Способ гидролиза целлюлозы

Способ гидролиза целлюлозы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, включанщий кислотную обработку целлюлозы , выдерживание смеси и отделение нерастворившейся целлюлозы с последующим ферментативным гидролизом, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, обработку целлюлозы проводят смесью концентрированных фосфорной и серной кислот при их соотношении

СОЮЗ COBETCHHX

И Ю

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ CCCP

Го ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКСФУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3 (21) 3597969/23-05 (22) 23,05.83 (46) 15.01.85. Бюл. У 2 (72) В.И.Максимов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт (53) 661.728.8(088.8) (56) 1. Никитин Н.И. Химия древеси-

Hbl и целлюлозы, M..,,Изд-во АН СССР, 1962, с. 576-580.

2. Патент США У 4058411, кл. 127-37, опублик. 1977 (прототип).,SUÄ„ 45 5

4(51) С 08 В 1/00; С 13 К 1/04 (54) (57) СПОСОБ ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, включающий кислотную обработку целлюлозы, выдерживание смеси и отделение нерастворившейся целлюлозы с последующим Ферментативным гидролизом, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, обработку целлюлозы проводят смесью концентрированных фосфорной и серной кислот при их соотношении (3,5-50): 1, .смесь вццерживают 1,5-4,5 ч при

30-50 и дополнительно обрабатывают водой при 2-10 С, 1134565

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при получении глюкозы из целлюлозы, тактике для получения целлюлозы, используемой в качестве сорбента или носителя для иммобилизации разных веществ.

° Известен способ гидролиза целлю-. лозы смешиванием ее с одной из концентрированных кислот, например со- 10 ляной, серной или фтористоводородной, выдерживанием смеси в определенных условиях с последующей нейтрализацией кислоты и очисткой образовавшейся глюкозы от солей (! ).

Основным недостатком этого способа, препятствующим использованию его в промышленности, является загрязнение продуктов гидролиза целлюлозы солями, для очистки которых необхо- 20 димы специальные очистные сооружения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ декристаллизации целлюлозы. По этому д способу целлюлозу размалывают до частиц размером 1 мм и менее, размол смешивают с 80-85 -ным раствором фосфорной кислоты в соотношении

1 вес.ч. целлюлозы на 3-10 об.ч. фосфорной кислоты, в которой содержится поверхностно-активное вещество в количестве от 0,01 до 0,5 ч. на lOO ч. кислоты, после реакции к смеси добавляют тетрагидрофуран, смешанный с водой в соотношении 30-100 ч на 1 ч. воды, в количестве 10-50 ч. растворителя на 1 ч, кислоты, осадок углевода отделяют, а раствор, содержащий смесь фосфорной кислоты, тетра-40 .гидрофурана и воды, подвергают ректификации для повторного использования )23.

Недостатками известного способа являются необходимость работы с боль-45 шим объемом органического растворителя и создания технологии регенерации реактивов во взрычобезопасном исполнении, потери органического растворителя, достигающие 5-15 объе- 50 мов на 1 вес. ч. целлюлозы, а также необходимость использования фторуглеродного поверхностно-активного вещества для снижения расхода кислоты эа счет смачивания, что загрязняет 55 продукт токсичными фтористыми соединениями, и необходимость размола целJIIOJI0SHOI о Cblpья °

Целью изобретения является упрощение процесса гидролиэа целлюлозы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу гидролиза целлюлозы, включающему кислотную обработку целлюлозы, выдерживание смеси и отделение нерастворившейся целлюлозы с последующим ферментативным гидролизом, обработку целлюлозы проводят смесью концентрированных фосфорной и серной кислот при их соотношении (3,5-50):1, смесь выдерживают 1,5-4,5 ч при 30-50 С и дополнительно обрабатывают водой при 2-10 С.

Спбсоб осуществляют следующим образом.

