CN102597253B - 使用电渗析和直接回收法从水解产物中经济地制备木糖的经济的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境友好、简单且经济的制备木糖的方法。该方法包括以下步骤：a)通过用硫酸水解逆流提取热带水果生物质以获得高浓度的木糖提取物；b) 调节提取物的pH至1.5-2.5，脱色并过滤调节了pH的提取物；c)在电渗析装置中使滤液脱盐；以及d)再循环从步骤c)中回收的废弃的硫酸溶液，返回到步骤a)，然后，浓缩并直接回收脱盐的滤液以获得木糖结晶。

Description

使用电渗析和直接回收法从水解产物中经济地制备木糖的经济的方法

技术领域

本发明涉及一种制备木糖的经济的方法，通过去除产生大量废水的过程，例如中和过程与离子净化过程，该方法不仅是环境友好型的，而且通过简化过程而节约了成本。

背景技术

为了从硫酸水解产物中纯化含有木糖的有用的糖组分，最常用的是沉淀和离子交换过程。其中，在商业应用中，频繁且常规地使用的是离子交换法，因为该方法所需的设备成本低。然而，离子交换树脂的再生过程产生了大量含有高浓度盐的废水，因此增加了废水处理的成本。为此，需要能够减少使用化学物质并且减少废水的量的可替代的技术。

最近，已经报道了有效利用资源的新型分离技术，例如电渗析，作为糖蜜和发酵液脱盐方法。韩国专利提前公开号2008-0074687公开了一种通过水解、中和、沉淀、过滤、电渗析和离子交换步骤，从热带水果生物质制备木糖的方法。电渗析过程的瓶颈在于离子交换膜容易被有机化合物污染。众所周知，该污染降低了装置的效率，并缩短了膜的生命周期。

为了解决上述问题，研究人员尝试了用水软化剂或阴离子交换树脂进行预处理(日本专利提前公开号Sho 54-67093)。然而，该方法的工业应用具有局限性，因为该方法需要多个预处理步骤和辅材料，所以成本增加。韩国专利提前公开号2001-0107331是关于通过电渗析回收乳酸的方法，其公开了一种回收硫酸铵的方法，其优势在于，例如效率优势和环境优势。然而，在工业中应用时，电渗析仍具有与膜的成本、膜的污染以及长期操作的稳定性相关的问题。

发明内容

本发明的发明人进行了大量研究以解决现有技术中存在的上述问 题。结果，他们发现能够通过提供可以阻止结垢的pH范围来防止由离子交换膜被污染而出现的产量降低，结垢导致了离子交换膜的污染，由此通过消除例如巨大的初始投资和操作成本而克服电渗析工业应用的限制。此外，本发明的发明人已经发现通过直接回收法能够去除离子交换过程，该直接回收法最大化的纯化提取物。因此，能够消除对含有高浓度盐的废水处理的负担，由此完成简单的制备木糖的方法。

因此，本发明的主要目的在于提供一种方法，其中通过逆流提取尽可能多的从热带水果生物质中提取木糖，同时选择性地分离、回收和再循环硫酸离子至产生目的有机物的提取过程中，该目的有机物能够被作为结晶直接回收。

而且，通过防止离子交换膜污染，电渗析装置可长时间操作，而不需要进行化学清洁。

为了实现上述目的，本发明提供了一种制备木糖的方法，该方法包括以下步骤：a)通过用硫酸水解逆流提取热带水果生物质以获得高浓度的木糖提取物；b)调节提取物的pH值至1.5-2.5，脱色并过滤调节了pH值的提取物；c)在电渗析装置中使滤液脱盐；以及d)再循环从步骤c)中回收的废弃的硫酸溶液，返回到步骤a)，然后，浓缩脱盐的滤液，并直接回收有机物以获得木糖结晶。

当使用电渗析装置和本发明的直接回收法制备木糖时，能够降低废水处理的负担并且通过工艺简化能够降低生产成本。因此，本发明能够提供一种低污染的木糖制备方法，其能够降低原料成本，并有助于防止环境污染。

