Способ гидролиза гемицеллюлоз растительных материалов для получения ксилозных растворов
METHOD FOR HYDROLYSIS OF HEMICELLULOSES OF PLANT MATERIALS FOR PRODUCING XYLOSE SOLUTIONS

Изобретение относится к химической и пищевой промышленностям, а именно к получению ксилозных растворов пригодных к гидрированию в ксилит.
Известен способ переработки растительного сырья для получения пентозных гидролизатов, содержащих, преимущественно, ксилозу для получения ксилита (патент РФ 2109059) где в качестве ксилозосодержащего сырья использовали пивную дробину, являющуюся отходом пивоваренного производства. По этому способу осуществляют высокотемпературную промывку дробины, при которой твердую фазу смешивают с водой в соотношении 1:3-5, выдерживают при периодическом перемешивании в течение 10-30 мин при 140-160°С с последующим отделением твердой фазы. Промытую массу затем подвергают гемицеллюлозному гидролизу 0,5-2,5%-ной серной кислоты в течение 2-4 ч при 100-120°С.
Общее содержание сахаров в гидролизате составляет 4,8%, при этом от суммарной концентрации сахаров, количество ксилозы составляет 71,0%, арабинозы 17,0%, галактозы 10,0% и глюкозы 2,0%. Доброкачественность гидролизата составляет 80,0%.
Наиболее близким способом гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья для получения ксилозных растворов для последующего получения ксилита описанны в монографии Ю.И. Холькина «Технология гидролизных производств» М, «Лесная промышленность» 1988 г. Способы получения ксилита включают в себя: облагораживание измельченного растительного сырья разбавленным раствором серной кислоты при температуре 100-120°С сотбором 3-4 ГМ кислого экстракта; гидролиз сырья с использованием 0,5-2,5% серной кислоты, при температуре 120-140°С в течение 2-4 часов или бескислотный гидролиз при температуре 180°С в течение 6 час; инверсию гидролизата при 100°С в течение 4-6 часов; нейтрализацию кислоты известью до рН4-6; фильтрацию нейтрализата с использованием коагулянтов; обесцвечивание нейтрализата активированным углем; упаривание очищенного нейтрализата до концентрации 65% сахаров.
Разработанные процессы производства растворов ксилозы обладают рядом существенных недостатков, в частности:
- для проведения кислотного и бескислотного гидролиза требуется большой расход тепловой энергии и капиталоемкое оборудование в кислотостойком исполнении;
- параллельно с гидролизом полисахаридов происходит частичное растворение лигнина и распад сахаров, что снижает выход ксилозы и способствует получению гидролизатов с низкой доброкачественностью (около 70%).
- гемицеллюлозные ксилозные гидролизаты имеют низкую концентрацию сахаров (менее 5%), высокую цветность, что требует значительных затрат на упаривание и очистку ксилозы от посторонних примесей;
- в процессе гидролиза образуется большое количество твердых и жидких отходов содержащих токсичные примеси распада сахаров (фурфурол, оксиметилфурфурол), утилизация которых требует дополнительных расходов.
Для устранения указанных недостатков предложен новый способ гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья с получением гидролизатов, содержащих ксилозу для получения ксилита.
Технический результат заключается в проведении гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья ультранизкими концентрациями серной кислоты в непрерывных условиях; экстракцией полученных моно- и олигосахаридов водой; последующим упариванием кислого гидролизата с одновременной инверсией олигосахаридов; упрощении процесса очистки ксилозных гидролизатов и снижении расхода реагентов и энергоресурсов на его осуществление.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что для гидролиза древесину березы обрабатывают в реакторе серной кислотой концентрацией 0,15-0,5% при соотношении сырье : варочный раствор 1:(2-5), температуре 160-180°С, давлении 6-9 бар в течение 20-60 мин. Полученные при гидролизе гемицеллюлоз моно- и олигосахара экстрагируют водой из гидролизат-массы. Экстракт упаривают до концентрации сахаров 20-25% и кислоты 0,5-1,5% проводя одновременную с упариванием инверсию олигосахаридов.
Предпочтительно упаривание экстракта проводится на трех или более ступенчатых выпарных установках, где на последних ступенях выпарки, для полной инверсии олигосахаридов, упаривание проводится в течение 2-4 часов при температуре 100-120⁰С в зависимости от концентрации кислоты в экстракте.
Дальнейшая обработка концентрата проводится по известным способам и включает нейтрализацию серной кислоты известью, обесцвечивание активированным углем, фильтрацию и деионизацию раствора. [Холькин Ю.И. Современная технология ксилита ОНТИТВИ Микробиопром, М., 1988, - 56 с.]
Данный способ обеспечивает высокий выход сахаров с содержанием ксилозы до 80%. Способ позволяет снизить расходы материальных и энергетических ресурсов, может быть осуществлен на компактном высокопроизводительном оборудовании с низкими трудозатратами. Расход серной кислоты по предлагаемому способу снижается с 300 до 106 кг/т, а извести с 250 до 75 кг/т ксилозы.
Неизвестно использование ультранизких концентраций серной кислоты для гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья. Таким образом, изобретение отвечает условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется примерами.
Пример 1. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролиз-аппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,15%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:5. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуются. Гидролизат-массу охлаждают и непрерывно выгружают из аппарата, массу подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 30% и кислоты 1,0%.Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 120°С в течение 2 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 33 кг/т ксилита, выход ксилозы - 23% ота.с.д.
Пример 2. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролизаппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,5%, температурой 160°С и давлении более 6 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:2. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 1,0%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 100°С в течение 4 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 25 кг/т ксилита, выход ксилозы - 23,5% ота.с.д.
Пример 3. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролизаппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,5%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина : варочный раствор 1:5. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 20 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата, и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8%) упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 1,5%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 100°С в течение 2 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5-4,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 40 кг/т ксилита, выход ксилозы - 24,5% ота.с.д.
Пример 4. Березовую щепу и опилки непрерывно подают в гидролиз-аппарат с одновременной подачей серной кислоты концентрацией 0,15%, температурой 180°С и давлении более 9 атм, при соотношении древесина: варочный раствор 1:2. Скорость подачи сырья и варочного раствора выбирают из условия времени пребывания массы в аппарате 60 минут. При этих условиях гемицеллюлозы березы полностью гидролизуется. Гидролизат-массу охлаждают, непрерывно выгружают из аппарата, и подают в противоточный экстрактор для выделения образовавшихся моно- и олигосахаридов и кислоты. Экстракт с концентрацией сахаров 5-8% упаривают до концентрации сухих веществ 25% и кислоты 0,5%. Упаривание экстракта на последних ступенях выпарки проводят при температуре 120⁰С в течение 4 часов. В процессе упаривания происходит инвертирование олигосахаридов до моносахаридов. Инвертированный концентрат нейтрализуют известью до рН 3,5, фильтруют и очищают от солей на ионообменных фильтрах. Расход кислоты составляет 15 кг/т ксилита, выход ксилозы - 22,5% ота.с.д.