Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

содержание необрушенных семян (с ядрами) – 5–10 %. Частицы хлопковой шелухи имеют длину 15–30 мм, ширину 15–20 мм. Насыпная плотность воздушно-сухой шелухи 80–100 кг/м3, после смачивания водой 125–150 кг/м3. Плотность загрузки в гидролизаппарат сырья, смоченного раствором кислоты, составляет около 200 кг/м3.

В хлопководческих районах велики ресурсы стеблей хлопчатника (гуза-пайи), которые пригодны для применения в качестве сырья на предприятиях гидролизно-дрожжевого профиля. Для превращения этого вида сырья из потенциального в экономически доступное необходима организация сбора, измельчения и транспортирования гузапайи.

Стержни початков кукурузы (кукурузная кочерыжка) – вид сырья, который образуется в качестве побочного продукта на крахмалопаточных и крупяных предприятиях, а также на заводах гибридных семян. Средние размеры стержней кукурузных початков следующие: длина – 40–100 мм, толщина – 15–30 мм; масса – 5–30 г.

При переработке большинства видов растительных отходов сельскохозяйственного производства, как правило, не проводится их предварительная подготовка, хотя иногда стержни кукурузных початков направляют на гидролиз в виде дробленки. При получении пищевого ксилита предварительная очистка стержней кукурузных початков способствует повышению качества пентозного гидролизата.

Лузга семян подсолнечника (подсолнечниковая, или подсолнечная, лузга) – отходы предприятий масложировой промышленности. Выход лузги составляет приблизительно 30 % от перерабатываемых семян. Плотность лузги 560 кг/м3, насыпная плотность сравнительно невелика и в среднем составляет 100 кг/м3. По физической структуре это сырье чрезвычайно упруго и практически не уплотняется при загрузке в гидролизаппарат. С целью повышения плотности загрузки при транспортировке и гидролизе возможно прессование подсолнечниковой лузги, хотя эта операция требует значительного расхода электроэнергии. По гранулометрическому составу лузга семян подсолнечника отличается однородностью: длина частиц – 6–8, ширина – 4–5 мм. Прочная физическая структура лузги обеспечивает хорошую фильтруемость гидролизата, в связи с чем это сырье загружают в нижнюю часть гидролизаппарата в качестве «подушки» при варке стержней кукурузных початков.

Рисовая лузга – отход предприятий крупяной промышленности. Она не применяется в качестве грубого растительного корма из-за низкой питательной ценности. Низкая горючесть и высокая биостой-

41

кость препятствуют ее использованию в качестве топлива или удобрения. Размеры частиц составляют 5–7 мм, насыпная масса рисовой лузги – 100–110 кг/м3 (в пересчете на абсолютно сухое вещество). В результате брикетирования на гидравлическом прессе рисовой лузги влажностью 8–11 % получают брикеты с насыпной плотностью 445 кг/м3. Брикеты разрушаются при загрузке в гидролизаппарат и обработке их варочной кислотой в течение 3–5 мин. Использование брикетированной лузги позволяет повысить количество загружаемого сырья, следовательно, и производительность гидролизаппаратов.

Солома зерновых культур в настоящее время можно рассматривать как потенциальный источник сырья в гидролизном производстве. Основными трудностями применения соломы является рассредоточенность злаковых полей, сезонность заготовок и необходимость хранения значительных запасов легкозагнивающего сырья, низкая насыпная плотность, затрудняющая транспортировку соломы и снижающая эффективность использования объема гидролизаппаратов. С целью повышения плотности загрузки соломы целесообразно использовать совместную загрузку брикетов соломы и лузги риса. При переработке фрезерного торфа слабой степени разложения (до 20 %) с влажностью 65–70 % можно получить технический фурфурол, фур- фурольно-ацетоновую смолу, этанол, кормовую патоку для животноводства, а также растительно-углеводную кормовую добавку путем частичного осахаривания торфа.

Подготовка сырья на гидролизных предприятиях является важной составной частью единого технологического процесса, так как от качества сырья во многом зависят основные показатели работы как гидролизного цеха, так и завода в целом. Сырьевой цех должен обеспечить запасы сырья, необходимые для ритмичной и стабильной работы предприятия.

Потери массы древесины при хранении в результате биохимических превращений составляют приблизительно 1 % в месяц. Развитие термофильных бактерий сопровождается саморазогреванием сырья приблизительно до 60 °С. Для снижения температуры внутри куч устанавливают деревянные вытяжные трубы с отверстиями по всей высоте сырья.

Приготовление технологического сырья для гидролиза проводится на поточных технологических линиях древесно-сырьевых или древесно-подготовительных цехов предприятий. Наиболее важной технологической операцией приготовления сырья является его измельчение. Измельчение сырья производится на ножевых рубильных машинах режущего действия, для измельчения бревен применяют

42

дисковые рубительные машины, для получения щепы из кусковых отходов – барабанные машины.

