關(guān)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(xiāng))生物制品有限公司,河南輝縣 453600;2.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北保定 071000)

關(guān)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(xiāng))生物制品有限公司,河南輝縣 453600;2.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北保定 071000)

分析了木糖企業(yè)普遍關(guān)注提高總收率的技術(shù)要點(diǎn),為新企業(yè)設(shè)計提供理念,為老企業(yè)革新改造、科學(xué)管理提供方案;提高木糖產(chǎn)量,回收乙醇,副產(chǎn)焦糖色素,實現(xiàn)企業(yè)發(fā)揮綜合經(jīng)濟(jì)效益和促進(jìn)我國木糖行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

木糖收率;回收乙醇;焦糖色素;節(jié)能降耗;綜合效益

1 木糖收率的研究

木糖的生產(chǎn)是一個復(fù)雜的過程,工藝流程長,反應(yīng)條件苛刻,首先一次結(jié)晶需要濃度、溫度、有機(jī)酸、無機(jī)酸必須達(dá)到控制指標(biāo),才能獲得一定的結(jié)晶收率;然而受現(xiàn)有條件下結(jié)晶、離心等條件的限制,不具備更高的一次性產(chǎn)品收率,一般情況下按水解后干糖相對成品的生產(chǎn)過程收率在45%～55%之間,這說明在生產(chǎn)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(xiàn)有裝置條件下的木糖生產(chǎn)企業(yè),系統(tǒng)收率或結(jié)晶收率直接影響著企業(yè)效益,按年產(chǎn)2 000 t的木糖企業(yè)統(tǒng)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(yè)的技術(shù)進(jìn)步、管理水平所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 常用工藝方案

1.2 木糖的過程收率、綜合設(shè)計和應(yīng)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(jù)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(chǎn)糖質(zhì)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(chǎn)糖量提高,擴(kuò)大產(chǎn)能。

1.2.2 脫色過程(相對收率>99%)

脫色過程,建議采用連續(xù)中和工藝,這個過程將大量的無機(jī)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(jī)械化的離心機(jī)將固形物分離出來,中和去掉的無機(jī)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(yīng)用粉狀活性炭脫色,在此基礎(chǔ)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(zhì)量,但為了方便操作,建議過濾設(shè)備采用碟片式旋轉(zhuǎn)過濾機(jī),排出廢炭含濕量低、糖損少,易操作、勞動強(qiáng)度低。

二次脫色建議也采用粉狀活性炭,碟片式旋轉(zhuǎn)過濾機(jī),能夠保證出液質(zhì)量和降低勞動強(qiáng)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(fù)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(zhì)量、糖損兩大控制要素;糖液凈化質(zhì)量從結(jié)晶收率上反映出來,糖損從低折光頂糖水、閥門組的內(nèi)漏中暴露出來。遵循上述原則設(shè)計工藝、設(shè)備為:

第一,設(shè)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(shè)備應(yīng)對低質(zhì)量的脫色液,以交換量保證過液量;小容積設(shè)備應(yīng)清洗、切換,避免樹脂結(jié)塊、偏流、生菌缺陷。建議設(shè)備材質(zhì)選擇機(jī)械纏繞的玻璃鋼設(shè)備,具有投資省、耐酸堿、免維護(hù)、環(huán)境美等優(yōu)點(diǎn)。

第二,樹脂從粗到細(xì);以陰離子樹脂為控制重點(diǎn)將一交、二交柱裝填大孔徑弱堿D301樹脂,三交裝填大孔強(qiáng)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(xiàn)了對一、二次脫色液大粒徑的有機(jī)物的吸附及解吸;D201樹脂以較強(qiáng)的鍵能對糖液中的有機(jī)物硅酸類物質(zhì)進(jìn)行吸附及再生解吸,使糖液達(dá)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(biāo)從寬到嚴(yán):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(zhì)量用水既滿足樹脂再生要求,又節(jié)省制離子水、純水所發(fā)生的成本和污染;建議:交換系統(tǒng)用水溫度,建議在35～45℃有利于樹脂的再生解吸。②糖液指標(biāo),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(biāo),一交陰柱以出液不漏酸(無機(jī)酸<0.01 g/L)為要求,盡量擴(kuò)大過液量,由后陽柱把關(guān)糖液鈣鎂指標(biāo)達(dá)到要求;二交陽柱仍控制濃縮后糖液鈣鎂指標(biāo),陰柱主要控制透光指標(biāo)>95%(波長420 nm);三交柱嚴(yán)格的指標(biāo)有pH值6.5～5.5,無機(jī)酸<0.001 mg/L,有機(jī)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(jī)酸,將導(dǎo)致糖膏黏度增大、結(jié)晶細(xì)小或不結(jié)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(nèi)漏損糖及串液。②每班糖液計量,明確責(zé)任,嚴(yán)格考核,消除誤操作造成的損糖。③二、三交換柱、管徑、儲存設(shè)備選擇較快的流速,不給生菌的機(jī)會。④二、三交換樹脂的沖洗水,給定1 g/m3的強(qiáng)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(zhì)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(fā)、濃縮過程(相對收率約為100%)

