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Abstract

本发明公开了一种用于半纤维素提取液脱盐的装置。其基本结构包括：物料连续输入系统，固液分离系统，物料浓度调节系统，膜脱盐系统，脱盐后的物料输出系统。本发明通过进料漏斗输送物料，并通过物料浓度调节系统将物料调整在合适的浓度范围内，在膜脱盐系统内通过对流量和压力的控制实现稳定脱盐，再经脱盐后的物料输出系统选择提取液流向，实现对半纤维素提取液的脱盐处理。本发明相对于传统半纤维素提取液脱盐的装置，增加了提取液预处理过程，有效的抑制了提取液中大分子不溶聚合物对膜组件的污染，极大提高了半纤维素的回收率和脱盐效率。

Description

一种用于半纤维素提取液脱盐的装置
技术领域
本发明属于木质纤维素生物炼制的分离纯化技术，特别涉及一种用于半纤维素提取液脱盐的装置。
背景技术
半纤维素是自然界中产量第二大的碳水化合物，产量仅次于纤维素。半纤维素主要由木糖，阿拉伯糖等五碳糖通过糖苷键连接，形成杂多糖。半纤维素可以转化为低聚木糖、阿魏酰木寡糖、阿拉伯糖和木糖醇等多种高附加值产品。低聚木糖的高附加值产品的生产首先需要将其从复杂的木质纤维素大分子结构中提取出来。目前常用的提取方法为碱提。
经碱提得到的半纤维素溶液中，其中主要的目标产物是木聚糖，但同时也有少量的单糖、色素、大量的无机盐(碱液经酸中和后产生)以及可溶性非糖聚合物等杂质。而盐的存在对木聚糖的后续转化有一定的不利影响，例如对木聚糖酶产生抑制作用，因此，有必要对料液进行脱盐处理。木聚糖提取液中盐分的脱除一般有离子交换、膜技术等手段。采用离子交换树脂脱盐，脱盐率高，但是会消耗大量的酸、碱，产生大量的再生废水，给环境带来巨大的环保压力。纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种新型膜分离技术，其截留分子量为150～1000Da，能去除小分子有机物和无机盐类，保留大分子的木聚糖分子。由于纳滤膜在脱盐过程中让部分木糖、葡萄糖选择性透过，因而该过程中部分单糖也被脱除，使得木聚糖的纯度有较大提高。
发明内容
【发明目的】本发明的目的在于发明一种用于半纤维素提取液脱盐的装置，有效抑制提取液中大分子不溶聚合物对膜组件的污染，提高半纤维素的回收率和脱盐效率。
【本发明的构思】半纤维素分子量较大，它们在碱提液中虽然溶解性较好，但是当用酸中和后，就有部分半纤维素开始变为悬浮物，甚至从溶液中析出沉淀。半纤维素提取液在脱盐过程中，由于盐浓度逐渐降低，也会促使部分半纤维素大分子的溶解状态发生改变而析出为悬浮物或沉淀。这些析出的半纤维素(木聚糖)由于分子量较大，使提取液的粘度变大，析出物易于吸附在膜片表面，这种吸附污染对膜系统的影响有：降低膜通量，改变产品组分，增加膜阻力，缩短膜使用寿命等，因此对进入膜分离装置的分离液要求较高，预处理较为严格，需提前去除水中的不溶物。除去半纤维素提取液中的不溶、难溶的物质一般使用离心或者过滤的方式。当使用过滤时，对滤布的要求较高，滤速较慢。使用普通的离心机时，一般难以连续操作。而且通过一次离心也难以去除提取液中的全部不溶、难溶物质，这些物质在后续的膜过程中随着过滤条件的变化而有可能再次析出，影响纳滤除盐过程。
卧式螺旋沉降离心机是一种广泛应用的高效离心分离设备，它具有连续操作、处理量大、适应性强的特点，主要应用于固液混合物的浓缩、分级和分离等操作。若将卧式螺旋沉降离心机联合膜分离设备应用到半纤维素提取液脱盐过程中，能解决单独使用膜设备的问题。
结合对半纤维素提取液脱盐过程的实际问题的分析和现有设备性能的了解。将卧式螺旋沉降离心机和纳滤除盐系统进行有机组合，可能会形成专用设备，大幅提高现有半纤维素提取液脱盐工艺的效率。卧式螺旋沉降离心机主要由转鼓、螺旋和差速器组成。高速旋转的转鼓内装有输料螺旋，其旋转方向与转鼓相同，但两者之间有差速器产生一定的速度差。半纤维素提取液从进料管进入转鼓内，在离心力的作用下，悬浊液固相被沉降在转鼓内壁，由输料螺旋推送到转鼓小端，从固相出口排出，澄清后的的分离液从转鼓大端的液相出口进入膜分离设备。在纳滤除盐过程中料液通过泵加压，料液以一定流速沿着膜表面流过，大于膜截留分子量的大分子半纤维素不透过膜，形成截留液；小于膜截留分子量的无机盐透过膜，形成主要含盐的透过液。根据透过液的滤出速度向分离体系中补充相应体积的去离子水，待截留液中的盐浓度低于设定值时，即可放出部分含盐量达标的提取液，加入部分初始提取液，设备运行即可连续、自动将提取液脱盐，得到脱盐的木聚糖提取液。
【本发明技术方案】本装置的基本构造如附图1：
主电机皮带轮(2)使转鼓(6)高速回转，转鼓(6)旋转通过差速器(7)传递给螺旋(5)，由于差速器(7)的差动作用而形成螺旋输送机构。进液漏斗(1)中的半纤维素提取液通过进料管(3)加到含螺旋(5)的转鼓(6)内，半纤维素提取液被置于强大的离心力场中，由于悬浮物和不溶物的体积质量大，所受的离心力也大，使之沉降在转鼓(6)的内壁上，由螺旋(5)输送到固相出口(11)，得到大分子的难溶或不溶的半纤维素组分(或木聚糖组分)。被澄清的液相则通过导液管(14)输送到液槽(15)经木聚糖溶液出口(12)进入到木聚糖溶液储槽(16)。通过高压泵(17)，木聚糖溶液被打入到膜组件(21)中进行纳滤脱盐，压力调节阀(18)和进口压力表(19)用于调节和观察膜组件(21)的进口压力，高盐渗滤液收集器(22)收集透过膜的高盐渗滤液，根据高盐渗滤液的收集量，控制流量控制计(20)补充同体积的去离子水以维持半纤维提取液的合适浓度。盐度传感器(25)测定脱盐后的木聚糖提取液的盐浓度，若盐浓度大于设定值，则控制三通电磁阀(26)将提取液输送至进液漏斗中再次进行液固分离和纳滤脱盐。若盐浓度小于设定值，则控制三通电磁阀(26)将脱盐后的提取液输送至脱盐木聚糖溶液储槽(27)。流量计(23)和出口压力表(24)用于监控膜组件的出口流量和压力。半纤维素提取液储槽(28)用于储存待脱盐的半纤维素提取液，设备运行过程中根据单位时间的脱盐木聚糖溶液储槽增加量向进液漏斗中输送半纤维素提取液。该装置可以人工操作，也可以通过PLC等自动控制设备进行控制，从而实现半纤维素提取液的连续脱盐。
