專(zhuān)利名稱(chēng)：植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源和綠色化工領(lǐng)域，特別涉及一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素是自然界中分布最廣，含量最豐富的有機(jī)物。木質(zhì)纖維素綜合利用的一個(gè)有效途徑是將其轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為其他附加值較高的產(chǎn)物，如乙醇、木糖醇和其它有機(jī)酸物質(zhì)。將木質(zhì)纖維素原料用0.5-7％左右的酸液在80-120℃的高溫下經(jīng)幾個(gè)小時(shí)的處理是人們較常采用半纖維素稀酸處理方法。稀酸處理效率較高，在溫度高時(shí)所需時(shí)間較短，處理后半纖維素水解成單糖溶入水解液，木質(zhì)素量不變，纖維素的平均聚合度下降，其酶反應(yīng)能力增大。
但在酸處理所得處理液中，除含有可發(fā)酵糖外，還含有醋酸、糠醛、5-羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物，由于這些抑制物的存在，酸處理液不用直接用于發(fā)酵，必須經(jīng)過(guò)脫毒處理。在水解液脫毒方面，人們嘗試了用石灰乳中和、有機(jī)溶劑萃取、活性炭吸附、真空濃縮和離子交換等多種脫毒方法除去發(fā)酵抑制物，在改善水解液發(fā)酵性能，提高產(chǎn)品得率方面取得了一定的成果。但這些方法一個(gè)共有的問(wèn)題是脫毒過(guò)程中還原糖損失大，水解液中酸無(wú)法回收。如文獻(xiàn)1)釀酒，2005，32(3)41-42中，劉遠(yuǎn)洋，申德超，“關(guān)于纖維素原料生產(chǎn)燃料酒精預(yù)處理工藝的一些探討”；文獻(xiàn)2)Parajo J C，Dominguez H，Dominguez J M.Xylitol productionfrom eucalyptus wood hydrolysates extracted with organic solvents.Proc.Biochem.，1997，32(7)599-604.文獻(xiàn)3)Parajo J C，Dominguez H，DominguezJ M.Charcoal adsorption of wood hydrolysates for improving theirfermentabilityinfluence of the operational conditions.Biores.Technol.，1996，57179-185.文獻(xiàn)4)Wilson J J，Deschatelets L，NishikawaN.Comparative fermentability of enzymatic and acid hydrolysates ofsteam-pretreated aspenwood hemicellulose by Pichia stipitis CBS5776.Appl.Microbiol.Biotechnol.，1989，31592-596.文獻(xiàn)5)Van Zyl C，Prior B A，Du Preez J C.Acetjc acid inhibition of D-xylose fermentationby Pichia stipitis.Enzyme Microb.Technol.，1991，1382-86.
電滲析技術(shù)是分離電解質(zhì)與非電解質(zhì)的有效方法之一，在海水淡化、淡水純水等方面的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，該方法在應(yīng)用中不會(huì)造成環(huán)境污染，并且成本較為低廉，近年還有將電滲析技術(shù)用于發(fā)酵液脫鹽后處理的報(bào)道，但對(duì)電滲析用于木質(zhì)纖維素中半纖維素酸水解液脫毒工藝，國(guó)內(nèi)外還未有研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)木質(zhì)纖維素酸水解液的特點(diǎn)，提出一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝及其裝置，其特征在于，所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置是電滲析器1兩端連接直流穩(wěn)壓電源2正負(fù)極、安培表3串聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源2的正端，電滲析器1的濃室進(jìn)口11、流量計(jì)9A、泵8A、濃室罐4和濃室出口12串聯(lián)成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐5通過(guò)泵8B、流量計(jì)9B串聯(lián)后跨接在電滲析器1左邊的陰離子交換膜A的進(jìn)、出口端；陽(yáng)極室罐6通過(guò)泵8C、流量計(jì)9C串聯(lián)后跨接在電滲析器1右邊的陽(yáng)離子交換膜C的進(jìn)、出口端；電滲析器1的淡室進(jìn)口10、流量計(jì)9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串聯(lián)成淡酸水解液循環(huán)回路；其中，電滲析器1是常規(guī)電滲析器，由10對(duì)陰離子交換膜A、陽(yáng)離子交換膜C(單膜面積100×300mm2-400×1600mm2)交替組成。
所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝為在直流電場(chǎng)作用下，酸水解液中的陰離子透過(guò)陰膜向陽(yáng)極方向遷移而進(jìn)入濃室，受到陽(yáng)膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜向陰極方向遷移后也進(jìn)入濃室，受到陰膜阻擋被截留在濃室中。于是，淡室中的酸得以脫除。由于糖為非電解質(zhì)，不會(huì)在電場(chǎng)下發(fā)生遷移，因此原則上會(huì)保留在淡室中。該方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它離子狀態(tài)雜質(zhì)，能夠大大降低產(chǎn)品的損失率并回收水解液中酸。
