ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Гидролизное производство

Гидролиз древесины может осуществляться с использова­нием концентрированных или разбавленных минеральных кис­лот. При обработке древесины при 20—40 °С концентрирован­ной серной или сверхконцентрированной (41 %-ной) соляной кислотой происходит распад макромолекул полисахаридов на растворимые фрагменты и растворение последних в кислоте. Полученный раствор разбавляют водой и кипятят с целью ин­версии полисахаридов. Однако расход кислоты в этом процессе очень велик. Поэтому в промышленности для гидролиза древе­сины применяют разбавленную серную кислоту. В эт ом случае требуется нагревание до 180 °С и выше под соответствующим давлением. Однако при этом, кроме перехода сложных Сахаров в простые, происходят и побочные реакции; разложение обра­зовавшихся моносахаридов с образованием гуминовых веществ, отщепление от древесины ацетильных и метоксильных групп и др.

Технология гидролиза древесины. Технологическая схема процесса гидролиза древесины разбавленной серной кислотой показана на рис. 2.9.

Основным аппаратом гидролизного производства является гидролизаппарат (рис. 2.10). Это вертикальный цилиндриче­ский стальной сосуд сварной конструкции, верхняя и нижняя

Части которого представляют собой усеченный конус. Аппарат футеруют обычно слоем бетона и поверх его кислотоупорными плитками. Вместимость аппарата от 18 до 160 м3. В верхней части аппарата имеется загрузочная горловина, закрываемая крышкой. Внутри аппарата, в нижней его части, для отделения гидролизата от лигнина установлены фильтрующие устройства, выполненные из перфорированных кислотоупорных труб (диа­метр отверстий 4 мм). К аппарату приварены две опорные лапы, которыми он опирается на несущую конструкцию. Под одну из лап подкладывают датчик весомера, а под другую — роликовый шарнир для того, чтобы обеспечить подвижность аппарата при его взвешивании.

В гидролизаппарат загружают измельченную древесину — щепу или смесь щепы с опилками и одновременно закачивают разбавленную 0,5°/о-ную серную кислоту. Затем закрывают верхнюю горловину, постепенно нагревают содержимое аппа­рата острым паром и производят сдувку для удаления воздуха и летучих продуктов. Температуру содержимого аппарата в те­чение 30—40 мин доводят до 130—150 °С, а давление до 0,7— 0,9 МПа. За это время значительная часть гемицеллюлоз гид - ролизуется и переходит в раствор. Потом начинают непрерыв­ную перколяцию, т. е. сверху непрерывно подают в гидролиз­аппарат разбавленную серную кислоту, нагретую до 170— 190 °С, а снизу непрерывно выводят из него гидролизат.

Рис. 2.10. Гидролизаппарат:

I — корпус; 2 — загрузочная горловина; 3 —- сдувоч - ный штуцер; 4 — весомер; 5 — выхлопная горлови­на; 6 — фильтрующие устройства

В процессе непрерывной перколя - ции температуру в аппарате посте­пенно доводят до 180—190 °С, давле­ние при этом составляет 0,9—1,2 МПа. В этот период гидролизуется целлю­лоза и трудногидролизуемая часть гемицеллюлоз. Макромолекулы по­лисахаридов при гидролизе древе­сины последовательно укорачива­ются. Так, из целлюлозы сначала образуется гидроцеллюлоза, затем целлодекстрины (состоящие из 10— 60 остатков глюкозы), олигосаха - риды (3—10 остатков глюкозы), цел - лобиоза (дисахарид С^НггОц) и, наконец, глюкоза. Образующиеся мо­носахариды при непрерывной перко- ляции быстрее удаляются из реак­ционного пространства и тем самым лигнаи уменьшается их разрушение.

Подачу пара, воды, кислоты и от­бор гидролизата ведут по заданной программе, составленной с учетом того факта, что по мере гидролиза происходит усадка сырья и снижается содержание полисахаридов в нем. Ход про­цесса контролируют по массе веществ, содержащихся в аппа­рате; ее определяют по показаниям весомера, на шкале кото­рого ноль соответствует пустому аппарату.

Когда в гидролизаппарат подано установленное програм­мой количество кислоты, а также воды для промывки остаю­щегося в аппарате лигнина в конце процесса, и из него выве­дено заданное количество гидролизата, процесс заканчивается. После этого снижают давление до 0,6—0,7 МПа, открывают быстродействующий клапан и лигнин за 0,5—1 мин выдувается в циклон, откуда он выгружается через отверстия в днище цик­лона с помощью вращающегося выгребного механизма.

Лигнин используют как топливо и частично перерабатывают В угли различного назначения, нитролигнин и другие продукты.

В зависимости от величины гидролизаппарата и вида сырья весь цикл от загрузки сырья до выгрузки лигнина (варка) про­должается от 2 до 5 ч.

Гидролизат от всех гидролизаппаратов поступает в общий коллектор. На некоторых заводах установлено большое число аппаратов (до 28), в этом случае их разделяют на группы, каж­дая из которых имеет свой коллектор гидролизата. Из коллек­тора гидролизат направляется на ступенчатое испарительное
о Хлаждение. В испарителе высокого давления поддерживается давление на 0,4—0,5 МПа ниже, чем в гидролизаппарате, в ре­зультате чего гидролизат мгновенно вскипает, частично испаря­ется и охлаждается до 130—140 °С. Затем он поступает в испа­ритель низкого давления, где давление поддерживается около 0,2 МПа и происходит повторное вскипание и охлаждение гид­ролизата. Пары самоиспарения гидролизата содержат фурфу­рол, который выделяют и очищают до товарного продукта.

