CN104498640A - 一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺 - Google Patents

一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其制备过程包括：S1.原料的前处理；S2.木糖产品的制备；S3.木质素磺酸钠产品的制备；S4.微晶纤维素产品的制备。本发明利用植物废弃物，降低生产成本，经一整套工艺路线同时得到木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠三种高附加值产品，提高了植物废弃物的利用价值，生产工艺可操作性强，技术新颖，节能减排，清洁环保。

Description

一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺
技术领域
本发明属于功能糖和轻化工产品制备技术领域，涉及一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺。
背景技术
我国作为农业大国，植物废弃物资源量大面广，据不完全统计，我国每年约产生40多亿吨植物废弃物。像秸秆、玉米杆、玉米芯、麦秆、甘蔗渣、毛竹渣等含有丰富纤维素、半纤维素和木质素成分的植物废弃物，是非常有利用价值的可再生资源。但目前这类植物废弃物大部分被烧掉或堆放腐烂做肥料，利用价值低，对环境造成很大危害；少许部分被用来制备人造板、地板等产品，但由于其含有的纤维较短，制备过程难度大，产品质量不达标，附加值低。因此，可以利用植物废弃物生产高附加值的产品，如木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠，并将其工业化生产，提高植物废弃物的综合利用效率和附加值，减少对环境的危害。
木糖是一种戊糖，外观为白色结晶或结晶性粉末，易溶于水，味甜，甜度相当于蔗糖的70%，具有不被消化吸收、没有能量值的特点，能最大限度地满足爱吃甜品又担心发胖者的需求；可活化人体肠道内的双岐杆菌促其生长，具有改善人体微生物环境，提高机体免疫力的特点；能降低血清胆固醇、预防肠癌；能提高人体对钙的吸收率和保留率，防止便秘。微晶纤维素产品是一种纯化的、部分解聚的纤维素，白色、无臭、无味，广泛应用于制药、化妆品、食品等行业，不同的微粒大小和含水量有不同的特征和应用范围。木质素磺酸钠是一种天然高分子聚合物，化学性质稳定,长期密封储存不分解，可溶于各种不同pH值的水溶液，但不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，具有很强的分散性，是一种多功能高分子电解质，主要应用于树脂、橡胶、染料、农药、陶瓷、水泥、沥青、饲料、水处理、水煤浆、混凝土、耐火材料、油田钻井、复合肥料、冶炼、铸造、粘合剂等行业和领域。由此可见，木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠产品，都是对保障人体健康，促进石油、化工、食品、医药等产业可持续健康发展的重要基础原料，用途广泛，具有非常好的市场前景。
制备木糖的传统工艺是：以硫酸为催化剂，经高温高压水解使半纤维素转化为木糖液。此工艺生成的木糖液颜色较深，没有透光率，脱色剂消耗大；排出的废水中含有大量硫酸根离子，抑制对废水处理的厌氧菌活性，使废水难以处理，造成环境污染。在公开的关于植物废弃物中半纤维素水解工艺的研究中，将半纤维素原料粉碎后，利用酶水解制备木糖，但由于植物体木质纤维晶体结构致密，微生物不能直接降解木聚糖原料或降解速度较慢，不适于工业生产；或采用酸或碱水解半纤维素原料，然后经中和、离子交换等步骤，脱除酸碱后，再进一步酶解制备木糖，其后续精制提纯时木糖损失量较大，生产过程中排放大量酸碱废液，处理困难，不适于工业化生产。微晶纤维素的传统生产过程中多以木浆为原料，由于我国森林资源不如欧洲丰富，过去一直没有生产木浆型微晶纤维素。目前，我国以棉花为原料生产微晶纤维素产品，但仍然存在资源少的问题，成本偏高。目前公开的木质素磺酸钠产品生产工艺：以造纸厂的纸浆废液为原料，往废液中加入浓硫酸50％左右，搅拌4～6小时，然后用石灰乳，经沉降、过滤、打浆、酸溶，加碳酸钠转化，浓缩、干燥而得；制备中，工艺复杂，原料利用率低，能耗高，不符合国家产业政策和清洁生产的要求。