1 вес.ч. (в граммах) целлюлозы смешивают с 5-9 объемами, преимущественно 5 (в миллилитрах) смеси концентрированной фосфорной кислоты (ГОСТ 6552-80/7168-80, массовая доля кислоты не менее 85X) и концентрированной серной кислоты (ГОСТ 4204-77, массовая доля кислоты лежит в пределах 93,6-95,67), взятой в соотношении (3,5-50):1, преимущественно (10-50):1. Перемешивание проводят при 30-50 С в течение 1,5-4,5 ч. Добавка серной кислоты к фосфорной вызывает умеренную и контролируемую деполимеризацию целлюлозы и образование в качестве промежуточного продукта водонерастворнмого углевода, который после обработки водой на холоду становится сильно набухаемым и хорошо фильтруемым. Благодаря добавлению серной кислоты к фосфорной повышается смачиваемость целлюлозы кислотой, благодаря чему достаточно брать ки лоты не более 10 объемов на 1 вес.ч. целлюлозы. После перемешивания к реакционной смеси добавляют холодную воду, предпочтительно со льдом (температура 2-10 С), тщательно размешивают, фильтруют, для промывки повторно добавляют воду с последующим фильтрованием. Полученный нерастворимый продукт после промежуточной стадии высушивания или без нее подвергают ферментативному гидролизу.

Воэможность применения предлагаемого способа основана на том, что, как обнаружилось в ходе исследований действия кислот на целлюлозу, при определенных условиях на промежуточной стадии кислотной обработки получается продукт, способный давать зернистую, легко фильтруему о массу, 11345

30 состоящую из частично деполимериэованной целлюлозы. Эта масса состоит из набухшего в воде полисахарида, в котором отношение воды к углеводу близко к величине 10:1, в котором растворенные в воде вещества (кислота) быстро смешиваются с добавленной водой. Этот набухший материал г. образуется уже при добавлении 1 объема воды (со льдом) к 1 объему реак- 1О ционной смеси и путем фильтрования можно отделять кислоту, концентрация которой достигает ЗОХ.

Образование такой частично деполимеризованной целлюлозы возможно только в присутствии добавок другой кислоты, например серной. Благодаря этой добавке смешивание целлюлозы с кислотой улучшается, после выдерживания первоначально твердой смеси при 30-50 С она разжижается, что облегчает ее перемешивание и создает более полный контакт кислоты с целлюлозой. Без добавки серной кислоты целлюлоза постепенно набухает в 25

10 объемах концентрированной фосфорной кислоты, при этом образуется резиноподобная масса, которая практически не смешивается с водой и, следовательно, отделение углевода от кислоты становится невозможным.

Отделить углевод от кислоты из ее смеси с концентрированной фосфорной кислотой добавлением воды можно только в тех случаях, когда смесь этой кислоты с целлюлозой готовят при из35 г бытке кислоты, в 4-10 раз превышающем используемые в данном способе.

Частично деполимеризованная целлюлоза, полученная предлагаемым спо40 собом, не подвергается обратному процессу рекристаллизации, так как она становится легко гидролизуемой под действием ферментов. Даже после высушивания, когда ее набухаемость в воде снижается, она сохраняет способность гидролизоваться ферментами °

Пример 1 (контрольный)1. 10 r хлопкового линта смешивают со 100 мл 50 концентрированной фосфорной кислоты (отношение целлюлозы к кислоте 1:10), через 3 ч смесь превращается в упругую резиноподобную массу, которая после смешивания с 1 л воды сохраня- 55 ет форму плотных, трудно растираемых комков резиноподобной массы. Материал не пригоден для дальнейшей обработки.

65 4

Пример 2 (котрольный) . 5 г хлопкового линта смешивают с 35 мл концентрированной фосфорной кислоты и 15 мл 707.-ной серной кислоты (отношение целлюлозы к смеси кислот

1:10), оставляют на 4 ч 20 мин. Пос» ле этого добавляют 20 мл холодной воды и перемешивают. До конца все размешать нельзя, осадок имеет форму нефильтруемых хлопьев. После нескольких промывок водой с декантированием остаток кислоты нейтрализуют аммиаком. Из-эа медленной диффузии кислоты из частиц осадка полной ее нейтрализации добиться не удалось.

Материал не пригоден для дальнейшей обработки.

Пример 3. 50 г хлопкового линта смешивают при 30 С с 250 мл концентрированной фосфорной кислоты и !О мл концентрированной серной кислоты (соотношение целлюлозы и кислоты 1:5), перемешивают 1 ч при 40 С и 2 ч при 50 С. Добавляют 50 г льда и 250 мл воды (5 C), фильтруют, обрабатывают повторно водой и фильтруют, промывку повторяют еще 3 раза. Остаток (вес геля 430 r) обрабатывают при 50 С и рН 5,0 50 г целловиридина ГЗх (соотношение субстрата и фермента около 1:1). Через сутки вся масса становится жидкой, но трудно отделяемой от нерастворившейся части. Измерение восстанавливающих сахаров после трех суток инкубирования в супернатанте показало концентрацию сахаров 7,57 (в глюкозных эквивалентах), степень конверсии 70Х.

