一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法。

背景技术

木糖是一种戊糖，天然D-木糖是以多糖的形态存在于植物中。因为它们在农产品的废弃部分中(例如玉米的穗轴、秸秆、棉桃的外皮)含量很多，所以人们对它的利用方法就有很大兴趣。

目前行业内生产木糖的原料是玉米芯、稻壳或木质半纤维素等农林废弃物。现有的木糖工艺流程：

玉米芯→预处理→水解(间歇)→中和→一次脱色→一次交换→膜浓缩→一次浓缩→二次脱色→二次交换→三次交换→二次浓缩→常压降温结晶→离心→干燥→包装(木糖成品)。其中，所述膜浓缩采用纳滤浓缩膜，一次交换指的是阳离子-阴离子-阳离子交换(即先进行阳离子交换再进行阴离子交换，再进行阳离子交换)，二次交换和三次交换均指的是阳离子-阴离子交换(即先进行阳离子交换再进行阴离子交换)；一次浓缩与二次浓缩均指的是：采用四效降膜蒸发器进行浓缩。间歇水解过程：采用单台水解反应釜，先把玉米芯加入水解釜，然后加入酸水，再封闭通蒸汽升温，待温度升至120℃后，再保温2小时后排出水解液。常压降温结晶：用常压卧式结晶罐降温结晶，木糖收率低。

现有技术中，存在的问题是：玉米芯中含有杂质多，脱盐浓缩工艺不合理，导致酸碱消耗高，污水排放量大，间歇水解余热不好回收，蒸汽消耗高。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法，包括以下步骤：

(1)玉米芯粉与酸水的质量比例为1:6，然后升温至80-90℃，搅拌混合均匀，形成玉米芯粉的悬浮液；所述酸水指的是硫酸水溶液，硫酸的质量分数为0.5-3％；

(2)把玉米芯粉的悬浮液输送至喷射器，对物料进行蒸汽加热，喷射器的蒸汽压在0.1-0.2MPa，保持物料温度在100-120℃，然后把物料输送至层流罐；保证物料在层流罐内停留100min-120min，最后进入气液分离器；将气液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收；

(3)汽液分离后的液体进入收集罐，然后通过板框过滤进行固液分离；玉米芯渣外卖处理；

(4)步骤(3)得到的过滤液经过活性炭脱色，透光率控制到60％以上；

(5)步骤(4)脱色后的物料经过阳离子交换柱，控制钙、镁含量为0；

(6)过阳离子交换柱后的料液经过超滤，控制透光率＞70％；

(7)步骤(6)超滤后的物料再经过纳滤膜浓缩，出料折光率＞18％；

(8)步骤(7)膜浓缩后的料液经过电渗析，出料控制电导率＜2000μs/cm；酸水回到水解配酸使用；

(9)将步骤(2)中回收的余热，用于步骤(8)得到物料的浓缩，出料折光率＞30％；

(10)步骤(9)浓缩后的物料进入碳柱，出料的透光率＞80％；

(11)浓缩后的料液再进行离子交换，出料的电导率控制在＜30μs/cm，透光率＞80％，pH值4-7；

(12)步骤(11)中离子交换后的料液通过二次浓缩，把折光率提高到75-80％；

(13)将二次浓缩后的料液再进行负压结晶，加热浓缩到料液的折光率达到90％时，停止加热，降温，当温度达到60℃时，卸真空加入质量分数95％的乙醇水溶液，每1吨糖膏添加乙醇水溶液500-700kg，搅拌均匀后，再进行常压冷却结晶；

(14)待温度降至30℃以下开始放料离心，进行固液分离，将离心后的物料干燥，获得成品木糖。

进一步地，步骤(5)中，所述阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。

进一步地，步骤(6)中，超滤采用的超滤膜截留分子量为3-5万道尔顿。

进一步地，步骤(7)电渗析过程中，进料电导率在2-3万μs/cm，流量为15m

进一步地，步骤(8)纳滤膜截留分子量为100道尔顿。

进一步地，步骤(11)中，先进行阳离子交换再进行阴离子交换，阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，阳离子交换柱采用D301阴离子交换树脂。

