一种清洁生产木糖的工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种清洁生产木糖的工艺，主要包括蒸爆预处理、酶解、色谱精制分离、连续膜浓缩、蒸汽蒸发浓缩等步骤，本发明解决了现有技术中污水含有硫酸根离子，不易生化处理，耗水量大，酸、碱消耗高，能耗高，废水排放量大，污染环境严重，成本高，生产周期长等问题。
【专利说明】一种清洁生产木糖的工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于功能糖生产【技术领域】，具体涉及一种清洁生产木糖的制备工艺。
【背景技术】
[0002]木糖产品为白色结晶或结晶性粉末，味甜，甜度相当于蔗糖的70%，没有能量值，不能为人体提供热量，对人体肠道内的双歧杆菌具有较高的增值作用，能改善人体的微生态环境，提高机体免疫力。木糖产品主要用于制取木糖醇，在食品加工、饮料添加、宠物食品制备等方面有广泛的应用，还可作为肉食品、粮食制品的风味改良剂和制备肉类香精、高档酱油色的原料，对改善和提高人们的生活品质具有重要功能和作用。
[0003]传统制备木糖产品是以玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣、桦树皮等农林业废弃物为原料，经预处理、硫酸水解、轻质碳酸钙中和、粉末活性炭脱色、阳阴阳一次离子交换、一次蒸汽蒸发浓缩、阴阳阴二次离子交换、二次蒸汽蒸发浓缩、单效蒸发、结晶、离心、烘干等工序制备而成。此工艺中由于采用硫酸水解，因此在水解液及排放的废水中含有大量的硫酸根离子，对废水处理的厌氧菌有很大的抑制作用，据试验验证，每含有一摩尔的硫酸根离子，可以抑制十摩尔的厌氧菌活性，导致该废水很难处理。由于采用阴、阳离子交换树脂去除料液中的SO42' Cr等阴离子和Ca 2+、Mg2+、Na+等阳离子，精制提纯糖液，该工艺普遍存在酸、碱消耗量大，用水量大，产生的废水量也很大，生产成本高等问题，不利于产业的可持续发展。同时，由于木糖料液存在着浓度低的问题，该料液经多次离交精制后，均降低浓度，要达到最终结晶时的浓度需要消耗大量的蒸汽，由此可见，传统的木糖生产工艺存在着高消耗、高能耗、高污染等三高问题，不符合国家产业政策，存在着较大的产业发展风险，因此，研发一种清洁生产木糖的工艺是形势所趋。
[0004]关于玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣、桦树皮等农林废弃物水解工艺的研宄，有人尝试采用草酸代替硫酸作为水解催化剂对农林废弃物进行水解，此工艺解决了废水难生化处理的问题，但由于草酸比硫酸价格高得多，导致木糖的生产成本很高，企业无法承受。木糖液的精制提纯工艺，有人采用电渗析脱酸脱盐的方法降低料液的电导率，达到精制提纯的目的，但由于木糖液含杂质比较多，成分复杂，对电渗析膜污染严重，导致膜的使用寿命短，效率低，产业化难度很大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种清洁生产木糖的工艺，以解决现有技术中污水含有硫酸根离子，不易生化处理，耗水量大，酸、碱消耗高，能耗高，废水排放量大，污染环境严重，成本高，生产周期长等问题。
[0006]本发明所述工艺，包括以下步骤:
(1)蒸爆预处理:取农林废弃物放入蒸爆设备中，升温至200-250°C、保温60-150秒后，将物料爆出；
(2)酶解:将经蒸爆预处理后的物料导入酶解罐中，按农林废弃物干物重量的1:5-1:15加入水，调pH值为3.0-5.0，控制体系温度为30_50°C，按农林废弃物干物重量的1-10%加入半纤维素酶，酶解10-50小时；
(3)过滤分离:采用板框过滤机过滤，收集滤液，即得木糖液；
(4)色谱精制分离:采用色谱分离吸附树脂对木糖液进行精制得到干物浓度为3-5%、电导率为200-1000us/cm、透光率为70_90%、木糖纯度为70-85%的木糖精制提纯液；
