CN107116654A - 一种竹材全组分综合利用工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竹材全组分综合利用工艺，涉及生物质全组分利用技术领域。经原竹预处理将原竹制成竹片、竹青和残余的竹屑；提取竹片、竹屑中半纤维素用于制备低聚木糖；提取后的竹片经高温干燥处理制备碳化竹片，用于制备竹胶板；提取后的竹屑烘干后圧缩成型，经高温碳化制备竹机制炭；竹醋液制备工艺为竹机制炭制备过程中收集的竹醋液经蒸馏和吸附后制得成品；竹青用于制备凉席、牙签或香芯。本发明通过分级利用不仅实现了竹原料全组分的综合利用，节约了资源，还实现了竹材的高值化利用和工艺间能量的优化配置，降低了能耗和环境污染，整个工艺过程简单，产品附加值高，经济效益好，具有良好的工业前景。

Description

一种竹材全组分综合利用工艺
技术领域
本发明涉及生物质全组分利用技术领域，具体涉及一种竹材生物质全组分高值化综合利用工艺。
背景技术
中国竹资源非常丰富，有500多种，面积、蓄积量、竹制品产量和出口额均居世界第一，素有“竹子王国”之誉。根据国家林业局发布的《全国竹产业发展规划》，至2010年底，全国竹林面积达672.74万公顷，立竹总数量为286.35亿株。仅福建省竹占地面积就高达326万亩，年竹子产量超过120万吨。竹子生长周期较短，平均为3～5年，此外，竹子生长较为密集，便于收集，一年四季均可收集，不受季节限制，且竹子中半纤维素含量高达22％，而灰含量仅为1.1％，是一种清洁的生物质原料。
竹子结构致密，强度、韧性等性能高于木材，目前对竹子的利用多制成竹胶板，用于生产竹人造板、竹地板、竹质家具等，科技含量低、加工方式粗糙、产品附加值不高，且在竹材加工过程中会产生大量竹材三废，竹材利用率不高，对竹资源造成大量浪费。
此外，为了提高竹胶板的防腐性能，需要对竹片原料进行高温碳化处理，传统的碳化过程对竹材结构破坏严重，会大大降低竹材料的强度，且碳化过程能耗较大。因此，亟待开发温和的碳化技术和竹材高值化利用技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过超低酸溶液将主材中半纤维提取出来用于生产高附加值的低聚木糖，同时提取过程对竹材具有很好的防腐作用的竹材全组分综合利用工艺。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种竹材全组分综合利用工艺，它包含原竹预处理、低聚木糖制备、碳化竹片制备、竹机制炭制备、竹醋液制备工艺，经原竹预处理将原竹制成竹片、竹青和残余的竹屑；提取竹片、竹屑中半纤维素用于制备低聚木糖；提取后的竹片经高温干燥处理制备碳化竹片，用于制备竹胶板；提取后的竹屑烘干后圧缩成型，经高温碳化制备竹机制炭；竹醋液制备工艺为竹机制炭制备过程中收集的竹醋液经蒸馏和吸附后制得成品；竹青用于制备凉席、牙签或香芯等。
本发明的具体工艺步骤如下：
(一)、原竹预处理：将采伐竹时形成的歪斜端头用精密推台锯截去，以端口为定位面，将原竹截成定长竹筒，用破竹机将竹筒破开，再用开片机将切成厚度为1-4mm，宽为10-25mm的竹片，同时去除竹青和竹黄，竹青厚度在1-3mm，并得到加工过程产生的竹屑；
(二)、制备低聚木糖：
(2.1)提取：将竹片或竹屑与超低酸溶液按1:5-10的比例加入密闭容器中，在175-190℃条件下浸取30-90min，固液分离得到木聚糖溶液和提取后的竹片或竹屑；
