NO142532B - Fremgangsmaate for fremstilling av en xyloseloesning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåte ved fremstilling av en xy-loseløsning fra en pentoserik løsning som er erholdt ved syrehydrolyse av et pentosanholdig råstoff.

Det er tidligere kjent fremgangsmåter som er beskrevet som egnede for oppnåelse, av xylose fra naturprodukter, slik som bjørketre, maisaks, bomullsfrøskall og lignende. Den russiske artikkel av Leihin, E.R. og Sobeleva, G.D., Proizvostro Ksili-ta (fremstilling av xylen), Moskva 1962, gir en oversikt over kjente metoder.

Nyere patenter som behandler emnet er U.S. patentene nr. 3.212.932, 3.305.395 og 3.553.725, det engelske patent nr. 1.209.960 og det russiske patent nr. 167.345, 19.65, videre norsk patent nr. 129.294 og DOS 2.224.794.

Metodene som tidligere har vært anvendt har ikke vært utnyttet

i noen større grad i kommersiell henseende på grunn av at de er økonomisk ufordelaktige. F.eks. når xyloseanrikede oppløsnin-ger o<pp>nåes av trespon. ifølge de kjente metoder, har.oppløs-, ningene vært så urene at en rekke dyre prosesstrinn har vært nødvendige før xylose kan isoleres eller før en tilstrekkelig ren xyloseoppløsning oppnåes.

Ifølge nærværende oppfinnelse er nå en forbedret fremgangsmåte utviklet for fremstilling av en xyloseløsning med 85-90 vekt-% xylose beregnet på tørrstoff i løsningen, fra en pentoserik løsning som. er erholdte ved syrehydrolyse av et pentosanholdig råstoff, karakterisert ved kombinasjonen av følgende i og: for seg kjente trinn: a) fjerning av suspenderte faststoffer fra løsningen ved mekanisk filtrering, b) fjerning av uorganiske salter og de største deler av organiske forurensninger og farvestoffer ved ioneutelukkelse, c) fjerning av resten av farvestoffene og de øvrige organiske forurensinger ved behandling av løsningen med et absorpsjons-middel som f.eks. ionevekslerharpiks eller aktivt kull, og d) fraksjonering av den erholdte løsning hvis tørrstoffinn-hold er 25 - 55 vekt-% ved hjelp av kromatografisk ioneveksling under anvendelse av et jordalkalimetallsalt av en med divinylbenzen kryssbundet polystyrensulfonat-kationvekslerharpiks, hvorved den erholdte løsning jevnt tilføres til har-piksoverflaten med en strømningshastighet på 0,2 - 1,5 m o/time/ m 2 tverrsnittflate, og hvorved det i rekkefølge uttas:

1) et forløp som også inneholder andre pentoser enn xylose,

2) én hovedfraksjon som består av en xyloseløsning med 85 -

90 vekt-% xylose beregnet på tørrstoff i løsningen, og

3) en sluttfraksjon som hovedsakelig består av andre pentoser enn xylose.

En av fordelene med fremgangsmåten i nærværende oppfinnelse

er at den gir en oppløsning av xylose som har tilstrekkelig høy renhet til å sikre hydrogenering av denne til xylitol i kommersiell henseende.

Materiale som anvendes som råmaterialer fra hvilke de pentose-anrikede oppløsninger oppnåes, er fortrinnsvis lignocellulose-materialer, f.eks. tre av forskjellige treslag, slik som bjørk og bøk. Anvendelig er også havrekli, maisaks, og -steng-ler, kokosnøttskall, mandelskall, halm, bagasse og bomullsfrø-skall. Ved anvendelse av tre , spaltes det fortrinnsvis til trespon, kutterspon, sagmel eller lignende.

Oppfinnelsen beskrives ytterligere under henvisning til tegningene, hvor: figur 1 er et prosess-skjema som i hovedsaken viser trinnene ved fremgangsmåten ifølge nærværende oppfinnelse, figur 2 ér et prosess-skjerna som viser fire mulige fremgangsmåter for rensning av pentose-sukkeroppløsninger i overens-., stemmelse med oppfinnelsen",

figur 3 er et prosess-skjerna med materialbalanseskjerna for en fremgangsmåte for fremstilling av xylose fra trespon.

