химический каталог




ГИДРОЛИЗНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ГИДРОЛИЗНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА, служат для получения пищевых, кормовых и технический продуктов из непищевого растит. сырья-отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки (опилки, мелкая стружка, щепа), переработки с.-х. культур (соломы, шелухи семян и т.д.). Основой ГИДРОЛИЗНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА п. служит гидролиз сырья, продукты которого подвергают дальнейшей химический и биохимический переработке.

Гидролиз растительных материалов. Гидролиз происходит обычно в присутствии разбавленый или конц. минеральных и органическое кислот, реже - солей, дающих в водных растворах кислую реакцию. В результате гидролиза (превращаются полисахаридов сырья в моносахариды) получают гидролизаты (водные растворы органическое веществ, главным образом пентоз и гексоз), а также гидролизный лигнин (выход ок. 30%-здесь и далее в расчете на 1 т абсолютно сухого сырья). Поскольку на скорость и степень гидролиза полисахаридов влияет размер частиц сырья, его предварительно измельчают.

Гидролиз разбавленными кислотами (в основные 0,4-0,7%-ной H2SO4) осуществляют при 120-190°С и 0,6-1,5 МПа. Достоинства способа: можно использовать влажное сырье и проводить реакцию без регенерации кислоты вследствие малого ее расхода. Недостатки: большие затраты теплоты на гидролиз, значительной потери моносахаридов из-за их разложения в реакционное зоне, загрязнение гидролизатов побочными продуктами, что снижает их кач-во. Тем не менее, простота процесса определила интенсивное развитие данного способа, который является основным в гидролизной промышлености СССР.

Гидролиз концентрированными кислотами (главным образом 30-41%-ной НCl, а также 70-80%-ной H2SO4) ведут при температурах не выше 60 °С и атм. давлении с получением гидролизатов, содержащих большое количество моносахаридов и немного примесей. Однако в этом процессе необходимо высушивать растит. сырье, регенерировать кислоту и применять дефицитные материалы для защиты оборудования от коррозии.

Условия гидролиза и состав образующихся при этом продуктов в значительной степени определяются наличием в растит. ткани двух фракций полисахаридов - легкогидроли-зуемых (гемицеллюлозы) и трудногидролизуемых (целлюлоза и небольшая часть гемицеллюлоз); скорость гидролиза последних в несколько сотен раз меньше. С повышением температуры и концентрации кислоты скорость гидролиза полисахаридов возрастает.

Гидролиз растит. сырья неизбежно сопровождается разложением моносахаридов, при котором образуются нежелательные побочные продукты - фурфурол и гидроксиметилфурфурол, в свою очередь распадающиеся с образованием левулиновой и муравьиной кислот. Скорость разложения моно-сахаридов увеличивается при возрастании температуры. Однако зависимость констант скорости гидролиза сырья (kг) и разложения моносахаридов (kp)от температуры различна: чем выше температура, тем в большей степени гидролиз опережает распад. Твердый остаток после гидролиза (гидролизный лигнин) содержит, кроме лигнина, непрореагировавшие полисахариды.

Режим процесса (температуру, концентрацию, продолжительность) выбирают т. обр., чтобы степень гидролиза полисахаридов составляла ок. 90%. При оптим. режимах выход моносахаридов составляет 46-50%.

Гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов проводят периодически в одну ступень. При этом вследствие высокого соотношения констант скорости гидролиза сырья и разложения моносахаридов выход их приближается к количественному. При гидролизе трудногидролизуемых полисахаридов (упомянутые константы близки между собой) степень разложения моносахаридов существенно возрастает. Поэтому их макс. выход при одноступенчатом процессе не превышает 50% от исходного содержания полисахаридов. Увеличение выхода моносахаридов достигается применением так называемой перколяционного гидролиза, предложенного в 1926-28 и осуществленного в СССР в пром. масштабе (1935). В основе способа лежит принцип непрерывной фильтрации раствора кислоты через растит. материал с одноврем. отбором гидролизата. При этом данный раствор служит не только катализатором, но и экстрагентом моносахаридов, которые непрерывно выводятся из сферы реакции. Твердая фаза загружается в аппарат периодически.

