126282 (Производство кормовых дрожжей на сахаросодержащих средах гидролизатах растительной биомассы), страница 2

В процессе гидролиза одновременно происходят две параллельно идущие реакции: гидролитическое расщепление полисахаридов и распад образовавшихся моносахаридов. Реальный выход моносахаридов (РВ) является разностью между образовавшимися и разложившимися моносахаридами. В модифицированных способах и режимах гидролиза предусматриваются меры для снижение распада моносахаридов. Критерий распада сахара R₂ определяется по следующему уравнению:

R₂=δk₂t

В уравнении t – длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции; коэффициент δ отражает наличие в смеси моносахаров, которые имеют константу скорости распада k₂, отличающуюся от константы скорости распада глюкозы. Например, для гемицеллюлозного сахара хвойной древесины δ=1,9, а для ксилозы δ=4,4 – 4,5. В процессе гидролиза в первую очередь происходит деструкция гемицеллюлоз, а образовавшиеся сахара представляют собой смесь глюкозы и пентоз с преобладанием последних. Модифицированный режим получил название «двухстадийный гидролиз».

В первой стадии создаются мягкие условия процесса, при которых распад продуктов гидролиза (РВ минимален, но в то же время достаточные для деструкции основной массы легкогидролизуемых полисахаридов. В гидролизируемом сырье перед началом второй стадии гидролиза практически остаются только трудногидролизуемые полисахариды (целлюлоза), а образовавшиеся моносахара в основном представлены глюкозой.

Однородность гидролизуемого материала и благоприятное соотношение величин констант скорости гидролиза целлюлозы k₁ и распада глюкозы k₂ позволяют осуществить вторую стадию гидролиза также в оптимальном режиме. Кроме повышения удельных выходов РВ и доброкачественности гидролизата можно снизить расход пара на брагоректификационный аппарат. Это достигается раздельной переработкой гидролизата: гидролизат от второй стадии идет на производство спирта, а от первой стадии, совместно с послеспиртовой бардой, для выработки дрожжей.

Парофазный метод гидролиза. Наряду с перколяционным методом гидролиза на гидролизных предприятиях находит применение так называемый парофазный метод гидролиза. При парофазном гидролизе в отличие от перколяционного жидкость содержится только внутри частиц сырья, между частицами находится пар. Сырье смачивается раствором кислоты перед поступлением в гидролизаппарат, а затем нагревается паром до заданной температуры и выдерживается до 20 мин. В частицах сырья при выдержке происходит деструкция гемицеллюлоз (целлюлозы) с образованием моносахаров. Следующая операция (экстракция) имеет назначение вывести в раствор из частиц сырья образовавшиеся сахара. Для этого в гидролизаппарат подают слабый раствор кислоты или гидролизат с более низкой температурой, чем имеет содержимое гидролизаппарата. Это снижает или полностью предотвращает распад образовавшихся моносахаров.

Парофазный гидролиз позволяет проводить гидролиз постадийно, например, в две стадии: в первой осуществляется гидролиз гемицеллюлоз, во второй – целлюлозы. Предпосылкой для получения более высоких доброкачественности гидролизата и выходов РВ является наличие благоприятных условий по сравнению с перколяционным методом гидролиза.

Критерий распада моносахаров при парофазном методе гидролиза будет иметь меньшее значение, чем при перколяционном. При равных прочих условиях соотношение критериев образования и распада моносахаров будет определяться длительностью пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции. Операция нагрева сырья в начале процесса и при переходе от первоначальной стадии гидролиза к последующей при перколяционном методе происходит при наличии в аппарате значительных количеств жидкой фазы. При парофазном методе гидролиза сырье только смочено ограниченным количеством жидкости. Длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции при перколяционном гидролизе определяется длительностью пребывания жидкости в гидролизаппарате и в конечном счете зависит от скорости выдачи. Кроме того, необходимо учитывать неравномерность вытеснения гидролизата, содержащего РВ, варочным раствором, которая приводит к тому, что часть сахаров задерживается в гидролизаппарате более длительное время. Следовательно, с увеличением объема аппарата повышается длительность пребывания моносахаров в сфере реакции, а также увеличивается доля сахаров, пребывающих в гидролизаппарате более длительный срок по сравнению со средним значением длительности пребывания.

На выход РВ оказывает влияние гранулометрический состав сырья, и это должно учитываться при выборе параметров режима гидролиза. При гидролизе частиц сырья размером менее 2,5 мм не наблюдается изменения выхода сахара. Заметное влияние оказывает длина щепы. Например, щепа с длиной волокна 4 – 5 мм уменьшает выход РВ на 4 – 5%, при длине 30 – 40 мм на 5 – 10%, а при более длинной щепе выход снижается на 30 – 40%. Чем меньше сырье, тем выше плотность загрузки гидролизаппарата и тем выше его производительность.