植物废弃物资源量大，利用价值低，污染环境；现有工艺中生产木糖产生大量废酸，生产微晶纤维素原料资源少，成本高，生产木质素磺酸钠工艺复杂，原料利用率低，能耗高。本发明以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠，增加植物废弃物的利用价值，降低生产成本，减少对环境的污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，利用植物废弃物，降低生产成本，经一整套工艺路线同时得到木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠三种高附加值产品，提高了植物废弃物的利用价值，生产工艺可操作性强，技术新颖，节能减排，清洁环保；解决了传统的生产木糖的硫酸水解工艺中水解效率低、污水处理困难的难题，解决了以木浆、棉花为原料生产微晶纤维素的工艺中资源少、成本高的难题，解决了以造纸厂的纸浆废液为原料生产木质素磺酸钠的工艺中原料利用率低、能耗高、污染环境的难题。
本发明通过以下技术方案实现：一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，它包括以下步骤：
S1. 原料的前处理：将植物废弃物原料用稀酸浸泡2～10小时，随后进行汽爆水解处理，分离得到木糖水解液和木糖渣；将木糖渣进行磺化处理，分离得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备：将步骤S1中得到的木糖水解液进行脱色，有机聚氨酯卷式超滤膜除杂，电渗析脱盐脱酸，连续膜浓缩，离子交换树脂串联脱盐，蒸汽蒸发浓缩，结晶离心干燥得到木糖产品；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备：将步骤S1中的木质素磺酸钠液进行有机聚氨酯卷式超滤膜除杂，连续膜浓缩，喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备：向步骤S1中得到的固态纤维素加入降聚漂白剂，混合均匀，反应40～60分钟，过滤，得到纤维素；将纤维素脱水干燥后，粉碎筛分得到低聚合度的微晶纤维素产品。
所述的植物废弃物原料为含有纤维素、半纤维素、木质素成分的所有植物废弃物；进一步地，所述的植物废弃物为玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣、玉米秸秆、小麦秆、稻草、芦苇或桦树皮；更进一步地，所述的植物废弃物为玉米芯、甘蔗渣或毛竹渣。
所述的稀酸为稀草酸、稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸或稀磷酸，稀酸的质量百分比浓度为0.5%～1.5%，原料与稀酸的质量比为1:5～15，浸泡的温度为30～90℃，浸泡的时间为2～10小时；进一步地，所述的稀酸为稀草酸，稀草酸质量百分比浓度为1%，原料与稀酸的质量比为1:8，浸泡温度为50℃，浸泡时间为5小时。
所述的汽爆水解为：将经稀酸浸泡后的植物废弃物加入单螺杆挤出机中，通入高温高压蒸汽，使植物废弃物中半纤维素成分水解成木糖液，木质素软化；当汽爆压力和保压时间达到后，减压，木糖水解液连同木糖渣一起从反应釜底部排出，得到液渣混合物。
所述的汽爆水解条件为：汽爆压力为0.1～1.5MPa，保压时间为1～15min；进一步地，所述的汽爆水解条件为：汽爆压力为0.7MPa，保压时间为8min。
步骤S1中所述的分离均为离心机分离或板框过滤。
所述的磺化处理为向木糖渣中加入质量为木糖渣的10%～20%的磺化试剂，在温度为140～180℃下反应2～5小时；进一步地，所述的磺化处理为向木糖渣中加入质量为木糖渣的15.5%的磺化试剂，在温度为160℃下反应3.2小时。
所述的磺化处理中磺化试剂为亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或氯磺酸钠；进一步地，所述的磺化处理中磺化试剂为亚硫酸氢钠。
步骤S2中所述的脱色采用粉末活性炭、颗粒活性炭和脱色树脂中的一种或多种的组合进行脱色处理。
步骤S2中所述的有机聚氨酯卷式超滤膜截留分子量为1000～5000Da；进一步地，步骤S2中所述的有机聚氨酯卷式超滤膜截留分子量为3000Da。
所述的电渗析脱盐脱酸为将除杂后的木糖液通入电渗析装置中，所述的电渗析装置为均相和异相离子膜中的一种或它们的组合，单台膜堆的膜面积为40m2。
所述的电渗析脱盐脱酸条件为：电流密度为5～30mA/cm2、料液循环流量为200～250L/m2·h、极水循环流量为40～80L/m2·h、温度为15～45℃、料水比值为1：2～5；进一步地，所述的电渗析脱盐脱酸条件为：电流密度为10～20mA/cm2、料液循环流量为220L/m2·h、极水循环流量为60L/m2·h、温度为30℃、木糖液浓度为7%、料水比值为1：2。
步骤S2中采用超滤膜除杂和电渗析脱盐脱酸的膜集成技术将木糖液的电导率由10000～20000us/cm降低至500us/cm以下。