Under henvisning til figur 1 kan råmaterialene i det første trinnet av foreliggende oppfinnelse hydrolyseres ved å følge en av" de velkjente fremgangsmåtene på området. Egnede fremgangsmåter som er beskrevet i litteraturen omfatter de som er beskrevet i U.S. patentene nr. 2.734.836; 2.759.856;

2.801.939; 2.974.067 og 3.212.932. Den største vekt ved valg av den egnede hydrolysefremgangsmåten bør legges på at et mak-simalt utbytte av pentoser oppnåes, og at den resulterende pen-toseanrikede oppløsning kan nøytraliseres ved anvendelse av materialer som ikke forårsaker noen ødeleggelse av sukkeret, slik som natriumhydroksyd. Når pentosematerialet oppnåes ved andre metoder enn sur hydrolyse, kan trinnet for avsaltning. ved ioneutelukkelse, slik som nedenfor beskrevet, eventuelt utelates.

Følgende trinn i fremgangsmåten er rensningen av de oppnådde hydrolyseprodukter. Rensningsperioden omfatter to hovedtrinn; (1) fjerning av saltet, natriumsulfat, og mesteparten av de . organiske forurensinger og fargestoffer ved ioneutelukkelses-metoder, og (2) endelig fjerning av fargestoffene. Ioneutelukkelses-metodene fjerner salt fra oppløsningen, og lignende fremgangsmåter er blitt anvendt i sukkerindustrien for rensning av melasse. Egnede fremgangsmåter er f.eks. beskrevet i U.S. patentene nr. 2.890.972 og 2.937.959.

Etter saltfjerningstrinnet inneholder oppløsningen ennå noen organiske og uorganiske forurensninger. Disse fjernes i far-gefjerningstrinnet ved behandling av oppløsningene i ioneut-vekslingssysterner bestående av en sterk kationutveksler fulgt av en svak anionutveksler og deretter et trinn for å føre oppløsningen gjennom et adsorpsjonsmiddel, f.eks. aktivt kull. Disse metoder er velkjente innen sukkerindustrien. En slik fremgangsmåte er f.eks. beskrevet i U.S. patent nr. 3.558.725. Andre egnede opplysninger vedrørende dette finnes i J. Stamberg og V. Valter: Entfarbungsharze., Akademie Verlag Berlin 1970; P. Smit: Ionenaustauscher und Adsorber bei der Herstellung und Reinigung von Zuckern, Pektinen und verwandten Stoffen. Akademie Verlag Berlin 1969; J. Hassler: Activated carbon; Leonard Hill, London 1967.

Som vist i figur 2 kan rensningstrinnet ytterligere forbedres, om så ønskes, ved tilføyelse av et trinn som utnytter et syn-tetisk makroretikulært adsorpsjonsmiddel, slik som "Amberlite XAD 2" for fjerning av organiske urenheter. Det makroretikulære adsorpsjonsmiddel kan anvendes i rensningstrinnet umiddelbart etter ioneutelukkelsen, men før kationveksleren, slik som vist i figur 2. Alternativt kan det utgjøre siste trinn i rensings-trinnet.

Figur 2 viser fire alternative skjemaer for utførelse av rensningstrinnet ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Valget av noen av disse alternative skjemaer beror på arten og nivået av forurensinger som er tilstede i oppløs-ningen, og på sammensetningen av op<p>løsningen som skal renses.

Den rensede pentoseoppløsningen som oppnåes i rensningstrinnet, kan deretter anvendes for gjenvinning av xylose, slik som vist i figur 1, ved hjelp av kromatografisk fraksjonering for oppnåelse av en oppløsning av høy renhet med hensyn til xylose, fulgt av krystallisasjon. Pentosemelassen, dvs. resten av fraksjonene, kan utsettes for ytterligere kromatografiske frak-sjoneringer for gjenvinning av en eller flere av de inngående sukkerartene. Alternativt kan den anvendes som kilde for kullhydrater i gjæringsprosesser.