进一步地，步骤(13)中，负压结晶时真空度为-0.07MPa～-0.09MPa。

进一步地，步骤(14)中，离心转速为900-1000r/min，离心时间为30-40min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中，先是把玉米芯粉和酸水(硫酸浓度为0.5-3％)按照质量比例1:6搅拌混合成悬浮液，然后用泵输入增压喷射器进入层流罐，再通过闪蒸分离器迅速释放压力，二次蒸汽回收用于后续物料的加热，物料进入收集罐后再进行固液分离，玉米芯渣外卖,过滤液经过脱色、脱盐、浓缩、结晶等工艺，污水量大幅度减少，汽液分离的余热方便回收，能源消耗降低。

(2)本发明的方法能够有效地利用玉米芯粉生产木糖，解决蒸煮的废热利用问题；汽爆的废热用于膜浓缩后的物料浓缩，每生产1t木糖节约蒸汽约2t。

(3)本发明采用了膜技术，超滤降低了活性炭的消耗，每生产1t木糖可以节约活性炭约200kg，纳滤浓缩降低了蒸汽消耗，每生产1t木糖节约蒸汽约5t。

(4)本发明采用电渗析技术，回收了硫酸，减少酸碱消耗和污水排放40％左右。

(5)现有的技术中只是在离心洗涤时添加乙醇，或者在结晶后期为了便于离心，加入乙醇。而本发明添加乙醇水溶液是在结晶前期，结晶收率提高10％以上。

(6)本发明通过拉袋式离心和盘式干燥全封闭离心干燥，可以保证乙醇溶液使用的安全性；便于溶剂的回收，回收率可以达到95％以上。

(7)本发明中，生产1吨木糖只消耗5-6吨玉米芯，木糖折干收率为20-25％。

附图说明

图1是本发明制备木糖的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。以下实施例中使用到的试剂、仪器等均可以通过商业途径购得。

实施例1

一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法，包括以下步骤：

(1)先在调浆罐(全容积25m

所述酸水指的是硫酸水溶液，硫酸的质量分数为0.5％，pH小于1。

所述的玉米芯粉可通过商业途径外购，或者制备得到。本实施例中，制备过程为：将玉米芯直接加入破碎机，粉碎成颗粒为1-3mm的玉米芯粉。

(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的玉米芯粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，保证喷射器的蒸汽压在0.1MPa，保持物料温度在100℃，然后把物料输送至层流罐，保证物料在层流罐内停留100min，最后进入闪蒸分离器。

(3)物料经过闪蒸分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收，(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入闪蒸分离器的收集罐，然后再进行固液分离,分离后的水解液进入下一工序。

(4)步骤(3)收集后的水解液先经过活性炭脱色，透光率控制到60％以上，然后经过阳离子交换柱，控制钙离子、镁离子含量为0。所述阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)。

(5)过阳离子交换柱后的料液再经过超滤，控制透光率在70％以上。采用的超滤膜截留的分子量为3-5万道尔顿的有机膜。

(6)超滤后的料液进纳滤膜浓缩，出料折光率＞18％。纳滤浓缩膜：截留的分子量为100道尔顿。

(7)膜浓缩后的糖液再经过电渗析，出料控制电导率＜2000μs/cm，酸液回用到水解配酸水。电渗析过程中，进料电导率在3-5万μs/cm，电耗为3度/立方糖液，流量为15m

(8)膜浓缩的料液经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行一次浓缩，出料折光率在30％以上。

(9)步骤(8)浓缩的后物料先走碳柱，物料的透光率＞80％。然后经过离子交换，出料透光率＞80％，电导率＜30μs/cm，pH值4。所述碳柱中，包含颗粒活性炭，颗粒大小在10-30目，设备内径为1400mm，高度为4500mm。

具体地，经过碳柱之后，先进行阳离子交换再进行阴离子交换，阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)，阴离子交换柱采用D301阴离子交换树脂。离子交换的温度小于45摄氏度，离子交换的流速为8m

离子交换结束后先用水把物料顶出，至折光率＜1％，然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳离子交换柱的淋洗终点是pH值3-3.5，阴离子交换柱淋洗终点是pH值9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量分数均为3％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。

(10)离子交换后的糖液采用板式蒸发器进行二次浓缩，折光率控制在80％，浓缩后的糖液直接进入负压结晶罐继续加热浓缩，真空度在-0.07～-0.09MPa之间，温度维持在75～90℃之间，当料液的折光率达到90％(用阿贝折光仪检测)时关闭蒸汽，停止加热，继续拉真空降温，当温度达到60℃时，再卸真空加入质量分数95％乙醇水溶液，每1吨糖膏(此处糖膏为浓缩后的物料)添加质量分数95％乙醇水溶液500kg，搅拌均匀后放入卧式常压结晶罐继续降温结晶，待温度降至30℃以下开始放料离心，离心的洗涤液用质量分数为95％的乙醇水溶液；母液蒸馏回收溶剂重复使用。具体地，离心转速为900-1000r/min，离心时间为30-40min。本实施例中，把物料放入拉袋式离心机进行固液分离。