(5)连续膜浓缩:采用纳滤膜或反渗透膜对木糖精制提纯液进行浓缩，得到木糖膜浓缩液，其干物浓度为10-13%;
(6)蒸汽蒸发浓缩:采用多效蒸汽蒸发器对木糖膜浓缩液进行蒸发浓缩，至干物浓度为80-85% ；
(7)结晶、离心、烘干:采用冷却降温结晶的方式，按0.8-1.2°C /h的降温速度进行降温结晶，通过离心机将木糖晶体与母液分离，得到木糖晶体，最后通过蒸汽烘干装置将木糖晶体中的水分去除，得到结晶木糖。
[0007]本发明所述农林废弃物为含有纤维素、半纤维素、木质素成分的所有农林废弃物资源。
[0008]优选的，所述农林废弃物为玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣、玉米秸杆、小麦杆、稻草、芦苇、桦树皮。
[0009]本发明所述半纤维素酶主要为木聚糖酶，其作用是将半纤维素分解为戊糖，戊糖的主要成分为木糖。
[0010]本发明所述色谱分离吸附树脂包括型号为钠型、钾型、钙型、氢型、铅型色谱分离吸附树脂中的一种。
[0011]优选的，所述色谱分离吸附树脂为氢型色谱分离树脂。
[0012]进一步的，所述步骤(4)色谱精制分离的分离温度控制在30_40°C。
[0013]在进一步的，所述步骤(4)色谱精制分离的分离温度为35°C。
[0014]试验证明，在树脂和料液耐受的温度范围内，温度越高，分离度越高，分离效果越好，温度越低，色谱分离树脂的分离度越低，分离效果越差，当分离温度为低于30°C时，色谱分离树脂的分离度明显降低，导致杂质分离不彻底，当温度高于40°C时，料液中的杂质会发生变性、变色，不易去除，同时会加速树脂老化，严重影响树脂寿命。温度为35°C时，色谱分离树脂的分离度和树脂寿命最佳。
[0015]根据本发明，所述步骤(5)连续膜浓缩的膜前压力为2.5-3.0 Mpa，膜后压力为
2.3-2.8 Mpa，膜前压力和膜后压力差为0.18-0.22 Mpa。
[0016]试验证明，连续膜浓缩中，膜前压力和膜后压力差为0.18-0.22 Mpa，可以保证得到的木糖膜浓缩液的干物浓度为10-13%，可显著降低蒸汽蒸发浓缩步骤中蒸汽的消耗，降低成本。
[0017]本发明所述多效蒸汽蒸发器是指双效蒸发器、三效蒸发器、四效蒸发器、五效蒸发器、单效蒸发器中的一种或几种组合。
[0018]米用本发明工艺制备木糖广品的积极效果是:
(I)采用蒸爆预处理法处理农林废弃物，极大地促进了农林废弃物中纤维素、半纤维素和木质素成分的分离，使其致密结构被充分打开，利于酶的渗入，具有较好的酶解效果。同时该预处理法可极大的加快生产节奏，降低生产成本，节约设备总价，减少投资。
[0019](2)采用半纤维素酶酶解农林废弃物中的半纤维素为木糖代替传统工艺中的硫酸水解法，具有条件温和，木糖液颜色浅，副反应少，用水量少，废水排放量少，废水易生化处理等优点，符合国家倡导的清洁生产要求。
[0020](3)采用色谱分离技术代替传统的离子交换树脂精制提纯木糖液，不消耗酸、碱，无再生废酸碱水产生，具有分离效率高，用水量少，废水排放量少等优势，同时结合连续膜浓缩工艺技术，可显著降低蒸汽消耗，具有较好的节能节水效果，具有深远的环保意义和社会意义。
[0021](4)本发明的工艺技术相比于传统木糖生产的工艺技术，简化了工艺流程，缩短了生产周期，降低了木糖的生产成本，减少了废水排放，具有显著的经济、环保效果。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0023]实施例一
1、蒸爆预处理:取800g玉米芯放入5升的蒸爆设备中，升温至200 V，保温150秒后，迅速喷放，得到蒸爆玉米芯楽泥。
[0024]2、酶解:将3000g蒸爆玉米芯浆泥(干物玉米芯约600g)导入10升的酶解罐中，按玉米芯干物的1:5加入工业水4200g，用30%盐酸调pH值为3.0，控制温度为50°C，加入复合半纤维素酶160g，在不断搅拌的情况下，酶解50小时，使其中的半纤维素成分转化为单个分子的木糖，得到木糖液与渣的混合物。
