林產(chǎn)化工的植物原料水解工藝
化學(xué)先生 / 2019-07-20
林產(chǎn)化工植物原料在催化劑的作用下發(fā)生水解，所采用的催化劑主要有硫酸、鹽酸磷酸、醋酸、強(qiáng)酸弱堿鹽和生物酶。水解工藝主要有滲濾法水解工藝、纖維素酶水解工藝、濃酸水解工藝、高溫水解工藝等，目前應(yīng)用最廣的是滲濾法水解工藝。
一、滲濾法水解工藝原理
為了提高水解單糖的得率,減少水解過程中單糖的轉(zhuǎn)變分解，將一次性水解設(shè)計(jì)為多段水解，從而控制單糖在水解液中的停留時(shí)間,減少了單糖的轉(zhuǎn)變分解。
在多段水解過程中，植物原料中加入蒸煮酸后，進(jìn)行水解，當(dāng)水解液中單糖含量仍處于不斷增加時(shí)，便放出水解液。再加入第二批、第三批蒸煮酸進(jìn)行水解，般重復(fù)進(jìn)行3~5批。多批水解
可以增加單糖得率。一般地，二批水解的單糖得率為原料的27%山28% .4批水解的單糖得率為原料的33% ~ 34%。滲濾法水解工藝是在階段法水解的基礎(chǔ)上改進(jìn)的,滲濾法水解過程中，酸液的加入和水解液的排出是連續(xù)進(jìn)行的,這樣便于工業(yè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
二、滲濾法水解工藝流程
在滲濾法水解過程中，水解釜上部酸解水混合器不斷地供給高溫蒸煮酸,高溫蒸煮酸流經(jīng)已預(yù)熱的植物料層，使植物的高聚糖水解成單糖，所得單糖隨液流從水解釜下部的過濾管排出。滲濾參數(shù)因生產(chǎn)產(chǎn)品的不同而有差異，如植物原料水解生產(chǎn)酵母時(shí)滲濾條件是:滲濾時(shí)間100min, 硫酸濃度0.5% ~0. 6%，壓力0.9MPa,溫度180C,排液液比11.5。170~ 180C的水解液從水解釜排出后直接送人自蒸發(fā)系統(tǒng)，在自蒸發(fā)系統(tǒng)中，高溫水解液冷卻到90~ 1029C，水解液自蒸發(fā)時(shí)，揮發(fā)性雜質(zhì)進(jìn)入氣相,這樣提高水解液的純度。進(jìn)入氣相的有機(jī)物主要是糠醛，氣相物冷卻后,糠醛濃度可達(dá)0.30% ~0.35%。
水解后的殘留物主要是木質(zhì)素，經(jīng)分離后，木質(zhì)素得率可達(dá)原料的35%~37%。1t絕干原料經(jīng)滲濾水解可得450~460kg的糖，即糖的得率為原料的45% ~ 46%，硫酸消耗為原料的6% ~ 10%。
滲濾法水解工藝的主要操作工序有:原料裝鍋、水解釜升壓水解滲濾、洗滌、壓干和排木質(zhì)素。從投料至水解完成，大約需200~250min,各主要工序所占的時(shí)間分別為:裝料需30 ~ 40min;水解釜升壓至0.5~ 0.9MPa,需30~ 50min;在0.7~ 0.9MPa壓力、180C左右的溫度下進(jìn)行滲濾，需80~ 100min, 洗滌需10min 左右;產(chǎn)品壓干需30min左右;排木質(zhì)素需10min左右。
三、影響植物原料水解的主要因素
植物原料的水解過程是-個(gè)復(fù)雜的過程，發(fā)生一系列的化學(xué)的、物理的或物理化學(xué)的變化，影響因素很多，總體而言,對(duì)單糖得率影響最明顯的因素有水解酸的浸漬及單糖的擴(kuò)散過程、流體的動(dòng)力學(xué)因素和水解液比。
1.水解酸液的浸漬及單糖的擴(kuò)散過程對(duì)水解的影響