Гидролиз гемицеллюлоз (пентозный гидролиз) и перколяционный гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов (гексозный гидролиз) проводят в гидролизаппаратах - вертикальных цилиндрич. стальных сосудах со сферич. верхней (для загрузки сырья) и конич. нижней (для выгрузки гидролизного лигнина) горловинами. Изнутри реактор футерован кислотоупорными неметаллич. материалами, а снаружи теплоизолирован. Аппарат снабжен оросительными и фильтрующими устройствами, которые позволяют обеспечить макс. скорость фильтрации кислоты и увеличить его производительность.

При гидролизе полисахариды переходят в раствор, что вызывает уменьшение массы сырья к концу реакции в среднем на 70% и одноврем. сжатие твердой фазы. Это осложняет перколяционный гидролиз, так как приводит к возрастанию гидравлич. сопротивления слоя материала и соответствующему снижению скорости фильтрации кислоты. Более полное использование емкости аппарата, а также увеличение его производительности может быть достигнуты при непрерывной загрузке сырья, подаче варочной кислоты, отборе гидролизата и выгрузке лигнина.

Переработка продуктов гидролиза. Из гидролизатов принципиально может быть получены: кристаллизацией моносахаридов - пищевая глюкоза и техн. ксилоза, гидрированием моносахаридов-многоатомные спирты (ксилит из пентоз, сорбит и маннит - из гексоз), гидрогенолизом этих спиртовглицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль; дегидратацией пентоз и гексоз - соответственно фурфурол и левулиновая кислота; окислением - органическое кислоты (глюконовая, тригидроксиглутарозая и др.); микробиологическое переработкой (брожением, аэробным культивированием)-этиловый и бутиловый спирты, кормовые дрожжи и антибиотики.

Из гидролизного лигнина может быть получены: пиролизом - активные угли, древесные смолы; химический переработкой - активированный лигнин, щавелевая кислота и др.; водной обработкой - наполнители для полимерных материалов; термообработкой-сухой лигнин, применяемый как топливо (см. также Лигнин).

В СССР и некоторых др. странах (ВНР, НРБ, ПНР, ЧССР, КНР, США, Франции, Италии, Японии, Финляндии) в основные функционируют ГИДРОЛИЗНЫЕ ПРОИЗВОДСТВАп. следующей профилей: дрожжевого, спирто-дрожжевого, фурфурольно-дрожжевого, ксилозно-дрожжевого.

Дрожжевое и спирто-дрожжевое производство. Сырьем для дрожжевого производства служат лиственная (богатая пентозанами) и хвойная древесина, для спирто-дрожжевого - хвойная, в которой преобладают гексозаны. Целевые продукты биохимический переработки моносахаридов -этиловый спирт и кормовые дрожжи; при этом в дрожжевом производстве все образовавшиеся при гидролизе моносахариды (гексозы и пентозы) перерабатывают в дрожжи, а в спирто-дрожжевом производстве из гексоз получают спирт, а оставшиеся моносахариды (в основные пентозы) используют для выращивания дрожжей.

Технология получения гидролизатов состоит из следующей операций: пропитки сырья H2SO4. нагревания паром с целью пентозного гидролиза, удаления из реактора воздуха и летучих веществ (так называемой сдувки), перколяции, промывки водой, отжима и выгрузки гидролизного лигнина. При промывке остатка фильтрация жидкой фазы через гидролизуемый материал продолжается, но вместо кислоты подают воду, которая экстрагирует находящиеся в порах и капиллярах сырья лигнин, моносахариды и кислоту. Пентозный гидролизат охлаждается в две или три ступени в последовательно соединенных испарителях. Давление в них снижают от одной ступени к другой; из последнего аппарата гидролизат выходит при атм. давлении с температурой ок. 100°С. Пары гидролизата направляют в теплообменники для конденсации и нагревания воды, идущей на гидролиз. Из конденсата ректификацией извлекают фурфурол (см. ниже).

Параметры процесса: температура 120-150°С (пентозный гидролиз) и 150-190 °С (гексозный гидролиз), время реакции - несколько ч (зависит от объема гидролизаппарата и скорости фильтрации раствора кислоты через сырье). Кол-во жидкости, отобранной при перколяционном гидролизе, выражают так называемой гидромодулем выдачи гидролизата - отношением его объема к массе загруженного в реактор абсолютно сухого сырья. Оптим. режимы гидролиза характеризуются гидромодулем 12-16 м3/т.

