Гидролизное производство.

Сырьем для гидролизного производства являются отходы лесопиления и деревообработки а также низкокачественная стволовая древесина, не пригодная для механической переработки и отходы сельского хозяйства (солома, кукурузные кочерыжки, хлопковая шелуха). Ежегодно образуется около 100 млн м³ отходов древесины. Из них 65 млн м³ образуется в результате лесопиления и деревообработки, а 35 млн м³ образуется в процессе заготовки леса. В настоящее время используется только около 30% отходов древесины.

Древесина – это продукт биологического происхождения. Клеточные стенки состоят из органических соединений на 99%.

Состав древесины:

1)углеводы:

- целлюлоза – это природный полисахарид, которая составляет 40-50% от общей массы древесины. Это высокомолекулярное соединение, элементное звено целлюлозы - Д-глюкоза, степень полимеризации составляет от 6-14 тыс.;

- гемицеллюлозы – элементным звеном являются различные пентозы, степень полимеризации -2-10, содержание до 30% от общей массы древесины;

2) ароматические соединения:

–лигнин – это смесь ароматических полимеров родственного строения. Его содержание составляет до 30% от общей массы древесины. Элементарными звеньями в макромолекулах лигнина являются фенилпропановые структурные единицы. Они связаны между собой различными химическими связями, к ним присоединены различные группировки (метил, этил и др.), причем строгого порядка в чередовании этих звеньев и группировок нет. Лигнин придает древесине прочность;

3) экстрактивные вещества древесины – это низкомолекулярные вещества. Они не являются составной частью клеточной стенки, а пропитывают ее. В состав экстрактивных веществ входят как органические, так и неорганические соединения. Их можно экстрагировать водой или органическими растворителями. Состав экстрактивных веществ очень сложен. К ним относятся смоляные и жирные кислоты, их эфиры, летучие углеводороды (терпены), дубильные вещества, танниды и др. Содержание экстрактивных веществ - 3-5%.

Особенности химического состава сырья.

При гидролизе основное значение имеет углеводный состав. Различают два вида сырья:

- гексозансодержащее сырье - это древесина хвойных пород;

- пентозансодержащее сырье - это древесина лиственных пород и отходы сельского хозяйства.

По суммарному содержанию углеводородов древесина лиственных и хвойных пород примерно равноценна.

На предприятиях гидролизной промышленности получают следующие виды продуктов:

1. дрожжи кормовые. Для их производства используется любой вид сырья;

2. этанол. Для его производства используется гекзозансодержащее сырье;

3. фурфурол и ксилит. Для их производства используется пентозансодержащее сырье.

Превращения основных компонентов древесины в условиях гидролиза.

Превращения полисахаридов. Во время гидролиза последовательно происходит несколько процессов:

1)Набухание полисахаридов.

Происходит разрыв части межмолекулярных связей в результате проникновения в структуру полимера молекулы растворителя или реагента. Набухший полимер можно рассматривать как раствор низкомолекулярного компонента в высокомолекулярном. Набухание целлюлозы в серной кислоте начинается при концентрации 50-55%, а в соляной при концентрации 37%.

Набухание гемицеллюлоз начинается при более низкой концентрации и идет с более высокой скоростью. Интенсивность набухания полисахаридов увеличивается с температурой.

2)Растворение полисахаридов.

С увеличением концентрации кислот ограниченное набухание переходит в неограниченное, то есть происходит растворение. Для целлюлозы растворение начинается при концентрации серной кислоты 62%, а соляной 39%. Глубина растворения увеличивается при увеличении продолжительности обработки, концентрации кислоты, температуры и модуля обработки.

3)Гидролиз глюкозидных связей.

При действии концентрированной кислоты процесс гидролиза протекает с образованием ряда промежуточных продуктов:

Целлюлоза – гидроцеллюлоза – целлодекстрины – олигосахариды – Д-глюкоза.

Гидроцеллюлоза- частично гидролизованная целлюлоза, сохраняющая волокнистую структуру.

Олигосахариды имеют степень полимеризации от 2-10. Процесс гидролиза может сопровождаться также процессами реверсии и инверсии.

Реверсия.

Кислотная реверсия – процесс поликонденсации моносахаридов с образованием полисахаридов, строение которых отличается от строения исходных полисахаридов.

Процессу реверсии способствует повышенная концентрация моносахаридов, наличие кислотного катализатора, дефицит в системе воды. Реверсия начинается при концентрации моносахаридов около 2%.

Продукты кислотной реверсии Д-глюкозы отличается от целлюлозы не только по химическому строению, но также более низкой степенью полимеризации и повышенной растворимостью и реакционной способности.

Инверсия.

В результате протекания всех рассмотренных выше процессов получается сложная смесь, состоящая из промежуточных продуктов гидролиза и продуктов реверсии. Содержание моносахаридов невелико. Для повышения содержания моносахаридов проводят инверсию, т.е дополнительный гидролиз разбавленной кислотой при температуре кипения. Распад моносахаридов в этих условиях не происходит, что обеспечивает их высокий выход.