Гидролиз растительных мате­риалов

ГИДРОЛИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, основан на реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов растительного сырья (отходов лесопиления, деревообработки и переработки сельскохозяйственных  культур и др.) под действием водных растворов кислот. Образующиеся моносахариды подвергаются биохимической или химической переработке либо входят в состав товарной продукции. Гидролиз растительных материалов - основа гидролизных производств кормовых дрожжей, этанола, глюкозы, ксилозы, ксилита, фурфурола и пр. Впервые исследования по кислотному гидролизу растительного полисахарида (крахмала) провёл К. С. Кирхгоф в 1811 году. В СССР технология получения этанола из древесины была разработана в 1932 году В. И. Шарковым и в 1935 году гидролиз растительных материалов был осуществлён в промышленном масштабе.

Гидролиз растительных материалов обычно проводят в присутствии разбавленной серной или концентрированной серной либо соляной кислот, реже под действием солей (например, гидрофосфатов). Скорость процесса и выход продукта зависят от технологических характеристик сырья, технических приёмов гидролиза и конструкции оборудования. Так, условия гидролиза и состав образующихся продуктов в значительной степени определяются наличием в растительном сырье легкогидролизуемых (гемицеллюлозы) и трудногидролизуемых (целлюлозы и небольшого количества гемицеллюлоз) полисахаридов; скорость гидролиза трудногидролизуемых компонентов в несколько сотен раз меньше. С повышением температуры процесса, концентрации кислоты скорость гидролиза полисахаридов возрастает. Образующиеся при гидролизе растительных материалов моносахариды подвергаются многоступенчатым превращениям (которые обычно называют распадом сахаров) с образованием побочных продуктов - фурфурола, 5-гидроксиметилфурфурола, левулиновой и муравьиной кислот и др. Выход целевых продуктов зависит от соотношения скоростей образования и распада моносахаридов. Для того чтобы сократить продолжительность пребывания моносахаридов в зоне реакции, был предложен перколяционный метод гидролиза (процесс Шоллера; разработан в 1926-28), при котором подача раствора катализатора и удаление раствора моносахаридов из зоны реакции производятся путём непрерывного фильтрования раствора, а загрузка аппарата для гидролиза осуществляется периодически (выход моносахаридов до 50% от массы абсолютно сухого сырья).

Для сокращения продолжительности гидролиза, что особенно важно для непрерывных процессов, разработан высокотемпературный маломодульный гидролиз, в частности «взрывной» метод гидролиза (продолжительность составляет несколько секунд). Перспективен промышленный ферментативный гидролиз растительных материалов, позволяющий достигать выхода моносахаридов, близкого к теоретическому.

В результате гидролиза растительных материалов образуется реакционная смесь коричневого цвета со специфическим запахом - так называемый гидролизат, на 95% состоящий из воды (сухие продукты составляют 5%). Моносахариды (глюкоза, манноза, ксилоза и др.) составляют 2,8-3,3%. Получаемый гидролизат не пригоден для проведения биохимических процессов, так как имеет высокие температуру и кислотность, значительную концентрацию токсичных компонентов и недостаточное содержание источников минерального питания для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Технологические схемы получения субстрата для биохимической переработки в дрожжевом и спиртодрожжевом производстве близки и включают стадии охлаждения гидролизата, нейтрализации кислот, отстаивания образовавшегося осадка, обогащения субстрата питательными солями, а также (в дрожжевом производстве) аэрации и разбавления субстрата. В спиртодрожжевом производстве гидролизат, прошедший все стадии подготовки, называют суслом. Входящие в состав сусла моносахариды (гексозы) сбраживаются спиртообразующими дрожжами для получения спиртовой бражки (содержит 1-2% этанола), которая направляется на ректификационное концентрирование и очистку от примесей; выход технического этанола 120-140 кг из 1 тонны абсолютно сухого сырья. В дрожжевом производстве подготовленный гидролизат используют для культивирования дрожжей, выход которых - 200-220 кг из 1 тонны абсолютно сухого сырья.

В результате гидролиза растительных материалов в сочетании с биотехнологическими процессами получают кормовые и пищевые продукты, биологически активные и лекарственные препараты, мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания, сырьё для различных технических целей.

Лит.: Холькин Ю. И. Технология гидролизных производств. М., 1989; Елкин В. А., Выродов В. А., Рябов В. В., Кречмер М. М. Оборудование и проектирование предприятий гидролизной и лесохимической промышленности. М., 1991.