CN110004194B - 一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工技术领域，具体为一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法。该方法包括下述步骤：1）将甘蔗渣进行水洗除杂，洗去残留的蔗糖和沙土；2）洗后的甘蔗渣与碱液混合，并进行逆流反应后挤干备用；3）低温瞬间汽爆处理；4）将汽爆后物料进行水洗；5）加NaOH逆流提取；6）酶解等。由于本发明用低温汽爆，保留了半纤维素而采用低温碱液提取，提高了半纤维素的提取率；采用现有的技术，即利用甲醇对溶解于碱性溶液中半纤维素分离与沉淀的物化特性，以甲醇形成疏水效应，破坏半纤维素与碱性溶液之间的亲和效应，促使半纤维素从甲醇碱性溶液高效分离并原位沉淀析出，以实现半纤维素的高效提取。

Description

一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体为一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法。

背景技术

糠醛主要是由戊糖脱水产生，所以含有聚戊糖(半纤维素)的纤维生物质都可以作为生产糠醛的原料。工业上用来生产糠醛的生物质原料主要有玉米芯、玉米秸秆、稻壳、甘蔗渣、麦秆、葵花籽壳、棉籽壳、棕榈树、花生壳、废弃木材等。在相同的条件下，戊糖含量越高，越有利于提高出醛率。以纯净干生物质来讲，每克玉米芯的理论糠醛生产量为0.22g，甘蔗渣为0.17g，玉米秸秆为0.165g，向日葵壳为0.16g，稻壳为0.12g，硬木料为0.15～0.17g，戊糖在植物纤维原料中以多聚戊糖(一般称其为半纤维素)的形式存在，半纤维素在酸和水的作用下首先发生水解生成戊糖，而后戊糖经过异构化作用和连续三步脱水反应生成糠醛。Antal指出，酸催化木糖生成糠醛的反应过程中，第一步形成了2,5-anhydride(酸酐)中间体，再由这种中间体脱水生成糠醛。

目前我国市场上的糠醛大部分是以玉米芯为原料生产的。由于纤维生物质成分复杂，出醛率很低，污染严重。因此以木糖、木聚糖、半纤维素提取液等为原料制备糠醛的研究在近几年也已逐渐得到发展。

甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是甘蔗机械压榨提汁后所剩的主要部分，预计2017/18榨季广西、云南、广东、海南四大产区甘蔗种植面积1850万亩，预计产糖量866-886万吨。按每产1t糖约产生1t甘蔗渣计算，我国在将产生940万t甘蔗渣。甘蔗渣成分中纤维素为32％～48％、半纤维素19％～24％、木质素23％～32％、灰分约4％。

甘蔗渣含有丰富的聚戊糖，也是生产木糖及糠醛的原料。利用含有聚戊糖的甘蔗渣为原料通过水解方法可以制得木糖及糠醛(又名呋喃甲醛)。是甘蔗渣产物的深加工产品。

专利号201010255018.8甘蔗渣生产糠醛工艺，公开了一种甘蔗渣生产糠醛工艺，以甘蔗渣为原料经烘干、拌酸后，再送入蒸球水解2小时形成醛汽原液；然后将所得醛汽原液送入初馏塔蒸出其中的大部分水分，醛水共沸混合物冷凝后进入分醛罐分层，粗糠醛进入水洗塔洗去了粗糠醛中的大部分醋酸和甲醇，再进入精馏塔进行精制后得到成品糠醛；水洗塔分离的废水经过脱醇塔回收其中的甲醇；经蒸球分离的糠醛渣经糠醛渣汽渣分离器分离出其中的醛汽后，糠醛渣加入纤维素酶发酵得到丙酮、丁醇。该发明利用制糖后的甘蔗渣先提取糠醛，生产糠醛后的糠醛渣再加入纤维素酶发酵得到丙酮、丁醇，从而达到清洁联产综合利用的目的。专利号01105995.8公开了从甘蔗渣制取糠醛的方法：(1)甘蔗渣与稀硫酸(4-10％)按重量比1:3混合后装入水解锅中，直接蒸汽加热，并带出生成的糠醛；(2)含糠醛3-6％的蒸汽冷凝后，送初馏塔蒸馏，冷凝液中含糠醛30-35％，冷却到40-50℃分层；(3)上层送低沸物蒸馏塔，除去低沸点物后返回初馏塔回收糠醛；(4)下层粗糠醛送脱水塔和精制塔加工，分别除去水分、低沸物和甲基糠醛高沸物，得产品糠醛。