本发明具有以下特点和优势：
1.该装置实现了半纤维素提取液脱盐的连续化操作，提高了操作效率；
2.该装置可脱盐过程中实现对半纤维素的分级，将高分子半纤维素和水溶性半纤维素进行分离；
3.通过对液固分离和纳滤的组合，提高了纳滤膜的分离效率和延长了膜组件的使用时间，降低了脱盐的操作成本；
4.该装置可适用于来自多种生物质原料半纤维素提取液的处理。
附图说明
图1一种用于半纤维素提取液脱盐的装置。
1，进液漏斗；2，主电机皮带轮；3，进料管；4，机壳；5，螺旋；6，转鼓；7，差速器；8，副电极皮带轮；9，轴承座；10，减震座；11，难溶性木聚糖出口；12，木聚糖溶液出口；13，机座；14，导液管；15，液槽；16，木聚糖溶液储槽；17，高压泵；18，压力调节阀；19，进口压力表；20，流量控制计；21，膜组件；22，高盐渗滤液收集器；23，流量计；24，出口压力表；25，盐度传感器；26，三通电磁阀；27，脱盐木聚糖溶液储槽；28，半纤维素提取液储槽。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
NaOH提取玉米秸秆中的半纤维素，调节提取液pH至7.0。进液漏斗(1)中的半纤维素提取液通过进料管(3)加到含螺旋(5)的转鼓(6)内，调节转鼓转速为2500r/min、转速差为10r/min，此时半纤维素提取液被置于强大的离心力场中，由于悬浮物和不溶物的体积质量大，所受的离心力也大，使之沉降在转鼓(6)的内壁上，由螺旋(5)输送到固相出口(11)，得到大分子的难溶或不溶的半纤维素组分(或木聚糖组分)，被澄清的液相则通过导液管(14)输送到液槽(15)经木聚糖溶液出口(12)进入到木聚糖溶液储槽(16)。测定分离物中不溶物和可溶物含量得到不溶物分离率达到85％。
通过高压泵(17)，木聚糖溶液被打入到膜组件(21)中进行纳滤脱盐，膜组件选择DK1812(MWCO150-300、材料TFM、有效面积0.325m2)，压力调节阀(18)调节进口压力表(19)和出口压力表(24)显示0.6MPa，流量计(23)显示6LPM。每隔15min高盐渗滤液收集器(22)收集透过膜的高盐渗滤液，根据高盐渗滤液的收集量，控制流量控制计(20)补充同体积的去离子水以维持半纤维提取液的合适浓度；盐度传感器(25)测定脱盐后的木聚糖提取液的盐浓度，若盐浓度大于设定值，则控制三通电磁阀(26)将提取液输送至进液漏斗中再次进行液固分离和纳滤脱盐；若盐浓度小于设定值，则控制三通电磁阀(26)将脱盐后的提取液输送至脱盐木聚糖溶液储槽(27)。当NaCl的脱盐率为94.08％时，总糖的损失率只有10.53％，单糖损失率为50％左右，显示了较高的分离效率，通量下降4％，膜污染得到缓解。
实施例2
NaOH提取玉米芯中的半纤维素，调节提取液pH至7.0。进液漏斗(1)中的半纤维素提取液通过进料管(3)加到含螺旋(5)的转鼓(6)内，调节转鼓转速为2500r/min、转速差为5r/min，此时半纤维素提取液被置于强大的离心力场中，由于悬浮物和不溶物的体积质量大，所受的离心力也大，使之沉降在转鼓(6)的内壁上，由螺旋(5)输送到固相出口(11)，得到大分子的难溶或不溶的半纤维素组分(或木聚糖组分)，被澄清的液相则通过导液管(14)输送到液槽(15)经木聚糖溶液出口(12)进入到木聚糖溶液储槽(16)。测定分离物中不溶物和可溶物含量得到不溶物分离率达到81％。
通过高压泵(17)，木聚糖溶液被打入到膜组件(21)中进行纳滤脱盐，膜组件选择KM1812(MWCO500、材料TFM、有效面积0.325m2)，压力调节阀(18)调节进口压力表(19)和出口压力表(24)显示0.6MPa，流量计(23)显示6LPM。每隔15min高盐渗滤液收集器(22)收集透过膜的高盐渗滤液，根据高盐渗滤液的收集量，控制流量控制计(20)补充同体积的去离子水以维持半纤维提取液的合适浓度；盐度传感器(25)测定脱盐后的木聚糖提取液的盐浓度，若盐浓度大于设定值，则控制三通电磁阀(26)将提取液输送至进液漏斗中再次进行液固分离和纳滤脱盐；若盐浓度小于设定值，则控制三通电磁阀(26)将脱盐后的提取液输送至脱盐木聚糖溶液储槽(27)。当NaCl的脱盐率为97.58％时，总糖的损失率为18.72％，通量下降5％，膜污染得到缓解。
实施例3
KOH提取麦草中的半纤维素，调节提取液pH至7.0。通过PLC自动控制设备，所有机组设备的操作、参数设置和监控都在触摸屏上完成。调节转鼓转速为1800r/min、转速差为10r/min，测定分离物中不溶物和可溶物含量得到不溶物分离率达到85％。
膜组件选择GE1812(MWCO1000、材料TFM、有效面积0.325m2)，进口压力表(19)和出口压力表(24)显示0.6MPa，流量计(23)显示6LPM。每隔15min高盐渗滤液收集器(22)收集透过膜的高盐渗滤液，流量控制计(20)补充同体积的去离子水以维持半纤维提取液的合适浓度；盐度传感器(25)测定脱盐后的木聚糖提取液的盐浓度，若盐浓度大于设定值，则控制三通电磁阀(26)将提取液输送至进液漏斗中连续进行液固分离和纳滤脱盐；若盐浓度小于设定值，则控制三通电磁阀(26)将脱盐后的提取液输送至脱盐木聚糖溶液储槽(27)。当KCl的脱盐率为90.38％时，总糖的损失率为12.89％。