Подготовка гидролизата к биохимической переработке. Гид­ролизат содержит 3—3,5 % РВ, из них до 90 %, приходится на моносахариды, свыше 5 %1 составляют декстрины, осталь­ное— различные примеси, затрудняющие биохимическую пере­работку гидролизата.

Поэтому гидролизат сначала выдерживают в течение 3 ч при 100 °С в инверторах с целью инверсии декстринов, а также для разрушения части примесей. Затем его нейтрализуют из­вестковым молоком и аммиаком до рН 3,2—4,2, одновременно добавляют минеральные питательные соли. Нейтрализованный гидролизат (нейтрализат) подвергают отстаиванию для отделе­ния взвешенных частиц и охлаждают до 30—35 °С. Полученное сусло (субстрат) аэрируют и затем освобождают от обра­зовавшихся хлопьев путем отстаивания. Для снижения концент­рации фурфурола и других веществ, тормозящих жизнедеятель­ность дрожжей, сусло обычно разбавляют водой примерно на­половину, часть воды может быть заменена последрожжевой бражкой.

На некоторых заводах нейтрализованный и очищенный гид­ролизат упаривают, получая кормовой гидролизный сахар. Он выпускается в качестве готового продукта в виде раствора, со­держащего 20—25 % легкоусвояемых углеводов.

Биохимическая переработка сусла. Этот процесс ведется так же, как и процесс по переработке сульфитных щелоков. При этом сусло из хвойной древесины, в котором из всех моносаха­ридов 75—77 % приходится на гексозы, обычно сбраживают для получения этилового спирта; его концентрация в бражке около 1,5 %, а выход товарного спирта 160—180 л из 1 т абсолютно сухого сырья. Остаток после отгонки спирта — гидролизную барду используют для выращивания дрожжей, выход которых около 30 кг из 1 т абсолютно сухого сырья. Гидролизат из лист­венной древесины содержит гексоз меньше, и его используют целиком для выращивания дрожжей, выход которых возрас­тает до 200—210 кг.

Двухфазный гидролиз. При двухфазном гидролизе листвен­ной древесины и растительных отходов сельского хозяйства (подсолнечной лузги, кукурузной кочерыжки и др.) сначала в мягких условиях гидролизуют только гемицеллюлозы, преиму­щественно пентозаны (пентозный гидролиз), а затем после от­деления пентозного гидролизата повышают температуру и дав­ление и гидролизуют целлюлозу (гексозный гидролиз). Пентоз - ный гидролизат очищают и подвергают гидрированию, причем ксилоза превращается в многоатомный спирт ксилит, рекомен­дуемый больным диабетом вместо сахара. На гексозном гидро- лизате выращивают дрожжи.

На некоторых заводах при проведении двухфазного гидро­лиза сырье смешивают с 10—15 %-ной серной кислотой при гидромодуле 0,2-^0,3:1, загружают в гидролизаппарат, нагре­вают острым паром до 160—180 °С и продолжают подачу пара в течение 2—3 ч. В это время происходит гидролиз пентозанов до пентоз, дегидратация пентоз до фурфурола и выведение фурфурола с паром в конденсационную систему. Как показали производственные опыты, серную кислоту целесообразно заме­нять солевыми катализаторами (суперфосфатом, монокальций - фосфатом и др.). Конденсат, содержащий около 3% фурфу - рола, очищают от примесей и ректифицируют, получая товар­ный фурфурол. Остающийся в гидролизаппарате целлолигнин подвергают перколяционному гидролизу 0,7—1 %-ной серной кислотой и используют получаемый гексозный гидролизат для выращивания дрожжей.

Фурфурол получают также из древесной щепы лиственных пород путем обработки водяным паром при 180 °С под давле­нием в вертикальном непрерывнодействующем аппарате. Гидро­лиз пентозанов происходит в результате каталитического воз­действия отщепляющихся от древесины органических кислот. Целлолигнин после отгонки фурфурола брикетируют. Хвойную древесину для производства фурфурола не используют из-за малого содержания в ней пентозанов.

Новые гидролизные заводы строятся преимущественно как специализированные фурфурольно-дрожжевые предприятия.

Разрабатывается комплексный способ переработки расти­тельного сырья, по которому перколяционный гидролиз сырья производится только до температуры 150 °С. Получаемый ге - мицеллюлозный гидролизат отжимается и используется для вы­ращивания кормовых дрожжей. Оставшийся в гидролизаппа­рате целлолигнин с целью обогащения его сахарами заливают 0,5 %-ной кислотой и нагревают 15—30 мин при 170—180 °С, затем выгружают и нейтрализуют газообразным аммиаком. По­лучается растительно-углеводный корм, обладающий высокими кормовыми свойствами. Из 1 т абсолютно сухой древесины можно получить до 120 кг товарных дрожжей и 700 кг расти­тельно-углеводного корма; отходов в виде лигнина нет.

Полностью используется сырье и при получении кормовой осахаренной древесины. Например, древесную щепу подвергают частичному гидролизу, для чего смачивают раствором серной кислоты с таким расчетом, чтобы концентрация кислоты вну­три древесины составила с учетом содержащейся в древесине влаги около 0,1 %• Затем щепу пропаривают, размалывают в ди­сковой мельнице и нейтрализуют аммиаком. При частичном гидролизе происходит деструкция трудногидролизуемых поли­сахаридов древесины, в результате чего в готовом продукте содержится значительное количество редуцирующих веществ. Кормовая осахаренная древесина применима в качестве угле­водной добавки в рационах кормления крупного рогатого скота.