Свое название углеводы получили по ошибке. Произошло это в середине прошлого века. Тогда считали, что молекула любого сахаристого вещества отвечает формуле С m (Н 2 О) n . Все известные тогда углеводы подходили под эту мерку, и формулу глюкозы С 6 Н 12 О 6 писали как С 6 (Н 2 О) 6 .

Но позднее были открыты и такие сахара, которые оказались исключением из правила. Так, явный представитель углеводов рамноза (она тоже дает реакцию Молиша) имеет формулу С 6 Н 12 О 5 . И хотя неточность в названии целого класса соединений была очевидной, термин «углеводы» стал уже настолько привычным, что его не стали менять. Впрочем, в наши дни многие химики предпочитают иное название - «сахара».

Один из сахаров мы попытаемся получить из опилок гидролизом, т. е. разложением водой. Это очень распространенный химический процесс. Опилки и другие древесные отходы содержат углевод клетчатку (целлюлозу). Из нее на гидролизных заводах готовят глюкозу, которую можно использовать затем по-разному; чаще всего ее сбраживают, превращая в спирт, исходный продукт для множества химических синтезов. Большая и самостоятельная отрасль химической индустрии носит название гидролизной промышленности,

Прежде чем воспроизвести процесс гидролиза древесины, попытаемся понять, в чем его суть, а для этого удобнее будет начать не с опилок, а с огурцов и лучинок.

Вымойте свежий огурец, натрите его на терке и выжмите сок. Сок можно отфильтровать, но это не обязательно.

Приготовьте в пробирке гидроксид меди Сu(ОН) 2 . Для этого добавьте 2-3 капли раствора медного купороса к 0,5-1 мл раствора едкого натра. К полученному осадку прибавьте равный объем огуречного сока и встряхните пробирку. Осадок растворится, получится синий раствор. Такая реакция характерна для многоатомных спиртов, т. е. для спиртов, которые содержат несколько гидроксильных групп.

Теперь нагрейте до кипения (или поставьте в кипящую воду) пробирку с полученным синим раствором. Он сначала пожелтеет, затем станет оранжевым, а после охлаждения выпадет красный осадок оксида меди Cu 2 O. Эта реакция характерна для другого класса органических соединений - для альдегидов. Значит, в огуречном соке есть вещество, представляющее собой альдегид и спирт одновременно. Это вещество и есть глюкоза, которая по строению представляет собой альдегидоспирт. Благодаря ей у огурца сладковатый вкус.

Вы, наверное, догадываетесь, что этот опыт совсем не обязательно ставить именно с соком огурца. Он хорошо получается и с другими сладкими соками - виноградным, морковным, яблочным, грушевым, Можно взять для опыта и туалетную огуречную воду, которая продается в парфюмерных магазинах. И, конечно, просто таблетки глюкозы.

Теперь второй предварительный опыт: осахаривание лучинки.

Приготовьте раствор серной кислоты: к одному объему воды прилейте один объем концентрированной серной кислоты (ни в коем случае не лить воду в кислоту!). В пробирку с раствором опустите лучинку и нагрейте раствор до кипения. Лучинка при этом обуглится, но опыту это не помешает.

После нагревания выньте лучинку, опустите ее в другую пробирку с 1-2 мл воды и прокипятите. В обеих пробирках теперь есть глюкоза. Проверить это можно, добавив к растворам две-три капли медного купороса, а затем и едкий натр - появится знакомая синяя окраска. Если же этот раствор прокипятить, выпадет, как мы и ожидали, красный осадок оксида меди Cu 2 O. Итак, глюкоза обнаружена.

То, что наша лучинка осахарилась, и есть результат гидролиза целлюлозы (а на ее долю в древесине приходится около 50%). Как и при гидролизе крахмала, серная кислота в этом процессе не расходуется, она играет роль катализатора.

Наконец, мы подошли к основному опыту, который был обещан в заглавии: получение сахара из опилок.

В фарфоровую чашку насыпьте 2-3 столовые ложки древесных опилок и смочите их водой. Добавьте еще немного воды и равное количество ранее приготовленного раствора серной кислоты (1:1), жидкую кашицу хорошо перемешайте. Закройте крышкой и поставьте в духовку газовой плиты (или в русскую печь) примерно на час, можно немного меньше.

Затем выньте чашку, долейте воды доверху и перемешайте. Отфильтруйте раствор и нейтрализуйте фильтрат, добавляя к нему толченый мел или известковую воду до тех пор, пока не прекратится выделение пузырьков углекислого газа. Об окончании нейтрализации можно также судить, испытывая жидкость лакмусовой бумажкой или же одним из самодельных индикаторов. Не надо капать индикатор прямо в реакционную массу. Следует взять пробу, буквально 2-3 капли, и поместить ее на стеклянную пластинку или в маленькую пробирку.

Содержимое чашки слейте в молочную бутылку, взболтайте жидкость и дайте постоять несколько часов. Сульфат кальция, образовавшийся при нейтрализации кислоты, осядет на дно, а сверху останется раствор глюкозы. Осторожно слейте его в чистую чашку (лучше по стеклянной палочке) и отфильтруйте.

Осталась последняя операция - выпаривание воды на водяной бане. После нее на дне остаются светло-желтые кристаллы глюкозы. Их можно попробовать на вкус, но и только - продукт недостаточно чистый.

Итак, мы выполнили четыре операции: варку опилок с раствором серной кислоты, нейтрализацию кислоты, фильтрование и выпаривание. Именно так и получают глюкозу на гидролизных заводах, только, конечно, не в фарфоровых чашках.

И еще один промышленный процесс мы можем воспроизвести без особых затруднений: превратим один сахар в два других.

