木糖生产技术.doc

木糖生产工艺　一、工 艺 原 理 　　玉米芯制取木糖（D－木糖）的工艺过程可 以分成三大部分：水解、精制和提取 　　水解是将玉米芯中含有的戊聚糖通过硫酸催化水解得到单分 子戊糖水解液，其中的戊糖主要是木糖 　　精制是为了去除水解液中含有的固体悬浮物、有机有色物质、硫酸催化剂、胶粘性物质及灰分等杂质，得到比较纯净的戊糖水溶液 　　提取是通过浓缩和结晶的办法使木糖以晶体形式从水溶液中析出并同时与其它戊糖分离，与从而得到髙纯度的结晶木糖成品　　1、 玉米芯水解：植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素、木质素和灰分组成其中的半纤维素为植物细胞壁聚糖，构成半纤维素聚糖链的单糖主要是：木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、岩澡糖和鼠李糖等 　　木糖为自然界存在量最大的五碳糖（戊糖），戊糖分戊醛糖和戊酮糖已知自然界存在的戊醛糖有D－木糖、D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖、L－来苏糖和D－核糖共五种；已知自然界存在的戊酮糖有D－赤藓戊酮糖、D－苏阿戊酮糖、L－苏阿戊酮糖共三种 　　葡萄糖为自然界存在量最大的六碳糖（己糖），己糖分己醛糖和己酮糖。

已知自然界存在的己醛糖有D－葡萄糖、D－半乳糖、L－半乳糖、D－甘露糖和D－太罗糖共五种；已知自然界存在的己酮糖有D－果糖、D－阿洛酮糖、L－山梨糖和D－塔格糖共四种 　　能够用于提取木糖的植物纤维原料必须满足两个要求：半纤维素含量较高且半纤维素聚糖链的单糖以木糖为主 　　目前已经实现工业化生产木糖所使用的植物纤维原料有玉米芯、甘蔗渣和桦树造纸废液，其中以玉米芯为最佳在我国只有玉米芯和甘蔗渣两种原料 　　玉米芯的大约组成为纤维素35％，半纤维素39%，木质素 19％，灰分2％，其它5％玉米芯所含半纤维素中聚糖链的单糖以木糖为主，占80％以上，其次为阿拉伯糖，占10％左右，木糖和阿拉伯糖相加占95％以上，其余为其它单糖所以玉米芯适合用来提取木糖 　　玉米芯的物理结构包含蜂窝状外层，白色环形块状中层和絮状内层其主要质量在白色环形块状中层上，也即是生产木糖的主要部分红色玉米芯的白色环形块状中层通常比白色玉米芯要厚实，所以红色玉米芯往往产糖率较高 　　玉米芯浸泡在稀硫酸水溶液中，升温到128～130℃（对应饱和蒸汽压力0.16～0.18MPa），其中的半纤维素得以水解，得到以木糖为主的水解液硫酸为水解反应催化剂，也可以用盐酸作为催化剂，但由于盐酸对设备腐蚀性太强，所以很少企业采用盐酸作催化剂。

水解后，浸泡液与玉米芯残渣分离得到水解液，得到的水解液中硫酸含量在0.65～0.75％之间是比较合适的 　　由于水解在高温下维持两小时半，不少水解得到的单糖分解成小分子有色物质或焦化成大分子有色物质，所以得到的水解液颜色较深，呈浅棕红色水解液中大部分有色物质为水解过程产生而非由玉米芯原料带入，所以红色玉米芯与白色玉米芯所产水解液的颜色深浅基本一致 2、水解液精制：玉米芯水解后得到的水解液中含有大量的非糖类杂质，主要有固体悬浮物（玉米芯碎屑或夹带物）、硫酸（水解过程添加的催化剂）、有机酸（有机物在高温水解过程的分解产物）、有机有色杂质（有机物在高温水解过程的焦化合成产物或分解产物）、有机大分子胶粘性物质（超大分子有机物不完全水解产物）和灰分（溶解在酸性水解液中的无机盐类杂质） 　　水解液中含有的非糖类杂质必需去除才能得到纯净的糖溶液，非糖类杂质的存在不但影响最终产品的质量，还有可能影响木糖的结晶过程，甚至造成木糖不能顺利从糖浆中结晶出来或者晶形很差除去水解液中含有的非糖类杂质的过程就是水解液的精制过程，或者叫净化过程 　　精制水解液的主要方法有：闪蒸、过滤、中和、活性炭脱色、真空蒸发和离子交换等。

