книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

Для определения эффективности работы совмещенного аппарата воспроизведен тепловой расчет колонны, выполненный на стр. 142.

Примем теплопотери в выпарном аппарате равными 10%. То­

как и в первом расчете, без учета потерь в колонне и конденса­ торе) 29 200 — 11 700=16 500 ккал, а количество конденсата паро­ газовой смеси составит 16 500:640 = 26 кг.

Это количество конденсата образуется за счет испарения щелока в колонне. Таким образом, в совмещенном аппарате щелок скон­ центрируется не менее чем на 2%, и концентрация сухих веществ

центрации сухих веществ в щелоке, упаренном в совмещенном ап­ парате, составит 4% и, кроме того, на каждый кубометр щелока будет возвращено в производство 50 л горячего конденсата све­ жего пара.

Подготовку к биохимической переработке щелоков от сульфит­ ных варок целлюлозы высокого выхода (ЦВВ) проводят по не­ сколько измененной схеме.

Эти щелока в результате меньшего расхода химикатов на реак­ ции варки содержат значительное количество неиспользованного

моносахаридов. Поэтому в щелоках сульфитных варок ЦВВ на­ ряду с моносахаридами присутствуют олигосахариды, биохимиче­ ская утилизация которых невозможна без предварительного кис­ лотного гидролиза (инверсии). Если проводить инверсию необра­ ботанного щелока с помощью серной кислоты, то последняя бу­ дет расходоваться на вытеснение S 0 2 из солей сернистой кислоты и связывание с освобождающимся при этом катионом. Посколь­ ку эта реакция не протекает по стехиометрическому уравнению, кислотность сульфитного щелока, несмотря на большой расход серной кислоты, будет возрастать незначительно и окажется недо­ статочной для гидролиза олигосахаридов. Поэтому первой опера­ цией подготовки щелоков кислых варок ЦВВ должно быть удале­ ние из них избытка сульфита. Окисление щелоков воздухом, про­ водимое с этой целью на одной из стадий подготовки щелока суль­ фитной варки целлюлозы нормального выхода, в данном случае малоэффективно, так как величина pH щелока от варки ЦВВ при

Глубокая нейтрализация щелоков известковым молоком для перевода растворимых сульфитов в нерастворимый сульфит каль­ ция потребует столь большого расхода известкового молока, что величина pH щелока от варки ЦВВ может превысить 8, а это со-

150

пряжено с повышенным распадом сахаров и началом коагуляции лигносульфонатов.

Один из наиболее простых приемов удаления избыточного ко­ личества сульфита — искусственное поддержание достаточно вы­ сокой кислотности щелока при обработке его воздухом. Для этого в щелок после отдувки из него паром в колонне свободного S 0 2 при подаче воздуха вводят в несколько ступеней серную кислоту таким образом, чтобы ее количество на каждой последующей сту­ пени уменьшалось вплоть до полного исключения на последней ступени при одновременном увеличении продолжительности про­ дувки воздухом на каждой последующей ступени.

Число ступеней, количество вводимой серной кислоты и продол­ жительность продувки воздухом зависят от начальной концентра­

кислоты может быть проведена как при атмосферном, так и при повышенном давлении. При кипячении щелока под атмосферным давлением потребная концентрация серной кислоты составляет в

130° С и соответствующем ей давлении, средняя концентрация сер­ ной кислоты в щелоке может быть снижена до 0,1—0,2%, а про­ должительность обработки сокращена до 3—2 ч.

При вариантах инверсии щелока имеет место частичное вытес­ нение из него S 0 2, который следует направлять в систему реге­ нерации.

Дозировка серной кислоты определяется, кроме того, степенью полимеризации олигосахаридов и природой катиона основания варочной кислоты, так как присутствие в растворе в диссоцииро­ ванном состоянии солей серной кислоты снижает каталитическую активность самой кислоты. Поэтому целесообразность проведения инверсии щелоков должна подвергаться в каждом отдельном слу­ чае экономической оценке с учетом затрат химикатов и пара, а также дополнительной выработки продукции.

Щелока бисульфитных варок целлюлозы высокого выхода или полуцеллюлозы, как правило, содержат очень небольшое коли­

в варочном бисульфитном растворе величина pH этих щелоков на­ ходится в пределах 4—5 и удаление избытка сульфита из таких щелоков связано с большими трудностями.

В том случае, когда бисульфитный варочный раствор содержит небольшой избыток свободного S 0 2, снижающий величину pH, или имеет пониженную концентрацию связанного S 0 2, могут быть при­ менены описанные выше способы удаления сульфита и инверсии олигосахаридов.

На ряде целлюлозно-бумажных комбинатов целлюлозу отбели­ вают перекисью водорода. Этот окислитель может быть также

151

использован для окисления избыточного количества сульфита в бисульфитном щелоке.