(11)离心后的物料通过螺旋输送机输送至盘式干燥进行烘干，干燥温度50℃，水分含量控制在0.5％以内，然后再包装；干燥挥发的溶剂回收。

本实施例中，生产1吨木糖只消耗5-6吨玉米芯粉，最终木糖折干收率为22％。

实施例2

一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法，包括以下步骤：

(1)将玉米芯粉与酸水加入调浆罐，玉米芯粉与酸水的质量比例为1:6，玉米芯粉含水量＜15％，升温至85℃，搅拌混合均匀，得到玉米芯粉的悬浮液。

所述酸水指的是硫酸水溶液，硫酸的质量分数为2％，pH小于1。

所述的玉米芯粉可通过商业途径外购，或者制备得到。本实施例中，制备过程为：将玉米芯直接加入破碎机，粉碎成颗粒为1-3mm的玉米芯粉。

(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的玉米芯粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，保证喷射器的蒸汽压在0.1-0.2MPa，保持物料温度在110℃，然后把物料输送至层流罐，保证物料在层流罐内停留120min，最后进入闪蒸分离器。

(3)物料经过汽液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收，(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入闪蒸分离器的收集罐,再通过板框过滤进行固液分离。

(4)步骤(3)分离后的料液先经过活性炭脱色，透光率控制到60％以上，然后经过阳离子交换柱，控制钙离子、镁离子含量为0。所述阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)。

(5)过阳离子交换柱后的料液再经过超滤，控制透光率在70％以上。采用的超滤膜截留的分子量为3-5万道尔顿的有机膜。

(6)超滤后的料液进纳滤膜浓缩，出料折光率＞18％。纳滤浓缩膜：截留的分子量为100道尔顿。

(7)膜浓缩后的糖液再经过电渗析，出料控制电导率＜2000μs/cm，酸液回用到水解配酸水。电渗析过程中，进料电导率在3-5万μs/cm，电耗为3度/立方糖液，流量为15m

(8)膜浓缩的料液经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行一次浓缩，出料折光率在30％以上。

(9)步骤(8)浓缩的后物料先走碳柱，物料的透光率＞80％。然后经过离子交换，出料透光率＞80％，电导率＜30μs/cm，pH值4-7。所述碳柱中，包含颗粒活性炭，颗粒大小在10-30目，设备内径为1400mm，高度为4500mm。

具体地，经过碳柱之后，先进行阳离子交换再进行阴离子交换，阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)，阳离子交换柱采用D301阴离子交换树脂。离子交换的温度小于45摄氏度，离子交换的流量为9m

离子交换结束后先用水把物料顶出，至折光率＜1％，然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳离子交换柱的淋洗终点是pH值3-3.5，阴离子交换柱淋洗终点是pH值9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量分数均为4％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。

(10)离子交换后的糖液采用板式蒸发器进行二次浓缩，折光率控制在80％，浓缩后的糖液直接进入负压结晶罐继续加热浓缩，真空度在-0.07～-0.09MPa之间，温度维持在75～90℃之间，当料液的折光率达到90％(用阿贝折光仪检测)时关闭蒸汽，停止加热，继续拉真空降温，当温度达到60℃时，再卸真空加入质量分数95％乙醇水溶液，每1吨糖膏(此处糖膏为浓缩后的物料)添加质量分数95％乙醇水溶液600kg，搅拌均匀后放入卧式常压结晶罐继续降温结晶，待温度降至30℃以下开始放料离心，离心的洗涤液用质量分数为95％的乙醇水溶液；母液蒸馏回收溶剂重复使用。具体地，离心转速为900-1000r/min，离心时间为30-40min。本实施例中，把物料放入拉袋式离心机进行固液分离。