[0025]3、过滤分离:采用板框过滤机将木糖液与渣分离，得到木糖液5400g，其干物浓度为8%，木糖纯度为59.8%，透光率为2%，电导率为20000us/cm。
[0026]4、色谱精制分离:将木糖液打入装有10升钠型色谱分离吸附树脂的色谱分离装置中，控制分离温度为40°C、电磁阀切换时间为100秒、进料流速为5升/小时，进行连续色谱分离操作，去除其中的色素、阴阳离子等杂质，得到精制提纯木糖液，其指标为:干物浓度为5%、木糖纯度为85%、透光率为70%、电导率为1000us/cm。
[0027]5、连续膜浓缩:将色谱分离精制木糖液通入装有纳滤膜的连续膜浓缩装置系统中，控制膜前压力为3.0MPa、膜后压力为2.8MPa、进料流速为10升/小时，得到干物浓度为13%的木糖膜浓缩液和干物浓度为O的膜透析水液。膜透析水液，可以返回到“酶解”工序，重新循环利用。
[0028]6、蒸汽蒸发浓缩:采用三效蒸发器将干物浓度为13%的木糖膜浓缩液蒸发浓缩至干物浓度为50%，然后再采用单效蒸发器将干物浓度为50%的木糖液浓缩至干物浓度为80%。
[0029]7、结晶、离心、烘干:按1°C /h的速度对木糖糖膏进行降温结晶，使木糖晶体析出，通过高速离心机将木糖晶体与母液分离，得到木糖晶体，最后在70°C的条件下，采用流化床式的烘干机将木糖晶体烘干至水分含量在1%以下，得到成品结晶木糖。
[0030]实施例二
1、蒸爆预处理:取500g甘蔗渣放入5升的蒸爆设备中，升温至250°C，保温60秒后，迅速喷放，得到蒸爆甘蔗渣浆泥。
[0031]2、酶解:将2500g蒸爆甘蔗渣浆泥(干物甘蔗渣约350g)导入10升的酶解罐中，按甘蔗渣干物的1:10加入工业水6300g，用30%盐酸调pH值为5.0，控制温度为30°C，加入木聚糖酶Sg，在不断搅拌的情况下，酶解10小时，使其中的半纤维素成分转化为单个分子的木糖，得到木糖液与渣的混合物。
[0032]3、过滤分离:采用板框过滤机将木糖液与渣分离，得到木糖液7500g，其干物浓度为5%，木糖纯度为40.5%，透光率为10%，电导率为10000us/cm。
[0033]4、色谱精制分离:将木糖液打入装有10升钾型色谱分离吸附树脂的色谱分离装置中，控制分离温度为38°C、电磁阀切换时间为400秒、进料流速为15升/小时，进行连续色谱分离操作，去除其中的色素、阴阳离子等杂质，得到精制提纯木糖液，其指标为:干物浓度为3%、木糖纯度为70%、透光率为90%、电导率为200us/cm。
[0034]5、连续膜浓缩:将色谱分离精制木糖液通入装有反渗透膜的连续膜浓缩装置系统中，控制膜前压力为2.8MPa、膜后压力为2.5MPa、进料流速为5升/小时，得到干物浓度为10%的木糖膜浓缩液和干物浓度为O的膜透析水液。膜透析水液，可以返回到“酶解”工序，重新循环利用。
[0035]6、蒸汽蒸发浓缩:采用四效蒸发器将干物浓度为10%的木糖膜浓缩液蒸发浓缩至干物浓度为85%。
[0036]7、结晶、离心、烘干:按10C /h的速度对木糖糖膏进行降温结晶，使木糖晶体析出，通过高速离心机将木糖晶体与母液分离，得到木糖晶体，最后在70°C的条件下，采用流化床式的烘干机将木糖晶体烘干至水分含量在1%以下，得到成品结晶木糖。
[0037]实施例三
1、蒸爆预处理:取700g毛竹渣放入5升的蒸爆设备中，升温至220°C，保温120秒后，迅速喷放，得到蒸爆毛竹渣浆泥。
[0038]2、酶解:将2000g蒸爆毛竹渣浆泥(干物毛竹渣约500g)导入10升的酶解罐中，按毛竹渣干物的1:15加入工业水6000g，用30%氢氧化钠调pH值为4.5，控制温度为40 °C，加入复合半纤维素酶40g，在不断搅拌的情况下，酶解40小时，使其中的半纤维素成分转化为单个分子的木糖，得到木糖液与渣的混合物。
[0039]3、过滤分离:采用板框过滤机将木糖液与渣分离，得到木糖液7000g，其干物浓度为5.5%，木糖纯度为50%，透光率为8%，电导率为15000us/cm。