Инверсию бисульфитных щелоков можно проводить с помощью S 0 2. При выдержке щелока, насыщенного S 0 2, под давлением при повышенной температуре происходит достаточно полный гидролиз

быточный растворенный сульфит. Чем выше температура инверсии и чем ниже концентрация S 0 2, введенного в щелок, тем интенсив­ нее протекают побочные реакции. Оптимальные условия инверсии бисульфитных щелоков варок ЦВВ и полуцеллюлозы с помощью

кают через колонну для продувки паром, имеющую укрепляющую часть. Концентрация соединений S 0 2 в выходящем из колонны ще­ локе не превышает допустимых для биохимической переработки пределов.

При бисульфитной варке целлюлозы нормального выхода из древесины лиственных пород в результате накопления в большом количестве уксусной кислоты кислотность бисульфитных щелоков может настолько возрасти, что равновесие между различными сое­ динениями S 0 2 сдвинется в сторону свободного S 0 2 и избыток сульфита станет незначительным. В этом случае условия подготов­ ки бисульфитного щелока к. биохимической переработке прибли­ зятся к условиям подготовки щелоков сульфитных варок.

При проектировании отделения подготовки к биохимической пе­ реработке щелока от сульфитной варки целлюлозы нормального выхода из еловой древесины с кислотой на основаниях CaO, Na20 ,

152

Ниже приводится примерный расчет суточного материального баланса отделения подготовки щелока.

И с х о д н ы е д а н н ы е

Целлюлозный завод вырабатывает 200 000 г целлюлозы средней жесткости в год; древесина — ель; варочная кислота на кальцийнатриевом основании; число рабочих дней в году 345; плотность щелока 1,050 г/см3\ кислотность щелока 90 мл 0,1 и. NaOH на 100 мл щелока; зольность сухого остатка 15%; темпера­ тура щелока 80° С.

П р и е м щ е л о к а

В сутки перерабатывается щелока 200 000 -8,5:345=4925 ж3, или 4925-1,05= = 5170 т.

Количество органических веществ в щелоке, перерабатываемом в сутки, рав­ но 4925-0,093=460 т.

Количество сухих веществ в щелоке, перерабатываемом в сутки, составляет 460 : (1—0,15) =540 г.

Концентрация сухих веществ 540-100:4925=10,9 г/100 мл, или 540Х Х100 : 5170=10,4%.

Количество РВ в щелоке, перерабатываемом в сутки, равно 460-0,285=131 т. Концентрация РВ в щелоке равна 131 • 100: 5170=2,54%.

Механические потери щелока в трубопроводе на участке отбор — прием со­

в том числе сухих веществ 540—(2,7+2,7) =534,6 т в сутки и РВ 131 — (0,7+0,7+ + 0,6) = 129,0 т в сутки.

Кислотность щелока, выходящего из колонны, 70 мл 0,1 н. NaOH на 100 мл (рН=3).

О к и с л е н и е щ е л о к а в о з д у х о м

При продувке воздухом испарится 0,5% влаги, или 4965-0,005=25 ж3в сутки. Механические потери — 0,5%, или (4965 — 25) -0,005=25 ж3 в сутки, при этом потеря сухих веществ составит 534,6-0,005=2,6 т в сутки и потеря РВ

129,0-0,005=0,6 т в сутки.

Н е й т р а л и з а ц и я I с т у п е н и и в ы д е р ж и в а н и е щ е л о к а

Нейтрализация проводится известковым молоком активностью 90 г/л СаО до остаточной кислотности 45 мл 0,1 н. NaOH на 100 мл щелока (рН=3,5).

В каждых 100 мл щелока необходимо нейтрализовать кислот в эквиваленте 0,1 н. NaOH 70—45=25 мл\ 1 мл 0,1 н. NaOH эквивалентен 0,0028 г СаО, или,

153

в пересчете на известковое молоко указанной выше активности, 0,0028 • 1000 : 90= = 0,031 мл. На 100 мл щелока необходимо израсходовать известкового молока 25-0,31=0,775 мл, или, округленно, 8 л/м3щелока.

Суточный расход известкового молока составит 4915-0,008 = 4 ж3. С этим ко­ личеством известкового молока в щелок попадет сухих веществ 4-90 = 360 кг в сутки, или, округленно, 0,4 т в сутки.

Общий объем нейтрализата будет равен 4920 ж3в сутки.

Хотя для получения вытяжки суперфосфата будет использован сульфитный щелок, а не вода, объем общего потока щелока при этом не изменится.

В процессе выдерживания в нейтрализат вводится в виде водной суспензии (100 г/л) гипсовая присадка в количестве 100 г CaS04 на 1 ж3 щелока. Расход присадки составит 4920-100: 100-1000=5 ж3 в сутки. С этим объемом присадки в щелок будет введено 0,5 г в сутки сухих веществ.

