膜技术在木糖生产中的应用

  • 作者: 王关斌 贺东海
  • 时间: 2021-11-22 14:57:14
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摘要  木糖产品是以农业废弃料玉米芯、甘蔗渣等为原料,经酸水解、净化提纯、浓缩、结晶而得到的木糖晶体,其中净化提纯工序主要采用离子交换树脂对糖液进行脱盐。离子交换树脂的使用虽然能够很好地提纯糖液,但存在酸碱消耗量大,污水排放量大,污水难处理,生产成本高等问题,非常不利于木糖的可持续性发展。膜作为一种新兴的高效分离、浓缩、提纯及净化技术,其过程简单、经济性较好,往往没有相变,分离系数较大,且节能、高效,可在常温下连续操作。将膜技术应用于木糖生产,在降低能耗,控制环境污染方面能起到至关重要的作用。本文通过不同膜在木糖生产中的应用,研究了超滤、纳滤以及电渗析技术对木糖液的影响情况,为膜技术在木糖生产中的应用提供一定的理论参考依据。

关键词  净化;离子交换树脂;膜技术;电渗析

ABSTRACT  Xylose products are xylose crystals obtained from agricultural waste materials- corncob and bagasse through acid hydrolysis, purification, concentration and crystallization.  In the purification and purification process, ion exchange resin is mainly used to desalt the sugar solution.  Although the use of ion exchange resin can purify sugar liquid well, there are some problems, such as large acid-base consumption, large sewage discharge, difficult sewage treatment and high production cost, which is very unfavorable to the sustainable development of xylose.  As a new high-efficiency separation, concentration, purification and purification technology, membrane has the advantages of simple process, good economy, no phase transition, large separation coefficient, energy saving and high efficiency, and can be operated continuously at room temperature.  The application of membrane technology in xylose production can play a vital role in reducing energy consumption and controlling environmental pollution.  In this paper, the effects of ultrafiltration, nanofiltration and electrodialysis on xylose solution were studied through the application of different membranes in xylose production, so as to provide a theoretical reference for the application of membrane technology in xylose production.

KEY WORDS  purification; ion exchange resin; membrane technology; electrodialysis

 

膜分离技术在水处理领域中应用极其广泛,已经得到世界各国的普遍重视,近年来,膜技术的应用逐渐扩展到更为广泛的领域,将膜技术应用于食品、药品及化工产品的中间品的净化提纯已经备受相关技术人员的关注。分离膜是一种特殊的、具有选择性透过功能的薄层物质,它能使流体内的一种或几种物质透过,而其它物质不透过,从而起到浓缩和分离纯化的作用。膜分离技术按孔径大小一般分为反渗透、超滤、纳滤、微滤,它们的主要区别在于膜孔径的大小。反渗透的孔径最小,一般用于阻截除溶剂外所有组分,包括溶解物及悬浮物,只允许溶剂通过,常用于水的纯化及脱盐;超滤膜的孔径大于纳滤膜,纳滤则介于反渗透与超滤之间;微滤的孔径最大,允许所有的溶质分子通过,截留悬浮物。电渗析技术也是膜分离技术的一种,它是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的透过性把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的淡化、浓缩、纯化的目的。

1  材料与方法

1.1 试验材料

超滤膜:膜丝材质,PES,江苏泰州星达膜科技有限公司。

纳滤膜:膜丝材质,TFC,江苏泰州星达膜科技有限公司。

电渗析:膜材料-聚乙烯异相离子交换膜;

型号-DSA-Ⅴ

厂家-江苏日泰环保工程有限公司。

木糖水解液:山东福田药业有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 木糖脱色液的制备

    车间取木糖水解液,按糖液干物质的5%加入活性炭进行脱色过滤,得到木糖脱色液,其脱色条件见表1

    依据上述脱色条件,水解液脱色前后数据比较见表2

1.2.2 木糖脱色液处理工艺

原工艺:将制得的木糖脱色液经过离子交换树脂一次交换(一阴-一阳),蒸发浓缩,脱色,二次离子交换(二阴-二阳-三阴),蒸发浓缩,结晶,得到木糖晶体;

膜工艺:将不同膜用于木糖生产原工艺的不同工序中,研究对木糖生产的影响。

1.2.3 检测方法

按照GB/T 23532-2009的方法对木糖液中指标进行检测。

2  结果与分析

2.1 超滤在木糖生产过程中的应用

超滤膜的孔径大于纳滤膜,允许小的分子通过,阻截大的溶质及悬浮物。木糖水解液经活性炭脱色后,只是简单地去掉了部分色素等物质,木糖液中还含有大量的有机物、胶体、色素、悬浮物等,若直接进入树脂床进行离子交换,会对树脂造成严重污染且失效过快,缩短树脂的使用寿命,提高生产成本。让原脱色液(电导率20,000us/cm)经过超滤后再进行一次离子交换,其结果如表3

