3.2. Химические способы конверсии растительного сырья

К химическим методам конверсии растительного сырья относят кислотный гидролиз и способы щелочной и сульфитной его делигнификации.

Методы делигнификации древесины используют в целлюлозно-бумажном производстве, поэтому они освещены в специальной литературе.

Способы кислотного гидролиза имеют более широкую сферу применения (перколяционный гидролиз, двухфазный гидролиз, автогидролиз), их используют в гидролизном производстве для получения этилового спирта, кормовых дрожжей, фурфурола, глюкозы, ксилита. Данные методы гидролиза используют для трудногидролизуемого сырья, к которому относят целлюлозосодержащее и пенозансодержащее сырьё, а также для крахмалсодержащего сырья (некондиционное зерно отруби и другие отходы переработки зерна).

Рассмотрим химические способы гидролиза растительного сырья согласно представленной классификации по виду химического реагента (глава III, раздел 3.1.).

3.2.1.Процессы гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами

В гидролизной промышленности России используют способы гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами: перколяционный и автогидролиза.

В основе способов гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами лежит реакция кислотно-каталитического расщепления гликозидных связей полисахаридов с присоединением ионов воды по месту возникновения свободных валентностей с получением моносахаридов. Данной реакции сопутствует побочная реакция дегидратации пентоз с образованием фурфурола и другие реакции.

При переработке древесных отходов смешанных и хвойных пород методом перколяционного гидролиза получают гидролизат, содержащий моносахариды, фурфуролсодержащий конденсат (на основе паров самоиспарения) и лигнин. В случае использования такого способа гидролиза как «автогидролиз», получают растительно-углеводный корм, или фуфуролсодержащий конденсат и растительно-углеводный корм, или фурфуролсодержащий конденсат и гексозный гидролизат.

В России для проведения данных процессов используют высокопроизводительные полые гидролизаппараты периодического действия объёмом 18-80м3 (2,3-5,7 т а.с.с/ч по времени перколяции). За рубежом для переработки сельскохозяйственных отходов и опила используют гидролизёры непрерывного действия шнекового типа и полые гидролизёры со шнековой загрузкой сырья и выгрузкой лигнина [4]. Но в России данные гидролизёры распространения не получили, из-за недостаточной производительности (70-1000 кг а.с.с./ч). Хотя исследования и опытно-промышленные работы по разработке гидролизаппаратов непрерывного действия велись [12,13].

Для каждого способа переработки древесины и сельскохозяйственных отходов существуют свои режимы гидролиза, а получаемые гидролизаты имеют различный химический состав (по содержанию гексозных и пентозных моносахаридов, а также примесей, часть из которых ингибируют процессы биосинтеза).

Процесс перколяционного гидролиза целлюлозо- и пентозансодержащего сырья и подготовка гидролизата. Процесс перколяционного гидролиза растительного сырья освоен в СССР в производственных условиях с 30-х годов. Данный процесс относится к динамическим процессам с непрерывной подачей и отбором жидкой фазы.

Процесс перколяционного гидролиза растительного сырья состоит из нескольких стадий: одновременной загрузки сырья и воды, их прогрева, перколяционной стадии с подачей горячей разбавленной серной кислоты и отбором гидролизата при постепенном повышении давления в гидролизаппарате; промывки лигнина, отжима гидролизата, выстрела лигнина.

Эффективность процесса характеризуют следующие показатели: выход редуцирующих веществ (РВ) с варки или с 1т абсолютно сухого сырья, удельная производительность (кгРВ/м3), концентрация РВ в гидролизате и биологическая доброкачественность гидролизата.

Для осуществления процесса перколяционного гидролиза растительных отходов используют гидролизаппараты периодического действия.

Конструкция гидролизаппарата периодическогодействия [3,10,33].Гидролизаппарат представляет из себя полый цилиндрический аппарат, корпус которого сварной из листовой стали и футерованный изнутри шамотным кирпичём. Футеровка гидролизаппаратов сокращает их полезный объём на 5-20%.

Конструкция гидролизаппарата приводится на рисунке 3.5.

Аппарат имеет верхний и нижний конусы. В верхнем конусе расположено отверстие для загрузки сырья, автоматически закрывающееся крышкой. В нижнем конусе имеется выхлопное устройство для удаления лигнина в конце варки сырья. Горловина гидролизаппарата, штуцеры имеют бронзовые кольца. Внутренняя поверхность крышки покрыта слоем бронзы или латуни.

Внутреннее устройство аппарата состоит из центрально-подающей трубы и фильтрующих лучей, выполненных из бронзы. Развитие конструкции гидролизаппарата шло в направлении совершенствования устройств, подающих

Рис. 3.5. Конструкция гидролизаппарата V=80 м3

на сырьё варочную кислоту, и фильтрующих лучей, по которым выдаётся гидролизат из гидролизаппарата; увеличения объёмов гидролизаппаратов. Для гидролизаппаратов объёмом 80 м3 центрально-подающая труба сверлована на расстоянии 3600 мм. Сверху на участке в 2000 мм, отверстий нет, а далее на расстоянии 1000 мм просверлены отверстий диаметром 3 мм, на следующем участке 1000 мм ? диаметром 4 мм и на расстоянии 1600 мм ? 6 мм [33,39]. В каждом ряду по шесть отверстий. Фильтрующее устройство состоит из четырёх чешуйчатых лучей высотой 2300 мм.

В зависимости от конструкций подающих и фильтрующих гидролизаты устройств существует несколько вариантов конструкций гидролизаппаратов для перколяционного гидролиза. Название перколяции: вертикальная, горизонтальная, вертикально-горизонтальная; совмещённая перколяция с центрально-подающей трубой; при движении жидкости снизу вверх (способ Шоллера) определяется направлением движения гидролизата через слой гидролизуемого сырья и зависит от конструкции подающих и фильтрующих устройств [3,10,12,39-44].

В последнее время (1980-2005гг.) в России единственным промышленным способом гидролиза растительного сырья является перколяционный способ с совмещённым нисходящим потоком варочной кислоты (направление движения жидкости сверху вниз: вертикальное и горизонтальное). Этот способ позволил существенно интенсифицировать перколяционный способ гидролиза, так как обладает лучшей гидродинамикой процесса и условиями фильтрации. Подбор опытным путём оптимального соотношения длин рабочей зоны центрально-подающей трубы и фильтрующих лучей (отношение длины фильтрующих лучей к высоте слоя сырья должно равняться 0,34-0,36), а также конструкций подающих труб позволяют обеспечить совмещённую перколяцию Для гидролизаппаратов объёмом 20-40 м3 выход редуцирующих веществ в процессе перколяционного гидролиза составляет 67-75% от полисахаридов сырья.

На предприятих гидролизной промышленности установлены гидролизаппараты различных размеров: 18, 30, 37, 40, 50, 80, 160 м3. Увеличение объёмов гидролизаппаратов с 18 до 160 м3 привело к увеличению времени перколяции и снижению удельной производительности гидролизаппаратов [40]. Основные характеристики гидролизаппаратов периодического действия даны в таблице 3.3.

3.3. Характеристики гидролизаппаратов периодического действия

С целью интенсификации процесса перколяционного гидролиза авторы [40] предлагают заменить метод совмещённой перколяции перколяцией с восходящим потоком.