步骤S2中所述的连续膜浓缩为错流过滤，连续进液，连续排出浓液和透析水，浓液不循环的连续浓缩工艺；步骤S2中所述的连续膜浓缩中浓缩膜为纳滤膜和反渗透膜中的一种或它们的组合，其截留分子量为100～300Da。
步骤2中所述的连续膜浓缩的条件为：膜前压力为2.0～3.5MPa、运行温度为25～65℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1～3；进一步地，步骤2中所述的连续膜浓缩的条件为：膜前压力为3.0MPa、运行温度为35℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：2。
所述的离子交换树脂串联脱盐为D301阴离子交换树脂、001×7阳离子交换树脂和D296阴离子交换树脂3柱串联脱盐；其中，D301阴离子交换树脂为弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，交换容量为4.9mmol/g；001×7树脂为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交换容量为4.5mmol/g；D296树脂为大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，交换容量为3.8mmol/g；各树脂工作温度为室温。
所述的蒸汽蒸发浓缩为通过多效蒸发器和单效蒸发器相结合将木糖液蒸发浓缩。
所述的结晶离心干燥为冷却至室温结晶，用离心机分离木糖母液和木糖结晶体，随后将分离出来的木糖结晶体干燥。
步骤S3中所述的有机聚氨酯卷式超滤膜截留分子量为6000～10000Da；进一步地，步骤S2中所述的有机聚氨酯卷式超滤膜截留分子量为8000Da。
步骤S3中所述的连续膜浓缩为错流过滤，连续进液，连续排出浓液和透析水，浓液不循环的连续浓缩工艺；步骤S2中所述的连续膜浓缩中浓缩膜为纳滤膜和反渗透膜中的一种或它们的组合。
所述的降聚漂白剂为双氧水、次氯酸钠、二氧化硫或羟基自由基活性氧；进一步地，所述的降聚漂白剂为羟基自由基活性氧。
步骤S4中所述的脱水干燥为：将得到的纤维素进行离心机脱水，并用清水洗涤至纤维素呈中性，随后用真空干燥机烘干至水分在5%以下。
步骤S4中所述的粉碎筛分为：将干燥后的纤维素用万能粉碎机粉碎至400目以上，最后经350目的筛网筛分，收集筛网以下的产品，得到低聚合度的微晶纤维素产品。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明以植物废弃物为原料同时生产出木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠三种高附加值的产品，原材料来源广泛，生产成本低廉，将整个生产成本控制在生产价值的60～70%以内，把植物废弃物的资源优势充分转化为商品经济优势，经济效益高；整个工艺紧凑可操作性强，技术新颖，节能减排，清洁环保高效，降低了植物废弃物对环境造成的污染，生产具有可持续性；
（2）在制备木糖产品的过程中，本发明以稀酸浸泡和汽爆水解取代传统硫酸水解半纤维素制备木糖的工艺，解决了传统工艺存在的水解效率低、硫酸根离子污水处理困难的难题；采用超滤膜除杂和电渗析脱酸脱盐及连续膜浓缩的工艺技术取代传统工艺中的中和、阳阴阳一次离子交换工序，部分替代一次蒸汽蒸发工艺，缩短了木糖生产的工艺流程，降低了酸、碱及蒸汽消耗，减少了污水排放量，解决了木糖行业存在的耗水量大、能耗高的共性技术问题，具有显著的技术先进性和环保效益；
（3）在制备微晶纤维素产品的过程中，进行降聚漂白提高了微晶纤维素产品的纯度，保证了产品的白度指标合格；经降聚漂白后，未反应的降聚漂白剂可以重复回用，不会产生有害物质，有利于保护环境；
（4）在制备木质素磺酸钠产品的过程中，本发明经过木质素磺酸钠液的连续超滤膜除杂后，木质素磺酸钠料液的透光率达到83%以上、电导率降低至820us/cm以下，木质素磺酸钠料液的澄清度明显增强，品质得到了显著提升。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1：一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，它包括以下步骤：
S1. 原料的前处理,其包括以下子步骤：
S11. 浸泡处理：以毛竹渣为原料，用质量百分比浓度为0.5%的稀盐酸浸泡，毛竹渣与稀盐酸的质量比为1:15，浸泡温度为90℃，浸泡时间为2小时；
S12. 汽爆水解：将经稀盐酸浸泡后的毛竹渣4kg（干基）加入到10升的单螺杆挤出机设备中，通入高温高压蒸汽，控制压力为1.5MPa、保压时间为1min，使毛竹渣中的半纤维素成分水解成木糖液，并使木质素得到软化，当压力和保压时间达到后，毛竹渣到达喷放口，瞬间减压，木糖水解液连同木糖渣一并从反应釜底部排出，得到液渣混合物，其还原糖收率为30.5%；