(11)离心后的物料通过螺旋输送机输送至盘式干燥进行烘干，干燥温度60℃，水分含量控制在0.5％以内，然后再包装；干燥挥发的溶剂回收。

本实施例中，生产1吨木糖只消耗5-6吨玉米芯粉，最终木糖折干收率为25％。

实施例3

一种玉米芯粉连续水解制备木糖的方法，包括以下步骤：

(1)将玉米芯粉与酸水加入调浆罐，玉米芯粉与酸水的质量比例为1:6，玉米芯粉含水量＜15％，升温至80℃，搅拌混合均匀，得到玉米芯粉的悬浮液。

所述酸水指的是硫酸水溶液，硫酸的质量分数为0.5-3％，pH小于1。

所述的玉米芯粉可通过商业途径外购，或者制备得到。本实施例中，制备过程为：将玉米芯直接加入破碎机，粉碎成颗粒为1-3mm的玉米芯粉。

(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的玉米芯粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，保证喷射器的蒸汽压在0.1-0.2MPa，保持物料温度在120℃，然后把物料输送至层流罐，保证物料在层流罐内停留110min，最后进入闪蒸分离器。

(3)物料经过闪蒸分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收，(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入闪蒸分离器的收集罐，然后通过板框过滤进行固液分离。

(4)步骤(3)收集后的物料先经过活性炭脱色，透光率控制到60％以上，然后经过阳离子交换柱，控制钙离子、镁离子含量为0。所述阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)。

(5)过阳离子交换柱后的料液再经过超滤，控制透光率在70％以上。采用的超滤膜截留的分子量为3-5万道尔顿的有机膜。

(6)超滤后的料液进纳滤膜浓缩，出料折光率＞18％。纳滤浓缩膜：截留的分子量为100道尔顿。

(7)膜浓缩后的糖液再经过电渗析，出料控制电导率＜2000μs/cm，酸液回用到水解配酸水。电渗析过程中，进料电导率在3-5万μs/cm，电耗为3度/立方糖液，流量为15m

(8)膜浓缩的料液经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行一次浓缩，出料折光率在30％以上。

(9)步骤(8)浓缩的后物料先走碳柱，物料的透光率＞80％。然后经过离子交换，出料透光率＞80％，电导率＜30μs/cm，pH值4-7。所述碳柱中，包含颗粒活性炭，颗粒大小在10-30目，设备内径为1400mm，高度为4500mm。

具体地，经过碳柱之后，先进行阳离子交换再进行阴离子交换，阳离子交换柱采用凝胶型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂(001×7)，阳离子交换柱采用D301阴离子交换树脂。离子交换的温度小于45摄氏度，离子交换的流速为10m

离子交换结束后先用水把物料顶出，至折光率＜1％，然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳离子交换柱的淋洗终点是pH值3-3.5，阴离子交换柱淋洗终点是pH值9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量分数均为4％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。

(10)离子交换后的糖液采用板式蒸发器进行二次浓缩，折光率控制在80％，浓缩后的糖液直接进入负压结晶罐继续加热浓缩，真空度在-0.07～-0.09MPa之间，温度维持在75～80℃之间，当料液的折光率达到90％(用阿贝折光仪检测)时关闭蒸汽，停止加热，继续拉真空降温，当温度达到60℃时，再卸真空加入质量分数95％乙醇水溶液，每1吨糖膏(此处糖膏为浓缩后的物料)添加质量分数95％乙醇水溶液700kg，搅拌均匀后放入卧式常压结晶罐继续降温结晶，待温度降至30℃以下开始放料离心，离心的洗涤液用质量分数为95％的乙醇水溶液；母液蒸馏回收溶剂重复使用。具体地，离心转速为900-1000r/min，离心时间为30-40min。本实施例中，把物料放入拉袋式离心机进行固液分离。

(11)离心后的物料通过螺旋输送机输送至盘式干燥进行烘干，干燥温度80℃，水分含量控制在0.5％以内，然后再包装；干燥挥发的溶剂回收。

本实施例中，生产1吨木糖只消耗5-6吨玉米芯粉，最终木糖折干收率为23％。

对比例1

本对比例1中，没有汽爆步骤，即不存在步骤(2)-(3)。

本实施例中的其他实施方式与实施例1相同。

本对比例中，以玉米芯来计算，木糖折干收率为10％。

对比例2

本对比例2中，仅仅采用常压结晶，不存在负压结晶。

本对比例2中的其他实施方式与实施例1相同。

本对比例中，以玉米芯来计算，木糖折干收率为17％。

对比例3

现有技术中，常规工艺产一吨木糖需要消耗8-10吨玉米芯。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。