При долгом хранении домашнее варенье часто засахаривается. Это происходит потому, что сахар кристаллизуется из сиропа. С вареньем же, которое продается в магазине, такая беда случается гораздо реже. Дело в том, что на консервных заводах, кроме свекловичного или тростникового сахара сахарозы C 12 H 22 O 11 , используют и другие сахаристые вещества, например инвертный сахар. Что такое инверсия сахара и к чему она приводит, вы узнаете из следующего опыта.

Налейте в пробирку или в стакан 10-20 г слабого сахарного раствора и добавьте несколько капель разбавленной соляной кислоты. После этого нагревайте раствор на кипящей водяной бане минут десять-пятнадцать, а затем нейтрализуйте кислоту, лучше всего карбонатом магния MgCO 3 . В аптеках продают так называемую белую магнезию, вещество несколько более сложного состава; она тоже годится. В крайнем случае можно взять и питьевую соду NaHCO 3 , но тогда в растворе останется поваренная соль, которая с сахаром как-то не гармонирует...

Когда прекратится выделение пузырьков диоксида углерода, дайте жидкости отстояться. На всякий случай проверьте индикатором, полностью ли нейтрализовалась кислота. Слейте отстоявшуюся жидкость и попробуйте ее на вкус: она покажется вам менее сладкой, чем исходный раствор (для сравнения оставьте немного первоначального раствора сахара).

В готовом растворе практически не осталось сахарозы, зато появились два новых вещества - глюкоза и фруктоза. Этот процесс и называется инверсией сахара, а полученная смесь - инвертным сахаром.

И вот что любопытно: внешне реакцию ничем не обнаружить. И цвет, и объем, и реакция среды остаются прежними. Не выделяются ни газы, ни осадки. И тем не менее реакция идет, только для ее обнаружения нужны оптические приборы. Сахара - оптически активные вещества: луч поляризованного света, проходя через их раствор, изменяет направление поляризации. Говорят, что сахара вращают плоскость поляризации, причем в ту или иную сторону, и на вполне определенный угол. Так вот, сахароза вращает плоскость поляризации вправо, а глюкоза и фруктоза, продукты ее гидролиза,- влево. Отсюда и слово «инверсия» (по-латыни «переворачивание»).

Но, поскольку оптических приборов в нашем распоряжении нет, попробуем удостовериться химическим путем в том, что взятый сахар и в самом деле претерпел изменения. К исходному и полученному растворам сахаров добавьте несколько капель раствора метиленового синего (можно взять синие чернила для авторучек) и немного слабого раствора любой щелочи. Нагрейте исследуемые растворы на водяной бане. В пробирке с обычным сахаром никаких изменений не произойдет, а вот содержимое пробирки с инвертным сахаром станет почти бесцветным.

Инвертный сахар гораздо меньше, чем обычный, склонен к кристаллизации. Если осторожно выпарить на водяной бане его раствор, то получится густой сироп, внешне немного напоминающий мед. После охлаждения он не кристаллизуется.

Кстати, любимый всеми пчелиный мед на три четверти состоит из тех же углеводов, что и инвертный сахар,- из глюкозы и фруктозы. Искусственный мед также делают на основе инвертного сахара. Конечно, наш сироп от меда отличается, и значительно - главным образом, отсутствием запаха. Но если к нему добавить немного натурального меда, то этот недостаток можно отчасти устранить.

Но почему бы не наготовить дома побольше некристаллизующегося сиропа, чтобы варить на нем варенье? Увы, полная его очистка от посторонних веществ затруднительна, и нет гарантии, что ее удастся довести до конца. Во всяком случае, рисковать не стоит.

О. Ольгин. "Опыты без взрывов"
М., "Химия", 1986

Пишет блогер Сергей Анашкевич:

Помните анекдот, как Василий Иванович попросил Петьку спрятать от солдат цистерну спирта, и тот закрасил надпись «СПИРТ», написав вместо нее «C2H5OH»? А солдаты на утро были в стельку. Как же - написано ОН. Оказалось, и вправду, он!

Удивительно, но в сети практически нет подробных репортажей о том, как делают ЕГО - главное сырье для водки.

Как делают саму водку - полно. От сивухи до элитных марок. А спирт - нет!

Придется восполнить этот пробел, благо на прошлой неделе я побывал на Усадском спиртзаводе неподалеку от Казани, входящем в концерн «Татспиртпром».

Здесь делают спирт самой высокой категории «Альфа», который постепенно вытесняет некогда топовый «Люкс» из производства качественных марок водки. Все тем же древним методом, изобретенным еще до нашей эры, реализованным в промышленных масштабах в XIV веке и широко практикуемым в сараях и гаражах во время перестройки. Старой доброй перегонкой…

На входе - зерно из мешка, на выходе - чистейшая 96-градусная жидкость…

Как известно, веселящее действие алкогольных напитков и способы их получения известны человечеству еще с библейских времен: помните, Ной случайно выпил перебродивший фруктовый сок и опьянел. Вообще, ученые предполагают, что идея химической дистилляции жидкостей возникла еще в I тысячелетии до н.э. Впервые процесс дистилляции описал Аристотель (384–320 гг. до н.э.). Многие алхимики того времени занимались совершенствованием техники перегонки, считая, что путем дистилляции им удается выделить душу вина. Благодаря этому продукт дистилляции и был назван «духом вина» (от латинского «spiritus vini»).

Процесс получения спирта был открыт в различных регионах земного шара практически одновременно. В 1334 году врач-алхимик из Прованса Арно де Вилльгер (Франция) впервые получил винный спирт из виноградного вина, считая его целительным средством. В середине XIV века некоторые французские и итальянские монастыри производили винный спирт под названием «Aquavitae» - «вода жизни», а в 1386 году, благодаря генуэзским купцам, спирт добрался и до Москвы.