S13. 液渣分离：采用板框过滤的方式对液渣混合物进行分离，同时用1.5倍渣的水量对渣进行清洗，分别得到木糖水解液和木糖渣，其木糖水解液的指标为：干物浓度为4%、还原糖为3.2%、透光率为7.1%、电导率为14570us/cm；
S14. 木糖渣磺化：将得到的木糖渣进行磺化，使其中含有的木质素成分转化为可溶性的木质素磺酸钠，采用的磺化试剂是亚硫酸氢钠，控制的磺化反应条件是：亚硫酸氢钠的加入量是木糖渣质量的10%、反应温度140℃、反应时间5小时，此时制备的木质素磺酸钠产品的磺化度为2.56mmol/g，得到木质素磺酸钠液与纤维素的混合物；
S15. 分离：采用离心分离机对木质素磺酸钠液和纤维素的混合物进行分离，得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备,其包括以下子步骤：
S21. 脱色：将步骤S1中得到的木糖水解液进行粉末活性炭脱色；
S22. 超滤膜除杂：用截留分子量为1000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂去除经过脱色后的木糖液中大分子物质；
S23. 电渗析脱盐脱酸：将步骤S22中除杂后的木糖液通入装有40m2均相电渗析膜的电渗析装置中，控制其电流密度为5mA/cm2、料液循环流量为200 L/m2·h、极水循环流量为40 L/m2· h、温度为15℃、料水比值为1：2，连续循环运行8小时，使木糖液的电导率由14570us/cm降低至470us/cm，其干物浓度为3.5%、透光率为79%；
S24. 连续膜浓缩：用截留分子量为100Da的连续纳滤膜，将步骤S23中的木糖液干物浓度浓缩至11%，控制的连续纳滤膜浓缩的工艺条件是：膜前压力为2.0MPa、膜后压力为1.8MPa、运行温度为25℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：3，同时得到的浓缩透过水澄清透亮，干物浓度为0，直接回用于前端稀酸浸泡工序，节约水资源，减少污水排放；
S25. 离子交换树脂串联脱盐：将木糖浓缩液经阴（D301阴离子交换树脂）、阳（001×7阳离子交换树脂）、阴（D296阴离子交换树脂）3柱串联的离子交换柱，将木糖浓缩液的电导率降低至10us/cm以下；随后通过三效蒸发器和单效蒸发器相结合的方式将木糖液蒸发浓缩至干物浓度为83%；
S26. 结晶离心干燥：将步骤S25中得到的木糖液进行冷却至室温结晶，用离心机分离木糖母液和木糖结晶体，随后将分离出来的木糖结晶体干燥，干燥温度控制在80℃，得到结晶木糖产品，其纯度为99.0%，对毛竹渣的收率为10.5%；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备,其包括以下子步骤：
S31. 超滤膜除杂：将步骤S1中得到的木质素磺酸钠液用截留分子量为6000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂方式去除大分子物质，所得超滤液的透光率为85%、电导率为805us/cm；
S32. 连续膜浓缩：经过截留分子量为200Da的连续纳滤膜，控制膜前压力为2.8MPa、膜后压力为2.7MPa、运行温度为30℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1.5，将木质素磺酸钠液的干物浓度由2.0%浓缩至12.5%，同时得到澄清透亮的浓缩透过水，直接回用于前端的磺化反应工序，节约水资源，减少污水排放；
S33. 喷雾干燥：将步骤S32得到的木质素磺酸钠浓缩液进行喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备,其包括以下子步骤：
S41. 降聚漂白：向步骤S1得到的固态纤维素中加入质量为干基纤维素质量一样的双氧水降聚漂白剂，混合均匀，放到60℃的烘箱中，反应40分钟；
S42. 过滤：将步骤S41中反应后的物质过滤，分别得到纤维素和双氧水，滤出的双氧水漂白剂重复利用；
S43. 脱水干燥：将得到的纤维素进行离心机脱水，并用清水洗涤至纤维素呈中性，随后用真空干燥机烘干至水分在5%以下；
S44. 粉碎筛分：将干燥后的纤维素用万能粉碎机粉碎至400目以上，最后经350目的筛网筛分，收集筛网以下的产品，得到低聚合度的微晶纤维素产品。
实施例2：一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，它包括以下步骤:
S1. 原料的前处理,其包括以下子步骤：
S11. 浸泡处理：以甘蔗渣为原料，经质量百分比浓度为1.5%的稀磷酸浸泡，稀磷酸与甘蔗渣的质量比为5:1，浸泡温度为30℃，浸泡时间为10小时；
S12. 汽爆水解：将经稀磷酸浸泡后的甘蔗渣3.5kg（干基）加入到10升的单螺杆挤出机设备中，通入高温高压蒸汽，控制压力为0.1MPa、保压时间为15min，使甘蔗渣中的半纤维素成分水解成木糖液，并使木质素得到软化，当压力和保压时间达到后，甘蔗渣到达喷放口，瞬间减压，木糖水解液连同木糖渣一并从反应釜底部排出，得到液渣混合物，其还原糖收率为31.8%；
S13. 液渣分离：采用离心机分离对液渣混合物进行分离，同时用1.5倍渣的水量对渣进行清洗，分别得到木糖水解液和木糖渣，其木糖水解液的指标为：干物浓度为6%、还原糖为4.8%、透光率为6.3%、电导率为10320us/cm；
S14. 木糖渣磺化：将得到的木糖渣进行磺化，使其中含有的木质素成分转化为可溶性的木质素磺酸钠，采用的磺化试剂是氯磺酸钠，控制的磺化反应条件是：氯磺酸钠的加入量是木糖渣重量的20%、反应温度180℃、反应时间2小时，此时制备的木质素磺酸钠产品的磺化度为2.68mmol/g，得到木质素磺酸钠液与纤维素的混合物；
S15. 分离：采用板框过滤对木质素磺酸钠液和纤维素的混合物进行分离，得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备,其包括以下子步骤：
S21. 脱色：将步骤S1中得到的木糖水解液采用颗粒活性炭和脱色树脂脱色；
S22. 超滤膜除杂：用截留分子量为5000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂去除经过脱色后的木糖液中大分子物质；
S23. 电渗析脱盐脱酸：将步骤S22中除杂后的木糖液通入装有40m2电渗析膜的电渗析装置中，其中，电渗析膜为均相、异相离子膜的组合，控制其电流密度为30mA/cm2、料液循环流量为250 L/m2·h、极水循环流量为80 L/m2·h、温度为45℃、料水比值为1：5，连续循环运行5小时，使木糖液的电导率由10320us/cm降低至430us/cm，其干物浓度为4.0%、透光率为77%，达到精制木糖液的目的；
S24. 连续膜浓缩：用截留分子量为300Da的连续反渗透膜和连续纳滤膜，将步骤S23中的木糖液干物浓度浓缩至11%，控制的连续反渗透膜和连续纳滤膜浓缩的工艺条件是：膜前压力为2.0MPa、膜后压力为1.8MPa、运行温度为25℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：3，同时得到的浓缩透过水澄清透亮，干物浓度为0，直接回用于前端稀酸浸泡工序，节约水资源，减少污水排放；
S25. 离子交换树脂串联脱盐：将木糖浓缩液经阴（D301阴离子交换树脂）、阳（001×7阳离子交换树脂）、阴（D296阴离子交换树脂）3柱串联的离子交换柱，将木糖浓缩液的电导率降低至10us/cm以下；随后通过三效蒸发器和单效蒸发器相结合的方式将木糖液蒸发浓缩至干物浓度为82%；
S26. 结晶离心干燥：将步骤S25中得到的木糖液进行冷却至室温结晶，用离心机分离木糖母液和木糖结晶体，随后将分离出来的木糖结晶体干燥，干燥温度控制在90℃，得到结晶木糖产品，，其纯度为99.5%，对甘蔗渣的收率为12%；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备,其包括以下子步骤：
S31. 超滤膜除杂：将步骤S1中得到的木质素磺酸钠液用截留分子量为10000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂方式去除大分子物质，所得的超滤液的透光率为83%、电导率为810us/cm；
S32. 连续膜浓缩：经过截留分子量为500Da的连续反渗透膜和连续纳滤膜，控制膜前压力为2.5MPa、膜后压力为2.4MPa、运行温度为40℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：2，将木质素磺酸钠液的干物浓度由2.5%浓缩至12.0%，同时得到澄清透亮的浓缩透过水，直接回用于前端的磺化反应工序，节约水资源，减少污水排放；
S33. 喷雾干燥：将步骤S32得到的木质素磺酸钠浓缩液进行喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备,其包括以下子步骤：
S41. 降聚漂白：向步骤S1得到的固态纤维素中加入质量为纤维素（干基）质量6倍的次氯酸钠降聚漂白剂，混合均匀，放到90℃的烘箱中，反应60分钟；
