Гидролизное производство. Технология производства пищевого ксилита

     Высокой эффективностью очистки отличается флокуляционный метод с введением 15–30 мг/л водорастворимых катионных полиэлектролитов, применение которых позволяет сократить в 2–3 раза расход коллактивита.

     При производстве ксилита из кукурузных кочерыжек нейтрализацию гидролизата  и упаривание раствора перед гидрированием  не производят. Расход коллактивита по этой схеме составляет около 600 кг/т ксилита. Коллактивит частично сорбирует неорганические примеси из гидролизата, основная часть которых удаляется при ионообменной очистке.

     Вакуум-выпарка  нейтрализата. Предварительное концентрирование нейтрализата обеспечивает сокращение жидкостных потоков, поступающих на гидрирование и частичное удаление летучих примесей. При повышенной температуре наиболее устойчивы слабокислые растворы моносахаридов при рН = 3,5÷4,0.

     Концентрирование  нейтрализата проводится до  38–40 % СВ или 30–35 % РВ; доброкачественность сиропа составляет 80–85 %, цветность 25 ед. Штаммера.

     Ионообменная  очистка нейтрализата. Ксилозный сироп с доброкачественностью 80–85 % содержит 2,0–2,4 масс. % от массы СВ зольных веществ, в том числе около 25 % соединений Si, примерно 12 % солей Mg, около 8 % солей Ca, более 20 % S  и более 5 % фосфорсодержащих соединений; присутствуют в сиропе и азотсодержащие вещества (0,5–0,8 % от СВ), которые включают аминокислоты, белки, аммонийные соли.

     Для удаления минеральных примесей применяется система ионообменных фильтров, содержащих катиониты и аниониты. Из отечественных ионитов наиболее эффективно применение катионита КУ-1 и анионитов АН-1 и ЭДЭ-10П. В ксилитном производстве применяются две схемы ионообменной очистки нейтрализата:

     Вторая  схема очистки является более  эффективной. На катионите КУ-1 содержание зольных веществ снижается с 2–2,4 до 0,9–1 %. На анионите серная кислота удаляется на 60 %, органические кислоты на 30 %. Высокоемкая смола ЭДЭ-10П завершает процесс очистки сиропов от сульфатов, уроновых и низших жирных кислот.

     Нагрузка  на иониты при очистке составляет 300 кг сахара на 1 м³ смолы. В результате разбавления ксилозного сиропа промывными водами концентрация СВ после ионитов снижается до 12–18 %, РВ — до 11,5–17 %. Доброкачественность очищенного сиропа повышается до 96 % и более, содержание органических кислот составляют около 0,25 масс. % от массы СВ (рН = 5,5÷6,0), зольность снижается до 0,8 %; потери сахаров при очистке на ионитах лежат в интервале 10–20 %. 
 
 
 
 

2.5.Гидрирование  ксилозы 

   Каталитическое жидкофазное гидрирование (гидрогенизация) ксилозы протекает при взаимодействии сорбированных на поверхности катализатора молекул водорода и моносахарида в соответствии со схемой: 

    При получении ксилита практическое  применение нашли сплавные никель - алюминиевые катализаторы  с добавкой титана (Ni — 47 %, Al — 50 %, Ti — 3 %), активированные раствором щелочи.

     Процесс гидрирования ксилозы необходимо проводить  в условиях максимальной активности катализатора и стабильности ксилозы. Эти условия не совпадают по величине рН. В области наибольшей стабильности ксилозы (рН = 3,5÷4,0) происходит снижение активности катализатора, поскольку его оптимум лежит в щелочной области. Поэтому гидрирование проводят  в слабощелочной среде.

     Очищенный ксилозный раствор подщелачивается 2% раствором NaOH до рН = 8÷9. Далее раствор смешивается в буферной емкости с водородом (получают электролизом воды) при давлении 10–12 МПа, нагревается в подогревателе до температуры реакции и направляется в реактор, заполненный стационарным катализатором. Гидрирование проводят при температуре 115–120 °С до практически полной конверсии ксилозы (РВ менее 0,5 %). Полученный ксилитный раствор  через сепаратор низкого давления направляется в сборник и на ионообменную очистку. Расход на производство 1 т товарного ксилита составляет: водорода —  350–400 м³, катализатора — 20–40 кг.

     В процессе гидрирования происходит восстановление и других присутствующих в растворе моносахаридов с образованием соответствующих  пентитов и гекситов; кроме этого протекают реакции, сопровождающиеся расщеплением С–С-связей, обусловливающие появление низкомолекулярных спиртов. 
 
