Переработка пищевых отходов с получением ксилита

ПЕРЕРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ КСИЛИТА

Ташкараев Р.А., Кедельбаев Б.Ш., Диканбаева А.К.

Южно-Казахстанская государственная фармацевтическая академия, Казахстанский университет

Дружбы народов, г.Шымкент

АННОТАЦИЯ

Разработана технология совместных процессов гидролиза полисахаридов и гидрирования ксилозы до ксилита. Исследовано влияние давления водорода, температуры, природы катализатора на кинетику процесса гидролитического гидрирования ксилозы.

Ключевые слова: ксилит, гидрогенолиз, полисахариды,гидролитического гидрирования, селективность.

Среди многообразных многоатомных спиртов особый интерес представляют продукты гидрирования и гидрогенолиза моносахаридов. У многих из этих соединений обнаружена высокая биологическая активность, некоторые из них нашли применение в медицинской практике (ксилит, сорбит и другие). Кроме того, данные многоатомные спирты обладают широким спектром прикладных свойств, они находят применение в производстве лаков, олиф, смол, антифризов, косметике, взрывчатых веществ, ПАВ и т.д.[1].

Химическая технология углеводов вообще обладает большими потенциальными возможностям, еще не раскрытыми полностью. Ресурсы непищевого углеводсодержащего сырья - полисахаридов, находящегося в отходах переработки растительного сырья, составляют сотни миллионов тонн и, главное, ежегодно возобновляются, в отличие от традиционного химического сырья

Следует отметить, что современное состояние производства ксилита не отвечает современным требованиям, что связано с отсутствием необходимого ассортимента промышленно важных катализаторов, исходного растительного сырья и способов проведения процесса.Результаты многочисленных исследований, проведенных нами ранее [2], показали, что ферросплавы - полупродукты металлургических заводов вполне могут быть использованы в качестве модифицирующих добавок при повышении активности сплавных никелевых катализаторов гидрогенизации ксилозы.

Данная работа является продолжением предыдущих исследований и посвящена исследованию каталитических свойств наиболее активных никелевых сплавов и катализаторов, модифицированных ферромарганцем и ферромолибденом (ФХ и ФМо ). С целью разработки оптимальных каталитических систем для получения ксилита на проточной установке непрерывного гидрирования ксилозы испытаны некоторые сплавные никелевые катализаторы.Сплавы готовили в высокочастотной плавильной печи марки ОКБ - 8020 по разработанной ранее технологии . В кварцевый тигель помещали расчитанное количество Al в виде слитков и постепенно нагревали до 1000 - 1100 0С, затем вводили рассчитанное количество никеля и добавку ферросплава в виде стружки или порошка. В результате экзотермической реакции температура расплава поднималась 1700-1800 0С, перемешивание индукционным полем длилось 3-5 мин. В графитовых изложницах сплав охлаждали на воздухе и измельчали. Активацию сплавов проводили 10%-ным раствором едкого натра непосредственно в установке проточного типа. Полученный таким образом катализатор использовали для гидрирования ксилозы. Об активности стационарных катализаторов судили по величине их контактной нагрузки, выраженной в литрах гидрируемого вещества на 1 л катализатора за 1 ч (л/л кат.ч или ч-1), соответствующей 98-100%-ному выходу целевых продуктов

Результаты экспериментов приведены в табл.1. Видно, что стационарные катализаторы проявляют абсолютную активность по ксилиту, а активность их выше, чем у промышленного никель-титанового катализатора. Выход целевого продукта колеблется в пределах 98-100%. Величины контактных нагрузок, вышелоченных на 30% по алюминию Ni-ФМо, Ni-ФМп катализаторов при 120°С и 10 МПа достигают соответственно 0,87 ч-1 и 1,2 ч-1, что в 1,5-2,3 раза выше, чем у непромотированного и промышленного никель-титанового контактов.

Таблица 1 - Результаты непрерывного гидрирования ксилозы в проточной установке колонного типа. Условия опыта: 10%-ный водный раствор ксилозы, 10 МПа.

Результаты полупромышленных испытаний показали, что Ni-Al-ФМо катализатор по производительности в 1,9 раза.по стабильности в 2,0 раза превышает промышленный никель-титановый контакт[3]. Катализатор Ni-Al-ФМо рекомендован для внедрения в производство получения ксилита из ксилозы, полученной из гуза-паи. Известно, что варьирование технологических факторов оказывает существенное влияние на активность контактов. По мере течения процесса активность стационарных катализаторов начинает снижаться и в момент, когда выход ксилита становится ниже 98%, их подвергали повторному выщелачиванию 10% водным раствором NaOH при 100°С. Известно, что при использовании 10%-ного раствора едкого натра, число повторных выщелачиваний можно увеличить до двадцати. Однако, как показывают наши исследования, с ростом глубины алюминия активность исследуемых катализаторов увеличивается. Так активность Cu:Al=50:50 катализатора возрастает в 4,4 раза с ростом степени выщелачивания алюминия от 10 до 40%. Остальные промотированные катализаторы подвергали трехкратному выщелачиванию на 30,35,40% Al. Величина контактных нагрузок при этом увеличивается от 1,2 до 1,8 раза в зависимости от природы катализатора, что объясняется ростом активной поверхности катализаторов по мере удаления из них алюминия.