Производство этилового спирта было начато в Европе после изобретения в Италии в XI веке дистилляционного аппарата. Несколько веков этиловый спирт почти не применяли в чистом виде, разве что в лабораториях алхимиков. Но в 1525 году знаменитый Парацельс заметил, что эфир, получающийся при нагревании спирта с серной кислотой, обладает снотворным действием. Он описал свой опыт с домашними птицами. А 17 октября 1846 года хирург Уоррен усыпил эфиром первого пациента.

Постепенно спирт разделился на пищевой и технический, получаемый путем расщепления древесных отходов. В Англии технический спирт был освобожден от повышенных налогов на продажу, так как рыночная стоимость спиртных напитков окупала государственные сборы, а вот врачам и промышленникам такая цена была не под силу. Для предотвращения пищевого употребления токсичного промышленного спирта его смешивали с метанолом и другими неприятными на запах добавками.

Впоследствии спирт получил мгновенное распространение в медицине в связи с постоянными войнами. В 1913 году на территории Российской империи было зафиксировано около 2400 заводов, производивших в основном водку и вино. Позже произошло обособление производства спирта и водки.

С началом Первой мировой войны производство водки фактически прекратилось, выработка спирта также снизилась. Производство начало восстанавливаться лишь в 1925-1926 годах, а грандиозное восстановление спиртовой промышленности было начато лишь в 1947 году, начали интенсивно применять новые научно-технические технологии и достижения. В 1965 году в СССР работало 428 заводов с годовым выпуском 127,8 млн дал спирта, а к 1975 году выпуск спирта возрос до 188,1 млн дал. В последующие годы это производство постепенно снижалось из-за увеличивающегося выпуска напитков с меньшей крепостью.

В зависимости от сырья спирт бывает пищевой и технический.

Пищевой производится только из пищевого сырья. Наиболее распространенным и экономичным сырьем для получения спирта является картофель. Картофельный крахмал легко разваривается, клейстеризуется и осахаривается. Кроме картофеля для производства спирта используются зерновые - пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, просо, а также сахарная свекла, сахарная патока или меласса.

Технический спирт получают из древесины или нефтепродуктов, подвергаемых кислотному гидролизу.

Теперь о категориях спирта и о том, почему «Альфа» вытесняет «Люкс». Все дело в том, что спирт «Альфа» должен вырабатываться из пшеницы, ржи или из их смеси, то есть исключительно из зернового сырья, в отличие от других спиртов, которые могут вырабатываться также и из смеси зерна с картофелем.

Второе важное отличие «Альфы» от «Люкса» - пониженное содержание ядовитого метилового спирта: норма его содержания составляет всего 0,003% в пересчете на безводный спирт, тогда как для спирта «Люкс» - 0,02%. Это существенно!

На Усладском спиртзаводе спирт производят исключительно из пшеницы и только одной категории - «Альфа».

Пшеницу привозят в специальных зерновозах и помещают в высокие бочки-элеваторы, откуда она далее поступает на производство.

Зерно для производства спирта должно быть хорошего качества и влажностью не более 17%, иначе есть высокий риск прелости, что скажется на качестве конечного продукта.

Из емкостей-хранилищ при помощи огромного и мощного насоса-турбины зерно «перекачивается» через высокие колонки на первичную переработку.

Насос для «перекачки» зерна из хранилища на очистку:

Первая задача - очистить зерно от всех примесей, как твердых, так и обычного сора, шелухи и т.д.

Так что в самом начале оно попадает на сепаратор.

Сначала пшеницу просеивают через сито, на котором остаются все крупные предметы.

Этот щебень накопился около сепаратора всего за полдня!

Вот что остается после того, как зерно «ушло» по трубам дальше на дробление:

Дробилка превращает зерно в грубую муку. Это необходимо для дальнейшего разваривания зерна и высвобождения из него крахмала.

Разваривание зерна происходит с целью разрушения его клеточных стенок. В результате этого крахмал высвобождается и переходит в растворимую форму. В таком состоянии он намного легче осахаривается ферментами. Зерно обрабатывается паром при избыточном давлении 500 кПа. Когда разваренная масса выходит из варочного аппарата, сниженное давление приводит к образованию пара (из содержащейся в клетках воды).

Подобное увеличение в объеме разрывает клеточные стенки и превращает зерно в однородную массу. Температура разваривания составляет 172°С, а продолжительность варки - около 4 минут.

За всеми процессами, происходящими на спиртзаводе, наблюдают операторы в аппаратном зале. Здесь они видят полностью все происходящее на каждом участке, так как процесс производства спирта непрерывен и осуществляется в режиме 24/7.

Измельченное зерно смешивают с водой в пропорции 3 литра на 1 кг зерна. Зерновой замес нагревается паром (75°С) и подается насосом в контактное отверстие установки. Именно здесь происходит мгновенный нагрев кашицы до температуры 100°С. После этого подогретый замес помещается в варочный аппарат.

В процессе осахаривания в охлажденную массу добавляют солодовое молоко для расщепления крахмала. Активное химическое взаимодействие приводит к тому, что продукт становится абсолютно пригодным для дальнейшего процесса сбраживания. В результате получается сусло, которое содержит 18% сухого сахара.

Когда из массы делается проба на йод, окрас сусла должен оставаться неизменным.

Сбраживание сусла начинается при введении в осахаренную массу производственных дрожжей. Мальтоза расщепляется до глюкозы, которая в свою очередь сбраживается в спирт и углекислый газ. Также начинают образовываться вторичные продукты брожения (эфирные кислоты и т.д.).

Процесс сбраживания проходит в огромных закрытых бродильных установках, которые предотвращают потери спирта и выделение диоксида углерода в производственный цех.

Установки настолько большие, что верхняя и нижняя их части находятся на разных этажах!

Вот так выглядит брага в установке. Заглядывать следует очень осторожно, чтобы не вдохнуть пары углекислого газа.