从上述专利可以看出，该技术仍存在糠醛收率低、废水和废气排放量大与环境污染严重等问题；生产成本较高。另外，糠醛水解法中多级精馏能耗以及大量废水问题已成为制约行业发展的重要因素，寻求清洁生产工艺解决糠醛生产中环保、节能与节水等问题，成为该行业发展当务之急。

而半纤维素主要从木质纤维类原料中分离得到，分离半纤维素的方法多种多样，如稀酸水解、酶解、蒸汽爆破、碱液提取、热水提取等。但这些方法各有利弊，酶法水解具有高度的专一性、副产物少、在常温常压下进行、设备工艺简单，但由于酶制剂成本较高，限制了它的应用，而高温高压蒸汽爆破对木质纤维原料的结构破坏较大，半纤维素降解率不超过70％，利用率低。

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法。该方法对环境友好、无污水排放、低能耗、收率高，能解决现有技术存在的废水量大、污染严重、收率低等缺点。

为了实现以上发明目的，本发明的技术方案为：

一种甘蔗渣生产糠醛的工艺，该工艺包括以下步骤：

1)将甘蔗渣进行逆流浸洗，洗去残留的蔗糖和沙土等杂质；

作为优选，浸洗温度为40℃，逆流浸洗采用双螺旋逆流浸洗设备。

2)将经步骤1)浸洗后的甘蔗渣与质量浓度为0.1-0.3％的碱液，在双螺旋连续渗出器中进行逆流浸洗。作为优选，双螺旋连续渗出器的型号QBT1849-1993，甘蔗渣与碱液的固(g)液(ml)比为1:4，反应时间30min。然后利用该渗出器自带挤干装置挤干备用；挤出的水经沉淀后，循环作为洗涤水使用。

3)为防止半纤维素和木质素的降解，将经步骤2)挤干的物料采用低温高压汽爆，汽爆温度100-130℃，时间60-120S，压力1.8-2.0MPa。先用蒸汽加热至100-130℃，再用压缩空气加压至1.8-2.0MPa。

4)、汽爆后的物料用10倍水进行水洗，水洗温度60-80℃，水洗时间20-30min；得水洗液和挤干的固体物料Ⅰ；水洗液经沉降和反渗透膜过滤后返回用于水洗；

5)将质量浓度为1-20％的NaOH溶液加入到挤干的固体物料Ⅰ中，按固液1:8-15的比例混合后在20-40℃的条件下，在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸提，提取时间30-60min，然后挤干，得固体物料Ⅱ，固体物料Ⅱ可用于生产瓦楞纸；得到半纤维素提取液经除杂后，采用纳滤膜浓缩至半纤维素含量15wt％左右，将透过的碱液回用于浸提工序；得到半纤维素浓缩液再采用现有技术，即利用甲醇使半纤维素沉淀，得到质量百分含量为95％以上的半纤维素；

6)得到的半纤维素按固液比为1:8-10配成水溶液，加入木聚糖酶进行酶解，酶含量为200U/g，酶解温度为50℃，酶解时间为2h，酶解液用微滤膜除去菌体再浓缩木糖至30％浓度。

7)木糖液、催化剂醋酸及溶剂连续进入乳化泵进行乳化，使之成为含木糖10-15wt％的稳定乳状液，用泵打入预热器之前混入阻聚剂，在预热器用蒸汽加热至160-200℃后，共同进入撞击流混合器混合后进入管状反应器，反应物在管式反应器中停留时间为10-30分钟，使反应物料进行脱水。

乳化泵使半纤维素浓缩液、溶剂、催化剂和循环回来的料液在乳化泵中充分混合，该乳化泵为一常规电动泵。撞击流混合器与管状反应器，即进入撞击流反应器与管式反应器耦合装置；该装置包括乳化泵、撞击流反应器、管式反应器、冷却器和离心分离机，其中撞击流反应器是由中间部位的直立圆筒和两头的封头构成，在直立圆筒筒壁的中央位置设置两个正对的进料管，并在每根进料管的前端设置扁矩形喷嘴；撞击流反应器的喷嘴为两相向的扁矩形喷嘴；两个扁矩形的喷嘴相对形成撞击流反应区，在此使物料进一步混合接触反应。通过乳化泵进入撞击流反应器的物料管一分为二与进料管连接，撞击流反应器上端封头的中央开孔与管式反应器的前端相连接，管式反应器的出料管与冷却器连接后再与离心分离机连接，从离心分离机出来的物料去分馏塔。