 
 
 
 

2.6.Очистка и концентрирование ксилитных растворов 

    Ксилитный раствор после гидрирования (гидрюр) содержит 9–12 % СВ, золы 1,5 масс. % от массы СВ, остаточные РВ менее 0,5 % и имеет рН = 4÷6, снижение которого связано с образованием в щелочной среде  из моносахаридов кислот.

     Основными примесями в гидрюре являются полиолы (табл. 2.1). Содержание основного примесного компонента при переработке кукурузной кочерыжки (сорбита) может доходить до 10 %. 

     Таблица 2.1

     Состав  примесных полиолов гидрюра (масс. % от массы СВ)

     Технологическая схема дальнейшей переработки ксилитного раствора включает его ионообменную очистку от неорганических солей  и органических кислот, которая проводится по схеме КУ-2 → ЭДЭ-10П или КУ-1 → АН-1, причем более эффективным является первый вариант. Продолжительность цикла при работе ионообменной батареи составляет 18 ч, регенерация ионитов — 4 ч.

     Адсорбционную очистку проводят коллактивитом при его расходе 1–2 масс. % от массы СВ.

     Очищенный и осветленный ксилитный раствор, содержащий 5–12 % СВ, поступает на выпарную батарею, где осуществляется его подупаривание до 45–65 %  и окончательное уваривание до 92 % СВ.

     Хотя  выпарка проводится при температуре менее 100 °С, наблюдается частичная деструкция ксилита, сопровождающаяся окрашиванием сиропа. В связи  с этим целесообразно проводить дополнительную обработку полуупаренного раствора 12% суспензией коллактивита с последующим окончательным упариванием до 92 % СВ после отфильтровывания сорбента. 
 

2.7.Кристаллизация  ксилита 

    На кристаллизацию поступает  упаренный ксилитный сироп с  концентрацией СВ, равной 92 %, доброкачественностью — 90–95 % (по сумме полиолов), цветностью — менее 3 ед. Штаммера, имеющий температуру около 90 °С.

     Для снижения продолжительности индукционного  периода и повышения скорости кристаллизации ксилита в его  пересыщенный раствор вводят затравку — мелкие кристаллы ксилита, являющиеся центрами кристаллизации. Процесс кристаллизации осуществляется при создании пересыщения раствора путем медленного охлаждения сиропа до 40–45 °С в кристаллизаторе.  Охлаждение проводится водой, подаваемой в рубашку кристаллизатора и диски перемешивающего механизма; скорость перемешивания составляет 4 мин^–1, кристаллизация продолжается 24 ч и более. Охлаждение сиропа осуществляют со скоростью 0,5–1,0 °С ч, поскольку при более быстром охлаждении образуются мелкие кристаллы. При 55–58 °С в кристаллизатор в качестве затравки вводят ксилитную суспензию в количестве 0,2–0,3 % ксилита от массы кристаллизата.

     В результате кристаллизации образуется утфель. При исходной концентрации СВ 92 % плотность утфеля составляет 1,396 г/см³. Для снижения вязкости утфеля обычно в кристаллизатор вводят оттек от кристаллизации. Отделение кристаллов ксилита от межкристаллитной жидкости проводят на центрифуге. Концентрация СВ в оттеке примерно равна 85 %.

     После отделения ксилита на центрифуге его влажность составляет 2–4 %. Для предотвращения слеживаемости при хранении целесообразно подсушивать ксилит в пневмо- или барабанной сушилке горячим воздухом при 60 °С до влажности не более 1,5 %.

     При однократной кристаллизации выход  ксилита составляет примерно 50 масс. % от массы СВ сиропа. Для сокращения потерь ксилита с оттеком проводят вторую кристаллизацию продукта из оттека после его концентрирования. После упаривания до 89–92 % СВ оттек кристаллизуют в течение 45–50 ч с понижением температуры до 35 °С. Затравку вводят при 45–50 °С  в количестве 0,3–0,4 масс. % от массы утфеля. После отделения кристаллов ксилит растворяют и смешивают с исходным очищенным раствором ксилита. Оттек после второй кристаллизации используют для получения ксилитана. Двухступенчатая кристаллизация позволяет повысить выход продукта до 60 %. Выход пищевого ксилита из 1 т пентозансодержащего сырья при одноступенчатой кристаллизации составляет 80–100 кг, при двухступенчатой — 110–120 кг.

     Довольно  низкий выход ксилита в значительной степени связан с присутствием в  растворе сорбита (табл. 2.2) и других полиолов. Присутствие сорбита приводит к повышению вязкости сиропа, вследствие чего снижается скорость кристаллизации. 

     Таблица 2.2

     Влияние сорбита на выход и качество ксилита при кристаллизации