專利名稱：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
技術領域：
本發(fā)明屬于生物能源和綠色化工領域，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：
木質纖維素是自然界中分布最廣，含量最豐富的有機物。木質纖維素綜合利用的一個有效途徑是將其轉化為可發(fā)酵糖，進而轉化為其他附加值較高的產物，如乙醇、木糖醇和其它有機酸物質。將木質纖維素原料用0.5-7％左右的酸液在80-120℃的高溫下經幾個小時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，在溫度高時所需時間較短，處理后半纖維素水解成單糖溶入水解液，木質素量不變，纖維素的平均聚合度下降，其酶反應能力增大。
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，必須經過脫毒處理。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，提高產品得率方面取得了一定的成果。但這些方法一個共有的問題是脫毒過程中還原糖損失大，水解液中酸無法回收。如文獻1)釀酒，2005，32(3)41-42中，劉遠洋，申德超，“關于纖維素原料生產燃料酒精預處理工藝的一些探討”；文獻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.
電滲析技術是分離電解質與非電解質的有效方法之一，在海水淡化、淡水純水等方面的應用已經十分成熟，該方法在應用中不會造成環(huán)境污染，并且成本較為低廉，近年還有將電滲析技術用于發(fā)酵液脫鹽后處理的報道，但對電滲析用于木質纖維素中半纖維素酸水解液脫毒工藝，國內外還未有研究報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對木質纖維素酸水解液的特點，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正負極、安培表3串聯在直流穩(wěn)壓電源2的正端，電滲析器1的濃室進口11、流量計9A、泵8A、濃室罐4和濃室出口12串聯成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐5通過泵8B、流量計9B串聯后跨接在電滲析器1左邊的陰離子交換膜A的進、出口端；陽極室罐6通過泵8C、流量計9C串聯后跨接在電滲析器1右邊的陽離子交換膜C的進、出口端；電滲析器1的淡室進口10、流量計9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串聯成淡酸水解液循環(huán)回路；其中，電滲析器1是常規(guī)電滲析器，由10對陰離子交換膜A、陽離子交換膜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作用下，酸水解液中的陰離子透過陰膜向陽極方向遷移而進入濃室，受到陽膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽離子透過陽膜向陰極方向遷移后也進入濃室，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，不會在電場下發(fā)生遷移，因此原則上會保留在淡室中。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，能夠大大降低產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；(3)將以上所得液固混合物過濾，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內加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽極室罐6中加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L；(4)開啟泵8A-8D，使?jié)馐?、淡室、陽極室、陰極室溶液在電滲析器1中循環(huán)，調節(jié)流量計9A-9B，使?jié)馐摇⒌?、陽極室、陰極室中溶液流速達到40-70L/h，循環(huán)10分鐘；(5)打開、調節(jié)直流電源2，使單膜對電壓為0.5-1.5V，電滲析器開始工作；(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源2，關閉泵8A-8D，濃室中酸經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處理工藝與傳統(tǒng)的預處理相比，工藝設備簡單，脫毒效果好，可除去水解過程中產生的絕大部分醋酸，同時還原糖損失很小，另外，本工藝易于控制、減少了生產成本，而且，預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。
具體實施例方式
本發(fā)明針對木質纖維素酸水解液的特點，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作用下，酸水解液中的陰離子透過陰膜向陽極方向遷移而進入濃室，受到陽膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽離子透過陽膜向陰極方向遷移后也進入濃室，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，不會在電場下發(fā)生遷移，因此原則上會保留在淡室中。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，能夠大大降低產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成為電滲析器1兩端連接直流穩(wěn)壓電源2正負極、安培表3串聯在直流穩(wěn)壓電源2的正端、電滲析器1的濃室進口11、流量計9A、泵8A、濃室罐4和濃室出口12串聯成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐5通過泵8B、流量計9B串聯后跨接在電滲析器1左邊的陰離子交換膜A的進、出口端；陽極室罐6通過泵8C、流量計9C串聯后跨接在電滲析器1右邊的陽離子交換膜C的進、出口端；電滲析器1的淡室進口10、流量計9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串聯成濃酸水解液循環(huán)回路；其中，電滲析器1是常規(guī)電滲析器，由10對陰離子交換膜A、陽離子交換膜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)宇利達環(huán)保設備公司的耐強酸、強堿的均相離子交換膜。
實施例1秸稈經切削、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。
(3)將以上所得液固混合物過濾，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；在陽極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開啟泵8A-8D，使?jié)馐摇⒌抑腥芤涸陔姖B析器1中循環(huán)，調節(jié)流量計，使?jié)馐?、淡室、陽極室、陰極室中溶液流速達到設定值40L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開直流電源，調節(jié)使單膜對電壓為0.5V，電滲析器開始工作。