Выделяющиеся в процессе брожения диоксид углерода и пары спирта из бродильной установки поступают в специальные отсеки, где происходит отделение водно-спиртовой жидкости и диоксида углерода. Содержание этилового спирта в бражке должно равняться до 9,5 об.%.

Кстати, на заводе нам предложили попробовать бражку.

Повсюду в цехах можно заметить вот такие фонтанчики. Они предназначены для промывки глаз в случае попадания в них опасных продуктов производства, которых здесь хватает.

Далее приступают к отгонке спирта из бражки и его ректификации. Спирт начинает выделяться из бражки в результате кипения при разных температурах. Сам механизм перегонки основан на следующей закономерности: спирту и воде свойственны разные температуры кипения (вода - 100 градусов, спирт - 78°С). Выделенный пар начинает конденсироваться и собираться в отдельную емкость. Очистку спирта от примесей производят на ректификационной установке.

Над нами расположен этаж с ректификационными установками. Здесь, под ними, проходит целая сеть трубопроводов - какие-то для спирта, какие-то для воды, какие-то для пара, какие-то для побочных продуктов.

А в ректификационном зале жарко!!!

Сырой спирт (спирт-сырец), получаемый на основном этапе производства, не может быть использован для пищевых целей, так как содержит много вредных примесей (сивушные масла, метиловый спирт, сложные эфиры). Многие примеси ядовиты и придают спирту неприятный запах, именно поэтому сырой спирт подвергают очистке - ректификации.

Этот процесс основан на разной температуре кипения этилового, метилового и высших спиртов, сложных эфиров. При этом все примеси условно делят на головные, хвостовые и промежуточные.

Головные примеси имеют более низкую температуру кипения, чем этиловый спирт. К ним относятся уксусный альдегид и отдельные сложные эфиры (этилацетат, этилформиат и др.), образующиеся при перегонке.

Хвостовые примеси отличаются повышенной температурой кипения по сравнению с этиловым спиртом. В их состав входят в основном сивушные масла и метиловый спирт.

Наиболее трудноотделяемой фракцией являются промежуточные примеси (этиловый эфир изомасляной кислоты и другие сложные эфиры).

При очистке спирта-сырца на ректификационных аппаратах производится отделение вредных примесей и повышается концентрация спирта в готовом продукте (с 88 % в спирте-сырце до 96-96,5 % в ректификате).

Готовый спирт крепостью 96% перекачивается в накопительные емкости.

Заглядывать в эти емкости следует еще более осторожно, чем в емкости с брагой. Здесь можно и опьянеть в миг…

Готовый спирт отправляется на контрольные замеры и, если все в порядке, ему присваивается категория «Альфа», а дальше он пойдет на производство водки или другие цели…

ВАЖНОСТЬ ГИГАНТСКАЯ.

СНАЧАЛА НЕМНОГО ИСТОРИИ

R октябре 1919 года председатель Пет-роградского Совета получил письмо от Ленина. Владимир Ильич писал: «Говорят, Жук (убитый) дегал сахар из опилок? Правда это? Если правда, надо обязательно найти его помощников. дабы продолжить дело. Важность гигантская. Привет! Ленин»

Невольно возникают вопросы: кто такой Жук? Кем убит? Что это за способ делать сахар из опилок? Почему Владимир Ильич придавал этому делу «важность гигантскую»?

Если кому довелось бывать в небольшом городе Петрокрепссти (быв. Шлиссельбург) под Ленинградом, тот мог видеть на одной из улиц табличку: «Улица И. Жука». Иустин Жук родился и вырос на Украине. За активное участие в революции 1905 года был осужден на вечную каторгу. И только революция освободила борца за народное дело.

Тяжелое время переживала тогда страна. Не хватало хлеба, топлива. Сахара и подавно не было. Его производство уменьшилось чуть ли не в 15 раз по сравнению с довоенным. И тут продовольственный комиссар вспомнил давно слышанный рассказ о чудаке инженере, который получал сахар, варя опилки с серной кислотой.

И вот вчерашний командир Красной гвардии становится химиком, На берегу Ладожского озера он организует мастерскую, дни и ночи ставит опыты. Наконец вот он - успех! Из древесных опилок Жук получает сладкий, похожий на патоку сироп, но... Генерал Юденич подходит к Петрограду. И продовольственный комиссар снова становится комиссаром военным.

На Карельском участке Петроградского фронта белогвардейская пуля настигает отважного комиссара...

Ki А ТЕПЕРЬ НЕМНОГО ХИМИИ

же получался «Иустинов сахарок»? ревесина в основном состоит из клетчатки (целлюлозы) и небольшого количества лигнина. Вот в ней-то, в целлюлозе, и все дело. Клетчатка принадлежит к тому же классу органических соединений, что и крахмал, сахар, некоторые другие вещества, известные в химии под названием «углеводы». К примеру, формула одного из самых простых Сахаров глюкозы - CeHuOg. Но эту формулу можно представить и так: С 6 (Н20)в, где 6 атомов углерода и 6 молекул воды. Одним словом, «углевод».

Но вернемся к целлюлозе. Ее, как и крахмал, относят к несахароподобным углеводам. Молекулы их представляют собой природные полимеры. И крахмал и клетчатка состоят из обезвоженных остатков виноградного сахара (глюкозы). Если же у молекулы глюкозы отобрать одну молекулу воды, получим:

С в Н, 2 0 6 -Н 2 0 = С 6 Н|о0 5 .

Из таких глюкозных остатков и построена целлюлоза. Но сколько этих

1 В. И. Ленин, Полн. собр. соч., изд. 5-е, т. 51, стр. 74.