所述的管式反应器由两种装有不同结构原件的反应管组成，一种是管内装有SV型元件，以确保互不相溶的液/液相混合均匀；另一种其内部构件是用6mm左右的管材制作，细管内部可以通加热介质，所以内部单元不仅能使反应物料充分混合，而且能提供很大的传热比表面积；两种不同结构的反应管交替连接根据停留时间的要求，促使反应完全，管式反应器的总长度为15-30m，此时各反应管之间可用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。

半纤维素脱水反应时所述的溶剂为邻三甲苯、邻硝基甲苯、二异丁基苯酚、邻仲丁基苯酚和二甲基四氢呋喃中的任意一种或几种的混合物。物料与溶剂的质量比为1:1-4；半纤维素脱水反应时，为防止糠醛聚合副反应的发生，添加阻聚剂，阻聚剂采用羟基苯甲醚、对叔丁基邻苯二酚、对苯二酚、N-苯基取代脲、硫脲、萘胺和三苯基磷中的任意一种，添加量为0.1wt％～0.5wt％。

8)反应后的物料进入冷却器，冷却至40℃进入碟片离心分离机；分出的溶剂相进入分馏塔，分馏塔塔顶得到的含醋酸的物质进一步进入醋酸精馏塔，从醋酸精馏塔塔顶出来的物质进入醋酸冷凝器冷凝后得到醋酸；分馏塔塔底得到糠醛和溶剂，糠醛和溶剂进入减压(糠醛)精馏塔，从糠醛精馏塔塔顶出来的物质进入糠醛冷凝器冷凝后得到成品糠醛，糠醛精馏塔塔底得到溶剂返回反应配料使用。糠醛精馏塔和醋酸精馏塔的真空度均≤0.098Mpa，温度90～120℃。

本发明也适用于原料竹子及其废料、玉米芯、小麦秸秆、玉米秆、高粱秆、水稻秸秆、棉杆、芦苇、棉杆和阔叶木中的任意一种或几种的混合物。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(一)采用了低温汽爆，使木质素、纤维素、半纤维素从缠绕结构分离开，有利于碱液的渗透，提高半纤维素的提取率。

(二)采用撞击流反应器与连续管式反应器进行反应脱水，增强了反应物料的混合接触效果，缩短了反应时间，减少了副反应的发生，降低副产物醋酸的量，提高了糠醛的转化率。

(三)半纤维素提取后用膜浓缩后，不经水解制木糖阶段，直接生产糠醛，降低生产成本，节省了设备投资。

(四)生产中产生的废水经过处理回用，做到了零排放，这也是当前糠醛生产企业的难题。醋酸作为催化剂使用，较无机酸对设备的材料腐蚀性小，材料易得，设备投资低。

(五)采用生物酶法工艺生产过程中酸、碱液用量大幅减少，并省去了化学法中的中和脱酸工序，因此酸碱废水量小，排放废水的综合指标低，环保压力小。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2半纤维素碱液沉淀工艺流程示意图。

图3撞击流反应器与管式反应器耦合流程图。

图4为本发明中醋酸、溶剂和糠醛分离工艺流程图。

1-乳化泵、2-撞击流反应器、3-管式反应器、4-冷却器、5-离心分离机、

6-分馏塔、7-醋酸精馏塔、8-醋酸冷凝器、9-糠醛精馏塔、10-糠醛冷凝器、11-溶剂暂存罐。

图5本发明所述工艺中糠醛废水的处理流程框图。

图6本发明所述糠醛废水处理时双极性膜电渗析回收醋酸的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加便于理解，下面将结合附图和具体实施方式对本发明中所述的工艺做进一步的阐述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

本申请中的固液比均指固体质量g与体积ml的比例。

本申请中记载的撞击流反应器与管式反应器耦合装置，该装置包括乳化泵、撞击流反应器、管式反应器、冷却器和离心分离机，其中撞击流反应器是由中间部位的直立圆筒和两头的封头构成，在直立圆筒筒壁的中央位置设置两个正对的进料管，并在每根进料管的前端设置扁矩形喷嘴；撞击流反应器的喷嘴为两相向的扁矩形喷嘴；两个扁矩形的喷嘴相对形成撞击流反应区，在此使物料进一步混合接触反应。通过乳化泵进入撞击流反应器的物料管一分为二与进料管连接，撞击流反应器上端封头的中央开孔与管式反应器的前端相连接，管式反应器的出料管与冷却器连接后再与离心分离机连接，从离心分离机出来的物料去分馏塔。