EKSEMPEL I

Dette eksempel belyser anvendelsen av bjørkeved i form av spon for fremstilling av en særlig ren xyloseløsning i for-bindelse med fremgangsmåten ifølge nærværende oppfinnelse. Et materialbalanseskjerna for dette eksempel gis i figur 1 og

3 på tegningene.

Bjørkeveds<p>on med tørrvekt 1000 gram hydrolyseres méd svovel-syre, hvilket gir en blanding av hydrolysat og masse innehol-dende totalt 225 gram xylose. Massen som inneholder 51 gram xylan, fjernes fra hydrolysatet og kastes eller anvendes for . andre formål. Resten av blandingen nøytraliseres med natriumhydroksyd, hvorved en oppløsning oppnåes som inneholder 255 gram xylose, 110 gram annet organisk materiale og 67 gram uor-ganisk materiale. Hydrolysatet varmes deretter opp for å drive ut ikke ønskelig sur syre og vann og utsettes derpå for eL trinn med saltfjerning ved ioneutelukkelse og renses ved å lede oppløsningen gjennom suksessive lag av sterk kation-veksler og svak anionveksler. Som vist i tegningen, fjernes herved 14 gram xylose sammen med en større del av det uorganiske materiale og noe organisk materiale og helles ut med salt-fraksjonen. Sukkerfraksjonen som inneholder størstedelen av xylosen sammen med en del av de organiske forurensninger og en mindre mengde uorganiske forurensninger, utsettes igjen for et fordampningstrinn for fjerning av ytterligere mengder vann.

Den således oppnådde konsentrerte sukkeroppløsning ledes gjennom et fargefjerningstrinn og et lag av aktivt kull. Den således rensede oppløsning inneholdt 181 g xylose og 40 g annet organisk materiale.

A Den xyloseanrikete oppløsning ble renset ved hjelp av kromatografisk fraksjonering, resultatene er vist i fig. 1. Som ioneutvekslerharpiks anvendes en sterkt sur, sulfonert polystyrenharpiks som er tverrbundet med 3,5 % divinylbenzen, og som var i strontiumform. Kolonnen var 1 meter høy og med diameter 9,4 cm. Kolonnen ble fylt med vann. Som matningsopp-løsning ble en pentoseoppløsning som inneholder 25% fast rna-teriale anvendt og med følgende sammensetning.

Oppløsningen ble matet inn i den øvre del av kolonnen med en hastighet på- 2 7 ml pr. minutt til totalt 60 gra.m fast materiale var blitt matet til kolonnen. De første 108 ml oppløsning fra kolonnen besto for størstedelens vedkommende av vann, og det helles av. En analyse av de deretter oppnådde fraksjoner gir følgende resultater:

Ved kombinasjon av fraksjonene 6, 7 og 8 oppnåes en oppløsning med et xyloseinnhold på 89%, basert på tørrstoff.

Denne xyloseanrikede fraksjon kan anvendes ved fremstilling

av ren krystallinsk xylose. Dessuten er det mulig å krystalli-sere xylose fra en ikke-renset oppløsning, slik som fra den i dette eksempel anvendte matningsoppløsning, og deretter frak-sjonere sukkere som gjenstår i sirupen ved hjelp av kromatografiske behandlinger under anvendelse av ionevekslerharpiks. Den xyloseanrikede fraksjon resirkuleres til krystallisasjons-trinnet. Det er også mulig å oppnå andre pentoser og heksoser fra tilsvarende fraksjoner, eller resten av fraksjonene kan kombineres til en pentosemelasse.

