CN106119431A - 一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺 - Google Patents

一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺 Download PDF

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武宝军
刘晓利
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Abstract

本发明公开了一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：（1）粘胶纤维废水脱碱；（2）水解；（3）第一次脱色；（4）第一次树脂离子交换净化；（5）第二次脱色；（6）第二次树脂离子交换净化；（7）浓缩结晶。相对于现有技术，本发明工艺简单，生产周期短，生产成本由原工艺的9000元/吨降低至5000元/吨以内，且可实现连续水解，水解过程中使用的酸催化剂为固体酸，水解完后直接过滤除去固体酸即可，无硫酸的使用，大幅度的减少了污水的排放，且固体酸价格便宜，且可重复使用，安全无毒，同时也大幅度的提高了企业的木糖生产能力，其纯度可稳定达到98.5%以上。

Description

一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺
技术领域
本发明属于木糖生产技术领域，具体涉及一种以固体酸为催化剂的木糖的生产工艺。
背景技术
木糖是一种天然存在的戊糖，多以缩聚状态存在于植物中。在国内，木糖生产以玉米芯为主要原料，但玉米芯在其他领域也有广泛应用，使得原料供不应求，价格节节攀升，增加了木糖生产成本。在此背景下，迫切需要寻求其他玉米芯替代品。
目前，粘胶纤维的生产过程中对溶解浆通常用浓碱浸渍溶解其中的半纤维素，而后通过压榨分离其中的短纤及半纤维素碱溶液，在半纤维素含量低时，该半纤维素碱溶液循环用于浸渍溶解，直到半纤维素含量较高，无法循环使用后直接排放。这部分废水的直接排放，不仅造成了资源的浪费，还会造成严重的环境污染。因此粘胶纤维废水的合理利用是一个亟需解决的问题。
目前木糖的传统生产工艺均以玉米芯、桦树皮等天然植物为原料，硫酸为催化剂，在高温下水解，经过活性炭脱色，离子交换净化出去大量的硫酸、有机酸及胶体。传统生产工艺原料成本占到木糖总成本的25%以上，消耗大量的硫酸，产生大量污水排放，不仅工艺复杂、周期长，还成本高、消耗大、质量较为不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术以硫酸为催化剂，消耗大量的硫酸，产生大量污水排放，不仅工艺复杂、周期长，还成本高、消耗大、质量较为不稳定，为解决上述问题，本发明提供一种以固体酸为催化剂的木糖的生产工艺。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：将黏胶纤维废水称重后，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为150ms/cm-300ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为（1-3）:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液和回收碱水从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入固体酸，固体酸的体积为脱碱液体积的8%-12%，80℃-120℃的条件下保温反应2-4小时，过滤出固体酸，得到8%-16%浓度的水解液；
（3）第一次脱色：将水解液加热至75℃-85℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.2%-0.5%，继续搅拌30-50分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到8%-16%浓度的脱色液；或将水解液冷却至40℃以下，经过脱色树脂，脱色至透光为60%停止，得到7%-14%浓度的脱色液；脱色树脂醇再生，回收醇，废固燃烧或外卖作为粘合剂和色素；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，得到5%-10%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至25%-30%浓度，再加入浓缩液总体积0.2%-0.6%的活性炭进行脱色，得到25%-30%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，得到20%-25%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至84%-86%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1℃/h -1.5℃/h，搅拌速度2r/min -3r/min，降温至30℃-35℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
所述步骤（4）中，按前阳树脂→一阴树脂→后阳树脂的顺序进行离子交换，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
所述步骤（6）中，所述步骤（6）中，按二阴树脂→二阳树脂→三阴树脂的顺序进行离子交换，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
所述阳树脂为007×1凝胶型强酸阳离子交换树脂，阴树脂为D301大孔弱碱性阴离子交换树脂。
所述步骤（2）中的固体酸为磺酸型阳离子交换树脂。
所述磺酸型阳离子交换树脂的型号为HND-2，HND- 6，HND-302或HND-350。
所述步骤（3）中活性炭加入量为水解液体积的0.3%。
所述步骤（5）中活性炭加入量为浓缩液总体积的0.4%。
所述步骤（3）中水解液以2Bv的流速经过脱色树脂，脱色树脂交换量为30Bv。
所述步骤（1）中淡相与浓相的体积比为2:1。
本发明所述粘胶纤维废水是指在粘胶纤维生产工艺中，原料溶解浆（浆粕）经碱液浸渍，溶解其中的半纤维素，压榨后将浸渍液经过一次套用后，经过纳滤膜洗滤除去部分液碱，并将半纤维素浓缩至10%-20%，其半纤维素含量为10%-20%，碱含量为1.0%-2.0%，影响浆粕中的半纤维素溶出后，直接排放的废水。
相对于现有技术，本发明工艺简单，生产周期短，生产成本由原工艺的9000元/吨降低至5000元/吨以内，且可实现连续水解，水解过程中使用的酸催化剂为固体酸，水解完后直接过滤除去固体酸即可，无硫酸的使用，大幅度的减少了污水的排放，且固体酸价格便宜，且可重复使用，安全无毒，同时也大幅度的提高了企业的木糖生产能力，其纯度可稳定达到98.5%以上。
具体实施方式
本发明中所述水解液、脱色液或糖液的浓度为本行业内的通用表达方式，溶质为除溶剂外的所有物质，该浓度可用糖度计来测定。
007×1阳树脂为凝胶型强酸苯乙烯系阳离子交换树脂，D301为大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
实施例1：
一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：将黏胶纤维废水称重后，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为150ms/cm-300ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为（1-3）:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液和回收碱水从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入固体酸，固体酸的体积为脱碱液体积的8%-12%，80℃-120℃的条件下保温反应2-4小时，过滤出固体酸，得到8%-16%浓度的水解液；
