關于木糖收率及回收乙醇的研究

郝云龍,朱路甲,曹澤禮

(1.研光宏泰(新鄉)生物制品有限公司,河南輝縣 453600;2.河北大學質量技術監督學院,河北保定 071000)

關于木糖收率及回收乙醇的研究

郝云龍1,朱路甲2,曹澤禮1

(1.研光宏泰(新鄉)生物制品有限公司,河南輝縣 453600;2.河北大學質量技術監督學院,河北保定 071000)

分析了木糖企業普遍關注提高總收率的技術要點,為新企業設計提供理念,為老企業革新改造、科學管理提供方案;提高木糖產量,回收乙醇,副產焦糖色素,實現企業發揮綜合經濟效益和促進我國木糖行業技術進步。

木糖收率;回收乙醇;焦糖色素;節能降耗;綜合效益

1 木糖收率的研究

木糖的生產是一個復雜的過程,工藝流程長,反應條件苛刻,首先一次結晶需要濃度、溫度、有機酸、無機酸必須達到控制指標,才能獲得一定的結晶收率;然而受現有條件下結晶、離心等條件的限制,不具備更高的一次性產品收率,一般情況下按水解后干糖相對成品的生產過程收率在45%～55%之間,這說明在生產過程中及母液中仍有45%～55%的木糖損失。這就給我們提出了如何提高一次收率和從母液中提取木糖的課題。

現有裝置條件下的木糖生產企業,系統收率或結晶收率直接影響著企業效益,按年產2 000 t的木糖企業統計,收率每波動1%,工廠成本將波動約500元,直觀地反映了企業的技術進步、管理水平所能獲得的經濟效益。

1.1 常用工藝方案

1.2 木糖的過程收率、綜合設計和應用

1.2.1 水解過程

玉米芯中含糖25%～35%,殘渣含糖6%～9%,一般相對收率約80%。

在選擇水解過程和時間時要根據玉米芯原料來源,每年種植一季且生長期長(大于120 d、多縮戊糖含量>36%)、價格貴的玉米芯易采用兩次水解加一次水洗,一次水解保溫2.5 h,二次水解保溫1 h,這樣能使產糖質量、收率提高到高限;若每年種植兩季且生長期短(小于100 d、多縮戊糖含量>30%)、價格低的玉米芯易采用一次水解加一次水洗,保溫3.0 h,可使單鍋產糖量提高,擴大產能。

1.2.2 脫色過程(相對收率>99%)

脫色過程,建議采用連續中和工藝,這個過程將大量的無機酸中和,生成硫酸鈣固體,同時加入適量的聚合氯化鋁,能使色素聚合隨硫酸鈣通過機械化的離心機將固形物分離出來,中和去掉的無機酸和色素提高了交換、脫色的通液量,減少物料帶出糖液的損失。

應用粉狀活性炭脫色,在此基礎上套用兩次,是較好的工藝路線,最大限度的利用了活性炭的吸附能力,降低了活性炭用量,保證了脫色液質量,但為了方便操作,建議過濾設備采用碟片式旋轉過濾機,排出廢炭含濕量低、糖損少,易操作、勞動強度低。

二次脫色建議也采用粉狀活性炭,碟片式旋轉過濾機,能夠保證出液質量和降低勞動強度,廢炭套用到一次脫色,最大限度的利用了活性炭的吸附空間并回收了廢炭中的糖分。

同時提出一、二次脫色不易采用顆粒炭脫色,防止因切換柱而造成的頂糖稀釋和低折光切換糖損及酸堿再生所造成的水污染負荷加大。

1.2.3 交換過程(控制相對收率>95%)

這個過程是糖液的凈化,在收率方面有凈化質量、糖損兩大控制要素;糖液凈化質量從結晶收率上反映出來,糖損從低折光頂糖水、閥門組的內漏中暴露出來。遵循上述原則設計工藝、設備為:

第一,設備選型從大到小,一次交換柱選用Φ1 600～Φ1 800;二次交換柱選Φ1 400～Φ1 500;三次交換柱選Φ1 000～Φ1 200;高徑比1∶2.5,樹脂裝填量60%。大容積設備應對低質量的脫色液,以交換量保證過液量;小容積設備應清洗、切換,避免樹脂結塊、偏流、生菌缺陷。建議設備材質選擇機械纏繞的玻璃鋼設備,具有投資省、耐酸堿、免維護、環境美等優點。

