют от экстрагента, который возвращают в технологический процесс. Смолистые вещества направляют на реализацию или дальнейшую переработку для получения ценного фармацевтического сырья.
Для решения вышеуказанной технической задачи и реализации описанного способа предложена установка, содержащая последовательно установленные аппарат для грубого размола древесного сырья, аппарат для экстракции смолистых веществ и аппарат для тонкого размола и механоактивации.
Предпочтительно аппарат для грубого размола сырья выполнять в виде шаровой мельницы с продувкой воздухом с температурой 120-130°С.
Предпочтительно аппарат для тонкого размола и механоактивации выполнять в виде вибрационной, или струйной, или коллоидной мельницы, которая может содержать средство для подачи углекислого газа.
Схематично предлагаемая установка изображена на чертеже и содержит бункер 1 с отходами лесоперерабатывающих производств, бункер 2 с некондиционной древесиной, аппарат для грубого размола древесного сырья 3, аппарат для экстракции смолистых веществ 4, аппарат для тонкого размола и механоактивации 5.
Предлагаемый способ с помощью описываемой установки осуществляют следующим образом.
Предварительно подготовленное древесное сырье, представляющее собой опилки и крупную щепу с естественной влажностью (28-37%) и с крупностью 2-200 мм, например отходы лесоперерабатывающих производств или некондиционную древесину, подают в аппарат для грубого размола 3, где осуществляют предварительный размол до размера частиц 1-2 мм. Измельченное таким образом сырье поступает в аппарат для экстракции смолистых веществ 4, где экстрагируют и отделяют смолу. Полученные в результате экстракции смолы отделяют от экстрагента, который возвращают в технологический процесс. Смолы направляют на реализацию или дальнейшую переработку. Опилки подвергают дальнейшему тонкому размолу с механоактивацией до размеров частиц 1-5 мкм в аппарате для тонкого размола и механоактивации 5. Через средство для подачи углекислого газа (не показано) в аппарат для тонкого размола и механоактивации 5 подают углекислый газ, реализуя, таким образом, его воздействие на древесное сырье.
Изобретение поясняется примером, который не носит ограничивающего характера.
Пример 1.
Древесную щепу хвойных пород измельчают до 1-2 мм на любой мельнице, например размол можно осуществлять в мельнице АС-2М, через которую продувают воздух с температурой 130°С; сушат в потоке горячего воздуха до влажности не более 10%, время пребывания в аппарате составляет около 1 сек. Затем полученные опилки подают в устройство для экстракции, туда же подают этанол и/или ацетон в соотношении 1:7-1:10, массу подвергают воздействию ультразвука; растворитель, содержащий смолу, отводят; опилки промывают чистым растворителем и отделяют от экстрагента на центрифуге, остатки экстрагента удаляют продувкой сухим паром. Затем полученные опилки измельчают на активационной мельнице, например АС-2С, до размера 1-5 мкм. Полученный таким образом продукт представляет собой механоактивированное размолотое древесное сырье со следующим фракционным составом:
размер частиц древесины менее:
1-5 мкм
85-90 мас.%
5-60 мкм
10-12 мас.%
более:
60 мкм
2 мас.%.
Индекс кристалличности древесины снижается с 65-70% до 10-20%.
В результате осуществления изобретений время ферментолиза для получения сахаров при температуре 50°С и рН 5-6 при инкубировании в колбе составляет 12-13 часов, а при проведении в колонном реакторе - 3-7 часов, при этом степень извлечения сахаров равна не менее 50% от массы древесины.