Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

Г л а в а XV

ПРОИЗВОДСТВО КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ГЛЮКОЗЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

Получение пищевой, или медицинской, кристаллической глюкозы из клеточных стенок растений основано на гидролизе содержа­ щейся в них целлюлозы до глюкозы с последующим выделением ее из полученного гидролизата в кристаллическом виде.

Получающаяся в этих условиях Л-глюкоза, или виноградный са­ хар, в кристаллическом состоянии обычно находится в виде а-Л-глю- копиранозы

н— СI— ОН

НО— СI — Н О

н —с —о н

I

Н — с -------------

I

Н2СО Н

Глюкоза оптически активна. Вращение, плоскости поляризации желтого света в 10%-ном водном растворе в состоянии равновесия составляет [ос]о20 = +52,74°. Начальное значение этого показателя водных растворов а-Л-глюкозы равно [сфэ20= + 110,1 -г-112,2°. Сладость глюкозы составляет 0,5 сладости сахарозы.

Глюкоза получила широкое применение в пищевой, кондитер­ ской и медицинской промышленности. Благодаря ее способности быстро усваиваться организмом человека глюкоза часто исполь­ зуется для восстановления сил больного или после сильных физи­ ческих перегрузок. Благодаря сладкому вкусу глюкоза широко используется в производстве мороженого, кондитерских изделий

ит. д.

Из концентрированных водных растворов глюкозы при обычной

температуре кристаллизуется ее гидрат с одной молекулой воды: СбНі20 б /Н 20 . Моногидрат глюкозы устойчив при температуре между —5,3 и +50° С. Температура плавления его равна 83° С. При температуре выше 60° С моногидрат отдает кристаллизацион­ ную воду и переходит в безводное состояние. При выделении кри­ сталлов глюкозы из водного раствора при температуре выше 45— 50° С также образуются кристаллы безводной глюкозы. Последние йлавятся при температуре 146° С.

Выделение глюкозы из ее водных растворов в кристаллическом виде протекает сравнительно легко только в условиях, когда глюкозный раствор содержит минимум посторонних примесей. Способ­

338

ность глюкозы выкристаллизовываться из упаренного сиропа резко уменьшается в присутствии посторонних примесей, так назы­ ваемых патокообразователей. К ним относятся прежде всего Дру­ гие моносахариды (манноза, ксилоза, арабиноза, галактоза), а также уроновые кислоты и особенно продукты неполного гидро­ лиза полисахаридов. Так как перечисленные моносахариды входят в состав гемицеллюлоз, их отделение от целлюлозы перед гидроли­ зом ее до глюкозы является необходимым. Это удается осущест­ вить при мягких режимах гидролиза, позволяющих перевести в водный раствор только одни гемицеллюлозы. На следующей ста­ дии оставшийся целлолигнин гидролизуется в более жестких усло­ виях до глюкозы. Благодаря такой операции удается получать раздельно гидролизат гемицеллюлоз, состоящий из смеси моноса­ харидов, гидролизат целлюлозы, состоящий в основном из глю­ козы, и в остатке — нерастворимый лигнин. Проведение двухсту­ пенчатого гидролиза растительного сырья является первым усло­ вием получения кристаллической глюкозы.

Вторым условием организации производства глюкозы является проведение гидролиза целлюлозы в условиях, обеспечивающих минимальный распад сахара с тем, чтобы продукты его распада не загрязняли раствор. Чем больше в гидролизате продуктов рас­ пада глюкозы, тем дороже и сложнее ее очистка перед кристалли­ зацией.

Чтобы выполнить это условие, необходимо применять для гидро­ лиза целлюлозы такие методы, которые обеспечивали бы перевод ее в глюкозу с минимальным разложением. Обычно этому условию удовлетворяет гидролиз концентрированными кислотами.

Третьим условием организации производства глюкозы является применение таких методов гидролиза целлюлозы, которые позво­ лили бы получить глюкозные гидролизаты достаточно высокой кон­ центрации, так как по ходу технологического процесса почти всю содержащуюся в них воду необходимо выпарить. Чем меньше кон­ центрация глюкозы в гидролизате, тем больше пара или топлива необходимо затратить на упаривание и тем дороже будет стоить эта операция.

Исходя из перечисленных выше условий, наилучшим сырьем для получения глюкозы можно считать чистую целлюлозу, не содер­ жащую гемицеллюлоз и лигнина. Такому требованию удовлетво­

ткани, например древесины, сульфитным или иным способом. При количественном гидролизе такой целлюлозы она полностью раст­ воряется, образуя гидролизат, содержащий глюкозу. Значительно сложнее идет переработка в глюкозу целлюлозы в виде целлолигнина, остающегося цосле использования гемицеллюлоз для произ­ водства фурфурола,- ксилита или кормовых дрожжей. Это объяс­ няется тем, что образующийся гидролизат целлюлозы оказывается смешанным с нерастворимым остатком лигнина, от которого он должен быть отделен.