Перед перколяцией сырье, смоченное слабым раствором серной кислоты, прогревают путем впуска острого пара. Следует иметь ввиду, что во время прогрева происходит и гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов. Поэтому в последующий за прогревом период (начальная стадия перколяции) необходимо принять меры для предупреждения деструкции образовавшихся сахаров, например вести прогрев до давления 0,5МПа, подавать воду на начальную стадию перколяции не выше 175˚С и другие меры. При этом следует обратить внимание на то, что часть полисахаридов не подвергается полному гидролизу и находится в гидролизате в виде дисахаров и осколков полисахаридов. Для превращения их в моносахара требуется проведение дополнительного гидролиза (инверсии). Вещества, для использования которых проводится инверсия, в практике называют неинвертированным сахаром. Инверсию проводят не только для получения дополнительного количества усваиваемых дрожжами моносахаридов, но и с целью повышения биологической доброкачественности гидролизата и улучшения состава сточных вод по БПК. В процессе инверсии снижается количество декстринов и стабилизируется коллоидный состав гидролизата. При этом выпадает довольно значительное количество осадка, содержащего смолистые вещества. Инверсия улучшает качество сточных вод, позволяет несколько уменьшить объем биологических очистных сооружений.

2.2 Технологические схемы и режимы гидролиза

Технологическая схема гидролиза состоит из следующих операций процесса гидролиза, проводимого в периодически действующих гидролизаппаратах: подачи на гидролиз серной кислоты и воды, частичного охлаждения полученного гидролизата на испарителях, инверсии (дополнительного гидролиза) (рис. 2).

Гидролиз. Производственный процесс гидролиза, проводимый в периодически действующих аппаратах, состоит из целого ряда основных и вспомогательных операций. Процесс гидролиза для разных видов сырья различен. Он начинается с загрузки сырья в гидролизаппарат и оканчивается выгрузкой лигнина. Последовательно проводятся следующие операции: загрузка сырья с его смачиванием, подогрев сырья и удаление воздуха, перколяция, промывка лигнина, его сушка и удаление из аппарата.

Конструкции гидролизаппаратов различных объемов аналогичны (рис. 3). Через верхнюю горловину загружается сырье, а также спускаются или поднимаются материалы во время ремонта. Горловина закрывается механизированной крышкой, управляют крышкой дистанционно при помощи электродвигателя. К нижней горловине крепится стальной переходной фланец. К переходному фланцу присоединен быстродействующий выгрузной клапан, который открывается при выгрузке лигнина из гидролизаппарата.

Для уменьшения потерь тепла наружная поверхность гидролизаппарата покрывается теплоизоляцией.

При вертикальной перколяции раствор варочной кислоты подают сверху, а гидролизат отбирают через фильтр, расположенный в нижнем конусе. Для горизонтальной и совмещенной перколяции в верхнем конусе сделан штуцер для подачи раствора варочной кислоты в трубу, расположенную вертикально по центру аппарата. На поверхности трубы, входящей внутрь аппарата, для распределения жидкости высверлены отверстия, которые размещаются на участках трубы выше уровня сырья, а также на участках, погруженных в сырье (лигнин). По периметру аппарата расположен четырехлучевой трубчатый фильтр для отбора гидролизата. Высота лучей фильтра подбирается таким образом, чтобы заглушенный верхний конец выступал из конусной в цилиндрическую часть на 1,8 – 2 м. Гидролизаппарат снабжен необходимым количеством штуцеров (продуктовый, сдувочный и др.). Сырье в гидролизаппарат подают загрузочным конвейером, расположенным выше горловины аппарата. Вытесняемые сырье воздух и водяные пары противотоком сырью удаляются через загрузочную течку и отводятся в атмосферу. Одновременно с сырьем в аппарат подают воду и кислоту, так как смачивание увеличивает плотность загрузки.

Число гидролизаппаратов n, необходимых для обеспечения заданной производительности, определяется по формуле:

n=Bm/(OKb1440)

где В – количество перерабатываемого абс. сухого сырья, т/сут; m - длительность оборота, мин; К – коэффициент использования полезного объема гидролизаппарата, равный 0,90; О – полезная вместимость гидролизаппарата, м³; b – удельная загрузка сырья, т/м³.

После загрузки гидролизаппарат закрывается верхней крышкой и через нижний штуцер подается пар для подогрева. В период подогрева давление поднимается до 0,5МПа и производится 2 -3-минутная сдувка воздуха, отводимого через верхний вентиль и сдувочную линию в ловушку для сдувочного пара. Этим приемом удаляется воздух и другие неконденсирующиеся газы. Присутствие этих газов неблагоприятно сказывается на гидродинамических процессах. Кроме того, присутствие воздуха искажает показания манометра, внося разницу в обычное для водяного пара соотношение давления и температуры. При сдувке частично удаляются скипидар, метанол, фурфурол и другие вещества, вредные для выращивания дрожжей.

Начальный период перколяции проводится в мягких условиях,т.е. при пониженной температуре (около 150˚С). Температура подаваемой в гидролизаппарат воды постепенно повышается до 188 – 190˚С. Соответственно этому изменяется и температура внутри гидролизаппарата. Температура выравнивается примерно через 60 минут от начала перколяции.