（3）第一次脱色：将水解液加热至75℃-85℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.2%-0.5%，继续搅拌30-50分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到8%-16%浓度的脱色液；或将水解液冷却至40℃以下，经过脱色树脂，脱色至透光为60%停止，得到7%-14%浓度的脱色液；脱色树脂醇再生，回收醇，废固燃烧或外卖作为粘合剂和色素；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，得到5%-10%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至25%-30%浓度，再加入浓缩液总体积0.2%-0.6%的活性炭进行脱色，得到25%-30%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，得到20%-25%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至84%-86%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1℃/h -1.5℃/h，搅拌速度2r/min -3r/min，降温至30℃-35℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
步骤（4）中，按前阳树脂→一阴树脂→后阳树脂的顺序进行离子交换，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
步骤（6）中，所述步骤（6）中，按二阴树脂→二阳树脂→三阴树脂的顺序进行离子交换，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
阳树脂为007×1凝胶型强酸阳离子交换树脂，阴树脂为D301大孔弱碱性阴离子交换树脂。
步骤（2）中的固体酸为磺酸型阳离子交换树脂。
磺酸型阳离子交换树脂的型号为HND-2，HND- 6，HND-302或HND-350。
步骤（3）中活性炭加入量为水解液体积的0.3%。
步骤（5）中活性炭加入量为浓缩液总体积的0.4%。
步骤（3）中水解液以2Bv的流速经过脱色树脂，脱色树脂交换量为30Bv。
步骤（1）中淡相与浓相的体积比为2:1。
实施例2：
一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：称取黏胶纤维废水12.34kg，半纤维素含量110.1g/L，碱含量为1.31%，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为150ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为2:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液和回收碱水从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入HND-2磺酸型阳离子交换树脂，树脂的体积为脱碱液体积的8%，80℃的条件下保温反应2小时，过滤出树脂，得到8%浓度的水解液；
（3）第一次脱色：将水解液加热至75℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.2%，脱色液透光控制在60%以上，继续搅拌30分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到8%浓度的脱色液；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，按前阳树脂007×1→一阴树脂D301→后阳树脂007×1的顺序，得到5%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至70℃，真空浓缩至25%浓度，再加入浓缩液总体积量0.2%的活性炭进行脱色，得到25%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，按二阴树脂D301→二阳树脂007×1→三阴树脂D301的顺序，得到20%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至70℃，真空浓缩至84%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1℃/h，搅拌速度2r/min，降温至30℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
所述步骤（4）中，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
所述步骤（6）中，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
得到的结晶木糖为白色粉末，易溶于水，难溶于乙醇，纯度为98.26%。
实施例3-12中木糖生产工艺各步骤的参数见表1-2，其他同实施例2。
实施例13：
一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：称取黏胶纤维废水15.68kg，半纤维素含量116.5g/L，碱含量为2%，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为300ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为2:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液和回收碱水从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入HND-6磺酸型阳离子交换树脂，树脂的体积为脱碱液体积的12%，120℃的条件下保温反应4小时，过滤出固体酸，得到16%浓度的水解液；
（3）第一次脱色：将水解液加热至85℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.5%，脱色液透光控制在60%以上，继续搅拌50分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到16%浓度的脱色液；或将水解液冷却至40℃以下，以2Bv的流速经过脱色树脂，脱色至透光为60%停止，脱色树脂交换量为30Bv，得到14%浓度的脱色液；脱色树脂醇再生，回收醇，废固燃烧或外卖作为粘合剂和色素；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，按前阳树脂007×1→一阴树脂D301→后阳树脂007×1的顺序，得到10%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至90℃，真空浓缩至30%浓度，再加入浓缩液总体积量0.6%的活性炭进行脱色，得到30%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，按二阴树脂D301→二阳树脂007×1→三阴树脂D301的顺序，得到25%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至90℃，真空浓缩至86%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1.5℃/h，搅拌速度3r/min，降温至35℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
所述步骤（4）中，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
所述步骤（6）中，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