Из всех известных методов гидролиза целлюлозы пока лучшим оказался метод, основанный на применении концентрированных минеральных кислот — серной и соляной: получается почти теоре­ тический выход глюкозы. Гидролиз разбавленными кислотами практически всегда приводит к значительно меньшим выходам глю­ козы и меньшей доброкачественности гидролизатов. Кроме того, при гидролизе концентрированными кислотами гидролизат содер­ жит 10—20% глюкозы, в то время как при гидролизе разбавлен­ ными кислотами концентрация глюкозы редко поднимается выше 3%- Однако при гидролизе концентрированными кислотами необ­ ходима регенерация кислот или их побочное использование. На­ пример, при гидролизе целлюлозы концентрированной серной кис­ лотой неоднократно рекомендовалось использовать ее для получе­ ния кормового суперфосфата или преципитата. Однако промыш­ ленного применения этот метод пока не получил.

Попытки разработать, экономичный метод регенерации серной кислоты из гидролизата с помощью диализа и электродиализа также пока не дали положительных результатов. В этом отноше­ нии лучшие результаты были получены при применении сверх­ концентрированной соляной кислоты, которая может быть ре­ генерирована из гидролизата путем отгонки под вакуумом. На этом принципе был разработан технологический процесс гидролиза цел­ люлозы и целлолигнина, изложенный ниже.

2.ПОЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ГЛЮКОЗЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

СПРИМЕНЕНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

Этот процесс, осуществлецный в СССР на Канском гидролизном заводе под руководством Н. В. Лебедева, основан на применении двухступенчатого гидролиза древесины, измельченной до размера щепы. Первая ступень гидролиза предназначена для удаления ге­

После высушивания оставшийся целлолигнин обрабатывается сверхконцентрированной соляной кислотой при нормальной темпе­ ратуре. Содержащаяся в целлолигнине целлюлоза в этих условиях гидролизуется и переходит в раствор. После отделения от нерас­ творимого лигнина раствор освобождается от хлористого водорода, инвертируется разбавленной соляной кислотой до глюкозы и под­ вергается нейтрализации содой, очистке и упариванию. После ох­ лаждения упаренного раствора из него выделяются кристаллы двойного соединения глюкозы и хлористого натрия (С6Н120 6)2- NaCl-0,5 Н20 . Это соединение затем разлагается водой с образова­ нием кристаллической глюкозы.

Схема технологического процесса получения глюкозного гидро­ лизата описанным выше методом представлена на рис. 82.

Подготовка щепы осуществляется путем измельчения дровяной древесины, а также крупных или твердых отходов лесопиления

340

(горбыля, рейки) на дисковых многоножевых машинах до разме­ ров 20X15X5 см. После рубильных машин щепа проходит сорти­ ровку, где отделяется мелочь и крупные куски. Отсортированная щепа поступает в промежуточный склад, откуда она системой эле­ ваторов и транспортеров подается на транспортер /, распределяю­ щий ее по бункерам 2. Из этих бункеров по мере необходимости щепа поступает в вертикальные гидролизаппараты 3 через их верхнюю горловину. Гидролизаппараты, предназначенные для гид­ ролиза гемицеллюлоз, представляют собой стальные цилиндриче­ ские сосуды, с обоих концов заканчивающиеся конусами и имею­ щие две горловины — вверху для загрузки щепы и внизу для вы­ грузки целлолигнина. Внутренняя поверхность гидролизаппаратов защищена слоем кислотоупорных керамических или графитовых плиток, а горловины и крышки покрыты слоем термо- и кислото­ стойкой резины.

Загружаемая в гидролизаппараты 3 щепа одновременно залива­ ется горячей разбавленной соляной кислотой с концентрацией 0,5— 1,5% из сборника 4. Это мероприятие увеличивает плотность загрузки щепы на 5— 10%. Разбавленная кислота, получаемая при промывке лигнина в диффузорах 11, собирается в промежуточном сборнике 19, откуда она, по мере необходимости, подается в сбор­ ник 4.

Заполненные щепой и разбавленной кислотой гидролизаппараты нагреваются острым паром до 120— 125° С и при этой температуре выдерживаются 0,5— 1 ч. Варочный модуль при этом составляет 5,5. Для улучшения пропитки щепы и ускорения варки разбавлен­ ную кислоту нагревают предварительно в сборнике 4 до 70—80° С. В результате гидролиза гемицеллюлоз хвойной древесины в ука­ занных выше условиях образуется 18—22% сахаров, из которых около 65% составляют гексозы и 35% пентозы и уроновые ки­ слоты.

Масса сухого целлолигнина составляет около 70% от исходной древесины. Целлолигнин содержит около 57% целлюлозы и 43% лигнина с небольшой примесью глюкоманнана и ксилоуронида. Гидролизат, находящийся в гидролизаппарате, в конце варки со­ держит около 3,5% сахаров.

По окончании гидролиза гемицеллюлоз полученный гидролизат

на нейтрализацию. Гидролизат, оставшийся в целлолигнине, вытес­ няется из него последовательно разбавленным гидролизатом от предыдущей варки, находящемся в сборнике 6, и водой. Вытес­ ненный из целлолигнина разбавленный гидролизат присоединяется к гидролизату в сборнике 5 и используется в производстве дрож­ жей. Средняя концентрация сахара в гидролизате и промывных водах, идущих на нейтрализацию, равна 2,2%. Под конец цел­ лолигнин в гидролизаппарате промывается теплой водой и полу­ ченный разбавленный гидролизат собирается в промежуточном сборнике 6, откуда он центробежным насосом подается на про­

342