CN101805378B - 一种从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法，包括如下步骤：将多聚戊糖酸解液用碳酸钙中和，然后经预脱色后，再用活性炭脱色；依次通过强酸型阳离子树脂、弱碱型阴离子树脂进行离子交换，然后用反渗透膜浓缩；浓缩液通过活性炭柱脱色后，再依次通过强碱型阴离子树脂和强酸型阳离子树脂，最后经热效浓缩后结晶。本发明通过反渗透膜浓缩酸解液，解决了浓缩后醋酸根含量升高的缺点，同时降低了成本，并且其透析液还可以作为木糖结晶时的洗水使用，进一步降低成本；此外本发明方法酸碱使用量少，对环境友好，成本较低，且产率高、纯度好，适合工业化生产。

Description

一种从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法

技术领域

本发明涉及糖类生产工艺领域，具体地说，涉及一种从多聚戊糖酸解液中分离提取木糖的方法。

背景技术

木糖在我国已有四十多年的生产经验，生产技术已达到世界水平。目前，我国已经是世界木糖生产和出口大国，并且随着经济的发展和生活水平的提高，国内市场不断扩大，为进一步发展木糖产业，提供了十分优越的条件。目前，生产木糖普遍采用较为传统的生产工艺，主要是将含有多聚戊糖的植物原料，进行水解后分离提取木糖。富含多聚戊糖的植物原料有玉米芯、秸秆、甘蔗渣等，我国是农业大国，年产玉米1.2亿吨，其中玉米芯产量占四分之一，约为3000万吨；年产玉米秸秆1.2亿吨；年产蔗糖约800万吨，糖渣约900万吨。另外，竹子中含有的多聚戊糖占20～25％(重量百分数)，因此可以将竹材造纸和综合利用木糖相结合，使其成为一种潜在的木糖资源。

目前，木糖的生产工艺主要包括原料的洗涤、水解、脱色、中和、离子交换、浓缩、再次离子交换和浓缩、结晶等步骤。但是，上述生产工艺，在生产过程中酸碱消耗量大，存在较为严重的“三废”排放污染环境等问题，无法适应目前国家提倡的建立节能减排和环境友好型社会的目标。

为了解决上述问题，本发明人经过大量研究，提供了一种酸碱用量少，对环境友好，同时还能降低生产成本的从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法，该方法具有酸碱用量少，对环境友好，降低生产成本等优点。

为了实现本发明的目的，本发明的从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法，包括如下步骤：

1)将多聚戊糖酸解液用碳酸钙中和，调pH至3.0～3.5，然后经预脱色后，再用活性炭脱色；

2)将脱色后的酸解液依次通过强酸型阳离子树脂、弱碱型阴离子树脂进行离子交换，然后用反渗透膜浓缩；

3)将步骤2)制得的浓缩液通过活性炭柱脱色，再依次通过强碱型阴离子树脂和强酸型阳离子树脂，最后经热效浓缩后结晶。

其中，步骤1)中所述碳酸钙的加入量按重量体积比为多聚戊糖酸解液体积的1％～2％(kg/L)，优选使用轻质碳酸钙；所述中和的条件为在80℃的温度下反应1h。

所述预脱色为在酸解液中按重量体积比加入酸解液体积0.4％～0.5％(kg/L)的废炭，在80℃的温度下保温0.5h，所述废炭为使用过的活性炭；预脱色后，酸解液中的硫酸根含量为1500mg/L以下，钙离子含量为500～600mg/L。

所述脱色是在预脱色后的酸解液中按重量体积比加入酸解液体积的0.4％～0.5％(kg/L)的粉末活性炭，在50～60℃的温度下保温0.5h；脱色后，酸解液的透光率大于70％。

步骤2)中通过强酸型阳离子树脂后，酸解液中的铁离子含量在10mg/L以下；通过弱碱型阴离子树脂后，酸解液中的硫酸根含量在10～20mg/L。酸解液中的铁离子主要来自玉米芯、玉米芯携带灰分或腐蚀的设备管道等，若酸解液中铁离子含量过高会损坏有机膜且影响后续的木糖结晶步骤，因此需要将多聚戊糖酸解液通过强酸型阳离子树脂进行离子交换，从而去除铁离子。

所述反渗透膜的脱盐率为99.5％，进出口压力为2.5～2.8MPa，浓缩温度控制在45℃以下；用反渗透膜浓缩后，酸解液体积浓缩至原体积的1/3以下，固形物含量达到10％以上。