(2.2)水解：将木聚糖溶液用氢氧化钠调节pH至4.8-5.5，加入木聚糖溶液的0.01-0.05％的木聚糖酶，在50-60℃的条件下水解8-10h，得到低聚木糖溶液；
(2.3)分离纯化：低聚木糖溶液经超滤、纳滤、活性炭脱色、离子交换树脂吸附等步骤得到纯净的低聚木糖溶液；
(2.4)浓缩干燥：将纯净的低聚木糖溶液浓缩到一定浓度得到低聚木糖糖浆产品，或将其进一步干燥，得到低聚木糖粉产品。
(三)、制备碳化竹片：提取后的竹片经过150-180℃的高温蒸汽干燥碳化处理得到碳化竹片，用于生产竹胶板；
(四)、制备竹机制炭：
(4.1)干燥：提取后的竹屑经烘干处理，将含水控制在5-10％；
(4.2)制棒：干燥后的竹屑进入成型机，经高温高压塑化成型为薪棒；
(4.3)烧炭：将薪棒装入炭化窑，在隔绝空气的条件下高温炭化，炭化温度为450-650℃，炭化时间为5-10h，炭化过程中会产生可燃气体和竹醋液，将炭化后的薪棒在隔绝空气条件下冷却即得到机制炭，可燃性气体为工艺提供热能，竹醋液经收集后用于制备精制竹醋液；
(五)、制备竹醋液：
(5.1)步骤(4.3)中收集的竹醋液经蒸馏除去焦油和挥发酚即可得到无色透明含烟味的竹醋液产品，其中竹醋的含量为6-10％；
(5.2)将上述无色含烟味的竹醋液进一步用树脂吸附除去烟味，即得到无烟精制竹醋液产品。
作为本发明的进一步改进，所述的步骤(2.1)所用的酸为硫酸、盐酸、甲酸或乙酸中的一种，酸溶液的浓度为0.03-0.1％。
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
本发明通过分级利用实现了竹原料全组分的综合利用和工艺间能量的优化配置，节约了资源；以木聚糖提取工艺代替传统的竹片炭化工艺，在提高竹片防腐性能的同时还实现了竹材的高值化利用；整个工艺过程简单，产品附加值高，经济效益好，能耗低，环境污染小，具有良好的工业前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
请参阅图1，一种竹材全组分综合利用工艺，综合利用竹材生产低聚木糖、碳化竹片、竹机制炭和无烟精制竹醋液产品，步骤如下：
一、原竹预处理：
将采伐竹时形成的歪斜端头用精密推台锯截去，以端口为定位面，将原竹截成留有加工余地的2m长竹筒，用破竹机将竹筒破开，再用开片机将切成厚度为2mm，宽为20mm的竹片，同时去除竹青和竹黄，竹青厚度在1.5mm，并得到加工过程产生的竹屑；
二、制备低聚木糖：
(2.1)提取：将所得竹片或竹屑放置于圆柱形提取器中，按固液比1:10加入浓度为0.05％硫酸溶液，并密闭容器，蒸汽加热至185℃条件下浸取60min，快速冷却至室温，固液分离得到木聚糖溶液和提取后的竹片或竹屑；
(2.2)水解：将木聚糖溶液用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至4.8，加入溶液总量0.01％的木聚糖酶，在50℃的条件下水解8h，得到低聚木糖溶液，低聚木糖浓度为1.3％；
(2.3)分离纯化：低聚木糖溶液经超滤回收酶和大分子木聚糖继续水解过程；通过纳滤分离出单糖并浓缩糖液，浓缩后低聚木糖浓度为12％；加入浓缩后糖液0.5％的活性炭在70℃条件下脱色30min；过滤分离出活性炭，糖液在室温下经阳、阴离子交换树脂吸附脱盐，得到纯净的低聚木糖溶液；