остатков входит в состав одной молекулы крахмала или целлюлозы? К сожалению, точно пока не выяснено. Вот почему формулу крахмала и целлюлозы пишут так: (C e HioOj) п. Значок «п» говорит о некотором числе глюкозных остатков. Полагают, что в молекуле целлюлозы п равно 3000 и больше.

Природа сумела из многих сотен или тысяч кирпичиков - молекул глюкозы - возвести гигантские сооружения - крахмал и целлюлозу. А почему бы нам не попытаться сделать обратное? Разрушить сложные молекулы, получить из зданий кирпичи - глюкозу, то есть виноградный сахар?

ОПЯТЬ НЕМНОГО ИСТОРИИ

Это произошло 150 с лишним лет назад, точнее - в 1811 году в Санкт-Петербурге. Главной столичной аптекой заведовал тогда К. С. Кирхгоф. Занимаясь опытами по производству фарфора, он пытался найти дешевый и доступный заменитель аравийской камеди. Перепробовав различные материалы, ученый остановился на крахмале.

Разбавив крахмал водой и долив к нему серной кислоты, Кирхгоф стал варить смесь на огне. Получилась густая вязкая масса, похожая на камедь. Она оказалась сладкой. Кирхгоф сразу же смекнул: часть крахмала перешла в сахар! Объяснить химизм этого процесса, а равно и роль серной кислоты он тогда, разумеется, не мог. А сегодня?

Из того, что мы знаем о строении крахмала, ясно: большая молекула крахмала расщепилась. К каждому глюкоз-ному остатку присоединилась молекула воды. Такой процесс химики называют гидролизом. Что касается серной кислоты, то она выполняет роль катализатора.

На открытии Кирхгофа зиждется все современное производство крахмальной патоки и глюкозы. Но если можно расщепить крахмал, то почему нельзя сделать то же с целлюлозой?

Первые опыты в этом направлении поставил француз Браконно; за ним последовал русский химик И. Фогель, получивший еще в 1822 году сладкое вещество из льняного полотна и бумаги, то есть из той же целлюлозы. В 1837 году профессор Петербургского лесного института И. Чирвинский выполнил солидную работу по гидролизу древесных опилок и получил из них кормовой сахар. А в конце прошлого столетия на одном из лесопильных заводов Архангельска была оборудована первая в мире установка по гидролизу древесины.

Так что ничего нгт удивительного в том, что «чудак инженер», о котором слышал Иустин Жук, еще в начале нашего века получал сахар (понятно, виноградный) из древесных опилок.

ЧУТЬ-ЧУТЬ экономики

Иной читатель может заметить: Ленин писал о сахаре из древесины в трудном для страны 1919 году. Но зачем об этом поднимать разговор теперь? Действительно, наша страна не испытывает недостатка в сахаре. В 1964 году в Советском Союзе было выработано 8,2 млн, т сахара - в 92 раза больше, чем в 1920 году. В 1965 году производство сахара увеличилось еще примерно на четверть. Это не считая патоки и глюкозы!

И все же пора поговорить о химической переработке древесины в глюкозу. Ведь сахарная свекла - сырье дорогое. Для выработки 10 млн. т сахара потребуется около 80 млн. т свеклы. Площадь для выращивания такого количества свеклы составит почти 4 млн. га! Представляете, сколько труда надо затратить, чтобы обработать такую пло

щадь? Дорогим и трудоемким является и получение крахмала для производства пищевой глюкозы. Кроме того, и сам крахмал и те материалы, из которых его изготовляют (картофель и кукурузное зерно), сами по себе являются пищевыми продуктами. Между тем для глюкозы, получаемой химическим гидролизом клетчатки, сырья у нас сколько угодно, и притом дарового! Ведь только в лееопильно-деревообрабатывающей промышленности у нас каждый год выбрасывают на свалку около 70 млн. куб. м отходов. Успевай их только перерабатывать! Вот почему после полного освоения производства глюкозы представляется целесообразным и выгодным часть свекловичного сахара заменить глюкозой, полученной из древесины.

В ФРГ, во Франции, в других странах уже имеются заводы по переработке древесины в пищевую глюкозу.

НАКОНЕЦ ТЕХНОЛОГИЯ

Пегодня в нашей стране создана мощеная гидролизная промышленность. Используя огромные ресурсы древесного сырья и сельскохозяйственных отходов, гидролизные заводы превращают целлюлозу в такие ценные продукты, как этиловый спирт (прекрасное сырье для изготовления полимеров) и белковые дрожжи (прекрасный корм для скота). Ну, а как же с сахаром из опилок? Ведь спирт и дрожжи все же не сахар! На этот вопрос можно ответить так: и спирт и дрожжи получаются из тех Сахаров, которые образуются при гидролизе целлюлозы. Получение же пищевого сахара (глюкозы) до последнего времени не практиковалось, так как требовало сравнительно сложной технологической обработки древесины. Года два тому назад затруднения были преодолены.

В городе Канске Красноярского края, неподалеку от тех мест, где Ленин когда-то отбывал ссылку, построен первый в Советском Союзе опытно-промышленный цех. Там пищевой сахар (глюкозу) получают из древесины. Вот что рассказал мне главный инженер завода Г. Горохов.

Древесина (ель, сосна) измельчается в щепу, которая затем подвергается предварительному гидролизу в присутствии слабой соляной кислоты. При этом в раствор переходит все, что легко гидролизуется. А целлюлоза и лигнин остаются. После фильтрации их подсушивают и обрабатывают крепкой кислотой. Происходит гидролиз. На этой стадии технологического процесса решается основная задача: целлюлоза превращается в глюкозу. Глюкозный раствор очищается и уваривается. Из густого сиропа выпадают кристаллы глюкозы. Их подсушивают - и сахар готов!

Разумеется, на деле все обстоит несколько сложнее, Но факт остается фактом: Канский гидролизный завод уже вырабатывает из дерева глюкозу, которая годится даже для медицинских целей.