超滤后一次离子交换液较原脱色液直接进行一次离子交换(未超滤)相比,其透光、电导脱盐率,交换量均有所提高;而且在后序的一次交换液脱色炭耗方面,耗炭量亦有所降低;而且一次离子交换液经二次离子阴阳阴交换,阴柱交换量均有上升趋势,较原工艺二次离子交换液相比两阴柱上升率分别为16.7%42.7 %,提高了生产效率;在结晶方面,经超滤后的木糖液更易于结晶,且晶体纯度有所提高,其具体数据见表4

所以,从以上数据可以看出,在木糖生产中,利用超滤膜对木糖液进行处理,能显著地提高离子交换树脂的利用率,提升糖品的质量。只是目前对超滤膜的孔径有待进一步研究,选择对木糖脱色液具有合适的孔隙率、孔径且孔径均一的超滤膜是木糖生产中节能降耗的关键。

2.2 纳滤在木糖生产过程中的应用

纳滤膜孔径介于超滤和反渗透之间,比超滤膜孔径小。木糖水解液经活性炭脱色后,过纳滤膜,纳滤液进入树脂床进行离子交换。试验数据表明,纳滤膜能显著提高木糖脱色液的透光,提高率能达到90%以上。这说明纳滤膜能更多地截留糖液中的小分子色素物质,从而减轻树脂的污染,使树脂达到饱和后,更易于解析,减少再生剂的使用量,从而达到节能降耗的目的。但由于纳滤膜的孔径很小,处于纳米级范围,特别适合于分子量为数百至一千的物质分离。木糖脱色液中含有大量的色素、胶体、灰分等,将纳滤膜用于木糖脱色液的净化提纯,极易造成膜的堵塞,使膜通量降低,影响生产效率。试验中取截留分子量为800的纳滤膜、截留分子量分别为1,000(超滤1)3,000(超滤2)的超滤膜进行试验,其通量随时间的变化趋势如图 1

实际生产中纳滤膜常用于木糖净化稀液的浓缩,经净化后的木糖液进入一定孔径纳滤膜,木糖液中水分及少量的盐分透过纳滤膜,成功截留低分子量的有机糖类,从而达到对木糖液进行浓缩的目的。试验中利用纳滤膜代替蒸发浓缩对木糖一次离子交换液进行浓缩,试验结果见表5

 利用纳滤膜对木糖净化液进行浓缩,条件温和,能有效地避免蒸发浓缩造成的色素增加、炭耗增加,有利于木糖的结晶。

2.3 电渗析技术在木糖生产过程中的应用

    电渗析技术也是膜分离技术的一种,它是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的透过性把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的脱盐。孙鲁等[4]利用电渗析技术对木糖水解液进行脱盐,单因素试验显示:当选择电流密度10mA/cm2、流量12L/h、温度15~35℃,木糖液浓度为7%时,电渗析脱盐率能达到85%以上,能耗为 3.0kwh/kg,这充分说明,将电渗析技术用于木糖液的脱盐是可行的。木糖水解液经活性炭脱色后,含有大量的酸根离子、各种阳离子以及色素、胶体等物质,电导在20,000us/cm 左右,所以试验中电渗析工艺确定为:木糖脱色液首先必需经超滤膜对糖液进行预处理后,再经电渗析离子交换膜脱盐,电渗析液再经一步离子交换树脂阴阳阴交换,再浓缩、结晶,其试验情况如表6,将两电渗析液进行一步阴(一阴)--(二阴)离子交换,其试验情况如表7

由以上数据可知,将电渗析技术用于木糖脱色液的脱盐,效果理想,只要选择合适的电渗析脱盐终点,配合后序树脂的交换,就能减少一次离交树脂的使用量,就能在有效降低树脂使用率的同时,生产出高质量的木糖,从而达到降低酸碱消耗,减少污水排放,保护环境的目的。

结论

通过不同膜在木糖生产中的应用,确定了合适的超滤膜能够去除木糖脱色液中的部分色素、胶体等杂质,有利于木糖脱色液的进一步净化处理,能够减轻离子交换树脂的负荷,且有利于木糖的结晶;纳滤膜适合用于木糖净化液的浓缩;电渗析技术用于木糖的生产与离子交换树脂配合使用,能够有效地降低树脂的利用率,达到清洁生产的目的。

随着膜技术的发展,它的应用会越来越广泛,特别是在功能糖领域,会越来越显示出膜技术众多的优越性。将各种膜结合起来用于糖液的除盐、浓缩、提纯,降低树脂的使用率,节能减排,是未来膜技术发展的方向。相信随着新型膜材料的开发和新型工艺的研究,其必将有更为广阔的发展前景。

 

参考文献

杨富国,. 膜分离技术在低聚木糖制备及乙醇发酵中的应用,2002,22(1):78-80.

楼照,林玲,. 电渗析技术在木糖和低聚木糖脱盐中的应用. 第五届全国功能发酵制品生产与应用技术交流会暨细营养时代高峰论坛:187-190.

江小林,李俊. 纳滤膜技术在废水处理中的应用与发展趋势,2009,(4):28-29.

孙鲁,修秀红,王成福,. 电渗析法去除木糖液中杂质离子的工艺研究. 中国食品添加剂, 2012,136-140.

 

作者单位:山东福田药业有限公司,山东 德州  251200。