Особое значение в каталитических процессах имеют гидродинамические факторы, поэтому в лабораторной промышленной практике применяют всевозможные способы перемешивания реакционной смеси: взбалтывание, перемешивание мешалкой, барботаж, вибрацию и т.д. в связи с этим нами изучено влияние барботажа водорода на скорость гидрирования. С увеличением скорости барботажа водорода от 0,1 до 0,9 л/л.кт.час активность относительно малоактивных двух- и трехкомпонентных катализаторов возрастает в 1,3-1,6 раза, а контактные нагрузки наиболее активных Си-50%А1-ФМо и №-50%Л1-5%ФХ сплавов-катализаторов повышаются при этом в среднем в 1,1-1,3 раза. Таким образом, скорость циркуляции водорода оказывает наиболее благоприятное влияние на относительно менее активные катализаторы. Увеличение скорости барботажа водорода уменьшает толщину диффузионного слоя способствуя тем самым протеканию реакции вблизи кинетической области.

Одним из основных технологических параметров является давление водорода, увеличение которого повышает концентрацию водорода в растворе и на поверхности катализатора, что, в свою очередь, влияет как на адсорбцию реагентов, так и на механизм процесса. Повышение давления водорода в интервале 2-6 МПа вызывает увеличение контактных нагрузок малоактивных контактов в 4,5-4,6 ,а высокоактивных многокомпонентных в 1,26-1,37 раза. Линейная зависимость между этими величинами сохраняется в диапазоне 0,5-5,0 МПа, а при более высоких давлениях нарушается. При увеличении давления водорода в системе, скорость его воспроизводства на поверхности катализатора увеличивается и это способствует возрастанию скорости реакции и выходу ксилита. В изученном интервале порядок реакции по водороду изменяется до нулевого. Для Cu-Al-ФМо катализатора стопроцентное превращение достигается уже при 5 МПа, для Ni-ЛІ-ФХ при 8МПа и для промышленного катализатора - 10 МПа.

Оптимальные катализаторы должны характеризоваться не только высокой активностью и селективностью, но также и стабильностью, которая зависит как от подвижности активного водорода (скорости воспроизводства), так и от механической прочности исходного сплава и катализатора. О стабильности катализаторов судили по промежуткам времени, в которых сохраняется 98-100% выход ксилита в условиях варьирования одного из технологических параметров. Как показывают результаты исследования, модифицирующие добавки, наряду с активностью, значительно увеличивают и стабильность катализаторов. Наибольшую стабильную активность проявляют многокомпонентные сплавы с добавками ферросплавов.

Таким образом, нами доказаны возможность и высокая эффективность использования отхода пищевой промышленности в качестве сырья для получения ксилита методами одновременного гидролиза и гидрирования. Впервые разработаны технология совместных процессов гидролиза полисахаридов и гидрирования ксилозы до ксилита. Исследовано влияние давления водорода, температуры, природы катализатора на кинетику процесса гидролитического гидрирования ксилозы. Показано, что с повышением давления водорода от 2 до 5 МПа и температуры от 20 до 800С скорость гидролитического гидрирования полисахаридов пищевых отходов растет непрерывно и не зависит от концентрации ксилозы. Разработана ресурсо и энергосберегающая технология и выявлен оптимальный режим гидролитического гидрирования полисахаридов пищевых отходов с использованием кислотостойкого, селективного катализатора Ni-A1- ФМо, стабильность которого в 10-13 раз превышает стабильность промышленного Ni - Ti катализатора, а селективность по отношению к реакции гидрирования ксилозы составляет 97-98%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шарков, В.И. Химия гемицеллюлоз/ В.И. Шарков, Н.И. Куйбина.- М. «Лесная промышленность».-1972.-440с.
2. Кедельбаев Б.Ш. Ксилит из растительного сырья/ Б.Ш. Кедельбаев и др//ХПС.- №3.- 1997.- С.458
3. Кедельбаев Б.Ш. Гидрирование ксилозы на модифицированных никелевых катализаторах// Вестник ТГТУ.- 2004.-№1.- С. 171-174.