Механические потери нейтрализата составляют 0,5%, или (4920+5) -0,005= =25 ж3 в сутки, при этом потери сухих веществ будут равны (532+0,4 + 0,5) X

О с в е т л е н и е н е й т р а л и з а т а I с т у п е н и в о т с т о й н и к е

Для определения количества образующегося шлама условно принимаем, что вводимая в щелок с известковым молоком окись кальция нацело связывается в сульфат кальция. Тогда при расходе СаО на нейтрализацию 0,4 т в сутки ко­ личество образующегося шлама составит 0,97 т, или округленно 1 т в сутки.

=4850 ж3в сутки, в том числе сухих веществ 530,2 — 6,8=523,4 т в сутки и РВ 127,8 — 1,3=126,5 т в сутки.

Н е й т р а л и з а ц и я II с т у п е н и и о х л а ж д е н и е щ е л о к а

Нейтрализация осуществляется 25%-ным раствором аммиака во всасываю­ щей линии насоса, подающего осветленный щелок на охлаждение, до остаточной кислотности 30 мл 0,1 н. NaOH на 100 мл.

В каждых 100 мл щелока необходимо нейтрализовать кислот в эквиваленте 0,1 н. NaOH 45 — 30=15 мл.

1 мл 0,1 н. NaOH эквивалентен 0,0017 г NH3, или, в пересчете на 25%-ный рас­ твор аммиака, 0,0017 • 100 : 25=0,0068 мл.

На 100 мл щелока необходимо израсходовать 25%-ного NH3 15-0,0068 = = 0,102 мл, или, округленно, 1л/м3щелока.

Суточный расход 25%-ного NH3 равен 4850-0,001=4,85 ж3 или, округленно, 5 ж3в сутки.

Количество нейтрализованного щелока составит 4850+5=4855 ж3 в сутки.

Общие потери в отделении подготовки составят: щелока 3,0°/0, сухих веществ 3,0%, РВ 3,5%.

Суточный материальный баланс отделения подготовки щелока к биохимиче­ ской переработке сведен в табл. 17.

154

155

Принципиальная технологическая схема биохимической перера­ ботки сульфитных щелоков и основное оборудование этих процессов такие же, как и в спиртовых и дрожжевых цехах, перерабатыва­ ющих древесные гидролизаты. Поэтому в настоящем разделе бу­ дут рассмотрены лишь некоторые специфические особенности био­ химической переработки сульфитных щелоков.

В сульфитном щелоке всегда содержатся в большем или мень­ шем количестве мелкие целлюлозные волокна, на которых способ­ ны сорбироваться некоторые расы спиртообразующих дрожжей. Образуется волокнисто-дрожжевая биомасса, в которой соотноше­ ние целлюлозных волокон и дрожжей близко к 1 : 1. На этом свой­ стве дрожжей основан способ спиртового брожения с плавающей насадкой. Сбраживание сахаров происходит на поверхности раз­ дела твердой и жидкой фаз, благодаря чему выделяющиеся в про­ цессе брожения пузырьки углекислого газа, как и дрожжи, сор­ бируются на волокнах целлюлозы. В результате такой сорбции волокна поднимаются наверх, однако, достигая поверхности жид­ кости, пузырьки углекислого газа лопаются и волокна с сорбиро­ ванными дрожжами вновь оседают с достаточно большой скоро­ стью, доходящей до 2 мм/сек. Такое движение биомассы вверх и вниз продолжается до тех пор, пока в растворе есть сбраживае­ мые сахара.

Брожение с плавающей насадкой проводят в непрерывнодей­ ствующей батарее, состоящей из одного или нескольких головных чанов и одного хвостового чана. Хвостовой чан снабжен тихоход­ ной мешалкой с гребками и разделен не доходящей до дна на 1 м перегородкой на две части: дображивающую и осветляю­ щую.

Сусло и биомасса непрерывно поступают в головной чан, в кото­ ром протекает главное брожение. Чтобы исключить преждевремен­ ное оседание биомассы, брожение в этом чане не доводят до кон­ ца и применяют различные варианты перемешивания, например устанавливают осевой циркуляционный насос, забирающий браж­ ку в верхней части головного чана и возвращающий ее по каса­ тельной в нижнюю часть этого же чана.

Из головного чана бражка вместе с биомассой непрерывно отби­ рается в дображивающую часть хвостового чана, в котором завер­ шается брожение, осевшая на дно масса гребками мешалки выво­ дится из чана и насосом возвращается в головной чан. Бражка, поднимаясь по осветляющей части чана, очищается от механи­ чески увлеченных волокон и выводится сверху.