Так через четыре с половиной десятилетия осуществилось дело, о котором Владимир Ильич писал: «Важность гигантская».

Ленинград

Опилки – ценное сырье для производства различных спиртов, которые можно использовать в качестве горючего .

На таком биотопливе могут работать:

• автомобильные и мотоциклетные бензиновые двигатели;
• электрогенераторы;
• хозяйственная бензиновая техника.

Основная проблема , которую приходится преодолевать при изготовлении биотоплива из опилок – это гидролиз, то есть превращение целлюлозы в глюкозу.

Основа у целлюлозы и глюкозы одна – углеводороды. Но для превращения одного вещества в другое необходимы различные физические и химические процессы.

Основные технологии для преобразования опилок в глюкозу можно поделить на два типа:

• промышленные , требующие сложного оборудования и дорогих ингредиентов;
• домашние , не требующие какого-то сложного оборудования.

Вне зависимости от способа гидролиза, опилки необходимо максимально измельчить. Для этого применяют различные дробилки.

Чем меньше размер опилок, тем более эффективным будет разложение древесины на сахар и другие компоненты.

Найти более подробную информацию об оборудовании для измельчения опилок вы сможете здесь: . Никакой другой подготовки опилки не требуют.

Промышленный способ

Опилки засыпают в вертикальный бункер, затем заливают раствором серной кислоты (40 %) в соотношении 1:1 по массе и, закрыв герметично, нагревают до температуры 200–250 градусов.

В таком состоянии опилки держат 60–80 минут, постоянно перемешивая.

За это время проходит процесс гидролиза и целлюлоза, впитывая воду, распадается на глюкозу и другие составляющие.

Полученное в результате этой операции вещество процеживают , получая смесь раствора глюкозы с серной кислотой.

Очищенную жидкость сливают в отдельную емкость и смешивают с раствором мела, который нейтрализует кислоту .

Затем все отфильтровывают и получают:

• ядовитые отходы;
• раствор глюкозы.

Недостаток этого метода в:

• высоких требованиях к материалу, из которого изготовлено оборудование;
• больших расходах на регенерацию кислоты,

поэтому широкого распространения он не получил.

Существует и менее затратный метод , в котором используют раствор серной кислоты крепостью 0,5–1 %.

Однако для эффективного гидролиза необходимы:

• высокое давления (10–15 атмосфер);
• нагрев до 160–190 градусов.

Время протекания процесса 70–90 минут.

Оборудование для такого процесса можно изготовить из менее дорогих материалов, ведь столь разбавленный раствор кислоты менее агрессивен, чем тот, который применяют в описанном выше методе.

А давление в 15 атмосфер не является опасным даже для обычного химического оборудования, ведь многие процессы также проходят при высоком давлении.

Для обоих методов применяют стальные, герметично закрывающиеся емкости объемом до 70 м³, выложенные изнутри кислотоупорным кирпичом или плиткой.

Такая футеровка защищает металл от контакта с кислотой.

Нагревают содержимое емкостей, подавая в них раскаленный пар.

Сверху устанавливают спускной клапан, который настраивают на необходимое давление. Поэтому излишки пара выходят в атмосферу. Остальной пар создает необходимое давление.

В обоих методах задействован один и тот же химический процесс . Под воздействием серной кислоты целлюлоза (C6H10O5)n впитывает воду H2O и превращается в глюкозу nC6H12O6, то есть смесь различных сахаров.

После очистки эту глюкозу используют не только для получения биотоплива, но и для производства:

• питьевого и технического спирта;
• сахара;
• метанола.

Оба метода позволяют перерабатывать древесину любых пород, поэтому являются универсальными.

В качестве побочного продукта переработки опилок в спирт получают лигнин – вещество, склеивающее:

• пеллеты;
• брикеты.

Поэтому лигнин можно продавать предприятиям и предпринимателям, которые занимаются производством пеллет и брикетов из отходов древесины.

Еще один побочный продукт гидролиза – фурфурол. Это маслянистая жидкость, эффективный антисептик для обработки древесины.

Фурфурол также применяют для:

• очистки нефти;
• очистки растительного масла;
• производства пластмасс;
• создания противогрибковых лекарств.

В процессе обработки опилок кислотой выделяются ядовитые газы , поэтому:

• все оборудование необходимо монтировать в проветриваемом цеху;
• работники должны надевать защитные очки и респираторы.

Выход глюкозы по массе составляет 40–60 % от веса опилок, но с учетом большого количества воды и примесей вес продукта в несколько раз больше исходного веса сырья .

Лишняя вода будет удалена в процессе перегонки.

Кроме лигнина побочными продуктами обоих процессов являются:

• алебастр;
• скипидар,

которые можно продать, получив какую-то прибыль.

Очистка раствора глюкозы

Очистку проводят в несколько этапов:

1. Механическая очистка с помощью сепаратора удаляет из раствора лигнин.
2. Обработка меловым молоком нейтрализует кислоту.
3. Отстаивание разделяет продукт на жидкий раствор глюкозы и карбонаты, которые затем используют для получения алебастра.

Вот описан технологический цикл переработки древесины на гидролизном заводе в городе Тавда (Свердловская Область).

Домашний способ

Этот способ проще, но занимает в среднем 2 года. Опилки насыпают большой кучей и обильно поливают водой, после чего:

• накрывают чем-нибудь;
• оставляют преть.

Температура внутри кучи поднимается и начинается процесс гидролиза, в результате которого целлюлоза превращается в глюкозу , которую можно использовать для брожения.

Минус этого метода в том, что при низкой температуре активность процесса гидролиза снижается, а при отрицательной полностью прекращается.

Поэтому такой метод эффективен лишь в теплых регионах.