本申请中步骤7)中离心分离机分离出的水相为糠醛废水，对于糠醛废水的处理，均按照以下步骤进行：

(1)糠醛废水进入第一级均相膜电渗析器，在酸回收室得到硫酸和醋酸的混合物A，处理室剩余物为糠醛水溶液；所述第一级均相膜电渗析步骤前有预处理步骤，即糠醛反应液通过高速碟片离心机，将溶剂相与水相分离。糠醛废水水相的组成为硫酸1-2％、醋酸0.5-1％和糠醛0.2-0.5％。

(2)上述混合物A由酸回收室打至第二级均相膜电渗析器的处理室分离出硫酸，硫酸返回糠醛反应工序；分离出的硫酸再进入反渗透膜进一步浓缩后再返回糠醛反应工序。

(3)第二级电渗析处理室分离出硫酸的稀醋酸打至第三级电渗析器处理室，浓缩醋酸；至浓缩醋酸浓度为30％。

(4)浓缩后的醋酸进入精馏萃取步骤，即得纯醋酸。

根据迁移速度的不同，采用不同电渗析分离方式,均相膜电渗析器在直流电场作用下,装置中阴离子交换膜和阳离子交换层之间形成酸回收室,阴离子交换膜和阴离子交换层之间形成处理室(淡室)。糠醛与酸待分溶液(糠醛、H₂SO₄、HA c)打入处理室,在电场的作用下,处理室中SO₄ ^2-、A c^-穿过阳离子交换膜进入酸回收室,同时由于糠醛基本不电离,留在处理室,从而达到糠醛与酸分离的目的。

在第一级均相膜电渗析器酸回收室中,从处理室迁移过来的SO₄ ^2-、A c^--和从阳膜解离水得到的H+结合逐步得到硫酸和HAc,再将此混合酸打入第二级电渗析器进行硫酸和醋酸的分离，分离回收硫酸。

所述第一级电渗析器酸回收室连接到第二级电渗析器处理室，第二级电渗析器酸回收室分离得到的硫酸；分离硫酸后的料液先打至第三级电渗析器的处理室，进行醋酸的浓缩，浓缩后的醋酸再进入精馏萃取步骤。

所述第一级电渗析和第二级电渗析为均相膜电渗析，第三组电渗析为双极膜电渗析，均相膜电渗析操作电压均为恒电压，操作电压为40V-50v。

作为优选，所述各级电渗析的操作电压：第一级电渗析电压为50v，第二级电渗析电压为40v，第三级电渗析电压为50v，均为恒电压的运行。

本发明中第一级均相膜电渗析器酸回收室连接到第二级均相膜电渗析器处理室，均相膜电渗析器酸回收室分离得到的硫酸，浓度为5％，直接回用；或再用反渗透膜浓缩至10％，作为制备糠醛反应的催化剂。

第二级电渗析器硫酸分离后，处理室中的淡醋酸，打入第三级双极膜电渗析器的处理室进行醋酸浓缩，阴离子交换膜和双极性膜的阴离子交换层之间的空间称为处理室,阴离子交换膜和双极性膜的阳离子交换层之间的空间称为酸回收室.含醋酸的废水用泵打入处理室,在电场的作用下,处理室中的Ac-穿过阴离子交换膜从处理室进入酸回收室.从双极性膜中产生的OH^-进入处理室将剩余的H⁺中和,于是处理室中的醋酸逐步得到了清除,在酸回收室中,从处理室迁移来的Ac-和从双极性膜来的H⁺逐步得到浓缩的醋酸水溶液.当酸回收室中醋酸浓度到达一定程度(如30％)时便可以打入萃取精馏塔进料口。

双极膜电渗析将稀醋酸浓缩至30％，再用溶剂萃取精馏，得到99-99.8％纯度的醋酸。

采取恒电压的运行方式，第二级采用稍低的电压，可避免推动力过大发生醋酸离子迁移,又可控制循环液温升不致过高。从而达到硫酸、醋酸的分离。

所述精馏萃取步骤为精馏塔萃取；所述精馏塔为连续萃取精馏塔，醋酸与萃取剂的重量比为1:2-4；所述醋酸浓度为30％的醋酸。由塔顶蒸出水，塔底得到醋酸溶剂混合物。萃取精馏过程中,进料、溶剂的加入及回收都是连续进行。