Claims (1)

1.一种用于半纤维素提取液脱盐的装置，其特征在于此反应器的构造和操作方式如下：
a,主电机皮带轮(2)使转鼓(6)高速回转，转鼓(6)旋转通过差速器(7)传递给螺旋(5)，由于差速器(7)的差动作用而形成螺旋输送机构；
b,进液漏斗(1)中的半纤维素提取液通过进料管(3)加到含螺旋(5)的转鼓(6)内，半纤维素提取液被置于强大的离心力场中，由于悬浮物和不溶物的体积质量大，所受的离心力也大，使之沉降在转鼓(6)的内壁上，由螺旋(5)输送到固相出口(11)，得到大分子的难溶或不溶的半纤维素组分(或木聚糖组分)；
c,被澄清的液相则通过导液管(14)输送到液槽(15)经木聚糖溶液出口(12)进入到木聚糖溶液储槽(16)；
d,通过高压泵(17)，木聚糖溶液被打入到膜组件(21)中进行纳滤脱盐，压力调节阀(18)和进口压力表(19)用于调节和观察膜组件(21)的进口压力，高盐渗滤液收集器(22)收集透过膜的高盐渗滤液，根据高盐渗滤液的收集量，控制流量控制计(20)补充同体积的去离子水以维持半纤维提取液的合适浓度；
e,盐度传感器(25)测定脱盐后的木聚糖提取液的盐浓度，若盐浓度大于设定值，则控制三通电磁阀(26)将提取液输送至进液漏斗中再次进行液固分离和纳滤脱盐；
f,若盐浓度小于设定值，则控制三通电磁阀(26)将脱盐后的提取液输送至脱盐木聚糖溶液储槽(27),流量计(23)和出口压力表(24)用于监控膜组件的出口流量和压力；
g,半纤维素提取液储槽(28)用于储存待脱盐的半纤维素提取液，设备运行过程中根据单位时间的脱盐木聚糖溶液储槽增加量向进液漏斗中输送半纤维素提取液；
h,该装置可以人工操作，也可以通过PLC等自动控制设备进行控制，从而实现半纤维素提取液的连续脱盐。
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