　　1、闪蒸：闪蒸是利用高温水解液自身含有的显热，通过抽真空降低水解液的沸点，水解液中一部分水蒸发出去闪蒸过程水解液的显热变成水蒸气的潜热，水解液温度下降1吨糖液温度每下降10℃，约可以蒸发出去18公斤水 闪蒸本来是为了节能而采用的，但水解液闪蒸时其中一部分挥发性强的有机酸也随水蒸气蒸发而出，因而也对水解液有精制作用　　 2、过滤：过滤是最常用的固液分离方法糖液通过过滤设备时，糖液中的固体悬浮物因粒径较大，无法通过过滤介质中的细微孔道被截留而糖液中的糖类分子和水分子粒径都较小，能够通过过滤介质中的细微孔道，从而使糖液与固体悬浮物分离，糖液得到精制木糖行业常用的过滤设备为板框压滤机，其过滤介质为纤维编织滤布 　　3、中和：中和是利用钙盐与硫酸反应生成硫酸钙，硫酸钙因溶解度较低易形成沉淀通过过滤除去，从而达到去除水解液中部分硫酸的目的中和过程在除去硫酸的同时给水解液带入了少量的钙，所以合理控制中和终点很重要，过度的中和会由于大量钙的带入而得不偿失 　　中和常用钙盐有两种，一种是碳酸钙（即轻质碳酸钙粉末，俗称轻钙粉），另一种是氢氧化钙（即消化石灰粉，俗称灰钙粉）采用碳酸钙的优点是轻钙粉中的钙盐纯度较髙（99％以上），中和后带入糖液中的杂质离子少；缺点是价格较高，且在中和过程产生大量的泡沫。

采用氢氧化钙的优点是灰钙粉的价格较低，且中和过程不产生泡沫；缺点是灰钙粉的钙盐纯度低（95％左右），中和后带入糖液中的杂质离子较多综合比较，建议采用碳酸钙作为中和剂 　　4、脱色：脱色是利用粉末活性炭拥有的巨大活性表面吸附杂质（主要是有机杂质）和色素（即有机有色杂质），然后通过过滤将吸附的杂质连同活性炭一并去除，达到糖液精制的目的活性炭吸附杂质的过程属物理吸附，活性炭吸附有机物的能力远大于吸附无机盐类，吸附大分子有机色素的能力远大于吸附小分子有机色素的能力 　　市售的粉末活性炭根据其制造方法分为氯化锌炭和磷酸炭，氯化锌炭制造是以氯化锌为成孔剂，磷酸炭则以硫酸为成孔剂氯化锌炭灰分较低，且孔道多而活性表面较大，脱色能力也较强磷酸炭则灰分较髙，且活性表面积较小，脱色能力也较弱磷酸炭还存在假脱色问题，即脱色后糖液透光检测合格，实际色素脱除率不够，因为磷酸有漂白作用木糖行业脱色宜采用氯化锌炭而不能采用磷酸炭 　　生产活性炭的原料有木屑（木材加工过程产生的锯末）、果壳和甘蔗渣等，大部分是以木屑为原料市场上还有回收炭出售，是从各企业回收的废旧活性炭经碱洗再生而得，脱色力较低，价格非常便宜，但使用风险较大（可能带不知名有毒有害物质），不适合木糖行业使用。

市场上还有一种颗粒状活性炭，可装在脱色柱内反复使用，每次失效后通过碱洗恢复脱色效率颗粒活性炭的脱色力在反复使用过程中逐渐下降，无法长期保证脱色液质量，木糖行业一般将其用于最终净化糖液提质用途，而不用于前期脱色负荷较大的脱色工序 　　木糖生产中由于水解液颜色较深，生产1吨木糖活性炭消耗量在120～150Kg之间，不应寄希望一次脱色过程就能达到脱色要求，宜采用多次脱色，且每次脱色操作都应采用半逆流脱色以多次并彻底利用活性炭的脱色力，从而达到省炭的目的 　　5、真空蒸发：真空蒸发是利用糖液在真空下沸点降低特性，使糖液在较低的温度下完成蒸发水分的过程蒸发过程需要蒸汽连续对糖液加热以提供水转化成水蒸气所需蒸发潜热多效真空蒸发是利用糖液在越高真空下沸点越低的特性，通过真空泵对蒸发系统抽真空使蒸发各效真空度逐效升高，也即蒸发各效蒸发温度（沸点）逐效降低，这样只有一效需要使用生蒸汽，其余各效则采用各自的前一效蒸发出来的水蒸气（俗称二次蒸汽）作为加热热源，从而达到节约新鲜蒸汽的目的 现在木糖行业一次和二次蒸发大多采用新型高效的降膜蒸发器，糖液以薄膜的形式流过加热管的表面，短时间的接触即可完成蒸发所需的换热量。