Гексозный гидролизат перед подачей на биохимический переработку необходимо предварительно подготовить с целью удаления содержащихся в нем примесей. Последние либо не утилизируются микроорганизмами - продуцентами этилового спирта и кормовых дрожжей, либо угнетают их жизнедеятельность (декстрины - продукты неполного гидролиза полисахаридов, взвешенные вещества - мелкодисперсный лигнин и смолообразные продукты, альдегидыфурфурол, гидроксиметилфурфурол, формальдегид, соединение лигногуминового комплекса, коллоидные вещества, некоторые органическое кислоты). Подготовка гидролизата включает несколько стадий: инверсию (гидролиз) декстринов до моносахаридов (выдержка при атм. давлении и 100 °С или под давлением до 0,1 МПа при более высокой температуре) в спец. аппарате, нейтрализацию гидроксидом Са и аммиачной водой до рН 4,0-5,6, очистку от взвешенных частиц в отстойниках и от вредных примесей коагуляцией их при охлаждении до 33-37 °С, адсорбцией активным углем и продувкой воздухом.

В спирто-дрожжевом производствс гидролизат, поступающий на переработку, называют суслом. Входящие в его состав моносахариды (гексозы) сбраживают различные расами дрожжей. Полученный продукт (бражка), содержащий 1-2% этилового спирта, концентрируют ректификацией. Выход 94-96%-ного спирта составляет 150-180 л (см. также Этиловый спирт).

Гидролизат, в состав которого входят неутилизируемые при спиртовом брожении пентозы и органическое кислоты (так называемой барда), направляют на выращивание кормовых дрожжей. В случае чисто дрожжевого производства все полученные гидролизаты используют для культивирования дрожжей, выход которых составляет до 220 кг (см. также Дрожжи кормовые).

Фурфурольно-дрожжевое производство. Применяют два способа получения фурфурола: прямой и из паров фракции самоиспарения гидролизатов. Первый способ заключается в орошении и пропитке кислотой богатого пентозанами сырья (кукурузной кочерыжки, овсяной, хлопковой и рисовой шелухи, подсолнечной лузги, лиственной древесины), в нагревании его до 160-170 °С паром и последующей продувке им в течение 2-3 ч. В этих условиях содержащиеся в сырье гемицеллюлозы гидролизуются до пентоз, которые далее путем дегидратации в присутствии катализаторов (кислот) превращаются в фурфурол. Последний, смешиваясь с водяным паром, удаляется в конденсационную систему. Непрерывный отбор фурфурола в реакционное зоне уменьшает степень его разложения. Конденсат содержит 3-4% фурфурола и 1-2% органическое кислот. Остаток после отгонки фурфурола (целлолигнин) подвергают перколяции с образованием гексозного гидролизата, из которого производят кормовые дрожжи.

С помощью второго способа фурфурол вырабатывают на спирто-дрожжевых предприятиях, извлекая его ректификацией (в кол-ве 0,2-0,4%) из конденсата фракции самоиспарения пентозного гидролизата. Товарный фурфурол по обоим способам получают ректификацией. Выход фурфурола при производстве первым способом до 60-100 кг, вторым - 5-6 кг.

Ксилозно-дрожжевое производство. В качестве сырья для получения ксилозы применяют растит. отходы (овсяную и хлопковую шелуху, кукурузную кочерыжку), в которых преобладают пентозаны (ксилан) и содержится миним. количество минеральных и органическое примесей. Для их удаления сырье, предварительно пропитанное кислотой, обрабатывают горячей водой. Процесс осуществляют в две ступени. На первой проводят перколяционный пентозный гидролиз при 140°С, что исключает гидролиз целлюлозы. Переработка гидролизата включает осветление его активным углем, отделение взвешенных веществ отстаиванием и фильтрацией, инверсию и ионообменную очистку от минеральных и органическое примесей, упаривание раствора и выделение ксилозы кристаллизацией (до 300 кг). последующей гидрированием ксилозы получают кристаллич. ксилит (до 125 кг). На второй ступени остаток после гидролиза - целлолигнин перерабатывают так же, как в производстве фурфурола. См. также Лесохимия.

Химическая энциклопедия. Том 1 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
коробка сердце купить
Рекомендуем фирму Ренесанс - металлические лестницы наружные - качественно, оперативно, надежно!
стул изо фото
аренда кладовки красногорск

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(11.12.2016)