S42. 过滤：将步骤S41中反应后的物质过滤，分别得到纤维素和次氯酸钠，滤出的次氯酸钠漂白剂重复利用；
S43. 脱水干燥：将得到的纤维素进行离心机脱水，并用清水洗涤至纤维素呈中性，随后用真空干燥机烘干至水分在5%以下；
S44. 粉碎筛分：将干燥后的纤维素用万能粉碎机粉碎至400目以上，最后经350目的筛网筛分，收集筛网以下的产品，得到低聚合度的微晶纤维素产品。
实施例3：一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，它包括以下步骤：
S1. 原料的前处理,其包括以下子步骤：
S11. 浸泡处理：：以玉米芯为原料，经质量百分比浓度为0.8%的稀草酸浸泡，稀草酸与玉米芯的质量比为8:1，浸泡温度为50℃，浸泡时间为5小时；
S12. 汽爆水解：将经稀草酸浸泡后的玉米芯2kg（干基）加入到10升的单螺杆挤出机设备中，通入高温高压蒸汽，控制压力为0.7MPa、保压时间8min，使玉米芯中的半纤维素成分水解成木糖液，并使木质素得到软化，当压力和保压时间达到后，玉米芯到达喷放口，瞬间减压，木糖水解液连同木糖渣一并从反应釜底部排出，得到液渣混合物，其还原糖收率为34.7%；
S13. 液渣分离：采用板框过滤对液渣混合物进行分离，同时用2倍渣的水量对渣进行清洗，分别得到木糖水解液和木糖渣，其木糖水解液的指标为：干物浓度为7%、还原糖为5.2%、透光率为4.5%、电导率为12280us/cm；
S14. 木糖渣磺化：将得到的木糖渣进行磺化，使其中含有的木质素成分转化为可溶性的木质素磺酸钠，采用的磺化试剂是亚硫酸钠，控制的磺化反应条件是：亚硫酸钠的加入量是木糖渣重量的15.5%、反应温度160℃、反应时间3.2小时，此时制备的木质素磺酸钠产品的磺化度为2.71mmol/g，得到木质素磺酸钠液与纤维素的混合物；
S15. 分离：采用板框过滤对木质素磺酸钠液和纤维素的混合物进行分离，得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备,其包括以下子步骤：
S21. 脱色：将步骤S1中得到的木糖水解液采用粉末活性炭、颗粒活性炭及脱色树脂脱色；
S22. 超滤膜除杂：用截留分子量为2500Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂去除经过脱色后的木糖液中大分子物质；
S23. 电渗析脱盐脱酸：将步骤S22中除杂后的木糖液通入装有40m2均相电渗析膜的电渗析装置中，控制其电流密度为10mA/cm2、料液循环流量为220 L/m2·h、极水循环流量为55L/ L/m2·h、温度为25℃、料水比值为1：3，连续循环运行7小时，使木糖液的电导率由12280us/cm降低至440us/cm，其干物浓度为5.5%、透光率为80%，达到精制木糖液的目的；
S24. 连续膜浓缩：采用截留分子量为150Da的连续纳滤膜将木糖液的干物浓度由5.5%浓缩至11.5%，控制的连续膜浓缩的工艺条件是：膜前压力为2.8MPa、膜后压力为2.6MPa、运行温度为35℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1.5，同时得到的浓缩透过水澄清透亮，干物浓度为0，直接回用于前端稀酸浸泡工序，节约水资源，减少污水排放；
S25. 离子交换树脂串联脱盐：将木糖浓缩液经阴（D301阴离子交换树脂）、阳（001×7阳离子交换树脂）、阴（D296阴离子交换树脂）3柱串联的离子交换柱，对木糖液进一步精制除盐，使其电导率降低至10us/cm以下，通过五效蒸发器和单效蒸发器相结合的方式将木糖液蒸发浓缩至干物浓度为82.8%；
S26. 结晶离心干燥：将步骤S25中得到的木糖液进行冷却至室温结晶，用离心机分离木糖母液和木糖结晶体，随后将分离出来的木糖结晶体干燥，干燥温度控制在83℃，得到结晶木糖产品，其纯度为99.7%，对玉米芯的收率为15%；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备,其包括以下子步骤：
S31. 超滤膜除杂：将步骤S1中得到的木质素磺酸钠液用截留分子量为8000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂方式去除大分子物质，所得超滤液的透光率为83%、电导率为820us/cm；
S32. 连续膜浓缩：经过截留分子量为350Da的连续纳滤膜，控制膜前压力为2.8MPa、膜后压力为2.7MPa、运行温度为40℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1.5，将木质素磺酸钠液的干物浓度由2.0%浓缩至12.0%，同时得到澄清透亮的浓缩透过水，直接回用于前端的磺化反应工序，节约水资源，减少污水排放；