所述萃取剂采用辛醇、磷酸三丁酯和甲基甲酰胺一种或两种以上。两种以上时，优化用量质量比例是1︰1，或比例为1：1：1。

精馏萃取步骤为浓缩后的醋酸连续萃取精馏塔的中部进入，塔上部加入溶剂，由塔顶蒸出的水蒸汽，进入压缩机压缩升温后返回到萃取精馏塔再沸器加热蒸汽入口；萃取精馏塔底出料口连接到脱溶剂塔中部进料口，脱溶剂塔顶蒸出的醋酸进入到冷凝器的入口，冷凝得到99-99.8％醋酸，塔底得到溶剂返回萃取精馏塔上部进料口；所述脱溶剂塔底出料口连接到物料泵入口，物料泵出口连接至萃取精馏塔上部溶剂进料口，达到溶剂循环使用；由醋酸萃取精馏塔顶蒸汽进入压缩机压缩升温后，连接到萃取精馏塔塔底再沸器蒸汽入口作为加热热源。

第三级电渗析器酸回收室的醋酸打至萃取精馏塔进料口，采用连续萃取精馏进行萃取，所述精馏塔萃取为连续萃取精馏进行萃取，萃取时，30％浓度醋酸与溶剂的重量比为1:2-4。

该处理方法是根据两种离子的物化性质的差异，采用均相膜和双极膜电渗析器调节电压的方式分离生物质水解液中的硫酸、醋酸及糠醛，达到硫酸、醋酸和糠醛的分离目的。再根据迁移速度的不同，采用不同电渗析分离，分阶段分离方式。

实施例1：

1)将甘蔗渣(甘蔗机械压榨提汁后所剩的部分)用双螺旋逆流浸洗，浸洗温度为40℃，洗去残留的蔗糖和沙土等杂质；

2)将浸洗后的甘蔗渣与质量浓度为0.2％的碱液，在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸洗，固液比1:4，反应时间30min。然后利用该渗出器自带挤干装置挤干备用，挤干后的甘蔗渣中含水量为40wt％；挤出的水经沉淀后，循环作为洗涤水使用。所采用的碱为NaOH。

3)为防止半纤维素和木质素的降解，将挤干的物料采用低温高压汽爆，汽爆温度120℃，时间100S，压力1.9MPa(先用蒸汽加热至120℃，再用压缩空气加压至1.9MPa)；

4)汽爆后的物料可使用专利号2017201920448中记载的“一种用于竹子提取木糖的装置”进行处理，只将爆破后的竹料替换为甘蔗渣。

其操作工艺过程为：

将汽爆后的物料与70℃的水在U型槽充分混合，配成含固体质量为10％的浆料，由螺旋输送机送入木糖提取机的匀浆箱，由变频调速装置控制电动机、减速机，带动主传动下辊，经同步传动齿轮同时转动上辊，拖动夹带浆料的上下滤网做环周运动。

水洗时间30min；得水洗液和挤干的固体物料；经重力、微压脱水及第一道压榨的挤压浓度已达25wt％的浆料，则首先进入A槽(第一个置换槽)，在槽内经受浸泡、充分吸水，达到饱和状态后缓慢溢出水槽，随即进行第二道压榨的挤压，挤出含少量木糖及其它杂质的水溶液，使浆料浓度达到25％左右；接下来随着滤网的缓慢运行，滤网夹带浆料进入B槽(第二个置换槽)，再次进行浸泡、吸水，······直至在E槽(第五个槽)溢出，进行连续两道压榨的挤压，浆料浓度达到45wt％以上。至此，浆料经过五段逆流置换提取、六道挤压，达到工艺要求的提取度，最后经出料端的碎浆装置自落入螺旋输送机出料，进入半纤维素提取工序。水洗液经沉降和反渗透膜过滤后返回用于水洗。

5)水洗后的挤干物料(含水量为45wt％)与质量浓度为12％的NaOH溶液混合，固液比为1:10，30℃下在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸提，提取时间40min，然后挤干，固体物料可用于生产瓦楞纸；得到半纤维素提取液经除杂后，采用纳滤膜浓缩至15wt％、利用现有的技术，即利用甲醇对溶解于碱性溶液中半纤维素分离与沉淀的物化特性，以甲醇形成疏水效应，破坏半纤维素与碱性溶液之间的亲和效应，促使半纤维素从甲醇碱性溶液高效分离并原位沉淀析出，以实现半纤维素的高效提取。用甲醇沉淀洗涤至半纤维素含量达95wt％，透过的碱液回用于半纤维素提取；

