9.2.1. Основные методы гидролиза

Разнообразие методов гидролиза растительного сырья связано со значительным числом факторов, которые влияют на кинетику этого процесса: технологические свойства сырья, активность и концентрация катализатора, температура, конструкция оборудования.

Технологические свойства сырья определяются его химическим и гранулометрическим составом, физическими свойствами, плотностью. Важное значение имеет насыпная плотность сырья, от величины которой зависит количество загружаемого в гидролиз-аппарат сырья, и гранулометрический состав, обусловливающий гидравлическое сопротивление сырья, увеличение которого снижает скорость перколяции. Прочная физическая структура костры, например, позволяет применять ее в качестве «подушки» при гидролизе легкоразваривающегося сырья.

Перколяционный гидролиз. Наиболее часто в качестве катализатора используются сильные неорганические кислоты, прежде всего – серная. Возможно применение слабых органических (НСООН, СН₃СООН) и неорганических (Н₂SО₃) кислот. При перколяционном гидролизе используются растворы с массовой долей серной кислоты 0,5–0,8%.

В зависимости от температурного режима различают:

– низкотемпературный гидролиз (25–45С) концентрированными кислотами;

– гидролиз разбавленными кислотами при повышенных температурах (100–190С);

– высокотемпературный гидролиз (200–250С).

В присутствии воды при температуре 200–240С в результате деацетилирования гемицеллюлоз образуется уксусная кислота, которая является катализатором. В этом случае говорят об автогидролизе.

Гидромодуль процесса (соотношение жидкой и твердой фаз) влияет на скорость гидролиза и выход моносахаридов. При маломодульном гидролизе происходит частичная нейтрализация кислоты неорганическими (зольными) компонентами растительного сырья. Чем выше гидромодуль, тем ниже содержание сахаров (значение РВ) в гидролизате.

Наиболее высокая производительность оборудования в непрерывном процессе. Однако для аппарата, работающего под давлением, сложно в техническом отношении организовать непрерывную подачу сырья и выгрузку твердого остатка (технического лигнина). Поэтому чаще всего проводят перколяционный гидролиз: в гидролиз-аппарат загружают смоченное раствором кислоты сырье, прогревают его паром, а затем осуществляют непрерывную подачу раствора кислоты с одновременным отбором гидролизата (этот процесс называют перколяцией) до полного гидролиза полисахаридов. Лигнин удаляют из аппарата под давлением в специальный приемник.

Важное значение при перколяционном гидролизе имеет время пребывание моносахаридов в зоне реакции. Для сокращения этого времени используют современные методы перколяции: совмещенную перколяцию с центральной подающей трубой и перколяцию с восходящим потоком жидкости через слой гидролизуемого материла. Конструкции устройств для подачи раствора катализатора и отбора гидролизата обеспечивают смешанное (вертикально-горизонтальное) направление движения жидкостных потоков при совмещенной перколяции, что исключает уплотнение гидролизуемого материала и снижение скорости отбора гидролизата. Еще более благоприятные гидродинамические условия создаются при перколяции с восходящим потоком жидкости.

Ферментативный гидролиз. Гидролиз может осуществляться под действием целлюлолитических ферментов грибного происхождения. Активными продуцентами этих ферментов являются грибы Trichoderma viride, представители родов Aspergillus, Fusarium и др.

Достоинствами ферментативного гидролиза являются:

– специфичность катализатора, обусловливающего избирательный гидролиз гликозидных связей полисахаридов;

– отсутствие деструкции образующихся моносахаридов;

– возможность проведения процесса при 40–50С без значительных энергетических затрат.

Вместе с тем существует ряд факторов, сдерживающих применение ферментативного гидролиза:

1) невысокая скорость вследствие того, что глобулярные макромолекулы ферментов с трудом проникают в межмолекулярные области упорядоченных структур;

2) ингибирование ферментов конечными продуктами – глюкозой и целлобиозой;

3) влияние лигнина, которое заключается в адсорбции ферментов, их ингибировании низкомолекулярными ароматическими продуктами его деструкции (фенол, гваякол, n-гидроксибензойная кислота) и экранирующем действии.

На скорость ферментативного гидролиза оказывает влияние влажность материала. Оптимальной является относительная влажность сырья 400%, при меньшей влажности возрастает ингибирующее действие продуктов, при большей – снижается скорость ферментативной реакции.