本发明通过反渗透膜对酸解液进行浓缩，能够使酸解液中的部分醋酸根离子(醋酸根离子主要是由原料中含有的半纤维素在硫酸水解时乙酰基键断裂产生的)进入到透析液中，从而使酸解液中的醋酸根离子去除率达到40～60％，解决了传统方法中浓缩酸解液后醋酸根含量升高，导致后续步骤中强碱型树脂吸附醋酸根时负担增加的缺点；并且在将酸解液浓缩相同倍数时，反渗透膜比传统方法的成本低。

步骤3)中通过炭柱脱色后的酸解液，透光率大于95％。通过强碱型阴离子树脂后，酸解液的电导率为50μs/cm以下，醋酸根离子含量控制在100mg/L以下；通过强酸型阳离子树脂后，酸解液的pH为5～6。酸解液的电导率越高说明其中离子含量越高，而离子含量过高会对后续木糖结晶步骤产生不利影响，因此需要将多聚戊糖酸解液再次通过强碱型阴离子树脂进行离子交换，从而降低其离子含量。

本发明的多聚戊糖酸解液是以含有多聚戊糖的植物为原料，经过除杂、漂洗、热水洗、稀硫酸洗后，用硫酸水解得到的硫酸水解液，其主要成分为木糖，此外还含有少量葡萄糖、阿拉伯糖等(一般来说，葡萄糖、阿拉伯糖的含量约为木糖的1/10)。所述含有多聚戊糖的植物为玉米芯、秸秆、甘蔗渣、竹子等中的一种或多种。

本发明所述的热效浓缩，可以采用常规方法进行，如可以使用单效热浓缩，其浓缩条件为：物料蒸发温度控制在65～70℃，真空度在-0.08～-0.09MPa；还可以是双效热浓缩，其浓缩条件为：一效真空度为-0.065～-0.08MPa、温度为65～70℃，二效真空度为-0.09～-0.095MPa、温度为45～60℃；还可以将双效热浓缩与单效热浓缩结合起来使用。

经热效浓缩后的酸解液，其固形物含量应大于85％；将该浓缩液放入结晶罐，在65～75℃的温度下加入1～5％(重量比)40～60目的木糖晶体，养晶2～5小时，然后降温结晶，降温幅度为1～2℃/h，温度降至20～30℃时，离心分离，湿晶体进行烘干后包装为成品。

本发明的优点在于：

1)通过反渗透膜浓缩酸解液，使得酸解液中的部分醋酸根进入到透析液中，从而解决了传统方法中浓缩后醋酸根含量升高，导致后续步骤中强碱型树脂吸附醋酸根时负担增加的缺点；并且在将酸解液浓缩相同倍数时，反渗透膜比传统方法的成本低；同时其透析液还可以作为木糖结晶时的洗涤用水使用，进一步降低成本。

2)酸碱使用量少，对环境友好，成本较低，适合于工业化生产。

3)本发明方法能够使酸解液精制木糖的产率达到60％以上，木糖纯度达到99％以上。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

以玉米芯为原料，经过除杂、漂洗、热水洗、稀硫酸洗后用硫酸水解，得到多聚戊糖酸解液；其主要成分为木糖及少量葡萄糖、阿拉伯糖等(注：以下实施例中的多聚戊糖酸解液与此相同)。

1、将45L多聚戊糖酸解液加热至80℃，加入700g轻质碳酸钙，调pH＝3.32，中和去除部分硫酸根；在80℃的温度下保温1h后，过滤，然后加入220g废炭(前次酸解液脱色使用过的活性炭)进行预脱色，保温0.5h；

脱色后酸解液中硫酸根含量为1432mg/L，钙离子含量为580mg/L；

2、然后加入225g粉末活性炭，在55℃的温度下保温0.5h；脱色后酸解液的透光率为76％；

3、将上述脱色后的酸解液进行离子交换，先通过强酸型阳离子树脂001*7，使酸解液中铁离子含量为4mg/L；再通过弱碱型阴离子树脂D315，使酸解液中硫酸根含量为19mg/L；

然后经反渗透膜(标准脱盐率为99.5％)浓缩，反渗透膜的进出口压力控制在2.6MPa，温度控制在40℃；经反渗透膜浓缩后，固形物含量为13％；

4、将上述得到的酸解液浓缩液通过活性炭柱(颗粒活性炭)脱色，脱色后酸解液透光率达到95％；然后再次进行离子交换，先通过强碱型阴离子树脂D201*7，使酸解液电导率为50μs/cm；再通过强酸型阳离子树脂001*7，使酸解液的pH＝5.2；