6)得到的半纤维素按固液比为1：9配成水溶液、加入木聚糖酶，木聚糖酶量为200U/g、温度50℃，酶解时间为2h，酶解液用微滤膜除去菌体再浓缩木糖至30％浓度。

7)木糖液、催化剂醋酸及溶剂连续进入乳化泵进行乳化，使之成为含木糖15wt％的稳定乳状液，用泵打入预热器之前混入阻聚剂，在预热器用蒸汽加热至180℃后，共同进入撞击流混合器混合后进入管状反应器，反应物在管式反应器中停留时间为20分钟，使反应物料进行脱水；通过乳化泵半纤维素、溶剂、催化剂和循环回来的料液在乳化泵中充分混合，该乳化泵为一常规电动泵；然后进入撞击流反应器与管式反应器耦合装置系统进行反应；撞击流反应器与管式反应器耦合装置见具体实施方式中记载的内容；管式反应器长度为25m，各反应管之间用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。

半纤维素脱水反应时采用的溶剂为邻硝基甲苯，物料与溶剂的质量比为1:3；半纤维素脱水反应时，为防止糠醛聚合副反应的发生，添加阻聚剂，阻聚剂采用N-苯基取代脲，添加量为0.15wt％(以总物质质量计)。

8)将反应后的物料进入冷却器，冷却至40℃进入碟片离心分离机；分出的水相按具体实施方式中记载的糠醛废水的处理方法进行处理；溶剂相进入分馏塔，塔顶得到的醋酸，塔底得到糠醛和溶剂，进入减压蒸馏塔，真空度≤0.098Mpa，温度110℃。塔顶得到成品糠醛，塔底得到溶剂返回反应配料使用。

实施例2：

1)甘蔗渣采用双螺旋逆流浸洗，温度为40℃；洗去残留的蔗糖和沙土等杂质；

2)洗后的甘蔗渣与0.2％浓度的碱液，在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸洗，固液比1:4，反应时间30min然后利用该渗出器自带挤干装置挤干备用，挤干后的甘蔗渣中含水量为30wt％；挤出的水经沉淀后，循环作为洗涤水使用。

3)为防止半纤维素和木质素的降解，挤干的物料采用低温高压汽爆，汽爆温度120℃，时间100S，压力1.9MPa(先用蒸汽加热至120℃，再用压缩空气加压至1.9MPa)；

4)汽爆后的物料使用专利号2017201920448中记载的“一种用于竹子提取木糖的装置”进行处理，只将爆破后的竹料替换为甘蔗渣。具体工艺步骤为：用10倍水进行水洗，水洗温度70℃，水洗时间30min；得水洗液和挤干的固体物料(含水量为45wt％)；水洗液经沉降和反渗透膜过滤后返回用于水洗；

5)水洗后的挤干物料与12wt％的NaOH溶液，按固液比1:13，于30℃的条件下在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸提，提取时间40min，然后挤干，固体物料可用于生产瓦楞纸；得到半纤维素提取液经除杂后，采用纳滤膜浓缩至15％、利用现有的技术，即利用甲醇对溶解于碱性溶液中半纤维素分离与沉淀的物化特性，以甲醇形成疏水效应，破坏半纤维素与碱性溶液之间的亲和效应，促使半纤维素从甲醇碱性溶液高效分离并原位沉淀析出，以实现半纤维素的高效提取。用甲醇沉淀洗涤至半纤维素含量达95wt％，透过的碱液回用于半纤维素提取；洗涤至半纤维素含量达95wt％，透过的碱液回用于半纤维素提取；

6)得到的半纤维素按固液比为1:9配成水溶液、加入木聚糖酶量为200U/g、温度50℃，酶解时间为2h，酶解液用微滤膜除去菌体再浓缩木糖至30％浓度；

7)木糖液、催化剂醋酸及溶剂连续进入乳化泵进行乳化，使之成为含12wt％的稳定乳状液，用泵打入预热器之前混入阻聚剂，在预热器用蒸汽加热至180℃后，共同进入撞击流混合器混合后进入管状反应器，反应物在管式反应器中停留时间为20分钟，使反应物料进行脱水；通过乳化泵半纤维素、溶剂、催化剂和循环回来的料液在乳化泵中充分混合，该乳化泵为一常规电动泵；然后进入撞击流反应器与管式反应器耦合装置系统进行反应。撞击流反应器与管式反应器耦合装置见具体实施方式中记载。管式反应器长度为25m，各反应管之间用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。

半纤维素脱水反应时所述的溶剂为邻硝基甲苯、物料与溶剂重量比为1:4；半纤维素脱水反应时，为防止糠醛聚合副反应的发生，添加阻聚剂，阻聚剂采用N-苯基取代脲，添加量为0.15wt％。

