CN102909105A

CN102909105A - 一种脱除木糖发酵液中盐分的方法及装置

Info

Publication number: CN102909105A
Application number: CN2012104275682A
Authority: CN
Inventors: 张军伟; 刘志维; 王弦
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-02-06

Abstract

一种脱除木糖发酵液中盐分的方法，本发明通过利用离子交换柱串联技术，分离溶液中的杂质离子得到不含盐分的木糖液。具体实施方法为：以预处理的木糖发酵液为原料，在阳离子交换柱穿透后迅速串联，通过阳离子离交柱的依次串联实现阳离交树脂的饱和吸附，并得到合格的阳离交液；以合格的阳离交液为原料，在阴离子交换柱穿透后迅速串联，通过阴离子离交柱的依次串联实现阴离交树脂的饱和吸附，并得到不含盐分的木糖液。

Description

一种脱除木糖发酵液中盐分的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种分离淀粉糖类发酵液中盐分的方法和装置，尤其涉及巧妙利用离交柱串联工艺高效环保脱除木糖发酵液中盐分的技术。

背景技术

离子交换树脂法具有脱盐效率高、树脂可重复使用、操作简单的优点，广泛应用于脱除淀粉糖类溶液盐分的工业生产。目前国内离子交换技术绝大多数为单柱离子交换工艺，离交柱穿透后不能继续吸附，然而柱中仍有部分树脂未与离子杂质交换完全，该工艺存在树脂交换容量利用率低、离交柱穿透后亟需再生带来的频繁再生等缺陷。随着离交柱中树脂的再生次数频率的提高，不但所需的再生试剂亦随之增多，而且树脂频繁与再生试剂接触易破损，从而缩短树脂的使用寿命。

所以提高离交柱内树脂交换容量的利用率，减少树脂的再生次数，降低生产成本，是目前离子交换法分离木糖发酵液中盐分亟待改进的地方。

发明内容

本发明提供一种能够高效利用离交柱中树脂的交换能力，并降低树脂的再生频率，延长树脂使用周期的高效脱除木糖液中盐分的方法及装置。

本发明所述一种脱除木糖发酵液中盐分的方法：

步骤1一种脱除木糖液中盐分的装置，包括原料储槽1、恒流泵2、进料管3、进料阀4、离交柱5、连接阀6、连接离交柱的进料管7、出料阀8、出料管9、产品储槽10，如图1所示。每根离交柱均有进料口、出料口和连接口，其柱内装有凝胶强酸性阳离子交换树脂或大孔阴离子交换树脂。

步骤2开启恒流泵，将预处理的木糖发酵液通入1#阳交换柱内，流出液每隔25mL测定出料管中钙离子浓度和溶液的pH，合格(钙离子浓度低于5mg/L)的阳离交液通入阳离交产品储槽(即阴离交原料储槽)。待离交柱穿透后串联至2#阳离交柱继续吸附，如此依次串联直至1#阳离交柱吸附饱和，之后将原料液的进料口切换至2#离交柱。

步骤3开启恒流泵，将合格的阳离交液通入1#阴离交柱，流出液每隔25mL测定出料管中氯离子的浓度和溶液的电导率，合格(氯离子浓度低于10mg/L)的阴离交液通入阴离交产品储槽。待离交柱穿透后串联至2#阴离交柱继续吸附，如此依次串联至1#阴离交柱吸附饱和，之后将阳离交液的进料口切换至2#离交柱。

步骤4开启恒流泵，对吸附饱和的离交柱进行回收，再生和淋洗。与现有技术相比，本发明的优点：

1.只需通过阳/阴离交柱的串联吸附木糖发酵液中的离子杂质，离交柱内树脂交换容量的利用率在95％以上。

2.本方法中盐分的脱除率在98％以上，基本实现木糖与离子杂质的完全分离。

3.木糖的损失率少于1％，且不会稀释木糖发酵液的浓度，因此可以节省浓缩时的能量消耗。

4.由于离交柱内树脂对杂质离子的交换容量提高，树脂再生的频率降低，所使用的再生剂以及去离子水的消耗量减少，降低了运行成本。

5.本工艺可人工操作，也可实现半自动化和全自动化操作。

附图说明

图1离子交换柱串联装置图

图2阳离交单柱(a)、双柱(b)和三柱(c)穿透曲线与pH关系

图3阳离交单柱、双柱和三柱串联的穿透曲线

图4阴离交单柱(a)、双柱(b)和三柱(c)穿透曲线与电导率关系

图5阴离交单柱、双柱和三柱串联的穿透曲线

具体实施方式

【实施例1】

阳离子交换柱(直径为1cm，高为20cm)中装填相同质量的001×4树脂(树脂床层高度5cm)，经过预处理后木糖发酵液的折光为20，电导率为3000μs/cm，原料液的进料流速为5cm/min。