具體工藝步驟如下(1)植物纖維原料經(jīng)切削、除塵、粉碎至20～40目，加入酸濃度為0.01％～7％的酸溶液中，溶液與植物纖維原料的液固比為5∶1～20∶1；(2)升溫至80℃～120℃，并保持該溫度2～10小時(shí)；(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，所得液相成份取1L加入淡室罐7中；在濃室罐4中加入濃度為0.01mol/L酸溶液1L，在陰極室罐5內(nèi)加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐6中加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L；(4)開(kāi)啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室溶液在電滲析器1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)9A-9B，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到40-70L/h，循環(huán)10分鐘；(5)打開(kāi)、調(diào)節(jié)直流電源2，使單膜對(duì)電壓為0.5-1.5V，電滲析器開(kāi)始工作；(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源2，關(guān)閉泵8A-8D，濃室中酸經(jīng)濃縮后回用于第一步。
所用的植物纖維原料為秸稈、甘蔗渣、麥稈或高粱稈。
所述酸為硫酸、鹽酸或醋酸。
本發(fā)明的有益效果是該預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)的預(yù)處理相比，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，脫毒效果好，可除去水解過(guò)程中產(chǎn)生的絕大部分醋酸，同時(shí)還原糖損失很小，另外，本工藝易于控制、減少了生產(chǎn)成本，而且，預(yù)處理液中酸可以回收利用，降低環(huán)境污染，易于工業(yè)化應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明所使用的電滲析器的工作示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對(duì)木質(zhì)纖維素酸水解液的特點(diǎn)，提出一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝及其裝置，圖1為本發(fā)明所使用的電滲析器的工作示意圖。所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝為在直流電場(chǎng)作用下，酸水解液中的陰離子透過(guò)陰膜向陽(yáng)極方向遷移而進(jìn)入濃室，受到陽(yáng)膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜向陰極方向遷移后也進(jìn)入濃室，受到陰膜阻擋被截留在濃室中。于是，淡室中的酸得以脫除。由于糖為非電解質(zhì)，不會(huì)在電場(chǎng)下發(fā)生遷移，因此原則上會(huì)保留在淡室中。該方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它離子狀態(tài)雜質(zhì)，能夠大大降低產(chǎn)品的損失率并回收水解液中酸。其所用的植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置的構(gòu)成為電滲析器1兩端連接直流穩(wěn)壓電源2正負(fù)極、安培表3串聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源2的正端、電滲析器1的濃室進(jìn)口11、流量計(jì)9A、泵8A、濃室罐4和濃室出口12串聯(lián)成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐5通過(guò)泵8B、流量計(jì)9B串聯(lián)后跨接在電滲析器1左邊的陰離子交換膜A的進(jìn)、出口端；陽(yáng)極室罐6通過(guò)泵8C、流量計(jì)9C串聯(lián)后跨接在電滲析器1右邊的陽(yáng)離子交換膜C的進(jìn)、出口端；電滲析器1的淡室進(jìn)口10、流量計(jì)9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串聯(lián)成濃酸水解液循環(huán)回路；其中，電滲析器1是常規(guī)電滲析器，由10對(duì)陰離子交換膜A、陽(yáng)離子交換膜C(單膜面積100×300mm2-400×1600mm2)交替組成，本發(fā)明采用的是北京環(huán)宇利達(dá)環(huán)保設(shè)備公司的耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的均相離子交換膜。
實(shí)施例1秸稈經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入酸濃度為7％的硫酸溶液中，溶液與植物纖維原料的液固比為5∶1；(2)升溫至120℃，并保持該溫度2小時(shí)。