8)反应后的物料进入冷却器，冷却至40℃进入碟片离心分离机；分出的水相按具体实施方式中记载的糠醛废水的处理方法进行处理；溶剂相进入分馏塔，塔顶得到的醋酸，塔底得到糠醛和溶剂，进入减压蒸馏塔，真空度≤0.098Mpa，温度110℃。塔顶得到成品糠醛，塔底得到溶剂返回反应配料使用。

实施例3：

1)甘蔗渣采用双螺旋逆流浸洗，温度为40℃；洗去残留的蔗糖和沙土等杂质；

2)洗后的甘蔗渣与0.2％浓度的碱液，在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸洗，固液比1:4，反应时间30min然后利用该渗出器自带挤干装置挤干备用，挤干后的甘蔗渣中含水量为30wt％；挤出的水经沉淀后，循环作为洗涤水使用。

3)为防止半纤维素和木质素的降解，挤干的物料采用低温高压汽爆，汽爆温度120℃，时间100S，压力1.9MPa(先用蒸汽加热至120℃，再用压缩空气加压至1.9MPa)；

4)汽爆后的物料使用专利号2017201920448中记载的“一种用于竹子提取木糖的装置”进行处理，只将爆破后的竹料替换为甘蔗渣。具体工艺步骤为：用10倍水进行水洗，水洗温度70℃，水洗时间30min；得水洗液和挤干的固体物料(含水量为45wt％)；水洗液经沉降和反渗透膜过滤后返回用于水洗。

5)水洗后的挤干物料与质量浓度为12％的KOH溶液按固液比1:10的比例混合，于30℃的条件下在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸提，提取时间40min，然后挤干，固体物料可用于生产瓦楞纸；得到半纤维素提取液经除杂后，采用纳滤膜浓缩至15％、利用现有的技术，即利用甲醇对溶解于碱性溶液中半纤维素分离与沉淀的物化特性，以甲醇形成疏水效应，破坏半纤维素与碱性溶液之间的亲和效应，促使半纤维素从甲醇碱性溶液高效分离并原位沉淀析出，以实现半纤维素的高效提取。用甲醇沉淀洗涤至半纤维素含量达95wt％，透过的碱液回用于半纤维素提取；洗涤至半纤维素含量达95wt％，透过的碱液回用于半纤维素提取。

6)得到的半纤维素按固液比为1:8-10配成水溶液、加入木聚糖酶量为200U/g、温度50℃，酶解时间为2h，酶解液用微滤膜除去菌体再浓缩木糖至30％浓度；

7)木糖液、催化剂醋酸及溶剂连续进入乳化泵进行乳化，使之成为含木糖10wt％的稳定乳状液，用泵打入预热器之前混入阻聚剂，在预热器用蒸汽加热至180℃后，共同进入撞击流混合器混合后进入管状反应器，反应物在管式反应器中停留时间为15分钟，使反应物料进行脱水；通过乳化泵半纤维素、溶剂、催化剂和循环回来的料液在乳化泵中充分混合，该乳化泵为一常规电动泵；然后进入撞击流反应器与管式反应器耦合系统进行反应；撞击流反应器与管式反应器耦合装置见具体实施方式中记载。管式反应器长度为25m，各反应管之间用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。

半纤维素脱水反应时所述的溶剂为邻硝基甲苯、物料与溶剂重量比为1:10；半纤维素脱水反应时，为防止糠醛聚合副反应的发生，添加阻聚剂，阻聚剂采用N-苯基取代脲，添加量为0.15wt％。

8)反应后的物料。进入冷却器，冷却至40℃进入碟片离心分离机；分出的水相按具体实施方式中记载的糠醛废水的处理方法进行处理；溶剂相进入分馏塔，塔顶得到的醋酸，塔底得到糠醛和溶剂，进入减压蒸馏塔，真空度≤0.098Mpa，温度110℃。塔顶得到成品糠醛，塔底得到溶剂返回反应配料使用；

实施例4：

采用实施例1中记载的方法制备糠醛，区别在于甘蔗渣水洗后不进行汽爆处理，直接进行后续操作。

将实施例1-4中记载的方法与采用传统反应釜进行糠醛生产进行性能对比，具体结果见下表：

由上表可知，实施例4不经汽爆处理，其半纤维素提取率低的多，虽然糠醛的转化率差不多，但半纤维素提取率低，糠醛的总收率就低很多，比如实施例4的总收率为0.81*0.91＝0.737，而实施例1的总收率为0.91*0.92＝0.837。

虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明。

Claims (5)

1.一种利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法，其特征在于包括下述步骤：

1）将甘蔗渣进行水洗除杂，洗去残留的蔗糖和沙土；

2）将经步骤1）洗后的甘蔗渣与碱液混合，并进行逆流反应后挤干备用；

3）将步骤2）中挤干备用的甘蔗渣送入蒸汽爆破器中进行低温瞬间汽爆；低温汽爆条件为：先用蒸汽加热至100-130℃，再用压缩空气加压至1.8-2.0MPa，整个汽爆时间为80-140S；

4）将汽爆后的物料用10倍体积的水进行水洗、挤干，得水洗液和挤干的固体物料Ⅰ；水洗液经反渗透膜处理，透过水回用于水洗工序；

5）将1-20wt%NaOH溶液加入到挤干的固体物料Ⅰ中，于20-40℃的条件下在连续逆流提取器中处理30-60min，再次挤干，得固体物料Ⅱ和半纤维素提取液，半纤维素提取液经除杂后，采用纳滤膜浓缩至15wt%，透过的碱液回用于浸提工序；得到半纤维素浓缩液再采用甲醇沉淀技术，得到质量百分含量95%以上的半纤维素；

6）将步骤5）中制备得到的半纤维素按固液比 1:8-10配成水溶液，加入木聚糖酶进行酶解，加入木聚糖酶量为200U/g、温度50℃，酶解时间2h；酶解液用微滤膜除去菌体，除去菌体后再浓缩至木糖的质量浓度为30%；

7）将步骤6）中浓缩后的木糖、催化剂醋酸及溶剂连续进入乳化机进行乳化，使之成为含木糖10-15wt%的稳定乳状液，用泵打入预热器之前混入阻聚剂，在预热器用蒸汽加热至160-200℃后与溶剂共同进入撞击流混合器混合后进入管状反应器，反应物在管式反应器中停留时间为10-30分钟，使反应物料进行脱水；所述的溶剂为邻三甲苯、邻硝基甲苯、二异丁基苯酚、邻仲丁基苯酚和二甲基四氢呋喃中的任意一种或几种的混合物；物料与溶剂的质量比为1:1-4；所述的阻聚剂为羟基苯甲醚、对叔丁基邻苯二酚、对苯二酚、N-苯基取代脲、硫脲、萘胺和三苯基磷中的任意一种，其添加量为 0.1wt％～0.5wt％；

8）将步骤7）中脱水后的反应物料进入冷却器，冷却后进入碟片离心分离机；分出的水相进行后续处理；溶剂相进入分馏塔，塔顶得醋酸，塔底得糠醛和溶剂，糠醛和溶剂再通过真空精馏塔，塔顶得成品糠醛；塔底得到的溶剂返回配料使用；

步骤2）中碱液的质量浓度为0.1-0.3%，甘蔗渣与碱液混合后在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸洗反应，其固液比为1:4，反应时间为30min，然后利用该渗出器自带挤干装置挤干备用；挤出的水经沉淀后，作为洗涤水使用；

步骤4）中，汽爆后的物料的水洗温度为60-80℃，水洗时间20-30min；

步骤5）中，NaOH溶液的质量浓度为1-20％，固体物料Ⅰ与NaOH溶液按固体质量g与液体体积ml比为1:8-15的比例混合，在QBT1849-1993双螺旋连续渗出器中进行逆流浸提。

2.如权利要求1所述利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法，其特征在于：步骤1）中甘蔗渣进行水洗采用双螺旋逆流浸洗，温度为40℃。

3.如权利要求1所述利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法，其特征在于步骤6）中，半纤维素在乳化泵中与催化剂醋酸、阻聚剂及溶剂混合后，先预热至100-180℃，进入撞击流反应器与管式反应器耦合系统进行反应。

4.如权利要求1所述利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法，其特征在于：所述的管式反应器由两种装有不同结构原件的反应管组成，一种是管内装有SV型元件；另一种其内部构件是用较细的管材制作，细管内部通加热介质，管式反应器长度为15-30m，此时各反应管之间用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。

5.如权利要求1所述利用甘蔗渣酶解生产木糖及糠醛的方法，其特征在于：步骤7）中分馏塔塔底得到的物料进入减压蒸馏塔进行真空精馏，减压蒸馏塔的真空度≤ 0.098Mpa，温度为90~120℃。

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