第二,樹脂從粗到細;以陰離子樹脂為控制重點將一交、二交柱裝填大孔徑弱堿D301樹脂,三交裝填大孔強堿D201樹脂;這樣一、二交換柱以其寬大的交換容量、較弱的交鏈鍵,實現了對一、二次脫色液大粒徑的有機物的吸附及解吸;D201樹脂以較強的鍵能對糖液中的有機物硅酸類物質進行吸附及再生解吸,使糖液達到深度凈化,這樣既保證了通液能力又提高木糖收率。

第三,指標從寬到嚴:①用水,一交柱陰、陽樹脂的前后沖洗,二交柱的前沖洗采用生水,二交柱其他沖洗水用脫陽離子水,三交柱采用純水,這樣的梯度質量用水既滿足樹脂再生要求,又節省制離子水、純水所發生的成本和污染;建議:交換系統用水溫度,建議在35～45℃有利于樹脂的再生解吸。②糖液指標,一交陽柱以每噸樹脂20 m3脫色液、鈣鎂離子<30 mg/L的寬指標,一交陰柱以出液不漏酸(無機酸<0.01 g/L)為要求,盡量擴大過液量,由后陽柱把關糖液鈣鎂指標達到要求;二交陽柱仍控制濃縮后糖液鈣鎂指標,陰柱主要控制透光指標>95%(波長420 nm);三交柱嚴格的指標有pH值6.5～5.5,無機酸<0.001 mg/L,有機酸<0.003 mg/L;折光率<5以下的頂水返回二交做前頂水,各柱折光>2%的回收,折光<2%的頂水回收去水解,從工藝上消除糖損。特別提示,三交液中漏入無機酸,將導致糖膏黏度增大、結晶細小或不結晶。

第四,重視交換管理:①上千只的閥門組合,要做到每周一次檢查,消除內漏損糖及串液。②每班糖液計量,明確責任,嚴格考核,消除誤操作造成的損糖。③二、三交換柱、管徑、儲存設備選擇較快的流速,不給生菌的機會。④二、三交換樹脂的沖洗水,給定1 g/m3的強氧化殺菌劑,防止二、三交糖液的生菌酸敗,從而保障糖液的質量。⑤敞口的一交換柱、封閉的二、三交換柱,起到易清洗、避菌防塵作用。

1.2.4 蒸發、濃縮過程(相對收率約為100%)

①設備選型:一蒸采用四效降膜蒸發器;二蒸采用三效降膜蒸發器;三蒸采用外盤管內列管釜式強制攪拌蒸發器;是濃縮過程糖液質量的保證。②工藝指標控制要點:因木糖屬熱敏性物質,蒸發溫度過高,將導致焦糖變質,整個蒸發過程首先控制真空度>-0.095 MPa以上,力求實現低溫蒸發;三蒸溫度90～95℃,并停留在釜內真空降溫、養晶到65℃,放料至結晶機。③一、二、三次蒸發均應設計表面冷凝器,以期最大限度的提高真空度和回收余熱用于交換、水解用水。④制度化監督管理跑、冒、滴、漏,消除糖損對收率的影響。

1.2.5 結晶、離心過程(相對質量收率約為55%)

①設備選型,6 m3結晶機,變頻電機隨溫度變化可自動調節轉速為0.5～5 r/min的臥式水冷卻結晶機;離心機采用SS-800NA型,轉速提高到1 500 r/min,5、20目不銹鋼支撐網,120目尼龍內網,有較高的工作性能。無紙記錄儀溫度顯示(帶輸出)集中控制儀表。②工藝指標控制要點,穩定的折光85%±0.5%、透光>50%指標;整個降溫過程降溫速度控制在1～1.5℃/h。③制度化監督管理濾網破損;結晶機內壁無結疤和定期清洗,維護降溫條件,結晶均勻的顆粒;每月抽檢1～2次結晶收率;做到有據可查、持續改進。

1.2.6 烘干過程(相對收率約為100%)

①設備選型,振動沸騰流化床——尾端冷風降溫段,配套尾氣旋流分離器和水噴淋回收器、旋振篩,顆粒粉碎機,組成無損耗的烘干裝置。②工藝指標控制要點,干燥段溫度75～80℃,出料溫度小于45℃,沸騰床上引風室保持微負壓。③監督管理包裝誤差;機內壁無結疤和定期清洗;無粉塵飛揚,當班清理衛生和現場;保持本過程無損耗。