附图说明

图1示出了使用根据现有技术的中和、离子交换和电渗析制备木糖的方法的流程图，与使用电渗析和根据本发明的直接回收法制备木糖的简化的方法的流程图之间的比较；

图2示出了通过电渗析过程分离有机物和硫酸并再循环回收的硫酸， 同时直接结晶有机物而制备木糖的发明过程的细节图；

图3示出了用于本发明的多级逆流提取的详细的流程图；

图4示出了用于本发明的电渗析装置随着时间推移的电导率的变化。

具体实施方式

本发明提供了一种制备木糖的方法，该方法包括以下步骤：a)通过用硫酸水解逆流提取热带水果生物量以获得高浓度的木糖提取物；b)调节提取物的pH值至1.5-2.5，脱色并过滤调节了pH值的提取物；c)在电渗析装置中使滤液脱盐；以及d)再循环从步骤c)中回收的废弃的硫酸溶液，返回到步骤a)，浓缩脱盐的滤液，并直接回收有机物以获得木糖结晶，而不进行额外的离子纯化和脱色。

在图2中示出了本发明的制备木糖的方法，以下将参照附图详细说明。

参照图2，热带水果生物质(9)可以是干椰子壳、棕榈壳或油棕榈空果串(OPEFB)。

本发明的方法中的水解可以通过以下过程进行：向热带水果生物质(9)添加2,000-50,000ppm的硫酸溶液(10)，并使混合物在100-200℃的温度下、0-10kgf/cm²的反应压力下反应0.5-10小时。

在上述水解条件下进行热带水果生物质的提取，可以使用如图2所示的提取器进行逆流提取。

通过逆流提取获得的提取物(11)的糖含量的比率为为分离的混合水解产物的重量的60-90％，优选80-90％。

使用活性炭使提取物(11)脱色，并通过压力过滤器或超滤装置(2)过滤，以去除悬浮物。在本发明的一个实施方式中，压力过滤器或超滤装置(2)包括具有0.5μm孔径的滤布。

调节去除悬浮物的滤液(12)的pH值至1.5-2.5。进行pH值调节的目的是为了防止在水解产物中形成水垢，该水解产物含有蛋白质、色素和腐殖质，它们会污染电渗析膜。

从步骤c)中回收的废弃硫酸溶液(13)再循环进入提取步骤a)，这样其可以在再接下来的提取过程中连续地再利用。添加硫酸至浓度为2,000-4,000ppm时，可以再次使用回收的硫酸溶液，优选地，硫酸的最终浓度为25,000ppm。

在步骤b)中，调节了pH值并脱色的滤液(12)被引入到电渗析装置(3)的稀释容器中，然后脱盐，直到有机物(14)的传导率达到1,500uS/cm或更低，优选1,000uS/cm或更低。

将脱盐的有机物(14)输送到浓缩器(4)中，将其浓缩至50-70Bx的糖浓度。然后，通过直接回收法真空结晶或冷结晶获得的浓缩物(15)，由此制备木糖，直接回收过程可以通过三个阶段(5、6和7)进行。

以下，将参照实施例进一步详细描述本发明，但本发明的范围不限于这些实施例。

实施例1：硫酸水解产物的制备

椰子壳、棕榈壳或油棕榈空果串(OPEFB)被研磨为0.5-5.0cm²的平均面积或0.1-5.0cm的平均长度，然后在40-80℃的温度下干燥12-24小时。

将2,000-50,000ppm的硫酸加入到100g的干的椰子壳、棕榈壳或油棕榈空果串(OPEFB)中，在100-200℃的反应温度、0-10kgf/cm²的反应压力下进行酸水解0.5-10小时，其中酸水解溶剂和生物质的混合比率为1∶1-1∶20。

[表1]

水解产物中木糖的糖浓度和电导率的测量结果

实施例2：通过逆流提取制备高浓度木糖

最简单的提取方法是用纯溶剂重复提取。然而，在本发明中，进行逆 流提取是为了使原材料中的可溶组分最大化，同时获得高浓度的提取物。

当热带水果生物质与硫酸溶液在提取器中反应预定的时间时，它们分离成上层溶液和下层浆液，两层溶液逐渐向相反的方向移动。换句话说，第一提取物(b)和第二提取物(c)包括溶剂和溶解物，它们以与固相相反的方向按顺序移动通过各个柱子，并且在移动通过各个柱子期间，溶解并提取溶解物。图3示出了逆流提取过程的流程图。

具体地，提取器包括第1阶段和第2阶段提取反应器。连续的逆流提取过程包括以下步骤：将来自具有3-7白利度的木糖浓度的第1阶段(b)的低浓度第一提取物转移到第2阶段反应器中，并使第一提取物(b)通过第2阶段的提取反应器，以获得具有10-20白利度的木糖浓度的高浓度和高纯度的提取物(c)。