Сортирование измельченного сырья имеет большое значение. При загрузке крупной щепы и некондиционных кусков древесины в гидролизаппарат происходит их непровар и снижается выход сахара. Фактически содержание крупных включений в сырье достигает 20 %, хотя содержание крупных фракций с размерами более 30 мм в соответствии с требованиями стандартов не должно превышать 5 %. В связи с этим в схемы подготовки сырья необходимо включать сортирование и доизмельчение отсортированного крупного сырья. Качество сырья возрастает также при отделении древесной пыли.

При транспортировке измельченного сырья на короткие расстояния (до 100 м) наиболее экономичны ленточные конвейеры. Однако при перемещении сырья на большие расстояния предпочтение следует отдать пневмотранспортным установкам, которые расходуют мало электроэнергии, а также обеспечивают высокую степень механизации и автоматизации процесса.

2.2. ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Под технологией понимают научные основы и технические приемы проведения как отдельных технологических процессов, так и совокупности операций при переработке определенного сырья с получением товарной продукции. Технология гидролиза включает обоснование и характеристику технологических параметров и схем процесса гидролитической переработки растительного сырья с получением гидролизата – водного раствора моносахаридов, основного промежуточного продукта производства.

Гидролиз растительного сырья – первый этап многостадийного процесса получения субстрата для биохимической переработки. Реальный выход моносахаридов при гидролизе зависит от отношения скоростей образования и распада сахара. Для повышения выхода сахара при гидролизе необходимо сокращение продолжительности пребывания моносахаридов в зоне реакции с целью уменьшения степени их распада.

С практической точки зрения принцип одноступенчатого гидролиза применим при гидролизе легкогидролизуемых гемицеллюлозных компонентов растительного сырья. Гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов с использованием этого принципа эффективен в высокотемпературной области.

43

2.2.1. Технология перколяционного гидролиза

Перколяционный гидролиз в настоящее время является наиболее эффективным техническим решением, позволяющим проводить гидролиз легко- и трудногидролизуемых полисахаридов растительного сырья с приемлемыми технико-экономическими показателями процесса. Различные варианты перколяционного процесса получили широкое применение в гидролизной промышленности.

Современная промышленная технология перколяционного гидролиза растительного сырья основана на применении разбавленных растворов серной кислоты в качестве катализатора и отборе моносахаридов из гидролизаппарата по мере их образования.

Основные стадии процесса перколяционного гидролиза растительного сырья. Процесс гидролиза растительного сырья складывается из ряда последовательных операций: загрузки сырья, его прогрева, перколяционной стадии с подачей кислоты, промывки лигнина водой, отжима гидролизата, выгрузки лигнина. Общая продолжительность всех этих операций составляет оборот гидролизаппарата.

При загрузке сырья для повышения производительности гидролизаппарата необходимо обеспечить максимальную плотность. Плотность загрузки определяется величиной насыпной массы, которая зависит от гранулометрического состава сырья, его влажности и породного состава, так как плотность древесины различных пород значительно отличается.

Плотность загрузки сырья при смачивании раствором кислоты приблизительно на 20 % выше насыпной массы соответствующего сырья. Максимальная плотность загрузки достигается при использовании смеси щепы и опилок с содержанием щепы около 60 %. Плотность загрузки смеси еловой и сосновой древесины при соотношении щепы и опилок 1:1 составляет 145 кг/м3. Это значение принято в качестве исходной величины при проектировании промышленных предприятий. Однако при загрузке сырья другого породного состава при том же соотношении щепы и опилок достигаются более высокие значения плотности загрузки, кг/м3: береза – 158–160, осина – 160–166, лиственница – 190–200.

Для повышения плотности загрузки сырья до 200 кг/м3 в промышленности применялся «паровой толчок» – подача пара в верхнюю часть загруженного аппарата с последующей догрузкой сырья.

При использовании брикетированных опилок совместно с обычным сырьем плотность загрузки может быть повышена до 300–400 кг/м3. Однако при этом изменяется гидродинамика перколяционного гидро-

44

лиза – возрастает удельное гидравлическое сопротивление гидролизуемого сырья, падает скорость выдачи гидролизата. Брикетирование сырья требует значительного расхода электроэнергии.

Полная пропитка опилок разбавленной серной кислотой происходит за 3–5 мин, технологической щепы – за 10–20 мин. С ростом температуры скорость пропитки увеличивается. При повышении влажности древесины скорость пропитки щепы падает, что может привести к снижению выхода РВ из-за пониженной концентрации катализатора в толще гидролизуемых частиц в начале процесса гидролиза.