步骤1首先用盐酸将阳离子交换树脂001×4转成氢型，使其具有吸附木糖发酵液中阳离子杂质的能力，然后用去离子水淋洗至中性。

步骤2开启1#离交柱5的进料阀4和出料阀8，关闭离交柱之间的连接阀6，再开启恒流泵2，将预处理过的木糖发酵液从原料液储槽1引入1#离交柱5，流出液直接通入阳离交产品储槽10(即阴离交原料储槽)，并每隔25mL测定出料管8流出液中的钙离子浓度和pH值。待溶液中钙离子浓度高于5mg/L，关闭1#柱的出料阀8，并打开1#离交柱与2#离交柱之间的连接阀6和2#离交柱的出料阀8，如此依次串联直至第一根阳离交柱吸附饱和。之后打开2#离交柱的进料阀4，并关闭1#离交柱的进料阀4和1#离交柱与2#离交柱之间的连接阀6。

步骤3将吸附饱和的1#离交柱依次进行回收、再生和淋洗，以待备用。

【实施例2】

阴离子交换柱(直径为1cm，高为20cm)中装填相同质量的D301树脂(树脂床层高度6cm)，经过阳离交预处理后木糖发酵液的折光为20，电导率为12000μs/cm，原料液的进料流速为5cm/min。

步骤1首先用氢氧化钠将阴离子交换树脂D301转成氢氧型，使其具有吸附木糖发酵液中阴离子杂质的能力，然后用去离子水淋洗至中性。

步骤2开启1#离交柱5的进料阀4和出料阀8，关闭离交柱之间的连接阀6，再开启恒流泵2，将预处理过的木糖发酵液从原料液储槽1引入1#离交柱5，流出液直接通入阴离交产品储槽10，并间歇测定出料管8流出液中的氯离子浓度和电导率值。待溶液中氯离子浓度高于10mg/L，关闭1#柱的出料阀8，并打开1#离交柱与2#离交柱之间的连接阀6和2#离交柱的出料阀8，如此依次串联直至1#阳离交柱吸附饱和。之后打开2#离交柱的进料阀4，并关闭1#离交柱的进料阀4和1#离交柱与2#离交柱之间的连接阀6。

下面参照附图，对本发明作出更为详细地描述：

1.离交柱串联脱除木糖发酵液的方法及装置参数的确定

1.1阳离交柱穿透点的确定

从图2可知，单柱、双柱、三柱流出液钙离子浓度(C/C₀)的突变点与pH的突变点一致，可见阳离交柱的串联数目对二者的突变点关系无影响。原料液中钙离子与强酸性阳离子交换树脂上的氢离子在初始阶段可完全进行交换反应，因此流出液中仅有同一浓度的氢离子，所以流出液的pH值基本维持不变；树脂不能够完全吸附原料液中的钙离子，流出液中的钙离子浓度开始逐渐变大，即离交柱被钙离子穿透。当流出液中钙离子浓度变大，说明即与钙离子进行离子交换反应的H⁺变少，即树脂解离下来的H⁺变少，所以流出液的pH会逐渐增大。所以流出液的pH值可作为阳离交柱穿透的判断依据，离交柱被钙离子穿透时溶液的pH为1.8左右。

1.2阳离交柱串联数目的确定

图3为阳离交单柱、双柱和三柱串联脱除木糖发酵液中阳离子杂质的穿透曲线。阳离交双柱串联分离阳离子杂质过程中，1#离交柱虽然已经穿透，但柱内的树脂仍可继续吸附阳离子杂质直至饱和，故双柱串联方式中2#离交柱的穿透点比单柱工艺往后延迟。双柱串联方式的平均单柱合格料液体积比单柱工艺提高了4％，其处理原料液的能力增大。而阳离交三柱串联吸附阳离子杂质的时候，1#离交柱内的树脂在2#离交柱穿透前已经饱和，即1#离交柱内的树脂不再具有交换能力，原料液流经1#离交柱后的离子浓度未发生改变，此时原料液继续流经2#、3#离交柱，效果相当于双柱串联，因此系统达到平衡后双柱和三柱串联的穿透曲线基本重合(图3)且平均单柱合格料液体积基本相同，故选择双柱串联的方式分离木糖发酵液中的阳离子杂质。

1.3阴离交柱穿透点的确定

从图3可知，单柱、双柱和三柱流出液氯离子浓度的突变点(C/C₀)与电导率的突变点一致，可见阴离交柱的串联数目对二者的突变点关系无影响。合格阳离交液(即阴离交的原料液)中氢离子和氯离子在初始阶段一同被弱碱性阴离子交换树脂吸附，因此流出液中基本无离子，所以流出液的电导率值基本维持不变。树脂不能够完全吸附原料液中的氯离子和氢离子，流出液中的氯离子和氢离子浓度开始逐渐变大，即离交柱被氯离子穿透，因此流出液的电导率值会逐渐增大。流出液的电导率值可作为阴离交柱穿透的判断依据，阴离交柱被氯离子穿透时的电导率为50μs/cm左右。