Промывка. Промывку лигнина водой проводят таким же способом, как и перколяцию,т.е. сверху вниз, но при этом не подают серную кислоту. После подачи заданного количества воды промывку прекращают, а гидролизат продолжают отбирать. Этот период называют сушкой. Затем выгружают лигнин. Для этого при давлении в гидролизаппарате 0,7 – 0,8МПа открывают быстродействующий клапан, установленный на нижнем конусе аппарата. Выгрузка («выстрел») продолжается несколько секунд. Выгруженный лигнин попадает в циклон, где от него вследствие самоиспарения отделяется пар, а лигнин оседает на дне циклона. Для выгрузки лигнина в циклоне предусмотрено выгребное устройство.

Охлаждение гидролизата. Гидролизат выводится из гидролизаппаратов по отдельным трубам, сведенным к коллектору выдачи гидролизата, далее по общей линии он поступает в первый испаритель трехступенчатой установки для охлаждения гидролизата.

Испаритель (рис. 4) представляет собой стальной сварной сосуд цилиндрической формы. Внутренняя поверхность защищена термокислотоупорными керамическими плитками. Для улучшения отделения пара от жидкости предусмотрена тангенциальная подача гидролизата в испаритель через диффузор. В верхней части имеется штуцер для отвода паров самоиспарения. Вне испарителя перед поступлением пара в решоферы устанавливаются паросушители. Охлажденный гидролизат отбирается из нижней части испарителя через штуцер и поступает в испаритель следующей ступени испарения или в сборник гидролизата.

Давление в испарителях от ступени к ступени понижается: в первой ступени 0,45МПа, а в последней около 0,1МПа. Соответственно этому гидролизат на выходе будет иметь температуру 150, 130 – 135 и 100 - 103˚С. Пары с каждой ступени испарения направляются для конденсации в соответствующую группу решоферов. Образующийся конденсат от решоферов направляется в сборник-испаритель конденсата. Далее конденсат направляется для переработки в цех ректификации фурфурола.

Инверсия. При «мягких» условиях начальной фазы перколяции в гидролизате будут содержаться неинвертированные сахара и необходимо подвергать их дополнительному гидролизу – инверсии. Инверсия может осуществляться при температуре 100˚С и при более высоких температурах. Длительность процесса при 100˚С составляет 6 – 8 часов, а при 130˚С требуется всего лишь 0,5 ч. Для инверсии под избыточным давлением используют испаритель второй ступени, где имеет место требуемый уровень температуры. Для этой цели разработана конструкция испарителя-инвертора. Инвертор представляет собой стальной цилиндр с конусным днищем и крышкой. Изнутри сталь защищена футеровкой. В конусной части инвертора скапливается осадок в виде смолы и лигнина, который необходимо периодически выгружать.

2.3 Технологические схемы и режимы подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей

В гидролизате наряду с РВ присутствуют вещества, отрицательно влияющие на ход процесса выращивания дрожжей, такие как фурфурол, оксиметилфурфурол, фенол, минеральные соли азота и калия. Концентрация ингибиторов в культуральной среде не должна превышать ПДК, величина которого специфична для каждого вещества. Для обеспечения нормальных условий процесса выращивания необходимо соответствующим образом подготовить гидролизат. Для этой цели требуется осуществить ряд последовательных технологических операций: самоиспарение гидролизата, нейтрализацию, очистку от взвешенных веществ, охлаждение самоиспарением, аэрацию воздухом.

Нейтрализация. Основной задачей при подготовке гидролизата является удаление ингибиторов, а учитывая наличие в среде нескольких ингибиторов, необходимо удалять каждый из них по возможности полнее. Кроме этого необходимо освободить гидролизат от серной кислоты, снизить температуру до 28 – 32˚С и максимально снизить количество взвешенных и коллоидных веществ.

Серная кислота удаляется методом нейтрализации с использованием двух нейтрализующих агентов: известкового молока и аммиачной воды. При нейтрализации известковым молоком происходит реакция с образованием гипса:

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + 2H₂O

Находящиеся в растворе органические кислоты также частично нейтрализуются.

Гипс плотностью 2,3 г/см³ выпадает в осадок. Этим свойством пользуются, выделяя его из раствора осаждением.

При нейтрализации кислоты аммиачной водой образуется сульфат аммония:

H₂SO₄ + 2NH₄OH = (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O.

Образующийся сульфат аммония полностью растворим и осадка не образует. Если для нейтрализации известковым молоком необходимо устанавливать специальные аппараты, то для нейтрализации аммиачной водой достаточно подавать ее во всасывающую линию насоса, откачивающего гидролизат. Кроме того, у каждого из методов есть свои недостатки. Для известкового метода характерна трудоемкость транспортировки, складирования и приготовления известкового молока. Азот, связанный с серной кислотой, не может быть использован для образования белков. Таким образом, почти весь сульфат аммония остается в последрожжевой бражке, что приводит к значительным затратам при очистке промышленных стоков. Кроме того, аммонийный азот является ингибитором процесса выращивания дрожжей.