Прогрев сырья до температуры реакции осуществляют путем подачи острого пара температурой 200–210 °С в нижнюю часть гидролизаппарата в течение 30–50 мин. Прогрев должен обеспечить равномерное повышение температуры по высоте и сечению гидролизаппарата. При прогреве подача кислоты в аппарат и отбор гидролизата не производятся. Через сдувочный коллектор осуществляются однадве сдувки по 3–5 мин при давлении 0,3 МПа для удаления воздуха

идругих неконденсирующихся газов. При сдувке удаляются также пары воды, фурфурола, терпенов (при переработке хвойного сырья)

идругих летучих примесей.

Впроцессе прогрева сырья завершается процесс его пропитки раствором катализатора и в значительной степени проходит гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов.

Оптимальный технологический режим гидролиза на перколяционной стадии процесса должен обеспечить получение максимального выхода моносахаридов из гидролизуемого сырья с учетом экономической эффективности производства.

Повышение температуры реакционной смеси в процессе перколяции осуществляется за счет дополнительного прогрева сырья горячим раствором кислоты. В процессе гидролиза температура в гидролизаппарате неодинакова по его высоте. Наиболее значительная разница наблюдается на перколяционной стадии процесса. Температуру гидролиза весьма приближенно оценивают по температуре подаваемой варочной смеси и давлению в верхней части гидролизаппарата. Температура реакционной смеси не соответствует давлению насыщенного пара, особенно в период прогрева сырья при наличии неконденсируемых газов. Избыточное давление в гидролизаппарате (0,1–0,2 МПа) сохраняется и на перколяционной стадии процесса. Для строгого соблюдения режима гидролиза по температуре – основному параметру, определяющему скорость химических реакций – необхо-

45

димы установка датчиков и постоянный контроль за температурой в нескольких точках по высоте и диаметру аппарата.

В дрожжевом производстве требуется получение гидролизатов с высокой доброкачественностью и минимальным содержанием примесей, ингибирующих ферментационные процессы. Концентрация сахара в гидролизате (2,5–3,0 % общих РВ) не является лимитирующим фактором, так как в процессе подготовки к биохимической переработке среда разбавляется водой в два раза. В связи с этим в дрожжевом производстве применяется сравнительно мягкий технологический режим прогрева сырья и гидролиза при отборе гидролизата в количестве 16–18 гидромодулей.

Гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов при перколяции не доводят до конца: в техническом лигнине содержится 15–25 % непрогидролизованных полисахаридов. При более глубоком гидролизе получают очень разбавленные гидролизаты; в результате потери физической структуры сырья затрудняется проведение последующих стадий промывки лигнина и отжима гидролизата.

Промывку твердого остатка водой проводят после завершения перколяционной стадии процесса. При промывке прекращают подачу в смеситель концентрированной H2SO4; цель операции – сокращение потерь моносахаридов с лигнином путем их отмывки водой.

При отжиме гидролизата и промывных вод подача воды не производится, гидролизат отбирается через фильтрующие устройства до достижения остаточного давления в аппарате 0,6–0,7 МПа.

Выгрузка лигнина («выстрел») проводится за счет повышенного давления в гидролизаппарате (0,6–0,7 МПа) и вскипания жидкости при открытии быстродействующего клапана в нижнем конусе аппарата. Лигнин при этом направляется в циклон (сцежу), давление в котором атмосферное. Влажность выгружаемого лигнина составляет обычно 65–70 %. Замечено, что при снижении содержания непрогидролизованных полисахаридов в техническом лигнине его влажность несколько возрастает.

При выборе оптимальных параметров гидролиза на каждом предприятии приходится учитывать многие факторы: химический и гранулометрический состав сырья, его однородность и степень микробиологической деструкции, влажность, геометрические особенности гидролизаппарата и допустимое рабочее давление, конструкцию подающе-фильтрующих устройств, температуру и давление греющего пара и т. д.

46

В процессе перколяционного гидролиза растительного сырья последовательно гидролизуются гемицеллюлозы и целлюлоза, частично деструктируется и растворяется лигнин. В связи с тем что основное количество полисахаридов содержится в клеточных стенках, при гидролизе происходит постепенное уменьшение их толщины, деформация и частичное разрушение клеток, хотя клеточная структура сырья сохраняется до конца гидролиза. В результате этих процессов нарушается анатомическая структура сырья, оно теряет свою механическую прочность, происходят его сжатие и усадка.

Способы перколяции. При вертикальной перколяции к концу гидролиза хвойных опилок объем непрогидролизованного остатка составляет 32 % от исходного объема сырья, для лузги семян подсолнечника – 28 %, для стержней кукурузных початков – около 16 %. В среднем к концу прогрева усадка сырья достигает 30 %, к концу процесса гидролиза – около 70 %.