5、将上述所得酸解液先经过双效热浓缩，使其固形物含量达到50％(一效真空度为-0.07MPa，温度为70℃；效真空度为-0.09MPa，温度为55℃)；然后再经单效热浓缩(真空度为-0.09MPa，温度为70℃)，热浓缩后的酸解液固形物含量为86％；最后在75℃温度下加入5％(重量)60目的木糖晶体，养晶2小时，然后降温结晶，降温幅度为1-2℃/h(50℃以前，降温幅度为1℃/h，50℃以后，降温幅度为2℃/h)，温度将至30℃时，离心分离，湿晶体进行烘干后得到1100g木糖，产率61％，纯度99.1％。

实施例2

1、将45L多聚戊糖酸解液加热至80℃，加入700g轻质碳酸钙，调pH＝3.24，去除部分硫酸根；在80℃的温度下保温1h，过滤，然后加入225g废炭(前次酸解液脱色使用过的活性炭)进行预脱色，保温0.5h；

脱色后酸解液中硫酸根含量为1495mg/L，钙离子含量为520mg/L。

2、然后加入225g粉末活性炭，在55℃的温度下保温0.5h；脱色后酸解液透光率为78％；

3、将上述脱色后的酸解液进行离子交换，先通过强酸型阳离子树脂001*7，使酸解液中铁离子含量为2mg/L；再通过弱碱型阴离子树脂D301，使酸解液中硫酸根含量为18mg/L；

然后经反渗透膜(标准脱盐率为99.5％)浓缩，反渗透膜的进出口压力控制在2.7MPa，温度控制在45℃；经反渗透膜浓缩后，固形物含量为14.2％；

4、将上述得到的酸解液浓缩液通过活性炭柱(颗粒活性炭)脱色，脱色后酸解液透光率达到95％；然后再次进行离子交换，先通过强碱型阴离子树脂D201*7，使酸解液电导率为45μs/cm；再通过强酸型阳离子树脂001*7，使酸解液的pH＝5.5；

5、将上述所得酸解液先经过双效热浓缩，使其固形物含量达到60％(一效真空度为-0.08MPa，温度为65℃；效真空度为-0.095MPa，温度为45℃)；然后再经单效热浓缩(真空度为-0.08MPa，温度为65℃)，使浓缩后酸解液固形物含量为85.5％；最后在65℃温度下加入2％(重量)50目的木糖晶体，养晶5小时，然后降温结晶，降温幅度为1-2℃/h(50℃以前，降温幅度为1℃/h，50℃以后，降温幅度为2℃/h)，温度将至25℃时，离心分离，湿晶体进行烘干后得到1090g木糖，产率60.5％，纯度99.3％。

实施例3

1、将45L多聚戊糖酸解液加热至80℃，加入650g轻质碳酸钙，调pH＝3.14，去除部分硫酸根；在80℃的温度下保温1h后，过滤，然后加入225g废炭(前次酸解液脱色使用过的活性炭)进行预脱色，保温0.5h；

脱色后酸解液中硫酸根含量为1452mg/L，钙离子含量为480mg/L。

2、然后加入225g粉末活性炭，在55℃的温度下保温0.5h；脱色后酸解液透光率为75％；

3、将上述脱色后的酸解液进行离子交换，先通过强酸型阳离子树脂HZ-016，使酸解液中铁离子含量为2mg/L；再通过弱碱型阴离子树脂D315，使酸解液中硫酸根含量为14mg/L；

然后经反渗透膜(标准脱盐率为99.5％)浓缩，反渗透膜的进出口压力控制在2.6MPa，温度控制在45℃；经反渗透膜浓缩后，固形物含量为14.5％；

4、将上述得到的酸解液浓缩液通过活性炭柱(颗粒活性炭)脱色，脱色后酸解液透光率达到93％；然后再次进行离子交换，先通过强碱型阴离子树脂D201*7，使酸解液电导率为48μs/cm；再通过强酸型阳离子树脂HZ-016，使酸解液pH＝5.8；

5、将上述所得酸解液先经过双效热浓缩，使其固形物含量达到55％(一效真空度为-0.075MPa，温度为65℃；效真空度为-0.09MPa，温度为50℃)；然后再用单效热浓缩(真空度为-0.09MPa，温度为70℃)，使浓缩后酸解液固形物含量为87％；最后在70℃温度下加入1％(重量)40目的木糖晶体，养晶4小时，然后降温结晶，降温幅度为1-2℃/h(50℃以前，降温幅度为1℃/h，50℃以后，降温幅度为2℃/h)，温度将至20℃时，离心分离，湿晶体进行烘干后得到1080g木糖，产率60％，纯度99.0％。