(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源2，關閉泵。過程中酸回收率為90％，總還原糖損失低于5％。
實施例2甘蔗渣經切削、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。
(3)將以上所得液固混合物過濾，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；在陽極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開啟泵8A-8D，使?jié)馐摇⒌摇⑷芤涸陔姖B析器1中循環(huán)，調節(jié)流量計，使?jié)馐?、淡室、陽極室、陰極室中溶液流速達到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開直流電源2，單膜對電壓調節(jié)為1.5V，電滲析器開始工作。
(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源2，關閉泵。過程中酸回收率為92％，總還原糖損失低于5％。
實施例3麥稈經切削、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。
(3)將以上所得液固混合物過濾，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；在陽極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開啟泵8A-8D，使?jié)馐摇⒌?、溶液在電滲析器1中循環(huán)，調節(jié)流量計，使?jié)馐摇⒌?、陽極室、陰極室中溶液流速達到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開直流電源2，單膜對電壓調節(jié)為1.5V，電滲析器開始工作。
(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源2，關閉泵。過程中酸回收率為95％，總還原糖損失低于5％。
實施例4
高粱稈經切削、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。
(3)將以上所得液固混合物過濾，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；在陽極室罐加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)開啟泵8A-8D，使?jié)馐摇⒌?、溶液在電滲析器1中循環(huán)，調節(jié)流量計，使?jié)馐摇⒌?、陽極室、陰極室中溶液流速達到70L/h，循環(huán)10分鐘。
(5)打開直流電源2，單膜對電壓調節(jié)為1.5V，電滲析器開始工作。
(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源2，關閉泵。過程中酸回收率為93％，總還原糖損失低于5％。
權利要求
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)正負極、安培表(3)串聯在直流穩(wěn)壓電源(2)的正端，電滲析器(1)的濃室進口(11)、流量計(9A)、泵(8A)、濃室罐(4)和濃室出口(12)串聯成濃酸水解液循環(huán)回路；陰極室罐(5)通過泵(8B)、流量計(9B)串聯后跨接在電滲析器(1)左邊的陰離子交換膜(A)的進、出口端；陽極室罐(6)通過泵(8C)、流量計(9C)串聯后跨接在電滲析器(1)右邊的陽離子交換膜(C)的進、出口端；電滲析器(1)的淡室進口(10)、流量計(9D)、泵(8D)、淡室罐(7和淡室出口(13)串聯成淡酸水解液循環(huán)回路。
2.根據權利要求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對陰離子交換膜A、陽離子交換膜C交替組成。
3.根據權利要求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作用下，酸水解液中的陰離子透過陰膜向陽極方向遷移而進入濃室，受到陽膜阻擋留在濃室中，同理，水解液中的陽離子透過陽膜向陰極方向遷移后也進入濃室，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，不會在電場下發(fā)生遷移，因此原則上會保留在淡室中，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，能夠大大降低產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；(3)將以上所得液固混合物過濾，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)內加入濃度為0.05mol/L的氫氧化鈉溶液0.75L；在陽極室罐(6)中加入濃度為0.05mol/L硫酸溶液0.75L；(4)開啟泵(8A)-(8D)，使?jié)馐?、淡室、陽極室、陰極室溶液在電滲析器(1中循環(huán)，調節(jié)流量計(9A)-(9B)，使?jié)馐?、淡室、陽極室、陰極室中溶液流速達到40-70L/h，循環(huán)10分鐘；(5)打開、調節(jié)直流電源(2)，使單膜對電壓為0.5-1.5V，電滲析器開始工作；(6)當淡室pH值升至3時，關閉直流電源(2)，關閉泵(8A)-(8D)，濃室中酸經濃縮后回用于第一步。
5.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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。
8.根據權利要求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。
9.根據權利要求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。
10.根據權利要求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。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于生物能源和綠色化工領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。在多對陰離子交換膜、陽離子交換膜交替組成的電滲析器中，在直流電場作用下，植物纖維原料經切削、除塵后以一定的液固比進行酸水解，酸水解液中的陰離子透過陰膜向陽極方向遷移而進入濃室，受到陽膜阻擋留在濃室中。同理，水解液中的陽離子透過陽膜向陰極方向遷移后也進入濃室，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，能夠大大降低產品的損失率并回收水解液中酸，本工藝設備簡單，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C07H1/00GK101086025SQ20071009847
公開日2007年12月12日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權日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 申請人:清華大學