Усадка и уплотнение сырья в процессе перколяции приводят к повышению удельного гидравлического сопротивления сырья

иснижению скорости перколяции в конце этой стадии и особенно при промывке сырья и отжиме гидролизата. Снижению скорости перколяции также способствует запрессовка лигнина в конической части гидролизаппарата, что вызывает уменьшение рабочей поверхности фильтрующих устройств, образование остатков лигнина в аппарате

исокращение его полезного объема. Выход РВ при использовании вертикального способа перколяции не превышает 36–38 %.

Для предотвращения уплотнения сырья и снижения скорости перколяции было предложено использовать метод горизонтальной перколяции: вместо вертикального направления движения сверху вниз направить варочную кислоту горизонтально. С этой целью перфорированная труба для подачи кислоты была опущена в цилиндрическую часть гидролизаппарата, куда также были вынесены перфорированные фильтры для отбора гидролизата (рис. 3).

Уменьшение длины пути раствора катализатора позволило резко уменьшить гидравлическое сопротивление гидролизуемого сырья с соответствующим повышением скорости перколяции. Наряду с положительными особенностями методу горизонтальной перколяции присущи существенные недостатки.

Выведение фильтрующих лучей в цилиндрическую часть и трудности вытеснения сахара из сырья, находящегося выше перфорированного участка подающей трубы, привели к снижению коэффициента вытеснения β до 0,7–0,8. При расположении подающей трубы

47

у стенки гидролизаппарата наблюдалось нарушение целостности футеровки под действием потоков кислоты.

Более эффективным оказался метод совмещенной перколяции (вертикально-горизонтальной), различные модификации которого были предложены И. И. Корольковым. Направление жидкостных потоков в верхней части аппарата вертикальное сверху вниз, в нижней части, где происходит основное нежелательное уплотнение сырья, горизонтальное. По сути, совмещенная перколяция является дальнейшим развитием метода горизонтальной перколяции. Из рис. 3 видно, что при совмещенной перколяции увеличена длина перфорированной части подающей трубы, что обеспечивает подачу кислоты и вытеснение сахара из всего объема гидролизуемого сырья. Уменьшена длина фильтрующих лучей в цилиндрической части. Коэффициент вытеснения сахара β = 0,80–0,83.

В промышленности испытаны и используются различные варианты совмещенной перколяции: с центральной и боковой подающими трубами, без подающей трубы, но с одним или двумя удлиненными фильтрами.

Переход от вертикальной перколяции к горизонтальной и совмещенной позволил повысить скорость перколяции, тем самым обеспечив возможность регулирования параметров гидролиза. Метод совмещенной перколяции оказался неэффективным в гидролизаппаратах вместимостью 160 м3. Скорость перколяции в этих аппаратах удалось повысить до 100–130 м3/ч (расчетная величина 140 м3/ч) при использовании многозонного гидролиза с периферийным расположением и подвесным креплением фильтрующих лучей. В связи с резким превышением оптимального соотношения высоты и диаметра для этого аппарата характерны образование застойных зон в сырье, низкий коэффициент вытеснения сахара и, как следствие, низкий выход РВ из сырья и невысокая удельная производительность аппарата.

Перколяция с восходящим потоком жидкости. Большие перспективы имеет метод восходящей перколяции, который впервые был испытан и освоен на Архангельском гидролизном заводе.

На рис. 4 показана схема обвязки гидролизаппарата и направление жидкостных потоков при восходящей перколяции. По этому методу загрузку сырья, воды через штуцер 2, кислоты через штуцер 3 и прогрев реакционной смеси паром через фильтры 10 осуществляют по обычной технологии. На перколяционной стадии кислоту подают через центральную подающую трубу 9, гидролизат отбирают через

48

боковые чешуйчатые подвесные фильтры 8. Эти фильтры располагаются примерно на 1/3 высоты гидролизаппарата от верхней горловины.

Рис. 3. Горизонтальная перколяция (а) с боковой подающей трубой

исовмещенная перколяция (б) с центральной подающей трубой:

1 – подача кислоты на загрузку сырья; 2 – подача варочной кислоты на перколяцию; 3 – отбор гидролизата

Подвесные фильтры меньше карамелизуются по сравнению с кольцевыми или лучевыми фильтрами, установленными вплотную к футеровке, что связано с самоочищением подвесных фильтров

49

сырьем при его усадке в процессе варки и лигнином при выгрузке. Для обеспечения высокого значения коэффициента вытеснения β боковые фильтры должны быть короткими, но иметь высокую удельную фильтрующую поверхность. Для предотвращения образования застойных зон необходимо устанавливать четыре – восемь боковых фильтров.

Вода

Рис. 4. Перколяция с восходящим потоком жидкости:

1 – струйный подогреватель; 2, 5 – штуцера для подачи воды; 3, 6 – штуцера для подачи концентрированной H2SO4; 4, 7 – смесители воды и кислоты; 8 – боковые фильтры; 9 – центральная подающая труба;

10 – нижние фильтры; 11 – сдувочная линия

50