S33. 喷雾干燥：将步骤S32得到的木质素磺酸钠浓缩液进行喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备,其包括以下子步骤：
S41. 降聚漂白：向步骤S1得到的固态纤维素中加入质量为纤维素（干基）质量3倍的羟基自由基活性氧降聚漂白剂，混合均匀，放到70℃的烘箱中，反应50分钟；
S42. 过滤：将步骤S41中反应后的物质过滤，分别得到纤维素和羟基自由基活性氧漂白剂，滤出的羟基自由基活性氧漂白剂重复利用；
S43. 脱水干燥：将得到的纤维素进行离心机脱水，并用清水洗涤至纤维素呈中性，随后用真空干燥机烘干至水分在5%以下；
S44. 粉碎筛分：将干燥后的纤维素用万能粉碎机粉碎至400目以上，最后经350目的筛网筛分，收集筛网以下的产品，得到低聚合度的微晶纤维素产品。
实施例4：一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，它包括以下步骤：
S1. 原料的前处理,其包括以下子步骤：
S11. 浸泡处理：以小麦秆为原料，经质量百分比浓度为1.2%的稀硝酸浸泡，稀硝酸与小麦秆的质量比为12:1，浸泡温度为70℃，浸泡时间为8小时；
S12. 汽爆水解：将经稀硝酸浸泡后的小麦秆4kg（干基）加入到10升的单螺杆挤出机设备中，通入高温高压蒸汽，控制压力为1.1MPa、保压时间为12min，使小麦秆中的半纤维素成分水解成木糖液，并使木质素得到软化，当压力和保压时间达到后，小麦秆到达喷放口，瞬间减压，木糖水解液连同木糖渣一并从反应釜底部排出，得到液渣混合物，其还原糖收率为30.1%；
S13. 液渣分离：采用板框过滤对液渣混合物进行分离，同时用3倍渣的水量对渣进行清洗，分别得到木糖水解液和木糖渣，其木糖水解液的指标为：干物浓度为3.8%、还原糖为3.0%、透光率为7.1%、电导率为12370us/cm；
S14. 木糖渣磺化：将得到的木糖渣进行磺化，使其中含有的木质素成分转化为可溶性的木质素磺酸钠，采用的磺化试剂是亚硫酸钠，控制的磺化反应条件是：亚硫酸钠的加入量是木糖渣质量的18%、反应温度170℃、反应时间4小时，此时制备的木质素磺酸钠产品的磺化度为2.71mmol/g，得到木质素磺酸钠液与纤维素的混合物；
S15. 分离：采用离心分离机对木质素磺酸钠液和纤维素的混合物进行分离，得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备,其包括以下子步骤：
S21. 脱色：将步骤S1中得到的木糖水解液采用粉末活性炭脱色；
S22. 超滤膜除杂：用截留分子量为4000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂去除经过脱色后的木糖液中大分子物质；
S23. 电渗析脱盐脱酸：将步骤S22中除杂后的木糖液通入装有40m2均相电渗析膜的电渗析装置中，控制其电流密度为20mA/cm2、料液循环流量为240 L/m2·h、极水循环流量为70 L/m2·h、温度为40℃、料水比值为1：4，连续循环运行8小时，使木糖液的电导率由12370us/cm降低至450us/cm，其干物浓度为3.2%、透光率为73%，达到精制木糖液的目的；
S24. 连续膜浓缩：采用截留分子量为250Da的连续反渗透膜将木糖液的干物浓度由3.2%浓缩至10%，控制的连续膜浓缩的工艺条件是：膜前压力为3.3MPa、膜后压力为2.8MPa、运行温度为50℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：2，同时得到的浓缩透过水澄清透亮，干物浓度为0，直接回用于前端稀酸浸泡工序，节约水资源，减少污水排放；
S25. 离子交换树脂串联脱盐：将木糖浓缩液经阴（D301阴离子交换树脂）、阳（001×7阳离子交换树脂）、阴（D296阴离子交换树脂）3柱串联的离子交换柱，对木糖液进一步精制除盐，使其电导率降低至10us/cm以下，通过五效蒸发器和单效蒸发器相结合的方式将木糖液蒸发浓缩至干物浓度为81%；
S26. 结晶离心干燥：将步骤S25中得到的木糖液进行冷却至室温结晶，用离心机分离木糖母液和木糖结晶体，随后将分离出来的木糖结晶体干燥，干燥温度控制在87℃，得到结晶木糖产品，其纯度为98.7%，对小麦秆的收率为10.1%；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备,其包括以下子步骤：
S31. 超滤膜除杂：将步骤S1中得到的木质素磺酸钠液用截留分子量为9000Da的有机聚氨酯卷式超滤膜，采用连续除杂方式去除大分子物质，所得超滤液的透光率为84%、电导率为810us/cm；
