Гидролитическая обработка сырья в условиях маломодульного гидролиза

УДК 630.863

ГИДРОЛИТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СЫРЬЯ В УСЛОВИЯХ МАЛОМОДУЛЬНОГО ГИДРОЛИЗА

HYDROLYTIC TREATMENT OF RAW MATERIALS UNDER CONDITIONS OF LOW-MODULUS HYDROLYSIS

Денисенко Г.Д., Началова А.Д., Шурыгина М.С.

(Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М.Кирова, Санкт-Петербург, РФ)

Denisenko G.D., Nachalova A.D., Shurygina M.S.

(Saint Petersburg State Forestry Engineering University, Saint. Petersburg, Russia)

В статье рассмотрено влияние модуля обработки растительного сырья - древесины осины на выход моносахаридов, олигосахаридов и инвертированных сахаров при проведении процесса гидролиза.

The article considers the effect of the processing module of vegetable raw materials - aspen wood on the yield of monosaccharides, oligosaccharides and inverted sugars during the hydrolysis process.

Ключевые слова: маломодульный гидролиз, моносахариды,иолигосахариды

Key words: low-modulus hydrolysis, monosaccharides, oligosaccharides

На предприятиях гидролизной промышленности довольно широко используется метод маломодульной обработки растительной биомассы. Модуль обработки или гидромодуль – это отношение массы жидкости в аппарате к массе абсолютно сухого сырья. Так в ксилитном производстве при проведении пентозного гидролиза древесины лиственных пород или растительных остатков сельскохозяйственного производства таких, как стержни кукурузных початков, хлопковая шелуха, используется модуль равный 5. При производстве растительно-углеводных кормовых добавок на основе пентозансодержащего сырья применяют модуль обработки от 1,5 до 3. Маломодульной обработкой можно считать и процесс получения фурфурола так как в этом случае модуль выдачи фурфуролсодержащих конденсатов составляет от 1,5 до 2 тонн на тонну абсолютно сухого сырья.

В данной работе представлены результаты исследования гидролитической обработки древесины осины раствором 0,8%- ной серной кислоты при различных модулях, температурах и продолжительности процесса.

Исходное растительное сырье – древесина осины измельчалось до опилок и фракционировалось. Для выполнения эксперимента использавалась фракция опилок с размером частиц от 0,5 до 2 мм. Образец сырья анализировали на содержание зольных веществ, легко – и трудногодролизуемых полисахаридов, лигнина по общепринятым методикам. Данные анализа исходного сырья представлены в таблице 1.

Гидролитическая обработка исходного сырья проводилась в стеклянных ампулах, куда количественно переносили предварительно смоченную раствором катализатора навеску сырья. Ампулы запаивали и помещали для обработки в термостат. Температура в термостате поддерживалась автоматически. Температура обработки изменялась от 110 до 140°C с интервалом в 10°С. Продолжительность обработки варьировалась от 5 до 80 минут в зависимости от температуры и модуля обработки. По окончании процесса ампулу вскрывали, содержимое ампулы количественно переносили на воронку Бюхнера и промывали непрогидролизованный остаток горячей дистиллированной водой до отрицательной реакции на кислоту. Полученный гидролизат и промывные воды анализировали на содержание редуцирующих веществ, олигосахардов и инвертированных сахаров.

Таблица 1 - Химический состав древесины осины

Компоненты	Содержание, в% от исходного а.с.с.
Зольные вещества	0,25
Органические вещества,	99,75
в том числе:
Легкогидрализуемые полисахариды	20,45
Трудногидрализуемые полисахариды	42,33
Лигнин	21,59

Результаты эксперимента представлены на рисунке 1 и в таблице 2.

Рисунок 1 - Влияние модуля обработки и температуры на выход инвертированных сахаров

Как видно из диаграммы с уменьшением гидромодуля обработки сырья от 15 до 2 происходит снижение степени гидролизуемости полисахаридов почти в 2 раза. Эта закономерность прослеживается при всех значениях температур в исследуемом диапазоне. Так при 140°С обработки при гидромодуле 15 содержание инвертированных сахаров в гидролизате составляет 20,4%, при гидромодуле 5 – 17,8, при гидромодуле 3 и 2 – 14,2 и 12% соответственно.

Таблица 2 – Влияние гидромодуля обработки и продолжительности процесса гидролиза на содержание сахаров в гидролизате при температуре 140°С, в % от а.с.с.

Время обработки, мин

Содержание моносахаридов

Содержание олигосахаридов

Содержание инвертированных сахаров

Гидромодуль 15

6,4

15,4

18,1

18,6

2,8

2,7

1,2

0,8

9,2

18,1

19,3

20,4

Гидромодуль 5

9,5

12,2

14,5

17,7

2,4

3,2

3,4

1,7

11,9

15,4

17,9

19,4

Гидромодуль 3

9,0

13,4

15,1

17,3

2,8

2,5

2,0

0,9

11,8

15,9

17,1

18,2

Гидромодуль 2

6,9

9,1

12,9

13,8

2,3

4,9

2,9

3,0

9,2

14,0

15,8

16,8

Снижение скорости гидролиза и выхода сахаров при уменьшении гидромодуля обработки растительного сырья можно объяснить следующими причинами. В условиях маломодульного гидролиза происходит снижение концентрации катализатора из-за растворения продуктов гидролиза. Кроме этого кислота, используемая при гидролизе, частично нейтрализуется зольными компонентами сырья. При высоком модуле обработки, когда имеет место большой избыток кислоты, зольные вещества практически не влияют на кислотность среды. При малом модуле снижается концентрация кислоты в растворе и соответственно, снижается скорость гидролиза и выход моносахаридов.

Список использованных источников

1. Денисенко Г.Д., Елкин В.А., Сапотницкий С.А. Критериальная характеристика маломодульного гидролиза древесины лиственных пород // Химическая переработка древесного и недревесного сырья: Межвуз. сб. науч. Тр./ ЛТА. Л. 1989.

2. Денисенко Г.Д., Подымалова А.И., Елкин В.А. Тенология комплексной переработки низкосортной древесины березы // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2019. № 54. С.258-261.

3. Денисенко Г.Д., Румянцева В.Г., Шурыгина М.С. Исследование процесса облагораживания древесины лиственных пород в ксилитном производстве // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2023. № 63. С. 352-355.