Полисахариды, являясь продуктами основного органического синтеза, нашли широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности. Среди многообразных полисахаридов, моносахаридов и многоатомных спиртов особый интерес представляют продукты гидролиза и гидрирования. У многих из этих соединений обнаружена высокая биологическая активность, некоторые из них нашли применение в медицинской практике, они находят также применение в производстве лаков, олиф, смол, антифризов, косметике, взрывчатых веществ, ПАВ и т.д. [1–3].
Химическая технология углеводов вообще обладает большими потенциальными возможностям, еще не раскрытыми полностью. Ресурсы непищевого углеводсодержащего сырья – полисахаридов, содержащихся 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 полисахаридов, моносахаридов и многоатомных спиртов не отвечает современным требованиям, что связано с отсутствием необходимого ассортимента исходного растительного сырья и способов проведения процесса.
Использование новых видов местного сырья требует детального рассмотрения условий его гидролиза, подбора новых эффективных катализаторов и других аспектов технологического оформления процесса.
В свете вышеизложенного разработка технологии получения полисахаридов, моносахаридов и многоатомных спиртов на базе местного сырья для нужд промышленности является значительной актуальной народнохозяйственной проблемой.
В связи с этим весьма перспективными, на наш взгляд, являются отходы возделывания хлопка. Основную их массу образует гуза-пая – стебли и корневища растений этой технической культуры [4]. Миллионы тонн гуза-паи остается на хлопковых плантациях после сбора хлопка в Центральной Азии и Южном Казахстане. Сравнительно незначительная часть этих отходов используется населением для бытовых нужд в качестве топлива. Другие попытки переработки гуза-паи не нашли какого-либо масштабного практического применения. Часто эти отходы сжигают непосредственно на полях, в основном же запахивают в почву, что влечет риск передачи с находящимися в почве остатками новым вегетациям хлопчатника болезни этой культуры –вилт, являющейся бичем хлопководства.
Поэтому с целью изучения возможности расширения ассортимента растительного сырья и разработки технологии переработки нами был исследован процесс автогидролиза полисахаридов гуза-паи (Gossypium herbaceum L. Сорт хлопка Мактаарал-4011).
Химический состав гуза-паи приведен в таблице. Данные свидетельствуют о пригодности выбранных видов растительного сырья для получения полисахаридов.
Химический состав гуза-паи
|
Наименование компонентов |
Содержание, % |
|
Зольные вещества |
2,3 |
|
Легкогидролизуемые полисахариды |
24,7 |
|
Трудногидролизуемые полисахариды |
42,4 |
|
Гекозаны |
29,5, |
|
Пентозаны (без уроновых кислот) |
23,9 |
Для выделения полисахаридов гуза-паи использовали метод взрывного автогидролиза или парокрекинг-взрыв. Данный процесс включает кратковременную обработку гуза-паи насыщенным водяным паром в интервале температур 180–250 °С с последующим резким сбросом давления – «выстрелом» обработанного материала в приёмник. При автогидролизе биомасса подвергается обработке насыщенным водяным паром без введения катализаторов. Технически процесс реализуется следующим образом. В предварительно нагретый до заданной температуры реактор загружается гуза-пая и из генератора подают нагретый водяной пар. В течение времени достигаются нужные температура и давление, которые выдерживаются все время в течение автогидролиза. Время подъёма температуры и давления составляет обычно 5–30 с. Время автогидролиза – от нескольких секунд до нескольких минут. Чем выше температура и давление, тем короче интервал. На последнем этапе процесса происходит декомпрессия системы, по сути быстрое адиабатическое расширение («выстрел»). Продолжительность декомпрессии – доли секунды. Взрывной автогидролиз был реализован: как периодический процесс. Достоинством метода взрывного автогидролиза является то, что полученный продукт легко можно разделить на отдельные, условно чистые компоненты, в нашем случае целлюлозу и гемицеллюлозу. В качестве исходного сырья использовали гуза-паю с размерами 25×20×4 мм. Процесс взрывного автогидролиза осуществляли на установке периодического действия с объёмом реактора 0,8 л, в интервале температур 180–240 °С, давлении насыщенного водяного пара 12–34 атм. и продолжительности обработки 60–300 с. Автогидролизованный материал выстреливался из реактора в приёмник объемом 40–60 л, количественно собирался и подвергался поэтапному анализу на содержание индивидуальных компонентов согласно общепринятым методикам анализа на водорастворимые вещества, лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозы
Волокнистая масса после взрывного автогидролиза промывается водой с получением раствора сахаров, основную массу которых составляют продукты гидролиза гемицеллюлоз. При водной экстракции в раствор переходит до 90 % гемицеллюлоз. Следующий этап включает экстракцию деструктированного лигнина. Растворителями лигнина являются, по аналогии с нативным лигнином, диоксан-вода (9:1), этанол-вода (9:1), они удаляют до 90 % лигнина. Кроме того, в качестве растворителя используют растворы NaOH концентрацией от 0,4 до 2,0 %. Таким образом, после двухэтапной экстракции был получен продукт, состоящий, в основном, из целлюлозы, Такая целлюлоза может служить исходным сырьем для получения глюкозы и других продуктов
Полученные данные подтверждают правильность выбора объекта исследования (гуза-паи) и метода для получения полисахаридов.