1.2.7 總結過程(收率約為55%)

整個過程要善于總結,總收率是一個系統工程,作為生產管理目標值納入考核,總監管理到位,發現問題及時查清原因,跟蹤解決;維持總收率45%～50%的屬一般水平;維持總收率在50%～55%的屬中等水平;維持總收率在大于55%的屬先進水平。統計表明,系統總收率相差1%,工廠成本相差約500元,充分體現了同行、不同利的道理。

2 母液提取木糖技術研究

木糖在結晶過程中受濃縮、結晶、溫度、離心等條件的限制,不具備一次性將木糖全部結晶的條件,一般能達到質量比的53%～55%。在分離后的母液中含有55%～60%的木糖、15%～20%的葡萄糖、10%～15%的水、7%～9%的阿拉伯糖、4%～6%的半乳糖,這些糖若能單獨分離出來,各自都有極高的營養價值和藥用價值,然而受這幾種糖相對分子量差值小的限制,不易由一般的機械、物理方法進行分離。

2.1 聚合法提取方案

操作方法、工藝指標、配方由專利技術闡述。常規的設備條件,溫和的控制方法,30萬元以下的投入,3%的收率,每年獲利上百萬元。

2.2 冷媒法提取方案

操作方法、工藝指標、配比配方由專利技術闡述。常規設備條件,溫和控制方法,50萬元以下的投入,15%～20%的收率,每年獲利數百萬元。

木糖的提取技術,在部分企業達到隱蔽性的應用,技術已發展成熟。一個擁有副產2 000 t母液的木糖企業,每噸母液提取0.15 t,30%的運行費用,每年能產300 t木糖,相當于建設一個小型木糖廠,不需資源,不增加污染,是現階段木糖行業通過技術創新走循環經濟道路的有效途徑。

3 從母液回收乙(甲)醇技術研究

木糖行業普遍采用對成品木糖的乙醇(或甲醇)洗滌濾餅工序,乙醇每噸產品消耗乙醇80～150 kg,讓它隨母液出售僅體現了質量價值,若甲醇進入母液系統還存在著安全問題,而進入下一個焦糖色素工序后蒸發后無組織排放,牽涉到安全、污染和能源浪費;乙醇是國家現階段的能源補充和重要的精細化工原料,它的損失是對環境污染和企業經濟的重大損失。乙醇是低沸物,它與母液中各物質的分子量差別較大,容易用簡單的蒸發、冷凝措施實現回收,投資少、見效快,控制條件溫和易掌握。木糖企業實施乙醇回收能與母液提取木糖相結合,能使投資、操作、管理簡化,獲得更佳的經濟效益。

3.1 回收方案

3.1.1 一次母液粗乙醇回收方案

母液在冷媒工藝的加熱蒸發過程中,使用密閉容器,經專用管路收集將氣相的乙(甲)醇送至列管式冷凝器冷卻到30℃左右(冷凝器冷卻面積是加熱器加熱面積的2倍)使之液化,得到透明的液體,含量60%～80%的粗乙醇,收率60%～70%,這樣的乙醇與新購99.5%的乙醇混合后用于木糖洗滌效果良好,若要出售增加小型精餾裝置即可。

3.1.2 二次母液粗乙醇回收方案

母液經冷媒工藝的離心過程中,在使用乙醇清洗濾餅時一般用量較大,二次母液與洗液(通過擺動離心機下液管)應分管收集;蒸發器易采用換熱面積6 m2的中央循環管式蒸發器,上部密封,經專用管路收集將氣相的乙(甲)醇送至列管式冷凝器冷卻到30℃左右(冷凝器冷卻面積是加熱器加熱面積的2倍)使之液化,得到透明的液體,含60%～80%的粗乙醇,收率60%～70%,這樣的乙醇與新購99.5%的乙醇混合后用于木糖洗滌效果良好,若要出售可增加小型精餾裝置即可。