Кроме того, велика вероятность перерождения процесса гидролиза в гниение , из-за чего получится не глюкоза, а ил, а вся целлюлоза превратится в:

• углекислый газ;
• небольшое количество метана.

Иногда в домах строят установки, подобные промышленным. Их изготавливают из нержавеющей стали, которая без последствий выдерживает воздействие слабого раствора серной кислоты.

Нагревают содержимое таких аппаратов с помощью:

• открытого огня (костер);
• змеевика из нержавеющей стали с циркулирующим по нему раскаленным воздухом или паром.

Закачивая в емкость пар или воздух и отслеживая показания манометра, регулируют давление в емкости. Процесс гидролиза начинается при давлении в 5 атмосфер, но наиболее эффективно протекает при давлении 7–10 атмосфер .

Затем так же, как и при промышленном производстве:

• очищают раствор от лигнина;
• обрабатывают с помощью раствора мела.

После этого раствор глюкозы отстаивают и сбраживают с добавлением дрожжей.

Брожение и перегонка

Для брожения в раствор глюкозы добавляют обычные дрожжи, которые активизируют процесс брожения.

Эту технологию используют как на предприятиях, так и при получении спирта из опилок в домашних условиях.

Время брожения 5–15 дней , в зависимости от:

• температуры воздуха;
• породы древесины.

Процесс брожения контролируют по количеству образования пузырьков углекислого газа.

Во время брожения происходит такой химический процесс – глюкоза nC6H12O6 распадается на:

• углекислый газ (2CO2);
• спирт (2C2H5OH).

После окончания брожения материал подвергают перегонке – нагреву до температуры 70–80 градусов и охлаждению отходящего пара.

При такой температуре из раствора испаряются:

• спирты;
• эфиры,

а вода и водорастворимые примеси остаются.

• охлаждения пара;
• конденсации спирта

используют змеевик, погруженный в холодную воду или охлаждаемый холодным воздухом.

Для увеличения крепости готового продукта его перегоняют еще 2–4 раза, постепенно снижая температуру до значения 50–55 градусов.

Крепость полученного продукта определяют с помощью спиртометра, который оценивает удельную плотность вещества.

В качестве биотоплива можно использовать продукт перегонки с крепостью не менее 80 % . В менее крепком продукте слишком много воды, поэтому техника будет работать на нем неэффективно.

Хотя спирт, полученный из опилок, очень похож на самогон, его нельзя использовать для питья из-за большого содержания метанола, который является сильным ядом. Кроме того, большое количество сивушных масел портит вкус готового продукта.

Чтобы очистить от метанола, необходимо:

• первую перегонку проводить при температуре 60 градусов;
• слить первые 10 % полученного продукта.

После перегонки остаются:

• тяжелые фракции скипидара ;
• дрожжевая масса , которую можно использовать как для сбраживания следующей партии глюкозы, так и для получения кормовых дрожжей.

Они более питательны и полезны, чем зерно любых злаковых культур, поэтому их охотно покупают фермерские хозяйства, разводящие крупный и мелкий скот.

Применение биотоплива

По сравнению с бензином у биотоплива (спирта, полученного из переработанных отходов) есть как преимущества, так и недостатки.

Вот основные преимущества:

• высокое (105–113) октановое число;
• меньшая температура горения;
• отсутствие серы;
• меньшая цена.

Благодаря высокому октановому числу можно увеличить степень сжатия , повысив мощность и экономичность мотора.

Меньшая температура сгорания:

• увеличивает срок службы клапанов и поршней;
• снижает нагрев двигателя в режиме максимальной мощности.

Благодаря отсутствию серы, биотопливо не загрязняет воздух и не сокращает срок службы моторного масла , ведь оксид серы окисляет масло, ухудшая его характеристики и снижая ресурс.

Благодаря значительно менее высокой цене (если не считать акцизы), биотопливо серьезно экономит семейный бюджет.

Есть у биотоплива и недостатки:

• агрессивность по отношению к резиновым деталям;
• низкое массовое соотношение топливо/воздух (1:9);
• слабая испаряемость.

Биотопливо повреждает резиновые уплотнители , поэтому во время переделки мотора для работы на спирту все резиновые уплотнители меняют на полиуретановые детали.

Из-за меньшего соотношения топливо-воздух для нормальной работы на биотопливе необходима перенастройка топливной системы, то есть установка жиклеров большего сечения в карбюратор или перепрошивка контроллера инжектора.

Из-за слабой испаряемости затруднен пуск холодного двигателя при температуре ниже плюс 10 градусов.

Чтобы решить эту проблему, биотопливо разбавляют бензином в соотношении 7:1 или 8:1.

Для работы на смеси бензина и биотоплива в соотношении 1:1 никакой переделки двигателя не требуется.

Если же спирта будет больше, то желательно:

• заменить все резиновые уплотнители на полиуретановые;
• прошлифовать головку блока цилиндров.

Шлифовка необходима для увеличения степени сжатия, что позволит реализовать более высокое октановое число . Без такой переделки двигатель будет терять в мощности при добавлении в бензин спирта.

Если же биотопливо используют для электрогенераторов или бытовых бензиновых приборов, то желательна замена резиновых деталей на полиуретановые.

В таких устройствах можно обойтись без шлифовки головки, потому что небольшая потеря мощности компенсируется увеличением подачи топлива. Кроме того, потребуется перенастройка карбюратора или инжектора , это сможет сделать любой специалист по топливным системам.

Более подробно о применении биотоплива и переделке моторов для работы на нем читайте в этой статье (Применение биотоплива).

Видео по теме

О том, как сделать спирт из опилок, вы можете увидеть в данном видео:

Выводы

Производство спирта из опилок – сложный процесс , который включает в себя массу операций.

Если есть дешевые или бесплатные опилки, то, заливая биотопливо в бак своего автомобиля, вы серьезно сэкономите, ведь его производство обходится заметно дешевле бензина.