①設(shè)備選型:一蒸采用四效降膜蒸發(fā)器;二蒸采用三效降膜蒸發(fā)器;三蒸采用外盤管內(nèi)列管釜式強(qiáng)制攪拌蒸發(fā)器;是濃縮過程糖液質(zhì)量的保證。②工藝指標(biāo)控制要點(diǎn):因木糖屬熱敏性物質(zhì),蒸發(fā)溫度過高,將導(dǎo)致焦糖變質(zhì),整個蒸發(fā)過程首先控制真空度>-0.095 MPa以上,力求實現(xiàn)低溫蒸發(fā);三蒸溫度90～95℃,并停留在釜內(nèi)真空降溫、養(yǎng)晶到65℃,放料至結(jié)晶機(jī)。③一、二、三次蒸發(fā)均應(yīng)設(shè)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(jiān)督管理跑、冒、滴、漏,消除糖損對收率的影響。

1.2.5 結(jié)晶、離心過程(相對質(zhì)量收率約為55%)

①設(shè)備選型,6 m3結(jié)晶機(jī),變頻電機(jī)隨溫度變化可自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為0.5～5 r/min的臥式水冷卻結(jié)晶機(jī);離心機(jī)采用SS-800NA型,轉(zhuǎn)速提高到1 500 r/min,5、20目不銹鋼支撐網(wǎng),120目尼龍內(nèi)網(wǎng),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(biāo)控制要點(diǎn),穩(wěn)定的折光85%±0.5%、透光>50%指標(biāo);整個降溫過程降溫速度控制在1～1.5℃/h。③制度化監(jiān)督管理濾網(wǎng)破損;結(jié)晶機(jī)內(nèi)壁無結(jié)疤和定期清洗,維護(hù)降溫條件,結(jié)晶均勻的顆粒;每月抽檢1～2次結(jié)晶收率;做到有據(jù)可查、持續(xù)改進(jìn)。

1.2.6 烘干過程(相對收率約為100%)

①設(shè)備選型,振動沸騰流化床——尾端冷風(fēng)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(jī),組成無損耗的烘干裝置。②工藝指標(biāo)控制要點(diǎn),干燥段溫度75～80℃,出料溫度小于45℃,沸騰床上引風(fēng)室保持微負(fù)壓。③監(jiān)督管理包裝誤差;機(jī)內(nèi)壁無結(jié)疤和定期清洗;無粉塵飛揚(yáng),當(dāng)班清理衛(wèi)生和現(xiàn)場;保持本過程無損耗。

1.2.7 總結(jié)過程(收率約為55%)

整個過程要善于總結(jié),總收率是一個系統(tǒng)工程,作為生產(chǎn)管理目標(biāo)值納入考核,總監(jiān)管理到位,發(fā)現(xiàn)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(jìn)水平。統(tǒng)計表明,系統(tǒng)總收率相差1%,工廠成本相差約500元,充分體現(xiàn)了同行、不同利的道理。

2 母液提取木糖技術(shù)研究

木糖在結(jié)晶過程中受濃縮、結(jié)晶、溫度、離心等條件的限制,不具備一次性將木糖全部結(jié)晶的條件,一般能達(dá)到質(zhì)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(dú)分離出來,各自都有極高的營養(yǎng)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(jī)械、物理方法進(jìn)行分離。

2.1 聚合法提取方案

操作方法、工藝指標(biāo)、配方由專利技術(shù)闡述。常規(guī)的設(shè)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(biāo)、配比配方由專利技術(shù)闡述。常規(guī)設(shè)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(shù)百萬元。

木糖的提取技術(shù),在部分企業(yè)達(dá)到隱蔽性的應(yīng)用,技術(shù)已發(fā)展成熟。一個擁有副產(chǎn)2 000 t母液的木糖企業(yè),每噸母液提取0.15 t,30%的運(yùn)行費(fèi)用,每年能產(chǎn)300 t木糖,相當(dāng)于建設(shè)一個小型木糖廠,不需資源,不增加污染,是現(xiàn)階段木糖行業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新走循環(huán)經(jīng)濟(jì)道路的有效途徑。

3 從母液回收乙(甲)醇技術(shù)研究

木糖行業(yè)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(chǎn)品消耗乙醇80～150 kg,讓它隨母液出售僅體現(xiàn)了質(zhì)量價值,若甲醇進(jìn)入母液系統(tǒng)還存在著安全問題,而進(jìn)入下一個焦糖色素工序后蒸發(fā)后無組織排放,牽涉到安全、污染和能源浪費(fèi);乙醇是國家現(xiàn)階段的能源補(bǔ)充和重要的精細(xì)化工原料,它的損失是對環(huán)境污染和企業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大損失。乙醇是低沸物,它與母液中各物質(zhì)的分子量差別較大,容易用簡單的蒸發(fā)、冷凝措施實現(xiàn)回收,投資少、見效快,控制條件溫和易掌握。木糖企業(yè)實施乙醇回收能與母液提取木糖相結(jié)合,能使投資、操作、管理簡化,獲得更佳的經(jīng)濟(jì)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(fā)過程中,使用密閉容器,經(jīng)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(jīng)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(jī)下液管)應(yīng)分管收集;蒸發(fā)器易采用換熱面積6 m2的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,上部密封,經(jīng)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(shè)施