3.1.3 乙醇精餾設施

J-H小型乙醇精餾塔,由粗乙醇高位槽、流量計、預熱器、加熱室、填料塔、冷凝器、冷卻器組成;前工序回收來60%～80%的粗乙醇入高位槽,經流量計、進入預熱器進塔中部下淋與再沸器上升的乙醇蒸氣進行質的交換,低沸點的乙醇氣相上升,經塔頂冷凝器冷卻為液狀乙醇,一部分回流勻質,另一部分再冷卻至常溫即為99.5%的產品。J-HΦ400型乙醇精餾塔,304材質,成套投資約8萬元(含培訓技術),每小時精制乙醇80 kg,一個年需求300 t乙醇的木糖企業,能回收180 t,運行費用約為1 500元/t,每年回收乙醇獲利50萬元(或甲醇獲利27萬元)。J-H小型精餾塔還適應甲醇、三乙胺等有機溶劑的回收精制。

3.2 木糖母液副產焦糖色素方案

如果想在蒸發器中得到焦糖色素產品,當溫度大于90℃時,打開蒸發器上部放空閥,向蒸發器底部滴加一定量的氨水,并繼續升溫至125℃,恒溫1 h,降溫至60℃出釜,過濾后即得到焦糖色素產品,隨后包裝出售。

4 木糖收率提升技術發展方向

4.1 木糖與乙(甲)醇回收的綜合考慮

木糖企業單獨考慮采取濃縮母液去結晶或返回母液,是不科學、不經濟的,嚴重者將會導致主產品生產線的癱瘓,影響經濟效益。在木糖企業現階段暫無大量的開發資金針對色譜分離技術研究時,建議母液的應用從三方面考慮:①利用冷媒法提取15%～20%的木糖;②提取木糖的同時回收乙(甲)醇;③利用中央循環管式蒸發器回收乙(甲)醇的同時繼續濃縮生產出焦糖色素付產品,向市場出售。

4.2 膜脫色及濃縮裝置

木糖工業中,水解液是第一道工序的產品,它粗略的可以分為三類,一是大分子的雜質、鹽分和色素;二是中分子的木糖和其他糖;三是小分子的水。近年來,膜工業發展迅速,工業化應用廣泛,膜研究開發單位做了大量的工作,也取得了實質性進展,實踐了木糖工業從水解液的脫色——30%以下的濃縮。這些膜工業的成果,接近了木糖工業需求,在成為現有的工藝中脫色、一次交換、一次濃縮這些工序的取代方案后,會將木糖工業的清潔、文明、環保、節能、低成本運行推上一個新臺階。

4.3 連續的離子交換裝置

早在上世紀末,先進的工業化國家就針對需要大量陰、陽離子交換的裝置進行連續化運行研究,以減少人工操作對工藝造成的波動、能耗浪費和產品收率的損失。我國從1997年已向木糖行業推薦連續的離子交換裝置,但實際尚無應用。然而在我國的Vc行業,在工藝當中的樹脂用量比例也不比木糖工藝大,但近幾年來東北制藥、石藥集團、江山制藥、華北制藥等幾家藥廠堅持改革創新精神,嫁接使用了連續離子交換、膜過濾等新技術,使產業發生革命性變化,Vc企業由15年前的年產幾千噸規模提升為現今2萬t以上規模,中國的Vc由只占世界30%躍升為占世界70%份額,市場價格、企業利潤控制在中國企業協會手中。我們現今的木糖企業也要在應用這些技術方面有新舉措,它能改變我們手動間歇離子交換的繁瑣操作,提升技術含量,轉向規?；⒐澞?、環保低成本運行的道路。

4.4 母液色譜分離技術

經過提糖后的母液,組分為:木糖,37%～44%;葡萄糖,23%;阿拉伯糖,13%～19.5%;水分,11%;半乳糖,7.5%。其中阿拉伯糖、半乳糖有極高的營養價值和藥用價值,現有上海諾華賽、江南大學耗費了十多年研究,廈門某企業用母液開發系列產品獲得進展,使木糖企業的母液發揮其更廣泛的價值。

5 結論

通過以上研究,木糖企業還有更廣闊的發展空間,特別是母液中還有大量的木糖和葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖,它們有著縱深的藥用價值和很高的經濟效益,要及時根據新技術的成熟條件,由淺入深持續不斷的推進技術進步,擴大資源利用;通過優勢重組、整合資源、新技術應用、深化管理,在節能、降耗、清潔文明生產、低成本運行方面走在行業的前邊,帥先獲利;把污染、資源型轉變為技術含量高、清潔文明、節能環保及經濟效益型的現代化生產企業。

O626.3

A

1003-3467(2010)18-0023-04

2010-07-17

郝云龍(1959-),男,工程師,從事小化肥(甲醇)生產、技術和木糖(醇)的生產和科研工作,電話:13837373930。