Пример 4. 5 r хлопкового линта смешивают при 30 С с 35 мл концено трированной фосфорной кислоты и 10 мл концентрированной серной кислоты (соотношение целлюлозы и кислоты

1:10), перемешивают, выдерживают 2 ч

40 минут при 50 С, обрабатывают 50 мл холодной воды (10 С), фильтруют, промывку водой повторяют еще 3 раза

Р ,получают 50 г набухшей в воде целлюлозы в виде рассыпчатой темно-серой массы. К ней добавляют раствор 1 r целловиридина ГЗх (соотношение фермента и субстрата около 1:5) в 4,5 мл воды и инкубируют при рН 4,5 в течение двух с ток при 40 С. Получают сироп с концентрацией 4, 17, степень конвер ии 46Х. Дополнительное выдерживание осадка при 40 С в течение

6 дней дало сироп с концентрацией восстанавливающих сахаров 8,27..

1134565

Концентрация восстанавл. сахаров в супернатанте, 7

КоличестПример

Соотноше ние фермент-суб страт во целловиридина в реакции, г

1:2

2,9 бб t0

2: 1 12-14

Составитель Т.Мартинская

Техред N.Íàäü

Редактор M.Âåcåëîâà

Корректор E.Ñèðîõìàí

Заказ 10027/23 Тираж 475

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Пример 5. 10 r линта смешивают с 50 мл концентрированной фосфорной кислоты и 5 мл концентрированной серной кислоты (соотношение целлюлозы и кислоты около 1:5) п и 5 о

15-17ОC. Перемешивают 1»5 ч при 40 С, добавляют 50 г льда и столько же воды (2 С), тщательно перемешивают, фильтруют на воронке Бюхнера с бумажным фильтром, промывку водой повторяют, после нейтрализации набухшую целлюлозу высушивают на воздухе, получают 9,3 г препарата. 2 r этого препарата и 1 r целловиридина ГЗх (соотношение фермента и субстрата

1:2) смешивают с 5 мл 0,1 М ацетатного буфера рН 5,0 инкубируют при

50 С в течение 2 сут, в супернатанте ,получают концентрацию восстанавливающих сахаров 87, 20

В примерах 3-5 полностью исключены предварительное размельчение целлюлозы, добавки поверхностно-активных веществ, а также использование органического растворителя.

П р и и е р б. 50 г линта смешивают при 25-30 С с 250 мл концентрированной фосфорной кислоты и 5 мл концентрированной серной кислоты (соотношение целлюлозы И кислоты около ЗО

1:5}, перемешивают 1,5 ч при 30 С и еще 3 ч при 40 С, после чего. смешивают с 10 л воды, супернатант (около 9 л) декантируют, а остаток фильтруют, нейтрализуют, до рН 5-6, высушивают на воздухе при 60-80 С, получают 46 г темного порошка.

Примерыба, бб, бв. 2 rпрепарата, полученного в примере 6, и целловиридин ГЗх (см.таблицу) смеши- go вают с 8 мл 0,1 И ацетатного буфера рН 5,0, инкубируют при 50 С в течение 2 сут., измеряют концентрацию восстанавливающих сахаров в супернатанте. 4S

Пример бг. 2 г препарата, полученного в примере 6, смешивают с 8 мл раствора 0,1 г целловиридина

ГЗх (активность 77 ед/г по бумаге) ,и 0,01 г пектофоетидина П10х (актив, ность ПГА/В 28 ед/г, целлобиазная

145 ме/г), в О, 1 М ацетатном буфере рН 5,0. Набухший объем превышает б мл. Смесь инкубируют без перемешивания 1,2 и 5 сут при 50 С. Получают сиропы с концентрацией 2,2; 3 и 5,3Х, В последнем случае измеряют также концентрацию гексоз антроновым методом в супернатанте, она равна 5,3Х Следовательно, все гексозы в последнем случае являются глюкозой.

Таким образом, предлагаемый способ получения продуктов гидролиза целлюлозы позволяет упростить технологию процесса, получать глюкозные сиропы и целлюлозу в виде хорошо фильтруемого и набухаемого материала, пригодного для использования в качестве сорбентов и носителей иммобилизованных веществ, а также исключить стадию размола целлюлозы, применение поверхностно-активных веществ и полностью исключить стадии обработки органическим растворителем и регенерации растворителя.