Гидролизное производство

Различные отходы растительного сырья (древесные отходы, подсолнечная лузга, хлопковая шелуха, кукурузные кочерыжки, солома и т.п.) путем гидролиза в присутствии катализаторов (минеральных кислот, кислых солей и некоторых других веществ) могут быть переработаны с получением важных кормовых, пищевых и технических продуктов. Такие отходы даже в тонкоизмельченном состоянии почти не усваиваются сельскохозяйственными животными, так как обычно содержат 70-75% нерастворимых в воде полисахаридов в виде гемицеллюлоз и целлюлозы. Лишь после удаления из этих отходов лигнина или даже ослабления его связей в одревесневших растительных тканях остающиеся углеводы могут на 60-80% усваиваться организмом жвачных животных.

Проведя гидролиз растительных отходов, можно получить сырье для микробного синтеза белка и этилового спирта. На рис. 10 приведена схема спирто-дрожжевого производства, которая может быть реализована в гидролизном производстве.

Рис. 10 Схема спиртодрожжевого производства.

В условиях гидролиза происходит разложение целлюлозы и гемицеллюлоз с образованием через промежуточные соединения простейших сахаров - моноз (гидролизный сахар). Одновременно происходит и частичный распад моноз с образованием органических кислот, фурфурола и ряда других веществ. Продукты промышленных гидролизных производств, основанных на использовании отходов растительного непищевого сырья, представляют собой растворы моносахаридов (пентоз и гексоз, в том числе глюкозы), называемые гидролизатами, твердый остаток - гидролизный лигнин и летучие вещества (органические кислоты, спирты). Химический состав подвергаемых гидролизу отходов растительного сырья, а также способ осуществления процесса гидролиза определяют преобладание в гидролизном сахаре тех или иных моносахаридов.

Осахариванию путем гидролиза можно подвергать различные по форме кусков и размерам отходы указанных видов растительного сырья, однако очевидно, что интенсивность процесса повышается с увеличением степени измельчения обрабатываемого материала. В промышленных условиях в настоящее время процесс гидролиза осуществляется в растворах как концентрированной, так и разбавленной минеральной кислоты (H₂SO₄), причем наиболее распространен последний способ. Выход моноз при гидролизе может достигать 90% от содержащихся в сырье полисахаридов.

В зависимости от ориентации гидролизных производств на получение тех или иных продуктов переработку получаемых гидролизатов осуществляют химическим или более широко используемым биохимическим путем. Биохимическая переработка гидролизатов позволяет получать такие важные продукты, как этиловый и метиловый спирты, кормовые дрожжи, фурфурол, диоксид углерода.

Одним из наиболее распространенных в отечественной промышленности вариантов является процесс гидролиза (так называемый однофазный гидролиз) с биохимической переработкой гидролизата.

В соответствии с этой схемой гидролиз растительного сырья осуществляют в вертикальных металлических котлах-гидролизерах емкостью до 70 м³, футерованных изнутри кислотоупорной керамикой. Смесь измельченных отходов с 0,4-0,7% раствором серной кислоты нагревают в гидролизере паром под давлением (137-147) × 10⁴ Па до 160-190 ⁰С. Получаемый кислый раствор-гидролизат, содержащий сахара, непрерывно выводят из котла через фильтрующее устройство в нижней части гидролизного аппарата, предохраняя таким образом сахар от дальнейшего распада. Гидролизат подают в испаритель, где при охлаждении в результате снижения дав­ления из него выделяют пары, которые конденсируют и используют для выделения метанола, фурфурола, скипидара и других веществ. По окончании гидролиза, продолжающегося в течение 1-3 часов, в гидролизере остается влажный лигнин, пропитанный разбавленной серной кислотой. Избыточным давлением эту смесь выдувают в циклон. Для обеспечения возможности дальнейшей биохимической переработки гидролизат нейтрализуют известью. Образующийся гипс отделяют от нейтрализованного гидролизата, сушат и обжигают с последующей передачей его на строительные нужды. Отделенный от гипса нейтрализованный гидролизат (гидролизное сусло) после его охлаждения и дополнительной очистки передают на сбраживание. На этой стадии в нейтральный раствор гидролизного сусла вводят винокуренные дрожжи и сбраживают содержащиеся в нем гексозы с образованием этилового спирта и углекислоты:

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2 СО₂

Получаемый спирт (1,2-1,6%) выделяют из жидкости путем отгонки и очищают от примесей. Образующийся при брожении диоксид углерода можно перерабатывать с целью получения товарных продуктов - жидкой углекислоты и сухого льда.

Остающаяся после отгонки спирта жидкость - гидролизная барда - содержит пентозы и служит для получения кормовых дрожжей. Для этого в нее дозируют содержащие азот и фосфор питательные соли (сульфат аммония, суперфосфат) и вводят культуру пентозных дрожжей (Torula utilis, Monilia murmanica и др.). Процесс выращивания (накопления, размножения) дрожжей длится несколько часов при пропускании через сбраживаемое сусло воздуха (примерно 60-80 м³/ч на 1 м³ жидкости) и поддержании температуры на оптимальном уровне путем охлаждения. Выделение дрожжей из сброженного сусла осуществляют в несколько стадий при помощи сепараторов и вакуум-фильтров с получением частично обезвоженного дрожжевого концентрата (дрожжевого молока). Последний обрабатывают в плазмолизаторе при 80-90 ⁰С с целью разрушения дрожжевых клеток. Образующуюся сметанообразную массу подвергают сушке, продукт которой охлаждают, готовые кормовые дрожжи затаривают для отправки потребителям.

Переработка отходов хвойной древесины по данной схеме обеспечивает выход гидролизного сахара, не превышающий 50-53%, а количество образующегося 100%-го этилового спирта составляет 165-200 л на 1 т абсолютно сухой древесины. Замена отходов хвойной древесины отходами лиственной или богатыми пентозами сельскохозяйственными отходами изменяет выход спирта и других продуктов: примерно в 2 раза увеличивается выход фурфурола и в 2-2,5 раза - выход кормовых дрожжей. Возможности этой технологии характеризуют, помимо вышеприведенных, следующие показатели, достигаемые при переработке 1 т отходов хвойной древесины в абсолютно сухом состоянии. Выход углекислоты может достигать 70 или 40 кг соответственно для жидкого и твердого продукта, кормовых дрожжей – 40 кг, фурфурола – 9,4 кг, скипидара – 0,8 кг, изобутилового и изоамилового спирта – 0,3 кг, строительного алебастра – 225 кг. При производстве этих продуктов расходуют 95 кг серной кислоты (100%), 7,2 т пара различных параметров, 8м³ воды, 230 квт∙ч электроэнергии.

Дата добавления: 2014-11-07