电渗析在木糖纯化过程中的应用研究

徐小荣 吴限智 张扬

摘 要：在现有的木糖水解液经过超滤、离子交换纯化工艺中，植入技术优化后的三级电渗析膜分离技术，达到节约水、减少木糖工艺耗损，减小离子交换工序的负荷，延长其生产周期，获得品质稳定优良的木糖。

关键词：电渗析;木糖纯化;超滤;离子交换

半纤维素存在于植物原料中，为了研究其结构，需要先将半纤维素分离提取出來。由于植物中含有多种化学组分，主要组分还有木质素与纤维素，且它们之间还存在有化学键，所以其分离过程是较为复杂的，在分离的过程中，应该尽可能将半纤维素分离出来，且要减少半纤维素的发生化学变化。

在国内目前木糖的制作工艺基本上是以玉米芯为主，玉米芯在自然界是木糖含量最高的原料，但还是需要8t左右玉米芯才能生产1t木糖，并会产生大量的废渣以及水电气等能源消耗。

而纤维行业采用碱提法提取木浆中的纤维素，剩下的半纤维废碱液基本上没有利用价值而被当做废物废弃并污染环境，由于该半纤维废液含有部分碱液，造成传统的玉米芯水解法无法使用碳酸钙沉淀这部分离子，所以采用电渗析法来对水解后的半纤液进行处理，使其内部的离子大量被分离出，使得半纤维素废碱液1.9t左右半纤就能生成1t木糖，从而使利用半纤维碱液生产木糖具有明显的经济优势及环保优势。

1 电渗析纯化木糖工艺技术

1.1 半纤水解液物料性质

以半纤维素原料，经硫酸水解后，采用现有成熟技术进行过滤、脱色、超滤等前处理后的半纤维素水解液。其中，在所述半纤维素水解液中，木糖含量为70～90g/l，硫酸钠含量20～22g/l，硫酸含量20～25g/l。

1.2 木糖水解液净化配套工艺技术

半纤维经水解后，水解木糖液通过预处理工艺超滤，再进入电渗析，最后组合后处理工序离子交换完成纯化。根据超滤后水解液品质情况，结合离子交换的设计按照以下工艺过程进行木糖纯化处理。

水解木糖液→超滤→三级电渗析→离子交换→浓缩结晶干燥包装→木糖产品

2 电渗析技术在木糖行业的应用

2.1 电渗析原理

电渗析原理

在外加直流电场作用下，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶液中阴、阳离子发生离子迁移，分别通过阴、阳离子交换膜而达到除盐或浓缩，在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。

2.2 木糖行业对电渗析的需求

木糖水解液的除去较大颗粒杂质及生产过程中产生的电解质的过程，就是木糖的纯化。纯化工艺在整个水解法制取木糖的生产中起到关键重要的作用，它直接影响木糖的产品质量与成本，常规的纯化工艺采用的是超滤加离子交换组合的纯化工艺，这样的工艺其生产运行成本高，产品有较多电解质残留，产品品质得不到有效保障。

在常规的木糖水解液经过超滤、离子交换纯化工艺中，植入技术优化后的三级电渗析膜分离技术，简称电渗析纯化工艺技术，工艺流优化、自动程度高，吨糖耗用水量下降65%。三级电渗析法纯化木糖，在超滤与离子交换工序间首次增加了适应木糖纯化的三级电渗析，根本上减少纯化过程中水耗量，从水耗量200m3水/t木糖降到60～70m3水/t木糖，延长离子交换工序离子交换柱的有效实用周期一倍。

2.3 三级电渗析进料工艺参数及其物料参数

三级电渗析分为一级电渗析系统（一级高盐液、一级高糖液）;二级电渗析系统（二级高盐液、二级高糖液）;三级电渗析系统（三级高盐液、三级高糖液）

2.3.1 第一级电渗析

将半纤维素水解液通入至第一级电渗析系统，且通入第二级高盐液（电渗析系统首次使用时，通入除盐水。当电渗析系统正常运行时，即第二级电渗析系统产生出料流量为17m3/h的第二级高盐液，停止通入除盐水，转为通入第二级高盐液），经电渗析膜作用，得第一级高糖液和第一级高盐液;

半纤维素水解液进料流量为40m3/h，第二级高盐液进料流量为17m3/h;电压为150V，电流为100A，温度为45℃;第一级高盐液出料流量为17m3/h，第一级高糖液出料流量为40m3/h;

2.3.2 第二级电渗析

将经一级电渗析系统所得的第一级高糖液通入至第二级电渗析系统，且通入除盐水，经电渗析膜作用，得第二级高糖液和第二级高盐液;

第一级高糖液进料流量为40m3/h，除盐水进料流量为17m3/h;电压为150V，电流为100A，温度为45℃;第二级高盐液出料流量为17m3/h，第二级高糖液出料流量为40m3/h;

2.3.3 第三级电渗析

将二级电渗析系统所得的第二级高糖液通入至第三级电渗析系统，且通入除盐水，经电渗析膜作用，得第三级高糖液和第三级高盐液;第二级高糖液进料流量为40m3/h，除盐水进料流量为17m3/h;电压为150V，电流为85A，温度为45℃;第三级高盐液出料流量为17m3/h，第三级高糖液出料流量为40m3/h。

2.3.4后处理

将第三级高盐液进行浓缩及脱盐后，其指标见表4、表5 然后将料液注入至离子交换柱中可得去离子糖溶液。

由表4、5可知糖溶液经过电渗析后，糖分的组分与含量变化较小，溶液中的离子电导由进入前的161800 us/cm左右降低至3000 us/cm左右，大幅度降低了溶液中的离子，使得后续使用离子交换树脂处理溶液变得可能，从而解决了利用纤维行业的废半纤维素制作木糖的难题，并在实际应用中得以实现。

2.4 电渗析稳定运行

三级电渗析应用于半纤维素水解液的脱盐、脱酸，进而达到对木糖溶液的除杂、纯化目的，在工厂经过两年稳定运行，指标稳定，适用于大规模生产应用。

3 结语

电渗析在木糖行业的应用不仅仅提高木糖质量及生产效率，减少跑糖量，提高经济效益，同时，比起传统的玉米芯制作木糖行业减少了大量的玉米芯固体废物，减少了大量水电气的消耗，并解决了纤维行业中的半纤维提取物无法处理的情况，实现了绿色循环经济模式的应用。

参考文献：

[1]蒋建新等.木糖型生物质炼制原理与技术[M]北京：科学出版社，2013.

[2]岳国君等.淀粉衍生物、淀粉糖及糖醇产业技术路线图[M].北京：华南理工大学出版社，2014.

[3]刘茉娥等.膜分离技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

[4]李媛，王立国.电渗析技术的原理及应用[J].城镇供水，2015（5）：16-22.

[5]陈玉莲，周广浚.综合治理糠醛废水的研究[J].环境科学，1992，13（5）：46-49.