Теперь вы знаете, как получить спирт из опилок, применяемый в качестве биотоплива и как это можно сделать в домашних условиях.

Кроме того, вы узнали о побочных продуктах , которые возникают в процессе переработки опилок в биотопливо. Эти продукты также можно продать, получив пусть и небольшую, но все же выгоду.

Благодаря этому бизнес по производству биотоплива из опилок становится весьма выгодным , особенно если использовать топливо для собственного транспорта и не платить акцизный сбор на продажу спирта.

Вконтакте

Сахар из опилок

из "Опыты без взрывов"

Свое название углеводы получили по ошибке. Произошло это в середине прошлого века. Тогда считали, что молекула любого сахаристого вещества отвечает формуле С (Н20) . Все известные тогда углеводы подходили под эту мерку, и формулу глюкозы 6H 206 писали как Сб(Н20)б.
Но позднее были открыты и такие сахара, которые оказались исключением из правила. Так, явный представитель углеводов рамиоза (она тоже дает реакцию Молиша) имеет формулу СбН)205. И хотя неточность в названии целого класса соединений была очевидной, термин углеводы стал уже настолько привычным, что его не стали менять. Впрочем, в наши дни многие химики предпочитают иное название - сахара.
Один из сахаров мы попытаемся получить из опилок гидролизом, т.е. разложением водой. Это очень распространенный химический процесс. Опилки и другие древесные отходы содержат углевод клетчатку (целлюлозу). Из нее на гидролизных заводах готовят глюкозу, которую можно использовать затем по-разному чаще всего ее сбраживают, превращая в спирт, исходный продукт для множества химических синтезов. Большая и самостоятельная отрасль химической индустрии носит название гидролизной промышленности.
Прежде чем воспроизвести процесс гидролиза древесины, попытаемся понять, в чем его суть, а для этого удобнее будет начать не с опилок, а с огурцов и лучинок.
Вымойте свежий огурец, натрите его на терке и выжмите сок. Сок можно отфильтровать, но это не обязательно.
Приготовьте в пробирке гидроксид меди Си(0Н)2- Для этого добавьте 2-3 капли раствора медного купороса к 0,5 - 1 мл раствора едкого натра. К полученному осадку прибавьте равный объем огуречного сока и встряхните пробирку. Осадок растворится, получится синий раствор.
Такая реакция характерна для многоатомных спиртов, т.е. для спиртов, которые содержат несколько гидроксильных фупп.
Теперь нагрейте до кипения (или поставьте в кипящую воду) пробирку с полученным синим раствором. Он сначала пожелтеет, затем станет оранжевым, а после охлаждения выпадет красный осадок оксида меди Си20.
наверное, догадываетесь, что этот опыг совсем не обязательно ставить именно с соком огурца. Он хорошо получается и с другими сладкими соками - виноградным, морковным, яблочным, фушевым. Можно взять для опыта и туалетную огуречную воду, которая продается в парфюмерных магазинах. И, конечно, просто таблетки глюкозы.
Теперь второй предварительный опыт - осахаривание лучинки.
Приготовьте раствор серной кислоты к одному объему воды прилейте один объем концентрированной серной кислоты (ни в коем случае не лить воду в кислоту). В пробирку с раствором опустите лучинку и нагрейте раствор до кипения. Лучинка при этом обуглится, но опыту это не помешает.
После нагревания выньте лучинку, опустите ее в другую пробирку с 1 - 2 мл воды и прокипятите. В обеих пробирках теперь есть глюкоза. Проверить это можно, добавив к растворам две-три капли медного купороса, а затем и едкий натр - появится знакомая синяя окраска. Если же этот раствор прокипятить, вйпадет, как мы и ожидали, красный осадок оксида меди Си20. Итак, глюкоза обнаружена.
что наша лучинка осахарилась, и есть результат гидролиза целлюлозы (а на ее долю в древесине приходится около 50%). Как и при гидролизе крахмала, серная кислота в этом процессе не расходуется, она ифает роль катализатора.
Наконец, мы подошли к основному опыту, который был обещан в заглавии получение сахара из опилок.
В фарфоровую чашку насыпьте 2-3 столовые ложки древесных опилок и смочите их водой. Добавьте еще немного воды и равное количество ранее приготовленного раствора серной кислоты (1 1), жидкую кашицу хорошо перемешайте. Закройте крышкой и поставьте в духовку газовой плиты (или в русскую печь) примерно на час, можно на немного меньше.
Содержимое чашки слейте в молочную бутылку, взболтайте жидкость и дайте постоять несколько часов. Сульфат кальция, образовавшийся при нейтрализации кислоты, осядет на дно, а сверху останется раствор глюкозы. Осторожно слейте его в чистую чашку (лучше по стеклянной палочке) и отфильтруйте.
Осталась последняя операция - выпаривание воды на водяной бане. После нее на дне остаются светло-желтые кристаллы глюкозы. Их можно попробовать на вкус, но и только - продукт недостаточно чистый.
мы выполнили четыре операции варку опилок с раствором серной кислоты, нейтрализацию кислоты, фильтрование и выпаривание. Именно так и получают глюкозу на гидролизных заводах, только, конечно, не в фарфоровых чашках...
И еше один промышленный процесс мы можем воспроизвести без особых затруднений превратим один сахар в два других.
При долгом хранении домашнее варенье часто засахаривается. Это происходит потому, что сахар кристаллизуется из сиропа. С вареньем же, которое продается в магазине, такая беда случается гораздо реже. Дело в том, что на консервных заводах, кроме свекловичного или тростникового сахара, сахарозы СцНггОц, используют и другие сахаристые вешества например инвертный сахар. Что такое инверсия сахара и к чему она приводит, вы узнаете из следующего опыта.