(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在濃室罐4中加入濃度為0.01mol/L硫酸溶液1L，在陰極室罐加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開(kāi)啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室中溶液在電滲析器1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到設(shè)定值40L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)使單膜對(duì)電壓為0.5V，電滲析器開(kāi)始工作。
(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源2，關(guān)閉泵。過(guò)程中酸回收率為90％，總還原糖損失低于5％。
實(shí)施例2甘蔗渣經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入酸濃度為0.5％的鹽酸溶液中，溶液與植物纖維原料的液固比為20∶1；(2)升溫至80℃，并保持該溫度10小時(shí)。
(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在濃室罐4中加入濃度為0.01mol/L鹽酸溶液1L，在陰極室罐加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開(kāi)啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室、溶液在電滲析器1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開(kāi)直流電源2，單膜對(duì)電壓調(diào)節(jié)為1.5V，電滲析器開(kāi)始工作。
(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源2，關(guān)閉泵。過(guò)程中酸回收率為92％，總還原糖損失低于5％。
實(shí)施例3麥稈經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入酸濃度為0.65％的醋酸溶液中，溶液與植物纖維原料的液固比為15∶1；(2)升溫至100℃，并保持該溫度6小時(shí)。
(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在濃室罐4中加入濃度為0.01mol/L鹽酸溶液1L，在陰極室罐加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開(kāi)啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室、溶液在電滲析器1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)，使?jié)馐摇⒌?、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開(kāi)直流電源2，單膜對(duì)電壓調(diào)節(jié)為1.5V，電滲析器開(kāi)始工作。
(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源2，關(guān)閉泵。過(guò)程中酸回收率為95％，總還原糖損失低于5％。
實(shí)施例4
高粱稈經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入鹽酸使溶液中酸濃度為0.55％，溶液與植物纖維原料的液固比為10∶1；(2)升溫至110℃，并保持該溫度8小時(shí)。
(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在濃室罐4中加入濃度為0.01mol/L鹽酸溶液1L，在陰極室罐加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開(kāi)啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室、溶液在電滲析器1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開(kāi)直流電源2，單膜對(duì)電壓調(diào)節(jié)為1.5V，電滲析器開(kāi)始工作。
(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源2，關(guān)閉泵。過(guò)程中酸回收率為93％，總還原糖損失低于5％。
權(quán)利要求
1.一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置，其特征在于，所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置是電滲析器(1)兩端連接直流穩(wěn)壓電源(2)正負(fù)極、安培表(3)串聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源(2)的正端，電滲析器(1)的濃室進(jìn)口(11)、流量計(jì)(9A)、泵(8A)、濃室罐(4)和濃室出口(12)串聯(lián)成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐(5)通過(guò)泵(8B)、流量計(jì)(9B)串聯(lián)后跨接在電滲析器(1)左邊的陰離子交換膜(A)的進(jìn)、出口端；陽(yáng)極室罐(6)通過(guò)泵(8C)、流量計(jì)(9C)串聯(lián)后跨接在電滲析器(1)右邊的陽(yáng)離子交換膜(C)的進(jìn)、出口端；電滲析器(1)的淡室進(jìn)口(10)、流量計(jì)(9D)、泵(8D)、淡室罐(7和淡室出口(13)串聯(lián)成淡酸水解液循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置，其特征在于，電滲析器(1)由10對(duì)陰離子交換膜A、陽(yáng)離子交換膜C交替組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒裝置，其特征在于，所述陰離子交換膜A、陽(yáng)離子交換膜C的單膜面積為100×300mm2-400×1600mm2。