(2.4)浓缩干燥：将纯净的低聚木糖溶液采用三效蒸发器浓缩到50％浓度，再用喷雾干燥得到低聚木糖粉产品，低聚木糖的得率为9.4％；
三、制备碳化竹片：
提取后的竹片经过150℃的热空气进行干燥处理，时含水量控制在5-8％，得到碳化竹片，可用于生产竹胶板；
四、制备竹机制炭：
(4.1)干燥：提取后的竹屑经烘干处理，将含水控制在5-10％之间；
(4.2)制棒：干燥后的竹屑进入成型机，经高温高压塑化成30cm长的方形薪棒；
(4.3)烧炭：将薪棒装入炭化窑，在隔绝空气的条件下高温炭化，炭化温度为650℃，炭化时间为10h，收集炭化过程中会产生的气体，冷凝后液体即为粗竹醋液，剩余气体导入高炉中燃烧供热，将炭化后的薪棒在隔绝空气条件下冷却即得到机制炭产品，机制炭的得率为薪棒的34％，粗竹醋液的得率为薪棒9％；
五、制备竹醋液：
(5.1)步骤(4.3)中收集的竹醋液在80℃下减压蒸馏，得到无色透明含烟味的竹醋液产品，其中竹醋的含量为8.6％；
(5.2)将上述无色含烟味的竹醋液进一步用树脂吸附除去烟味，即得到无烟精制竹醋液产品，无烟精制竹醋液的得率为粗竹醋液的76％。
实施例2：
一种竹材全组分综合利用工艺，综合利用竹材生产低聚木糖、碳化竹片、竹机制炭和无色含烟味的竹醋液产品，步骤如下：
一、原竹预处理：
将采伐竹时形成的歪斜端头用精密推台锯截去，以端口为定位面，将原竹截成留有加工余地的2m长竹筒，用破竹机将竹筒破开，再用开片机将切成厚度为2mm，宽为20mm的竹片，同时去除竹青和竹黄，竹青厚度在1.5mm，并得到加工过程产生的竹屑；
二、制备低聚木糖：
(2a)提取：将所得竹片或竹屑放置于圆柱形提取器中，按固液比1:5加入浓度为0.1％乙酸溶液，并密闭容器，蒸汽加热至180℃条件下浸取90min，快速冷却至室温，固液分离得到木聚糖溶液和提取后的竹片或竹屑；
(2b)水解：将木聚糖溶液用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至5.0，加入溶液总量0.02％的木聚糖酶，在50℃的条件下水解10h，得到低聚木糖溶液，低聚木糖浓度为1.9％；
(2c)分离纯化：低聚木糖溶液经超滤回收酶和大分子木聚糖继续水解过程；通过纳滤分离出单糖并浓缩糖液，浓缩后低聚木糖浓度为18％；加入浓缩后糖液0.8％的活性炭在70℃条件下脱色30min；过滤分离出活性炭，糖液在室温下经阳、阴离子交换树脂吸附脱盐，得到纯净的低聚木糖溶液；
(2d)浓缩干燥：将纯净的低聚木糖溶液采用三效蒸发器浓缩到50％浓度，再用喷雾干燥得到低聚木糖粉产品，低聚木糖的得率为8.2％；
三、制备碳化竹片：
提取后的竹片经过150℃的热空气进行干燥处理，时含水量控制在5-8％，得到碳化竹片，可用于生产竹胶板；
四、制备竹机制炭：
(4a)干燥：提取后的竹屑经烘干处理，将含水控制在5-10％之间；
(4b)制棒：干燥后的竹屑进入成型机，经高温高压塑化成30cm长的方形薪棒；
(4c)烧炭：将薪棒装入炭化窑，在隔绝空气的条件下高温炭化，炭化温度为650℃，炭化时间为5h，收集炭化过程中会产生的气体，冷凝后液体即为粗竹醋液，剩余气体导入高炉中燃烧供热，将炭化后的薪棒在隔绝空气条件下冷却即得到机制炭产品，机制炭的得率为薪棒的34％，粗竹醋液的得率为薪棒6％；
五、制备竹醋液
步骤(4c)中收集的竹醋液在80℃下减压蒸馏，得到无色透明含烟味的竹醋液产品，其中竹醋的含量为7.3％，收率为粗竹醋液的87％。