得到的结晶木糖为白色粉末，易溶于水，难溶于乙醇，纯度为99.45%。
实施例14：
一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：称取黏胶纤维废水12.34kg，半纤维素含量110.1g/L，碱含量为1.31%，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为300ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为2:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液（碱残量为0.02%）和回收碱水（碱含量为2.56%）从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入HND-6磺酸型阳离子交换树脂，树脂的体积为脱碱液体积的8%，120℃的条件下保温反应4小时，过滤出固体酸，得到8%浓度的水解液，无机酸为0.05%，总酸0.46%（酸是以硫酸计），电导率为3.25ms/cm，纯度为72.34%；
（3）第一次脱色：将水解液加热至80℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.3%，脱色液透光控制在60%以上，继续搅拌40分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到16%浓度的脱色液；或将水解液冷却至40℃以下，以2Bv的流速经过脱色树脂，脱色至透光为60%停止，脱色树脂交换量为30Bv，得到10.84%浓度的脱色液；脱色树脂醇再生，回收醇，废固燃烧或外卖作为粘合剂和色素；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，按前阳树脂007×1→一阴树脂D301→后阳树脂007×1的顺序，得到5%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至90℃，真空浓缩至30%浓度，再加入浓缩液总体积量0.6%的活性炭进行脱色，得到28%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，按二阴树脂D301→二阳树脂007×1→三阴树脂D301的顺序，得到23%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至85℃，真空浓缩至86%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1℃/h，搅拌速度2.5r/min，降温至35℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
所述步骤（4）中，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
所述步骤（6）中，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
得到的结晶木糖为白色粉末，易溶于水，难溶于乙醇，纯度为98.96%。
相对于现有技术，本发明工艺简单，生产周期短，生产成本由原工艺的9000元/吨降低至5000元/吨以内，且可实现连续水解，水解过程中使用的酸催化剂为固体酸，水解完后直接过滤除去固体酸即可，无硫酸的使用，大幅度的减少了污水的排放，且固体酸价格便宜，安全无毒，同时也大幅度的提高了企业的木糖生产能力，其纯度可稳定达到98.5%以上。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：主要步骤如下：
（1）粘胶纤维废水脱碱：将黏胶纤维废水称重后，置于电渗析脱碱设备中作为淡相，电导率为150ms/cm-300ms/cm，浓相为纯化水，淡相与浓相的体积比为（1-3）:1，通电，在淡相电导率降至2000μs/cm时，停止脱碱，将脱碱液和回收碱水从电渗析设备移除；
（2）水解：把脱碱液置于水解锅内，加入固体酸，固体酸的体积为脱碱液体积的8%-12%，80℃-120℃的条件下保温反应2-4小时，过滤出固体酸，得到8%-16%浓度的水解液；
（3）第一次脱色：将水解液加热至75℃-85℃，边搅拌边加入活性炭，活性炭加入量为水解液体积的0.2%-0.5%，继续搅拌30-50分钟，然后用200目的滤布将其过滤，得到8%-16%浓度的脱色液；或将水解液冷却至40℃以下，经过脱色树脂，脱色至透光为60%停止，得到7%-14%浓度的脱色液；脱色树脂醇再生，回收醇，废固燃烧或外卖作为粘合剂和色素；
（4）第一次树脂离子交换净化：将脱色液通过离子交换树脂，得到5%-10%浓度的糖液；
（5）第二次脱色：将步骤（4）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至25%-30%浓度，再加入浓缩液总体积0.2%-0.6%的活性炭进行脱色，得到25%-30%浓度的糖液；
（6）第二次树脂离子交换净化：将步骤（5）得到的糖液通过离子交换树脂，得到20%-25%浓度的糖液；
（7）浓缩结晶：将步骤（6）得到的糖液加热至70℃-90℃，真空浓缩至84%-86%浓度，然后缓慢降温并不断搅拌，降温速度控制为1℃/h -1.5℃/h，搅拌速度2r/min -3r/min，降温至30℃-35℃时，将已结晶好的糖液置于离心机分离，经干燥即得到合格的木糖。
2.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，按前阳树脂→一阴树脂→后阳树脂的顺序进行离子交换，前阳树脂交换总量控制为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，一阴树脂交换量为树脂重量的20Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，后阳树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
3.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（6）中，按二阴树脂→二阳树脂→三阴树脂的顺序进行离子交换，二阴树脂交换总量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，二阳树脂交换量为树脂重量的60Bv，交换流速为树脂重量的1Bv，三阴树脂交换量控制为树脂重量的40Bv，交换流速为树脂重量的2Bv。
4.根据权利要求2或3所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述阳树脂为007×1凝胶型强酸阳离子交换树脂，阴树脂为D301大孔弱碱性阴离子交换树脂。
5.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中的固体酸为磺酸型阳离子交换树脂。
6.根据权利要求5所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述磺酸型阳离子交换树脂的型号为HND-2，HND- 6，HND-302或HND-350。
7.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（3）中活性炭加入量为水解液体积的0.3%。
8.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（5）中活性炭加入量为浓缩液总体积的0.4%。
9.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（3）中水解液以2Bv的流速经过脱色树脂，脱色树脂交换量为30Bv。
10.根据权利要求1所述的以固体酸为催化剂的木糖生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中淡相与浓相的体积比为2:1。
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