[0040]4、色谱精制分离:将木糖液打入装有10升钙型色谱分离吸附树脂的色谱分离装置中，控制分离温度为30°C、电磁阀切换时间为300秒、进料流速为10升/小时，进行连续色谱分离操作，去除其中的色素、阴阳离子等杂质，得到精制提纯木糖液，其指标为:干物浓度为4%、木糖纯度为75%、透光率为80%、电导率为500us/cm。
[0041]5、连续膜浓缩:将色谱分离精制木糖液通入装有纳滤膜的连续膜浓缩装置系统中，控制膜前压力为2.5MPa、膜后压力为2.3MPa、进料流速为7升/小时，得到干物浓度为11%的木糖膜浓缩液和干物浓度为O的膜透析水液。膜透析水液，可以返回到“酶解”工序，重新循环利用。
[0042]6、蒸汽蒸发浓缩:采用五效蒸发器将干物浓度为11%的木糖膜浓缩液蒸发浓缩至干物浓度为55%，然后再采用单效蒸发器将干物浓度为55%的木糖液浓缩至干物浓度为81.5%。
[0043]7、结晶、离心、烘干:按10C /h的速度对木糖糖膏进行降温结晶，使木糖晶体析出，通过高速离心机将木糖晶体与母液分离，得到木糖晶体，最后在75°C的条件下，采用沸腾式的烘干机将木糖晶体烘干至水分含量在1%以下，得到成品结晶木糖。
【权利要求】
1.一种清洁生产木糖的工艺，其特征在于，包括以下步骤: (1)蒸爆预处理:取农林废弃物放入蒸爆设备中，升温至200-250°C、保温60-150秒后，将物料爆出； (2)酶解:将经蒸爆预处理后的物料导入酶解罐中，按农林废弃物干物重量的1:5-1:15加入水，调pH值为3.0-5.0，控制体系温度为30_50°C，按农林废弃物干物重量的1-10%加入半纤维素酶，酶解10-50小时； (3)过滤分离:采用板框过滤机过滤，收集滤液，即得木糖液； (4)色谱精制分离:采用色谱分离吸附树脂对木糖液进行精制得到干物浓度为3-5%、电导率为200-1000us/cm、透光率为70_90%、木糖纯度为70-85%的木糖精制提纯液； (5)连续膜浓缩:采用纳滤膜或反渗透膜对木糖精制提纯液进行浓缩，得到木糖膜浓缩液，其干物浓度为10-13%; (6)蒸汽蒸发浓缩:采用多效蒸汽蒸发器对木糖膜浓缩液进行蒸发浓缩，至干物浓度为80-85% ； (7)结晶、离心、烘干:采用冷却降温结晶的方式，按0.8-1.2V /h的降温速度进行降温结晶，通过离心机将木糖晶体与母液分离，得到木糖晶体，最后通过蒸汽烘干装置将木糖晶体中的水分去除，得到结晶木糖。
2.如权利要求1所述工艺，其特征在于，所述农林废弃物为含有纤维素、半纤维素、木质素成分的所有农林废弃物资源。
3.如权利要求2所述工艺，其特征在于，所述农林废弃物为玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣、玉米稻杆、小麦杆、稻草、芦_、桦树皮。
4.如权利要求1所述工艺，其特征在于，所述半纤维素酶为木聚糖酶。
5.如权利要求1所述工艺，其特征在于，所述色谱分离吸附树脂包括型号为钠型、钾型、钙型、氢型、铅型色谱分离吸附树脂中的一种。
6.如权利要求5所述工艺，其特征在于，所述色谱分离吸附树脂为氢型色谱分离树脂。
7.如权利要求1、5、6任一项所述工艺，其特征在于，所述步骤(4)色谱精制分离的分离温度控制在30-40 °C。
8.如权利要求7所述工艺，其特征在于，所述步骤(4)色谱精制分离的分离温度为35。。。
9.如权利要求1所述工艺，其特征在于，所述步骤(5)连续膜浓缩的膜前压力为2.5-3.0 Mpa，膜后压力为2.3-2.8 Mpa，膜前压力和膜后压力差为0.18-0.22 Mpa。
10.如权利要求1所述工艺，其特征在于，所述多效蒸汽蒸发器是指双效蒸发器、三效蒸发器、四效蒸发器、五效蒸发器、单效蒸发器中的一种或几种组合。
【文档编号】C12P19/14GK104498559SQ201410701716
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】王成福, 方春雷, 王星云, 李林, 杜瑞锋, 高永旭, 李毅 申请人:山东福田药业有限公司