Производство сахара из древесины. Как производят спирт в промышленных масштабах

Отечественной химической науке принадлежит заслуга в развитии промышленного производства сахара из древесины. Из такого сахара вырабатывают спирт и другие вещества.

Образование сахаристых веществ в растении происходит по следующей схеме. Из углекислого газа и воды в зеленом листе строятся простые сахаристые вещества, такие, как виноградный сахар - глюкоза и фруктовый сахар - фруктоза. Если глюкоза и фруктоза соединяются вместе, то образуется сахароза - тот сахар, с которым мы пьем чай. Более сложные вещества, образуемые в растениях, - крахмал, целлюлоза и другие - уже не имеют сладости.

Превращение крахмала в сахаристое вещество - глюкозу - осуществил русский академик К. С. Кирхгоф.

Это превращение выполнено им в 1811 году при нагревании крахмала с разбавленными кислотами. Процесс был назван гидролизом. К. С. Кирхгоф, сразу увидев в своем открытии большие практические возможности, разработал на базе его технологический процесс получения патоки и кристаллической глюкозы.

Вскоре уже работали первые заводы крахмало-паточной промышленности. А ее развитие, в свою очередь, поставило перед химической наукой новую интересную задачу - превращение древесины в сахаристые вещества.

Химики превращают древесные опилки в ценные продукты.

Готовая продукция, которую вырабатывает зеленый лист, - это крахмал, состоящий из больших молекул, каждая из тысяч остатков глюкозы. Растение откладывает его в свои запасные пищевые «склады» или же использует для расширения и роста или восстановления своего организма. Но чем больше укрупняется и усложняется сахарная постройка, тем меньше остается в ней сладости. Сложной молекулярной постройкой из остатков глюкозы является и целлюлоза. Из нее растение строит свой скелет.

Простые сахара растворяются в воде, а построенные из них крахмал и целлюлоза не растворяются. Это очень важно для растения, иначе все его тело и скелет растаяли бы от первого дождя.

Разрушить скелет растения и превратить его твердое несладкое тело с помощью гидролиза в сахаристые вещества - вот задача, вставшая перед наукой в наше время. И эту задачу разрешила наша отечественная химия. Превращение целлюлозы в сахаристое вещество достигнуто было в 1931 году В. И. Шарковым и другими советскими учеными.

Когда-то на лесопильных заводах скапливались целые горы опилок. Приходилось изобретать специальные мусоросжигательные печи для их уничтожения.

Отходы, от которых раньше старались избавиться, служат сейчас ценным сырьем для гидролизной промышленности. Древесина превращается или в пищевые продукты для скота - сахар, белковые и жировые дрожжи, или в техническое сырье - спирт, глицерин, фурфурол и другие, на которые раньше расходовались картофель и зерно.

Одна тонна опилок нормальной влажности заменяет тонну картофеля или 300 килограммов зерна и дает 650 килограммов сахара или 220 литров спирта.

Небольшой лесопильный завод, оборудованный двумя пилорамами, может за год обеспечить опилками производство миллиона литров спирта.

Сотни миллионов тонн растительных отходов - соломы, мякины, шелухи, зерен - остаются ежегодно в сельском хозяйстве. Теперь и им найдено применение в промышленной химии. Наши ученые Н. А. Сычев, Н. А. Четвериков и академик А. Е. Порай-Кошиц разработали метод, по которому из тонны сухой соломы получают до 100 литров спирта.

Спирт, вырабатываемый гидролизной промышленностью, служит сырьем для производства ценнейшей продукции, в том числе синтетического каучука.

Целлюлоза, как видно из табл. 3, является основным веще­ством древесины, обеспечивающим ее упругость и механическую прочность.

Молекулы целлюлозы объединены в так называемые мицеллы, которые в свою очередь образуют фибриллы.

Между фибриллами и мицеллами целлюлозы, обладающей коллоидными свойствами, могут размещаться вода н ионизирован­ные растворы.

Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воз­действиям. Кратковременное нагревание до 200° С не вызывает ее разложения.

Процес разложения целлюлозы начинается лишь при 275° С. При определенных условиях целлюлоза гидролизуется, превра­щаясь в моносахариды.

Лигнин обеспечивает повышенную твердость и жесткость дре­весины. Он является коллоидным веществом и при определенных условиях приобретает функции связующего вещества. При на­греве лигнин приобретает свойства пластичности. Присутствие в лигнине гидроксильных групп и их взаимодействие с едкими ще­лочами ведет к образованию соединений типа фенолятов. Присухой перегонке лигнина образуется фенол, состоящий в основном из двух - и трехатомиых фенолов и их производных.

Гем и целлюлозы состоят из смеси полисахаридов. Они легко гидролизуются слабыми кислотами и экстрагируются сла­быми растворами щелочей.

Пентозаны при гидролизе дают пентозы - сахара, которые в процессе брожения образуют спирт. Пентозаны усиливают эла­стичность и гибкость древесины. Пентозаны и гексозаны, являясь коллоидными веществами, при нагреве в воде приобретают свой­ства клеящих веществ.

В некоторых клетках древесины и коры содержатся смолы. По данным К. Н. Короткова , содержание смол в сосне со­ставляет 6,4, в ели 1,9, березе 1,2, осине 1,5% от веса абсолютно сухой древесины. По виду и составу смолы подразделяются на три группы: собственно смолы в твердом виде, бальзамы, или жидкие смолы, и, наконец, камеди, которые содержат растворимые в воде гуммиобразные вещества и дают коллоидные растворы клеящего типа.

Смолы хорошо растворяются в спирте, ацетоне и водных рас­творах щелочен. При нагревании они плавятся, превращаясь в пла­стическую массу, затвердевающую при охлаждении. Это свойство смол используют при прессовании измельченных отходов без до­бавления связующих веществ.

Во время прессования нагретой древесной массы расплавленные смолы заполняют пространства между древесными частицами.

Дубильные вещества (танниды) содержатся в древесине дуба (в ядровой части больше, чем в заболони), в коре сосны и ели. Подвергнутые окислению и конденсации, они превращаются в нерастворимые в воде вещества - флобабены. Такой процесс происходит при нагревании измельченной древесины и коры в пе­риод сушки и прессования при высокой температуре без доступа воздуха.

В результате проведенных в СССР и за рубежом исследовании установлено, что чем выше температура и давление прессования и продолжительнее их воздействие на измельченную древесную массу, тем значительнее физико-химические изменения, происхо­дящие в ней.

Результаты исследований влияния нагревания древесины на из­менение ее химического состава, проведенные П. А. Иссинским }