在如实施例1所述的条件下，将简单分批提取(用纯溶剂重复提取)和多级逆流提取的提取率进行比较。多级逆流提取示出了90％-80％的高提取率。

[表2]

简单分批提取和多级逆流提取的提取率比较

用氢氧化钠将通过逆流提取获得的pH值为0.8-1.2的酸水解产物(c)的pH值调到1.5-2.5，然后用活性炭脱色，并通过具有0.5μm的孔径的压力过滤器过滤，从而除去悬浮物。

实施例3：脱盐电渗析

对通过逆流提取过程产生的酸水解产物的电流效率和能量损耗进行检测，从而通过硫酸的脱盐率以及有机物的损失率，确定根据本发明的脱盐电渗析过程进行有机物(糖)与硫酸的分离的可能性。

脱色和过滤的反应溶液具有10-15白利度的糖浓度和1.5-2.5的pH值。使用直流电源(120V，30A)使溶液维持在40-70V的恒压下，并且使用热交换线圈使温度维持在约40～70℃的恒温下。溶液在6-8L/分钟的流速下脱盐100-150分钟直到电导率达到1,500uS/cm或更低。

此处，电渗析装置具有三个隔室，离子膜由强酸阳离子交换膜和强碱阴离子交换膜组成，并具有0.6m²的总的有效膜面积。在下表3中示出了脱盐电渗析的结果。

[表3]

脱盐电渗析的结果

硫酸的脱盐率能够通过稀释容器的电导率值计算，有机物的损失率能够通过稀释容器中的白利度值变化确定。

硫酸的脱盐率＝100-{(最终电导率值/初始电导率值)*100}

有机物的损失率＝100-{(最终白利度值/初始白利度值)*100}

结果，硫酸的脱盐率是98％，并且有机物(糖)的损失率是3.4％。

实施例4：离子交换膜污染指数的测量

在如实施例3所述的条件下，根据酸水解产物的pH值测定膜的离子交换能力和性能。结果，pH值为1.5-2.5时，膜的离子交换能力和性能的下降非常低，表明膜基本上没有被污染。在下表4中示出了该测量结果。

[表4]

膜的污染指数 

实施例5：回收的硫酸的再循环

为了检测从电渗析过程中回收的硫酸的再循环的可能性和经济效率，当在提取过程中再循环回收的硫酸时，测定木糖的提取率。

结果，如下表5所示，当仅使用回收的硫酸时，获得的提取率为10.61％，当使用硫酸和回收的硫酸的混合物时，获得的提取率为12.80％，该结果类似于对照的提取率。下表5示出了当向回收的硫酸中添加最低量的硫酸并再利用混合物时，获得的提取率。如下表6所示，六个提取实验的总的平均总产率为12.57％，其中回收的硫酸被重复再利用。该结果表明回收的硫酸可以被重复使用。

[表5]

添加回收的硫酸和硫酸对提取率的影响

[表6]

水解中回收的硫酸重复使用的结果

实施例6：通过直接回收法的木糖回收

为了检测从电渗析过程中获得的脱盐有机物的直接回收率，浓缩回收的有机物，从而使糖浓度从10-15白利度增加到50-70白利度。通过3步直接回收法从浓缩的有机物直接回收木糖，同时测定木糖的回收率。

结果，如下表7所示，木糖的回收率(图2中的5、6和7)为33.5％，并且当回收和重结晶第二次和第三次结晶溶液时，获得的总的木糖回收率为87％，类似于现有技术中包括离子纯化过程的木糖回收率。

[表7]

Claims (2)

1.一种通过使用硫酸水解热带水果生物质制备木糖的方法，其包括以下步骤：

a)通过用硫酸水解逆流提取热带水果生物质以获得提取物；

b) 调节提取物的pH至1.5-2.5，脱色并过滤调节了pH值的提取物以获得滤液，所述滤液的木糖浓度是80%或更高；

c)在电渗析装置中使滤液脱盐；以及

d)从步骤c)中回收的废弃的硫酸溶液，向其中加入2,000-4,000ppm的硫酸，返回到步骤a)，浓缩并直接回收脱盐的有机物以获得木糖结晶。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使步骤 c)中滤液脱盐，直到滤液的电导率达到1,000uS/cm或更低。