木糖的三次蒸发由于糖液浓度较高，沸点升高（比相同真空度下的水的沸点高出的温度）较大，一般采用单效蒸发，常用单效标准蒸发器或单效降膜蒸发器用单效标准蒸发器的优点是最终浓缩浓度和自然起晶好控制，缺点是在高温下停留的时间较长；单效降膜蒸发器的优缺点正好与单效标准蒸发器相反 糖液通过蒸发后，其中一部分水分被蒸发出去，糖液得到浓缩，糖浓度上升，糖液体积减少，降低了后序工序需要处理糖液的体积糖液蒸发的主要目的是浓缩，但糖液在蒸发的同时，糖液中的一部分易挥发有机物（部分有机酸及醛类）也被蒸发除去，所以蒸发过程除了浓缩糖液外，也起了精制糖液的作用 　　6、离子交换：离子交换分阳离子交换和阴离子交换，阳离子交换是利用阳离子交换树脂提供氢离子（H＋）与糖液中的钙（Ca2＋）、镁（Mg2＋）和钠（Na＋）等杂质阳离子进行交换，树脂上的氢离子进入糖液中，糖液中的杂质阳离子则被吸附在树脂上；阴离子交换是利用阴离子交换树脂提供氢氧根离子（OH－）与糖液中的硫酸根（SO42－）、氯根（Cl－）和有机酸根等杂质阴离子进行交换，树脂上的氢氧根离子进入糖液中，糖液中的杂质阴离子则被吸附在树脂上糖液通过阳离子交换和阴离子交换后，糖液中的杂质阳离子和杂质阴离子都被吸附到离子交换树脂上被去除，这些杂质离子为糖液中硫酸、有机酸和灰分等杂质的组成部分。

从树脂上交换入糖液的氢离子和氢氧根离子则结合为水 　　离子交换常用设备为离子交换柱，充填阳离子交换树脂的称为阳离子交换柱，充填阴离子交换树脂的则称为阴离子交换柱木糖行业采用的离子交换柱有敞口的常压柱，也有密闭的压力柱，敞口柱树脂损耗小且便于观察但再生冲洗慢；密闭柱再生冲洗快但树脂损耗相对较大，特别是一次交换柱因再生较为频繁显得更加突出 　　比较适合木糖行业使用的阳离子交换树脂牌号是001×7，为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，出厂为钠型，交换容量为4.5Mmol/g；比较适合木糖行业使用的阴离子交换树脂牌号是D201和D301，分别为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，交换容量分别为3.7和4.8 Mmol/gD301由于抗污染能力较强适合用在木糖的一次交换和二次交换，D201则适合用在木糖的三次交换 　　离子交换树脂除了能够提供可交换的离子，还能通过物理吸附作用吸附一些有机杂质，特别是小分子的有机有色物质，很难被活性炭吸附，但很容易被离子交换树脂吸附所以离子交换是糖液精制处理最重要的方法 　　玉米芯水解液中含有的非糖类杂质，其中固体悬浮物通过过滤去除、硫酸通过中和和离子交换去除、有机酸通过离子交换和蒸发去除、有机有色杂质通过活性炭脱色和离子交换去除、有机大分子胶粘性物质通过活性炭脱色去除和灰分通过离子交换去除。

水解液通过闪蒸、过滤、中和、活性炭脱色、真空蒸发和离子交换等组合精制措施处理后，其中的非糖杂质基本被除去，得到纯度较高的木糖净化液 　　三、结晶木糖提取： 　　水解液经过净化后，绝大部分非糖杂质被去除，得到了洁净的木糖溶液但其中尚含有葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、核糖和赤藓戊酮糖等木糖的结晶一是将木糖以结晶体的形式从糖液中提取出来得到便于销售的固体产品，二是木糖进一步与杂糖分离，得到纯净的木糖产品结晶木糖的提取是制造木糖的最终工序，包括浓缩、结晶、离心分离、干燥和包装五个步骤 　　1、浓缩：浓缩是为结晶创造必要条件，糖液通过浓缩提高浓度，也就提高了单位水里溶解的木糖量 　　经过净化以后的木糖溶液浓度在12～16％之间，需要浓缩到81～83％，浓缩倍数在5～7之间由于浓缩倍数较大且最终出料浓度较高，若采用一套多效蒸发器一步到位浓缩，末效的流量将会与一效差距过大对蒸发器运行不利，而且髙浓度糖液的沸点升高很多，将导致一效温度髙企对糖造成危害所以净化后糖液的浓缩一般采用两段进行，第一段采用多效（三效或四效）降膜蒸发器将糖液浓缩到55～60％，第二段再通过单效蒸发器将糖液由55～60％浓缩到81～83％。

　　第二段浓缩采用的蒸发器一般有两种，一种是中央降液循环列管式蒸发器，俗称标准式蒸发器，属周期性操作间歇式蒸发。