Сульфитно-спиртовая бражка содержит по сравнению с гидро­ лизной бражкой повышенное количество альдегидов. Это объяс­ няется, как было сказано выше, способностью уксусного альде­ гида, образующегося в процессе спиртового брожения, связы­ ваться с любым соединением S 0 2 в карбонилбисульфитное соеди­ нение. Поэтому необходимо принимать дополнительные меры по очистке спирта от альдегидов. Учитывая, что альдегиды и эфиры могут быть наиболее полно выделены из малоконцентрированных

157

спиртовых растворов (концентрация спирта 20—30%), их отбор проводят на специальной эпюрационной колонне, устанавливаемой между бражной и ректификационной колоннами. Отбираемую эфиро-альдегидную фракцию (ЭАФ) направляют в бродильное от­ деление. При этом концентрация спирта в эпюрате такая же, как

ина входе в эту колонну.

На ухудшение качества спирта может оказать существенное

влияние переход на сульфитную варку с кислотой, содержащей некальциевые основания. В этом случае, если на стадии подго­ товки щелока не были осуществлены мероприятия по удалению избыточного количества растворенного сульфита, в бражке резко повысится содержание карбонилбисульфитного соединения аце­ тальдегида. При отгонке спирта это соединение, диссоциируя в па­ рах, увеличит концентрацию в спирте ацетальдегида, кислоты и соединений серы.

Для нейтрализации кислоты повышают расход соды, что при­ водит к возрастанию сухого остатка в спирте. В то же время в из­ бытке едкого натра создаются условия для реакций конденсации ацетальдегида в кротоновый, сорбиновый альдегиды, придающие -спирту желтую или коричневую окраску. Конденсация ацеталь­ дегида может доходить до образования высокополимерных нераст­ воримых смолообразных продуктов:

сн3—с / ° + сн3—с / ° —сн3—сн=сн—с{° + Н20,

СНо -сн=сн—o f° + сн3—с/°- -сн5—СН=СН—СН=СН—C<f + НоО.

\ н

сорбиновый альдегид

Поэтому так важно удалять из сульфитных щелоков от варок с ки­ слотой на некальциевых основаниях избыточное количество всех соединений S 0 2.

При выращивании дрожжей на щелоках от варок с кислотой на аммонийном основании, т. е. содержащих избыточное количество соединений азота, во избежание аммиачного отравления дрожжей и связывания образующих альдегидов в альдегидаммиак, кислот­ ность субстрата в дрожжерастильном чане следует регулировать не раствором аммиака, а известковым молоком.

Литература

Сапотницкий С. А. Использование сульфитных щелоков. Изд. 2-е. М., 1965, с. 282.

158

ч

Глава VII

МИКРОБИОЛОГИЯ В ГИДРОЛИЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

1. МОРФОЛОГИЯ и РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Одним из основных технологических процессов гидролизной промышленности является биохимическая переработка получа­ емого сахара на этиловый спирт, белковые кормовые дрожжи, ви­ тамины и другие ценные продукты.

Поскольку биохимические процессы и микробиологический син­ тез осуществляются при помощи живых микроорганизмов, необ­ ходимо знать их биологические и физиологические особенности, создавать, подбирать и использовать в производстве наиболее ак­ тивные и высокоурожайные культуры.

Для создания новых высокопродуктивных производственных рас дрожжей, накапливающих повышенное содержание белка, вита­ минов и дающих высокие выходы спирта, необходимо использо­ вать методы селекции и генетики.

Большое значение имеет также изучение и широкое использова­ ние микроорганизмов для получения новых ценных продуктов (пи­ щевых дрожжей, комбикормов, содержащих разнообразный комп­ лекс витаминов, ферментов, гормонов, антибиотиков).

Не менее важные задачи стоят перед микробиологией гидро­ лизных производств в области усовершенствования технологиче­ ских процессов на основе глубокого изучения физиологии, биохи­ мических свойств, жизнедеятельности микроорганизмов, подбора рационального режима питания и состава среды. Наряду с основ­ ной культурой производства необходимо изучать посторонние ми­ кроорганизмы, которые могут появляться в дрожжерастильных и бродильных чанах и снижать выход товарной продукции, а также ее качество.

Таким образом, управление производственными биохимическими процессами в гидролизной промышленности и промышленности микробиологического синтеза возможно только на основе знаний микробиологии и биохимии.

Предмет микробиологии и биохимии

Микробиология—-биологическая наука, изучающая возникнове­ ние, развитие, строение, функции и жизнедеятельность мельчайших живых организмов, большинство которых можно видеть только под микроскопом. Они называются микроорганизмами, или ми­ кробами.

Биохимия изучает химизм жизненных процессов микроорга­ низмов.

Микроорганизмы всюду распространены в природе, существуют в почве, воде и воздухе. Они отличаются легкой приспособля-

159