J-H小型乙醇精餾塔,由粗乙醇高位槽、流量計、預(yù)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(jīng)流量計、進(jìn)入預(yù)熱器進(jìn)塔中部下淋與再沸器上升的乙醇蒸氣進(jìn)行質(zhì)的交換,低沸點(diǎn)的乙醇?xì)庀嗌仙?經(jīng)塔頂冷凝器冷卻為液狀乙醇,一部分回流勻質(zhì),另一部分再冷卻至常溫即為99.5%的產(chǎn)品。J-HΦ400型乙醇精餾塔,304材質(zhì),成套投資約8萬元(含培訓(xùn)技術(shù)),每小時精制乙醇80 kg,一個年需求300 t乙醇的木糖企業(yè),能回收180 t,運(yùn)行費(fèi)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(yīng)甲醇、三乙胺等有機(jī)溶劑的回收精制。

3.2 木糖母液副產(chǎn)焦糖色素方案

如果想在蒸發(fā)器中得到焦糖色素產(chǎn)品,當(dāng)溫度大于90℃時,打開蒸發(fā)器上部放空閥,向蒸發(fā)器底部滴加一定量的氨水,并繼續(xù)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(chǎn)品,隨后包裝出售。

4 木糖收率提升技術(shù)發(fā)展方向

4.1 木糖與乙(甲)醇回收的綜合考慮

木糖企業(yè)單獨(dú)考慮采取濃縮母液去結(jié)晶或返回母液,是不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)的,嚴(yán)重者將會導(dǎo)致主產(chǎn)品生產(chǎn)線的癱瘓,影響經(jīng)濟(jì)效益。在木糖企業(yè)現(xiàn)階段暫無大量的開發(fā)資金針對色譜分離技術(shù)研究時,建議母液的應(yīng)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(huán)管式蒸發(fā)器回收乙(甲)醇的同時繼續(xù)濃縮生產(chǎn)出焦糖色素付產(chǎn)品,向市場出售。

4.2 膜脫色及濃縮裝置

木糖工業(yè)中,水解液是第一道工序的產(chǎn)品,它粗略的可以分為三類,一是大分子的雜質(zhì)、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(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)化應(yīng)用廣泛,膜研究開發(fā)單位做了大量的工作,也取得了實質(zhì)性進(jìn)展,實踐了木糖工業(yè)從水解液的脫色——30%以下的濃縮。這些膜工業(yè)的成果,接近了木糖工業(yè)需求,在成為現(xiàn)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(yè)的清潔、文明、環(huán)保、節(jié)能、低成本運(yùn)行推上一個新臺階。

4.3 連續(xù)的離子交換裝置

早在上世紀(jì)末,先進(jìn)的工業(yè)化國家就針對需要大量陰、陽離子交換的裝置進(jìn)行連續(xù)化運(yùn)行研究,以減少人工操作對工藝造成的波動、能耗浪費(fèi)和產(chǎn)品收率的損失。我國從1997年已向木糖行業(yè)推薦連續(xù)的離子交換裝置,但實際尚無應(yīng)用。然而在我國的Vc行業(yè),在工藝當(dāng)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(tuán)、江山制藥、華北制藥等幾家藥廠堅持改革創(chuàng)新精神,嫁接使用了連續(xù)離子交換、膜過濾等新技術(shù),使產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變化,Vc企業(yè)由15年前的年產(chǎn)幾千噸規(guī)模提升為現(xiàn)今2萬t以上規(guī)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(yè)利潤控制在中國企業(yè)協(xié)會手中。我們現(xiàn)今的木糖企業(yè)也要在應(yīng)用這些技術(shù)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(shù)含量,轉(zhuǎn)向規(guī)?；⒐?jié)能、環(huán)保低成本運(yùn)行的道路。

4.4 母液色譜分離技術(shù)

經(jīng)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(yǎng)價值和藥用價值,現(xiàn)有上海諾華賽、江南大學(xué)耗費(fèi)了十多年研究,廈門某企業(yè)用母液開發(fā)系列產(chǎn)品獲得進(jìn)展,使木糖企業(yè)的母液發(fā)揮其更廣泛的價值。

5 結(jié)論

通過以上研究,木糖企業(yè)還有更廣闊的發(fā)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(jīng)濟(jì)效益,要及時根據(jù)新技術(shù)的成熟條件,由淺入深持續(xù)不斷的推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步,擴(kuò)大資源利用;通過優(yōu)勢重組、整合資源、新技術(shù)應(yīng)用、深化管理,在節(jié)能、降耗、清潔文明生產(chǎn)、低成本運(yùn)行方面走在行業(yè)的前邊,帥先獲利;把污染、資源型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)含量高、清潔文明、節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益型的現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)。

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(chǎn)、技術(shù)和木糖(醇)的生產(chǎn)和科研工作,電話:13837373930。