S32. 连续膜浓缩：经过截留分子量为200Da的连续纳滤膜，控制膜前压力为3.0MPa、膜后压力为2.7MPa、运行温度为30℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1.5，将木质素磺酸钠液的干物浓度由2.0%浓缩至12.5%，同时得到澄清透亮的浓缩透过水，直接回用于前端的磺化反应工序，节约水资源，减少污水排放；
S33. 喷雾干燥：将步骤S32得到的木质素磺酸钠浓缩液进行喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备,其包括以下子步骤：
S41. 降聚漂白：向步骤S1得到的固态纤维素中加入质量为纤维素（干基）质量5倍的二氧化硫降聚漂白剂，混合均匀，放到80℃的烘箱中，反应55分钟；
S42. 过滤：将步骤S41中反应后的物质过滤，分别得到纤维素和二氧化硫漂白剂，滤出的二氧化硫漂白剂重复利用；
S43. 脱水干燥：将得到的纤维素进行离心机脱水，并用清水洗涤至纤维素呈中性，随后用真空干燥机烘干至水分在5%以下；
S44. 粉碎筛分：将干燥后的纤维素用万能粉碎机粉碎至400目以上，最后经350目的筛网筛分，收集筛网以下的产品，得到低聚合度的微晶纤维素产品。

Claims (10)

1.一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，它包括以下步骤：
S1. 原料的前处理：将植物废弃物原料用稀酸浸泡2～10小时，随后进行汽爆水解处理，分离得到木糖水解液和木糖渣；将木糖渣进行磺化处理，分离得到木质素磺酸钠液和固态纤维素；
S2. 木糖产品的制备：将步骤S1中得到的木糖水解液进行脱色，有机聚氨酯卷式超滤膜除杂，电渗析脱盐脱酸，连续膜浓缩，离子交换树脂串联脱盐，蒸汽蒸发浓缩，结晶离心干燥得到木糖产品；
S3. 木质素磺酸钠产品的制备：将步骤S1中的木质素磺酸钠液进行有机聚氨酯卷式超滤膜除杂，连续膜浓缩，喷雾干燥得到木质素磺酸钠产品；
S4. 微晶纤维素产品的制备：向步骤S1中得到的固态纤维素加入降聚漂白剂，混合均匀，反应40～60分钟，过滤，得到纤维素；将纤维素脱水干燥后，粉碎筛分得到低聚合度的微晶纤维素产品。
2.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的植物废弃物原料为含有纤维素、半纤维素和木质素成分的所有植物废弃物。
3.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的稀酸为稀草酸、稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸或稀磷酸，质量百分比浓度为0.5%～1.5%。
4.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的汽爆水解条件为：汽爆压力为0.1～1.5MPa，保压时间为1～15min。
5.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的磺化处理为：向木糖渣中加入质量为木糖渣的10%～20%的磺化试剂，在温度为140～180℃下反应2～5小时。
6.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，步骤S2中所述的脱色采用粉末活性炭、颗粒活性炭和脱色树脂中的一种或多种的组合进行脱色处理。
7.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的电渗析脱盐脱酸条件为：电流密度为5～30mA/cm2、料液循环流量为200～250L/m2·h、极水循环流量为40～80L/m2·h、温度为15～45℃、料水比值为1：2～5。
8.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，步骤2中所述的连续膜浓缩的条件为：膜前压力为2.0～3.5MPa、运行温度为25～65℃、浓液流量与透析水流量的比值为1：1～3。
9.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的离子交换树脂串联脱盐为D301阴离子交换树脂、001×7阳离子交换树脂和D296阴离子交换树脂3柱串联脱盐。
10.根据权利要求1所述的一种以植物废弃物为原料联产木糖、微晶纤维素和木质素磺酸钠的工艺，其特征在于，所述的降聚漂白剂为双氧水、次氯酸钠、二氧化硫或羟基自由基活性氧。
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