Способ гидролиза целлюлозы

СОЮЗ СОВЕТСНИХСйика ПЮеСНИЖРЕСПУБЛИК 1) С 08 В 1/00; С 1/04 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРГо ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ова(56) 1. ныиц 1962, с2. П кл. 127 Никитин Н.И. Химия деллюлозы. М., Изд-во А576-580.тент США У 4058411,37, опублик. 1977 (п веси- СССР,ототип),(21) 3597969/23-05(54) (57) СПОСОБ ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ,включающий кислотную обработку целлюлозы, выдерживание смеси и отделение нерастворившейся целлюлозы с последующим Ферментативным гидролизом,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью упрощения процесса, обработку целлюлозы проводят смесью концентрированных 4 юсфорной и серной кислот при их соотношении (3,5-50): 1,смесь выдерживают 1,5-4,5 ч при30-50.с и дополнительно обрабатываютводой при 2-10 С,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 О ляной, серной или фтористоводородной, выдерживанием смеси в определенных условиях с последующей нейтрализацией кислоты и очисткой образовавшейся глюкозы от солей 11.15Основным недостатком этого способа, препятствующим использованию его в промышленности, является загрязнение продуктов гидролиза целлюлозы солями, для очистки которых необхо димы специальные очистные сооружения.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ декристаллизации целлюлозы, По этому 2 З способу целлюлозу размалывают до частиц размером 1 мм и менее, размол смешивают с 80-85 -ным раствором фосфорной кислоты в соотношении1 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 100 ч. кислоты, после реакции ксмеси 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,гидрофурана и воды, подвергают ректификации для повторного использования 23.Недостатками известного способа являются необходимость работы с большим объемом органического растворителя и создания технологии регенерации реактивов во взрычобезопасном исполнении, потери органического растворителя, достигающие 5-15 объе 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 целлюлозного сырья. Целью изобретения является упрощение процесса гидролиэа целлюлозы.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу гидролизацеллюлозы, включающему кислотнуюобработку целлюлозы, выдерживаниесмеси и отделение нерастворившейсяцеллюлозы с последующим ферментативным гидролизом, обработку целлюлозыпроводят смесью концентрированныхфосфорной 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.Способ осуществляют следующим образом,1 вес.ч. (в граммах) целлюлозысмешивают с 5-9 объемами, преимущественно 5 (в миллилитрах) смеси концентрированной Фосфорной кислоты(ГОСТ 6552-80/7168-80, массовая долякислоты не менее 857) 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 проводятпри 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 ихорошо фильтруемым. Благодаря добавлению серной кислоты к фосфорной повышается смачиваемость целлюлозыкислотой, благодаря чему достаточнобрать ки лоты не более 10 объемовна 1 вес.ч. целлюлозы. После перемешивания к реакционной смеси добавляют холодную воду, предпочтительно сольдом (температура 2-10 С), тщательноразмешивают, Фильтруют, для промывкиповторно добавляют воду с последующимфильтрованием. Полученный нерастворимый продукт после промежуточнойстадии 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 фильтруемуто массу,11345 30 состоящую из частично деполимериэованной целлюлозы. Эта масса состоитиз набухшего в воде полисахарида, вкотором отношение воды к углеводублизко к величине 10;1, в которомрастворенные 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 Оционной смеси и путем Фильтрованияможно отделять кислоту, концентрациякоторой достигает 307,Образование такой частично деполимеризованной целлюлозы возможнотолько в присутствии добавок другойкислоты, например серной. Благодаряэтой добавке смешивание целлюлозы скислотой улучшается, после выдерживания первоначально твердой смесипри 30-50 С она разжижается, что облегчает ее перемешивание и создаетболее полный контакт кислоты с целлюлозой. Без добавки серной кислотыцеллюлоза постепенно набухает в 2510 объемах концентрированной фосфорной кислоты, при этом образуетсярезиноподобная масса, которая практически не смешивается с водой и,следовательно, отделение углеводаот кислоты становится невозможным.Отделить углевод от кислоты из еесмеси с концентрированной фосфорнойкислотой добавлением воды можно только в тех случаях, когда смесь этойкислоты с целлюлозой готовят при из 35фбытке кислоты, в 4-10 раз превышающем используемые в данном способе.Частично деполимеризованная целлюлоза, полученная предлагаемым спо 40собом, не подвергается обратномупроцессу рекристаллизации, так какона становится легко гидролизуемойпод действием ферментов. Даже послевысушивания, когда ее набухаемостьв воде снижается, она сохраняетспособность гидролизоваться ферментамие П р и м е р 1 (контрольный)1. 10 г 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 ет форму плотных, трудно растираемых комков резиноподобной массы, Материал не пригоден для дальнейшей обработки,65 4П р и м е р 2 (котрольный), 5 г хлопкового линта смешивают с 35 мл концентрированной фосфорной кислоты и 15 мл 707.-ной серной кислоты (отношение целлюлозы к смесикислот 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.П р и м е р 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 С), фильтруют, обрабатывают повторно водой и Фильтруют, промывку повторяют еще 3 раза, Остаток (вес геля 430 г) 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 703.П р и м е р 4. 5 г хлопкового линта смешивают при 30 С с 35 мл конценотрированной 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 получают 50 г набухшей в воде целлюлозы в виде рассыпчатой темно-серой массы. К ней добавляют раствор 1 г целловиридина ГЗх (соотношение фермента и субстрата около 1:5) в 4,5 мл воды и инкубируют при рН 4,5 в течение двух суток при 40 С. Получают сироп с концентрацией 4, 17, степень конверсии 467. Дополнительное выдерживание осадка при 40 С в течение 6 дней дало сироп с концентрацией восстанавливающих сахаров 8,271134565 Концентрация восстанавл. сахаров в супернатанте, 7 КоличестПример Соотношение фермент-субстрат во целловиридинав реакции, г ба 1:2 бб 10 2: 1 12-14 Составитель Т,МартинскаяТехред М.Надь Редактор М.Веселова Корректор Е,Сирохман Заказ 10027/23 Тираж 475 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Подписное филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 П р и м е р 5. 10 г линта смешивают с 50 мл концентрированной фосфорной кислоты и 5 мл концентрированной серной кислоты (соотношение целлюлозы и кислоты около 1;5) пппб 5о 15-17 ОС, Перемешивают 15 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 г этого препарата и 1 г целловиридина ГЗх (соотношение Фермента и субстрата 15 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, 20В примерах 3-5 полностью исключены предварительное размельчение целлюлозы, добавки поверхностно-активных веществ, а также использование органического растворителя.П р и и е р 6. 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.П р и м е р ы ба, бд, бв. 2 г препарата, полученного в примере 6, и целловиридин ГЗх (см.таблицу) смеши- о вают с 8 мл 0,1 М ацетатного буфера рН 5,0, инкубируют при 50 С в течение 2 сут., измеряют концентрацию восстанавливающих сахаров в супернатанте. 45 П р и м е р бг. 2 г препарата, полученного в примере б, смешивают с 8 мл раствора 0,1 г целловиридина Г 3 х (активность 77 ед/г по бумаге) ,и 0,01 г пектофоетидина П 10 х (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 5,3 Е, В последнем случае измеряют также концентрацию гексоз антроновым методом в супернатанте, она равна 5,3 Х. 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.