水解酸液對(duì)植物原料的浸漬和水解單糖的排出，是靠溶液的擴(kuò)散作用和植物組織的毛細(xì)管作用進(jìn)行的。擴(kuò)散作用與水解酸液的濃度梯度、單糖的濃度差、原料顆粒的比表面積有關(guān)。毛細(xì)管作用與原料的濕度有關(guān)，干原料浸透快,濕原料浸透慢。單糖的滲出符合菲克擴(kuò)散定律，單糖的擴(kuò)散速度與纖維的擴(kuò)散方向和原料的空隙度有關(guān),沿植物纖維縱向擴(kuò)散為其橫向擴(kuò)散的2~2.5倍。由于單糖從大塊植物料層擴(kuò)散出來(lái)比較慢，單糖的損失量可達(dá)到10%。不合理的浸漬和大塊的原料會(huì)使單糖得率降低，為防止不完全擴(kuò)散所造成的單糖損失，應(yīng)適當(dāng)降低水解溫度和增加滲濾時(shí)間。
2.滲濾時(shí)間對(duì)水解的影響
在滲濾水解中，滲濾時(shí)間與水解釜中貯液量成正比，與水解液的滲濾速度成反比。滲濾水解時(shí)，液體的液位應(yīng)嚴(yán)格地適用于水解釜中的料位。液體貯量低于料位時(shí)，會(huì)使從水解原料擴(kuò)散帶出單糖的條件變壞,增加單糖在反應(yīng)區(qū)停留的時(shí)間，引起單糖的分解率升高。隨著水解的進(jìn)行，原料組分的溶解脫落導(dǎo)致原料的體積逐漸縮小，相應(yīng)的水解簽中的貯液量也減少。所以在每個(gè)水解周期中要及時(shí)調(diào)節(jié)水解釜中的貯液量。
通過改變滲濾速度來(lái)調(diào)節(jié)滲濾時(shí)間。通過提高水解釜的壓力來(lái)加快滲濾速度是十分有限的,主要是隨著壓力的升高,過濾層被壓實(shí)，原料層的阻力增加，同時(shí)由于靠近過濾裝置的木質(zhì)素被壓實(shí)，其濾孔自由截面積縮小，所以提高滲濾速度變得困難。原料層的細(xì)粉含量使得原料層的流體阻力增加,降低滲濾速度。同樣，水解原料過濾層中液體自沸也會(huì)降低滲濾速度。
3.水解液比對(duì)水解過程的影響
水解液比，即水解液引出液比，指引出水解液(m2)與裝釜絕干原料量(t)之比。水解液比視原料情況和反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整，主要是由于原料的灰分影響介質(zhì)的酸度，從而影響水解速度和單糖的得率。
木材原料的灰分含量較低，般小于1%，而農(nóng)作物加工剩余物的灰分含量較高,為5% ~ 10% ,并且其中能與酸反應(yīng)的活性灰分達(dá)到了總灰分的30% ~ 60%，所以就得考慮灰分的影響。
在高液比的條件下操作,有大量的酸過剩，灰分對(duì)介質(zhì)酸性的影響較小，當(dāng)液比低于10~ 12時(shí),灰分的中和作用就明顯了,中和作用的結(jié)果是導(dǎo)致水解液的酸度下降,水解速度降低。
水解產(chǎn)物的稀釋也會(huì)影響水解液的酸度變化，對(duì)于小液比水解工藝,這種變化是不容忽視的?？礻?yáng)種
4.其他影響因素
在設(shè)置植物水解加工廠時(shí)，以下幾點(diǎn)是要注意的:
①要考慮原材料的密集程度、可供數(shù)量和工藝性質(zhì)等因素。
②在選擇木材水解原料時(shí)，要控制樹皮的用量，因?yàn)闃淦さ奶呛康?并使水解液的過濾性能變差。
③原材料在貯存時(shí)，由于腐朽而降低糖含量，使水解液的質(zhì)量下降,所以要控制原材料中的腐朽量。
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