1.4阴离交柱串联数目的确定

图5为阴离交单柱、双柱和三柱串联脱除木糖发酵液中阴离子杂质的穿透曲线。阴离交双柱串联分离阴离子杂质过程中，1#离交柱虽然已经穿透，但柱内的树脂仍可继续吸附阴离子杂质直至饱和，故双柱串联方式中2#离交柱的穿透点比单柱工艺往后延迟。双柱串联方式的平均单柱合格料液体积比单柱工艺提高了48％，其处理原料液的能力增大。而阴离交三柱串联吸附阴离子杂质的时候，1#离交柱内的树脂在2#离交柱穿透前已经饱和，即1#离交柱内的树脂不再具有交换能力，原料液流经1#离交柱后的离子浓度未发生改变，此时原料液继续流经2#、3#离交柱，效果相当于双柱串联，因此系统达到平衡后双柱和三柱串联的穿透曲线基本重合(图3)且平均单柱合格料液体积基本相同，故选择双柱串联的方式分离木糖发酵液中的阴离子杂质。

1.5参数小结

(1)离子交换法分离木糖发酵液中的盐分，阳离交的穿透pH值控制在1.8左右，阴离交的穿透电导率控制在50μs/cm，可保证木糖发酵液中的盐分完全脱除。

(2)阳离交和阴离交适宜的离交柱串联数目为2根。

2.离交子交换串联技术与单柱工艺的比较

2.1阳离交串联技术与单柱工艺的比较

阳离交串联技术与单柱工艺基本性能参数的比较如下表所示：

从上表可知，阳离子交换柱的串联延长了原料液中阳离子杂质与树脂的接触时间越长，则树脂上氢离子完全被钙离子交换的几率越大。与单柱分离木糖液中的钙离子相比，双柱串联方式的树脂穿透交换容量分别提高了约4％，阳离交单柱处理原料液的能力亦增强。

双柱串联分离木糖发酵液中阳离子杂质，1#离交柱穿透后未吸附饱和的树脂通过离交柱的串联仍然与溶液中阳离子杂质进行交换，且1#离交柱在2#离交柱穿透前已吸附饱和，双柱串联的树脂利用率比单柱提高了9％，充分利用了阳离交树脂的交换能力。

2.2阴离交串联技术与单柱工艺的比较

阴离交串联技术与单柱工艺基本性能参数的比较如下表所示：

从上表可知，阴离子交换柱的串联延长了原料液中阴离子杂质与树脂的接触时间，则树脂上的弱碱基团吸附溶液中的氯离子几率越大。与单柱分离木糖液中的氯离子相比，双柱串联方式的树脂穿透交换容量均提高了50％，阴离交单柱处理原料液的能力亦增强。

双柱串联分离木糖发酵液中阴离子杂质，1#离交柱穿透后未吸附饱和的树脂，通过离交柱的串联仍然与溶液中阴离子杂质进行交换，且1#离交柱在2#离交柱穿透前已吸附饱和，双柱串联的树脂利用率比单柱提高了32％，充分利用了阴离交树脂的交换能力，且实现木糖液中盐分的完全脱除。

2.3比较小结

(1)与单柱脱除木糖发酵液中的盐分相比，双柱串联技术中阳离交柱的处理量提高了12％，而阴离交柱的处理量提高了90％，不仅提高了离交工艺的生产能力，同时通过降低树脂的再生频率来减少化学式剂的消耗。

(2)不同于单柱离交工艺中树脂的不饱和穿透，双柱串联技术充分利用离交树脂的交换能力，阳/阴离子交换树脂的利用率均达到95％以上。

(3)双柱串联脱除木糖发酵液中盐分的效率与单柱工艺相似，产品溶液中的电导率均稳定在50μs/cm左右，盐分的去除率高达98％以上。

综上所述，相比于单柱脱除木糖发酵液中的盐分，双柱串联技术充分利用了树脂的交换能力，提高了离交工艺在脱除木糖发酵液中盐分的生产能力；除此之外，双柱串联技术减少了树脂的再生频率，降低了生产成本。

Claims

1.一种脱除木糖发酵液中盐分的方法，其特征在于将预处理过的木糖发酵液(折光为0.1％～30％)以顺流的方式引入串联的阳离子交换柱脱除阳离子杂质，合格的阳离交液再以顺流的方式引入串联的阴离子交换柱脱除阴离子杂质，得到盐分已脱除的木糖液。

2.根据权利要求1的脱除木糖发酵液中盐分的方法，其特征在于木糖发酵液须经旋振筛除去菌丝体、超滤除去分子量3千以上的大分子物质。

3.根据权利要求1的脱除木糖发酵液中盐分的方法，其特征在于所说的阳离子交换柱中所用的树脂为凝胶强酸性阳离子交换树脂，而阴离子交换柱为大孔弱碱性阴离子交换树脂。

4.根据权利要求1的脱除木糖发酵液中盐分的方法，其特征在于所说的串联离子交换柱为第一根离交柱被原料液穿透后迅速串联至第二根离交柱继续吸附，第二根离交柱穿透后迅速串联第三根离交柱，如此依次串联直至第一根离交柱中的树脂吸附饱和。

5.根据权利要求1的脱除木糖发酵液中盐分的方法，其特征在于树脂吸附饱和的离交柱经去离子水回收柱内的木糖发酵液，再分别用盐酸再生阳离子交换柱和氢氧化钠再生阴离子交换柱，之后用去离子水淋洗至中性待用。