实施例4

1、将40L多聚戊糖酸解液加热至80℃，加入600g轻质碳酸钙，调pH＝3.36，去除部分硫酸根；在80℃的温度下保温1h，过滤，然后加入200g废炭(前次酸解液脱色使用过的活性炭)进行预脱色，保温0.5h；

脱色后酸解液中硫酸根含量为1480mg/L，钙离子含量为509mg/L。

2、然后加入200g粉末活性炭，在55℃的温度下保温0.5h；脱色后酸解液透光率为74％；

3、将上述脱色后的酸解液进行离子交换，先通过强酸型阳离子树脂HZ-016，使酸解液中铁离子含量为2mg/L；再通过弱碱型阴离子树脂D315，使酸解液中硫酸根含量为16mg/L；

然后经反渗透膜(标准脱盐率为99.5％)浓缩，反渗透膜的进出口压力控制在2.8MPa，温度控制在45℃；经反渗透膜浓缩后，固形物含量为13.5％；

4、将上述得到的酸解液浓缩液通过活性炭柱(颗粒活性炭)脱色，脱色后酸解液透光率达到92％；然后再次进行离子交换，先通过强碱型阴离子树脂D201*7，使酸解液电导率为50μs/cm；再通过强酸型阳离子树脂HZ-016，使酸解液的pH＝5.7；

5、将上述所得酸解液先经过双效热浓缩，使其固形物含量达到50％(一效真空度为-0.065MPa，温度为70℃；二效真空度为-0.09MPa，温度为60℃)；然后再经单效热浓缩(真空度为-0.08MPa，温度为65℃)，使浓缩后酸解液固形物含量为83.5％；最后在75℃温度下加入5％(重量)60目的木糖晶体，养晶2小时，然后降温结晶，降温幅度为1-2℃/h(50℃以前，降温幅度为1℃/h，50℃以后，降温幅度为2℃/h)，温度将至20℃时，离心分离，湿晶体进行烘干后得到984g木糖，产率61.5％，纯度99.0％。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种从多聚戊糖酸解液中提取木糖的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将多聚戊糖酸解液用碳酸钙中和，调pH至3.0～3.5，然后经预脱色后，再用活性炭脱色；

2)将脱色后的酸解液依次通过强酸型阳离子树脂、弱碱型阴离子树脂进行离子交换，然后用反渗透膜浓缩；

3)将步骤2)制得的浓缩液通过活性炭柱脱色，再依次通过强碱型阴离子树脂和强酸型阳离子树脂，最后经热效浓缩后结晶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述碳酸钙的加入量按重量体积比kg/L为多聚戊糖酸解液体积的1％～2％；所述中和的条件为在80℃的温度下反应1h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述预脱色按重量体积比kg/L加入酸解液体积0.4％～0.5％的废炭，在80℃的温度下保温0.5h，所述废炭为前次酸解液脱色使用过的活性炭；预脱色后，酸解液中的硫酸根含量为1500mg/L以下，钙离子含量为500～600mg/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述脱色是在预脱色后的酸解液中按重量体积比kg/L加入酸解液体积的0.4％～0.5％的粉末活性炭，在50～60℃的温度下保温0.5h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中通过强酸型阳离子树脂后，酸解液中的铁离子含量在10mg/L以下；通过弱碱型阴离子树脂后，酸解液中的硫酸根含量在10～20mg/L。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述反渗透膜的脱盐率为99.5％，进出口压力为2.5～2.8MPa，温度控制在45℃以下；用反渗透膜浓缩后，酸解液体积浓缩至原体积的1/3以下，固形物含量达到10％以上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中通过炭柱脱色后的酸解液，透光率大于90％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中通过强碱型阴离子树脂后，酸解液的电导率为50μs/cm以下，酸解液中醋酸根离子含量控制在100mg/L以下；通过强酸型阳离子树脂后，酸解液的pH为5～6。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，所述多聚戊糖酸解液是以含有多聚戊糖的植物为原料，经除杂、漂洗、热水洗及稀硫酸洗后，用硫酸水解得到的硫酸水解液。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述含有多聚戊糖的植物为玉米芯、秸秆、甘蔗渣或竹子中的一种或几种。