способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов

Формула изобретения

Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, предусматривающий измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре, разбавление водой и инверсию, отличающийся тем, что используют фракцию измельченного сырья с размером частиц 0,1-1,6 мм и ее обрабатывают раствором, содержащим 20-30 мас.% уксусной кислоты, 2-5 мас.% пероксида водорода и 1,5-2,0 мас.% серной кислоты, при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 ч, подвергают кислотному гидролизу при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 ч, разбавляют водой до гидромодуля 80-100, причем инверсию проводят при температуре 90-100°С в течение 1-2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической переработке древесины, а именно к гидролизной промышленности.

Известен способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих материалов, предусматривающий измельчение сырья, воздействие на него острым паром при температуре и давлении, обработку раствором щелочи, кислотный гидролиз, разбавление водой и нагревание массы при 120°С в течение 1 часа (SU 1072816, опубл. 07.02.1984).

Недостаток способа - в низком выходе глюкозы. Из щепы дуба выход глюкозы составляет 70% на вес целлюлозы, из щепы березы - 56,6% вес. По мнению авторов патента, низкий выход глюкозы обусловлен недостаточной активацией сырья в процессе его подготовки к гидролизу. Известно, что обработка древесины паром сопровождается образованием уксусной кислоты, которая оказывает благоприятное действие на подготовку сырья. В описанном способе при обработке паром образуется недостаточно уксусной кислоты, поэтому для повышения выхода глюкозы целесообразно добавить около 6% кислоты.

Известен способ получения глюкозы путем гидролиза измельченных целлюлозосодержащих материалов серной кислотой (концентрация 62-80%) с добавлением каталитических количеств азотной кислоты и последующей инверсии (SU 1588764, опубл. 30.08.1990).

К недостаткам способа следует отнести низкий выход глюкозы, что обусловлено отсутствием стадии обработки сырья перед кислотным гидролизом, которая позволяет снизить в целлюлозосодержащем сырье содержание лигнина и гемицеллюлоз.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья, включающий измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре в присутствии окисленной или восстановленной форм металла (церий или железо), разбавление водой и инверсию (SU 1520103, 07.08.1989).

Недостатком указанного способа является низкий выход глюкозы, что обусловлено отсутствием предварительной обработки сырья перед кислотным гидролизом. Необработанное сырье содержит большое количество лигнина и гемицеллюлозы, которые препятствуют выделению глюкозы в сиропы.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение выхода глюкозы.

Технический результат достигается тем, что в способе получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, предусматривающем измельчение сырья, его гидролиз концентрированной серной кислотой при комнатной температуре, разбавление водой и инверсию, используют фракцию измельченного сырья с размером частиц 0,1-1,6 мм и ее обрабатывают раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов, подвергают кислотному гидролизу при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часов, разбавляют водой до гидромодуля 80-100, причем инверсию проводят при температуре 90-100°С в течение 1-2 часов.

Способ осуществляют следующим образом.

Целлюлозосодержащие отходы (древесную щепу, опилки, соломы и т.п.) измельчают в дисковой мельнице до размера частиц 0,1-1,6 мм для разрушения кристаллической структуры и увеличения удельной поверхности частиц сырья, что повышает полноту извлечения глюкозы при кислотном гидролизе. Измельченное сырье обрабатывают раствором, содержащим 20-30% мас. уксусной кислоты, 2-5% мас. пероксида водорода и 1,5-2,0% мас. серной кислоты, при температуре 110-120°С и гидромодуле 5 в течение 2-3 часов. Полученная в результате такой обработки целлюлоза имеет низкое содержание лигнина и не имеет гемицеллюлоз, которые препятствуют выделению глюкозы в сироп. Следовательно, предварительная обработка раствором данного состава способствует повышению выхода глюкозы.

Обработанную целлюлозу подвергают гидролизу 80%-ной серной кислотой при комнатной температуре при гидромодуле 3-5 в течение 1-2 часа. Сырье, предварительно обработанное раствором уксусной кислоты и пероксида водорода с каталитической добавкой серной кислоты, содержащее низкое количество лигнина и гемицеллюлоз, при кислотном гидролизе в указанных условиях дает повышенный выход глюкозы. Далее массу разбавляют водой до гидромодуля 80-100 и осуществляют инверсию при температуре 90-100°С в течение 1-2 часов. Такие условия инверсии гидролизованного сырья позволяют получить глюкозный сироп с повышенным содержанием глюкозы.