EKSEMPEL II

En xyloseanriket oppløsning som oppnåes ved hydrolyse av bjør-keved, avsaltning og avfargning som foran beskrevet, renses ytterligere ved kromatografisk fraksjonering i en ionevekslerharpiks-kolonne i overensstemmelse med nedenfor beskrevne fremgangsmåte. Sammensetningen av det faste materialinnholdet i den xyloseanrikede oppløsning var ifølge bestemmelse med gasskromatografisk analyse som følger:

Den anvendte harpiks var en sterkt sur kationeveksler bestående av sulfonert polystyren, kryssbundet med 3,5 % divinyl-^ benzen, hvorved harpiksen forelå i kalsiumform. Harpiksen hadde en middelpartikkelstørrelse på 0,32 mm. Separasjonen skjedde ved en temperatur på 4 9°C. Kolonnen var 350 cm høy og hadde en diameter på 22,5 cm. Kolonnen ble fylt med vann. Den xyloseanrikede oppløsning ble tilført jevnt over kolonnen med en hastighet på 17 liter pr. time. Den til kolonnen matede oppløsning hadde et faststoffinnhold på 26%,

og den totale mengde sukker var 4 kg.

Den første utstrømning fra kolonnen, som gikk opp til 88 liter og som for de meste besto av vann, ble helt ut. Deretter ble suksessive fraksjoner tatt vare på, hvilke ble analysert, med følgende resultater:

Fraksjonene 3 til 6 ble kombinert for frembringelse av en xyloseanriket oppløsning som hadde følgende analyse:

EKSEMPEL III

En xyloseanriket oppløsning som er oppnådd ved hydrolyse av bjørkeved, avsaltning og avfargning som foran beskrevet, ble renset ytterligere ved kromatografisk fraksjonering på en ionevekslerharpiks-kolonne som beskrevet i det følgende. Sammensetningen av faststoffinnholdet i den xyloseanrikede opp-løsning var ifølge bestemmelse med gass-kromatografisk analyse som følger :

Den anvendte harpiks var en sterkt sur kationeveksler bestående av sulfonert polystyren som ble kryssbundet med 3,5 % divinylbenzen, hvorved harpiksen befant seg i strontiumform. Harpiksen hadde en middelpartikkelstørrelse på 0,32 mm. Se<p>ara-sjonen ble utført ved en temperatur på 51°C. Kolonnen var 350cm tjøy og hadde en diameter på 22,5 cm. Kolonnen ble gjen-nombløtt i vann. Den xyloseanrikede oppløsningen ble matet jevnt over kolonnen med en hastighet på 15 liter pr. time og den totale mengde fast materiale som ble tilført kolonnen var kg, i form av en oppløsning med et faststoff innhold på 28%.

Kolonnens første utstrømning som gikk opp til 83 liter og

som for det meste besto av vann, ble helt ut. Deretter ble suksessive fraksjoner samlet opp og analysert med følgende resultater:

Fraksjonene 3 til 6 ble kombinert for frembringelse av 35 liter xyloseanriket oppløsning sem hadde følgende analyse:

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av xyloseløsning med 85-90 vekt-% xylose beregnet på tørrstoff i løsningen fra en pentoserik løsning som er erholdt ved syrehydrolysé av et pentosanholdig"råstoff, karakterisert ved kombinasjonen av følgende i og for seg kjente trinn: a) Fjerning av suspenderte faste stoffer fra løsningen ved mekanisk filtrering, b) fjerning av uorganiske salter og de største deler av organiske forurensninger og farvestoffer ved ioneutéluk-kelse,c) fjerning av resten av farvestoffene og de øvrige organiske forurensninger ved behandling av løsningen med et absorpsjons-middel som f. eks. ionevekslerharpiks eller aktivt kull og d) fraksjonering av den erholdte løsning hvis tørrstoffinn-hold er 25-55 vekt-% ved hjelp av kromatografisk ioneveksling under anvendelse av et jordalkalxmetallsalt av en med divinylbenzen kryssbundet polystyrensulfonat-kationvekslerharpiks, hvorved den erholdte løsning jevnt tilføres til harpiksover-flaten med en strømningshastighet pa 0,2 - 1,5 m 3 /time/m2 tverrsnittflate, og hvorved det i rekkefølge uttas:

1) et forløp som også inneholder andre pentoser enn xylose,

2) en hovedfraksjon som består av en xyloseløsning med 85 - 90 vekt-% xylose beregnet på tørrstoff i løsningen, og

3) en sluttfraksjon som hovedsakelig består av andre pentoser enn xylose.