本发明通过超低酸溶液将主材中半纤维提取出来用于生产高附加值的低聚木糖，同时提取过程对竹材具有很好的防腐作用，通过预处理过程，将原竹切分成竹片，并同时除去竹青、竹黄，竹青用于制备凉席、牙签、香芯等；再用超低酸溶液在高温下将竹片和加工过程产生的竹屑中的半纤维素提取出来用于制备低聚木糖，再将提取后的竹片和竹屑分别用于制备竹胶板和机制炭，该提取过程对竹材又具有很好的防腐作用，同时对竹材的破坏较小，不仅避免了传统高能耗的碳化过程，还提高了竹板材的强度，同时也实现了竹材的高值化利用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种竹材全组分综合利用工艺，其特征在于，它包含原竹预处理、低聚木糖制备、碳化竹片制备、竹机制炭制备、竹醋液制备工艺，经原竹预处理将原竹制成竹片、竹青和残余的竹屑；提取竹片、竹屑中半纤维素用于制备低聚木糖；提取后的竹片经高温干燥处理制备碳化竹片，用于制备竹胶板；提取后的竹屑烘干后圧缩成型，经高温碳化制备竹机制炭；竹醋液制备工艺为竹机制炭制备过程中收集的竹醋液经蒸馏和吸附后制得成品；竹青用于制备凉席、牙签或香芯。
2.根据权利要求1所述的一种竹材全组分综合利用工艺，其特征在于，它的具体工艺步骤如下：
(一)、原竹预处理：将采伐竹时形成的歪斜端头用精密推台锯截去，以端口为定位面，将原竹截成定长竹筒，用破竹机将竹筒破开，再用开片机将切成厚度为1-4mm，宽为10-25mm的竹片，同时去除竹青和竹黄，竹青厚度在1-3mm，并得到加工过程产生的竹屑；
(二)、制备低聚木糖：
(2.1)提取：将竹片或竹屑与超低酸溶液按1:5-10的比例加入密闭容器中，在175-190℃条件下浸取30-90min，固液分离得到木聚糖溶液和提取后的竹片或竹屑；
(2.2)水解：将木聚糖溶液用氢氧化钠调节pH至4.8-5.5，加入木聚糖溶液的0.01-0.05％的木聚糖酶，在50-60℃的条件下水解8-10h，得到低聚木糖溶液；
(2.3)分离纯化：低聚木糖溶液经超滤、纳滤、活性炭脱色、离子交换树脂吸附步骤得到纯净的低聚木糖溶液；
(2.4)浓缩干燥：将纯净的低聚木糖溶液浓缩到一定浓度得到低聚木糖糖浆产品，或将其进一步干燥，得到低聚木糖粉产品；
(三)、制备碳化竹片：提取后的竹片经过150-180℃的高温蒸汽干燥碳化处理得到碳化竹片，用于生产竹胶板；
(四)、制备竹机制炭：
(4.1)干燥：提取后的竹屑经烘干处理，将含水控制在5-10％；
(4.2)制棒：干燥后的竹屑进入成型机，经高温高压塑化成型为薪棒；
(4.3)烧炭：将薪棒装入炭化窑，在隔绝空气的条件下高温炭化，炭化温度为450-650℃，炭化时间为5-10h，炭化过程中会产生可燃气体和竹醋液，将炭化后的薪棒在隔绝空气条件下冷却即得到机制炭，可燃性气体为工艺提供热能，竹醋液经收集后用于制备精制竹醋液；
(五)、制备竹醋液：
(5.1)步骤(4.3)中收集的竹醋液经蒸馏除去焦油和挥发酚即可得到无色透明含烟味的竹醋液产品，其中竹醋的含量为6-10％；
(5.2)将上述无色含烟味的竹醋液进一步用树脂吸附除去烟味，即得到无烟精制竹醋液产品。
3.根据权利要求1所述的一种竹材全组分综合利用工艺，其特征在于，所述的步骤(2.1)所用的酸为硫酸、盐酸、甲酸或乙酸中的一种，酸溶液的浓度为0.03-0.1％。
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