Пример 1. 10 грамм абсолютно сухого целлюлозосодержащего сырья (солома пшеницы) размалывают на дисковой мельнице (фракция с размером частиц от 1,6 до 0,1 мм). Измельченный материал переносят в реактор из нержавеющей стали объемом 0,2 л и заливают раствором состава: 20% мас. уксусной кислоты, 5% мас. пероксида водорода, 2% мас. серной кислоты в качестве катализатора и повергают обработке в термошкафу при температуре 110°С в течение 3 ч. Отношение сырья к раствору равно 1:5 (гидромодуль 5). В результате получают целлюлозу, которую отделяют от раствора фильтрованием. Затем эту целлюлозу переносят в стеклянный стакан и подвергают гидролизу 80%-ной серной кислотой (гидромодуль 5) при температуре 20°С в течение 2 ч при постоянном перемешивании. Далее реакционную смесь переносят в колбу, добавляют воду до гидромодуля 100 и проводят инверсию при температуре 80°С, используя обратный холодильник, в течение 1 ч. После этого раствор нейтрализуют известковым молоком, выпавший осадок отфильтровывают. Полученный прозрачный раствор анализируют на содержание глюкозы эбулиостатическим методом. Выход глюкозы составляет 82,1% от массы целлюлозы (см. таблицу 1).

Таблица 1
Влияние условий обработки измельченной соломы пшеницы раствором, содержащим смесь уксусной кислоты, пероксида водорода, серной кислоты, а также условий последующего гидролиза и инверсии на выход глюкозы
№п/п	Содержание реагентов в растворе			Условия обработки сырья			Условия гидролиза				Условия инверсии			Выход глюкозы, %**
	СН3СООН %	H 2O2 %	H 2SO4 %	ГМ*	Т,°С	, ч	H2SO 4 %	ГМ*	Т,°С	, ч	ГМ*	Т,°С	, ч
1	20	5	2	5	110	3	80	5	20	2	100	80	1	82,1
2	25,8	4,2	1,5	5	115	2,5	80	3	20	2	90	100	2	91,6
3	30	2	2	5	120	2	80	3	20	1	80	100	2	84,6
ГМ* - гидромодуль; %** - от массы абсолютно сухой целлюлозы

Примеры 2-3. Проводят аналогично примеру 1. Отличия заключаются в содержании реагентов в растворе, которым обрабатывают солому пшеницы, температуре обработки и ее продолжительности (см. таблицу 1). Выход глюкозы составляет 84,6-91,6% от массы целлюлозы.

Примеры 4-9. Проводят аналогично примеру 1. Опилки древесины березы обрабатывают раствором, содержащим 25,8% мас. уксусной кислоты, 4,2% мас. пероксида водорода, 1,5% мас. серной кислоты в качестве катализатора, при температуре 115°С в течение 2,5 ч. Отношение сырья к раствору равно 1:5 (гидромодуль 5). Отличия заключаются в параметрах процесса гидролиза (концентрации серной кислоты, гидромодуле, продолжительности) и параметрах процесса инверсии (гидромодуле, температуре и продолжительности). Выход глюкозы составляет 80,6-98,5% от массы целлюлозы (см. таблицу 2).

Таблица 2
Влияние условий процессов гидролиза и последующей инверсии опилок березы, обработанных смесью уксусной кислоты, пероксида водорода и серной кислоты на выход глюкозы
№ п/п	Условия гидролиза и инверсии							Выход глюкозы, %**
	гидролиз				инверсия
	H2SO4 , %	ГМ*	Т,°С	, ч	ГМ*	Т,°С	, ч
4	80	5	20	1	80	100	2	97,3
5	70	3	20	2	100	90	2	97,9
6	60	5	20	2	100	90	1	98,5
7	80	3	20	2	100	90	1	80,6
8	70	5	20	1	80	100	1	93,7
9	60	3	20	1	80	100	2	85,2
ГМ* - гидромодуль; %** - от массы абсолютно сухой целлюлозы

Таким образом, предложенный способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов позволяет повысить выход глюкозы.