電滲析在木糖純化過程中的應用研究

徐小榮 吳限智 張揚

摘 要：在現有的木糖水解液經過超濾、離子交換純化工藝中，植入技術優化后的三級電滲析膜分離技術，達到節約水、減少木糖工藝耗損，減小離子交換工序的負荷，延長其生產周期，獲得品質穩定優良的木糖。

關鍵詞：電滲析;木糖純化;超濾;離子交換

半纖維素存在于植物原料中，為了研究其結構，需要先將半纖維素分離提取出來。由于植物中含有多種化學組分，主要組分還有木質素與纖維素，且它們之間還存在有化學鍵，所以其分離過程是較為復雜的，在分離的過程中，應該盡可能將半纖維素分離出來，且要減少半纖維素的發生化學變化。

在國內目前木糖的制作工藝基本上是以玉米芯為主，玉米芯在自然界是木糖含量最高的原料，但還是需要8t左右玉米芯才能生產1t木糖，并會產生大量的廢渣以及水電氣等能源消耗。

而纖維行業采用堿提法提取木漿中的纖維素，剩下的半纖維廢堿液基本上沒有利用價值而被當做廢物廢棄并污染環境，由于該半纖維廢液含有部分堿液，造成傳統的玉米芯水解法無法使用碳酸鈣沉淀這部分離子，所以采用電滲析法來對水解后的半纖液進行處理，使其內部的離子大量被分離出，使得半纖維素廢堿液1.9t左右半纖就能生成1t木糖，從而使利用半纖維堿液生產木糖具有明顯的經濟優勢及環保優勢。

1 電滲析純化木糖工藝技術

1.1 半纖水解液物料性質

以半纖維素原料，經硫酸水解后，采用現有成熟技術進行過濾、脫色、超濾等前處理后的半纖維素水解液。其中，在所述半纖維素水解液中，木糖含量為70～90g/l，硫酸鈉含量20～22g/l，硫酸含量20～25g/l。

1.2 木糖水解液凈化配套工藝技術

半纖維經水解后，水解木糖液通過預處理工藝超濾，再進入電滲析，最后組合后處理工序離子交換完成純化。根據超濾后水解液品質情況，結合離子交換的設計按照以下工藝過程進行木糖純化處理。

水解木糖液→超濾→三級電滲析→離子交換→濃縮結晶干燥包裝→木糖產品

2 電滲析技術在木糖行業的應用

2.1 電滲析原理

電滲析原理

在外加直流電場作用下，利用離子交換膜對溶液中離子的選擇透過性，使溶液中陰、陽離子發生離子遷移，分別通過陰、陽離子交換膜而達到除鹽或濃縮，在陰極與陽極之間，放置著若干交替排列的陽膜與陰膜，讓水通過兩膜及兩膜與兩極之間所形成的隔室，在兩端電極接通直通電源后，水中陰、陽離子分別向陽極、陰極方向遷移，由于陽膜、陰膜的選擇透過性，就形成了交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室。

2.2 木糖行業對電滲析的需求

木糖水解液的除去較大顆粒雜質及生產過程中產生的電解質的過程，就是木糖的純化。純化工藝在整個水解法制取木糖的生產中起到關鍵重要的作用，它直接影響木糖的產品質量與成本，常規的純化工藝采用的是超濾加離子交換組合的純化工藝，這樣的工藝其生產運行成本高，產品有較多電解質殘留，產品品質得不到有效保障。

在常規的木糖水解液經過超濾、離子交換純化工藝中，植入技術優化后的三級電滲析膜分離技術，簡稱電滲析純化工藝技術，工藝流優化、自動程度高，噸糖耗用水量下降65%。三級電滲析法純化木糖，在超濾與離子交換工序間首次增加了適應木糖純化的三級電滲析，根本上減少純化過程中水耗量，從水耗量200m3水/t木糖降到60～70m3水/t木糖，延長離子交換工序離子交換柱的有效實用周期一倍。

2.3 三級電滲析進料工藝參數及其物料參數

三級電滲析分為一級電滲析系統（一級高鹽液、一級高糖液）;二級電滲析系統（二級高鹽液、二級高糖液）;三級電滲析系統（三級高鹽液、三級高糖液）

2.3.1 第一級電滲析

將半纖維素水解液通入至第一級電滲析系統，且通入第二級高鹽液（電滲析系統首次使用時，通入除鹽水。當電滲析系統正常運行時，即第二級電滲析系統產生出料流量為17m3/h的第二級高鹽液，停止通入除鹽水，轉為通入第二級高鹽液），經電滲析膜作用，得第一級高糖液和第一級高鹽液;

半纖維素水解液進料流量為40m3/h，第二級高鹽液進料流量為17m3/h;電壓為150V，電流為100A，溫度為45℃;第一級高鹽液出料流量為17m3/h，第一級高糖液出料流量為40m3/h;

2.3.2 第二級電滲析

將經一級電滲析系統所得的第一級高糖液通入至第二級電滲析系統，且通入除鹽水，經電滲析膜作用，得第二級高糖液和第二級高鹽液;

第一級高糖液進料流量為40m3/h，除鹽水進料流量為17m3/h;電壓為150V，電流為100A，溫度為45℃;第二級高鹽液出料流量為17m3/h，第二級高糖液出料流量為40m3/h;

2.3.3 第三級電滲析

將二級電滲析系統所得的第二級高糖液通入至第三級電滲析系統，且通入除鹽水，經電滲析膜作用，得第三級高糖液和第三級高鹽液;第二級高糖液進料流量為40m3/h，除鹽水進料流量為17m3/h;電壓為150V，電流為85A，溫度為45℃;第三級高鹽液出料流量為17m3/h，第三級高糖液出料流量為40m3/h。

2.3.4后處理

將第三級高鹽液進行濃縮及脫鹽后，其指標見表4、表5 然后將料液注入至離子交換柱中可得去離子糖溶液。

由表4、5可知糖溶液經過電滲析后，糖分的組分與含量變化較小，溶液中的離子電導由進入前的161800 us/cm左右降低至3000 us/cm左右，大幅度降低了溶液中的離子，使得后續使用離子交換樹脂處理溶液變得可能，從而解決了利用纖維行業的廢半纖維素制作木糖的難題，并在實際應用中得以實現。

2.4 電滲析穩定運行

三級電滲析應用于半纖維素水解液的脫鹽、脫酸，進而達到對木糖溶液的除雜、純化目的，在工廠經過兩年穩定運行，指標穩定，適用于大規模生產應用。

3 結語

電滲析在木糖行業的應用不僅僅提高木糖質量及生產效率，減少跑糖量，提高經濟效益，同時，比起傳統的玉米芯制作木糖行業減少了大量的玉米芯固體廢物，減少了大量水電氣的消耗，并解決了纖維行業中的半纖維提取物無法處理的情況，實現了綠色循環經濟模式的應用。

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