4.一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝為在直流電場(chǎng)作用下，酸水解液中的陰離子透過(guò)陰膜向陽(yáng)極方向遷移而進(jìn)入濃室，受到陽(yáng)膜阻擋留在濃室中，同理，水解液中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜向陰極方向遷移后也進(jìn)入濃室，受到陰膜阻擋被截留在濃室中，于是，淡室中的酸得以脫除，由于糖為非電解質(zhì)，不會(huì)在電場(chǎng)下發(fā)生遷移，因此原則上會(huì)保留在淡室中，該方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它離子狀態(tài)雜質(zhì)，能夠大大降低產(chǎn)品的損失率并回收水解液中酸；具體工藝步驟如下(1)植物纖維原料經(jīng)切削、除塵、粉碎至20～40目，加入酸濃度為0.01％～7％的酸溶液中，溶液與植物纖維原料的液固比為5∶1～20∶1；(2)升溫至80℃～120℃，并保持該溫度2～10小時(shí)；(3)將以上所得液固混合物過(guò)濾，所得液相成份取1L加入淡室罐(7)中；在濃室罐(4)中加入濃度為0.01mol/L酸溶液1L，在陰極室罐(5)內(nèi)加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽(yáng)極室罐(6)中加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L；(4)開(kāi)啟泵(8A)-(8D)，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室溶液在電滲析器(1中循環(huán)，調(diào)節(jié)流量計(jì)(9A)-(9B)，使?jié)馐?、淡室、?yáng)極室、陰極室中溶液流速達(dá)到40-70L/h，循環(huán)10分鐘；(5)打開(kāi)、調(diào)節(jié)直流電源(2)，使單膜對(duì)電壓為0.5-1.5V，電滲析器開(kāi)始工作；(6)當(dāng)?shù)襭H值升至3時(shí)，關(guān)閉直流電源(2)，關(guān)閉泵(8A)-(8D)，濃室中酸經(jīng)濃縮后回用于第一步。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所用的植物纖維原料為秸稈、甘蔗渣、麥稈或高粱稈。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述酸為硫酸、鹽酸或醋酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述在以甘蔗渣為原料酸水解液電滲析脫毒工藝中，甘蔗渣經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入鹽酸使溶液中酸濃度為0.5％，溶液與植物纖維原料的液固比為20∶1；升溫至80℃，并保持該溫度10小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述在以秸稈為原料酸水解液電滲析脫毒工藝中，甘蔗渣經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入鹽酸使溶液中酸濃度為0.5％，溶液與植物纖維原料的液固比為20∶1，升溫至80℃，并保持該溫度10小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述在以麥稈為原料酸水解液電滲析脫毒工藝中，麥稈經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入醋酸使溶液中酸濃度為0.65％，溶液與植物纖維原料的液固比為15∶1；升溫至100℃，并保持該溫度6小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝，其特征在于，所述在以高粱稈為原料酸水解液電滲析脫毒工藝中，高粱稈經(jīng)切削、除塵、粉碎至40目，加入鹽酸使溶液中酸濃度為0.55％，溶液與植物纖維原料的液固比為10∶1；升溫至110℃，并保持該溫度8小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于生物能源和綠色化工領(lǐng)域的一種植物纖維原料酸水解液電滲析脫毒工藝及其裝置。在多對(duì)陰離子交換膜、陽(yáng)離子交換膜交替組成的電滲析器中，在直流電場(chǎng)作用下，植物纖維原料經(jīng)切削、除塵后以一定的液固比進(jìn)行酸水解，酸水解液中的陰離子透過(guò)陰膜向陽(yáng)極方向遷移而進(jìn)入濃室，受到陽(yáng)膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜向陰極方向遷移后也進(jìn)入濃室，受到陰膜阻擋被截留在濃室中。于是，淡室中的酸得以脫除。該方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它離子狀態(tài)雜質(zhì)，能夠大大降低產(chǎn)品的損失率并回收水解液中酸，本工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，脫毒處理效果好，易于控制、成本較低，因此具有很好的工業(yè)化前景。
文檔編號(hào)C07H1/00GK101086025SQ20071009847
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者張建安, 程可可, 周玉杰, 劉宏娟, 劉德華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)