林产化工的植物原料水解工艺
化学先生 / 2019-07-20
林产化工植物原料在催化剂的作用下发生水解，所采用的催化剂主要有硫酸、盐酸磷酸、醋酸、强酸弱碱盐和生物酶。水解工艺主要有渗滤法水解工艺、纤维素酶水解工艺、浓酸水解工艺、高温水解工艺等，目前应用最广的是渗滤法水解工艺。
一、渗滤法水解工艺原理
为了提高水解单糖的得率,减少水解过程中单糖的转变分解，将一次性水解设计为多段水解，从而控制单糖在水解液中的停留时间,减少了单糖的转变分解。
在多段水解过程中，植物原料中加入蒸煮酸后，进行水解，当水解液中单糖含量仍处于不断增加时，便放出水解液。再加入第二批、第三批蒸煮酸进行水解，般重复进行3~5批。多批水解
可以增加单糖得率。一般地，二批水解的单糖得率为原料的27%山28% .4批水解的单糖得率为原料的33% ~ 34%。渗滤法水解工艺是在阶段法水解的基础上改进的,渗滤法水解过程中，酸液的加入和水解液的排出是连续进行的,这样便于工业连续运转。
二、渗滤法水解工艺流程
在渗滤法水解过程中，水解釜上部酸解水混合器不断地供给高温蒸煮酸,高温蒸煮酸流经已预热的植物料层，使植物的高聚糖水解成单糖，所得单糖随液流从水解釜下部的过滤管排出。渗滤参数因生产产品的不同而有差异，如植物原料水解生产酵母时渗滤条件是:渗滤时间100min, 硫酸浓度0.5% ~0. 6%，压力0.9MPa,温度180C,排液液比11.5。170~ 180C的水解液从水解釜排出后直接送人自蒸发系统，在自蒸发系统中，高温水解液冷却到90~ 1029C，水解液自蒸发时，挥发性杂质进入气相,这样提高水解液的纯度。进入气相的有机物主要是糠醛，气相物冷却后,糠醛浓度可达0.30% ~0.35%。
水解后的残留物主要是木质素，经分离后，木质素得率可达原料的35%~37%。1t绝干原料经渗滤水解可得450~460kg的糖，即糖的得率为原料的45% ~ 46%，硫酸消耗为原料的6% ~ 10%。
渗滤法水解工艺的主要操作工序有:原料装锅、水解釜升压水解渗滤、洗涤、压干和排木质素。从投料至水解完成，大约需200~250min,各主要工序所占的时间分别为:装料需30 ~ 40min;水解釜升压至0.5~ 0.9MPa,需30~ 50min;在0.7~ 0.9MPa压力、180C左右的温度下进行渗滤，需80~ 100min, 洗涤需10min 左右;产品压干需30min左右;排木质素需10min左右。
三、影响植物原料水解的主要因素
植物原料的水解过程是-个复杂的过程，发生一系列的化学的、物理的或物理化学的变化，影响因素很多，总体而言,对单糖得率影响最明显的因素有水解酸的浸渍及单糖的扩散过程、流体的动力学因素和水解液比。
1.水解酸液的浸渍及单糖的扩散过程对水解的影响
水解酸液对植物原料的浸渍和水解单糖的排出，是靠溶液的扩散作用和植物组织的毛细管作用进行的。扩散作用与水解酸液的浓度梯度、单糖的浓度差、原料颗粒的比表面积有关。毛细管作用与原料的湿度有关，干原料浸透快,湿原料浸透慢。单糖的渗出符合菲克扩散定律，单糖的扩散速度与纤维的扩散方向和原料的空隙度有关,沿植物纤维纵向扩散为其横向扩散的2~2.5倍。由于单糖从大块植物料层扩散出来比较慢，单糖的损失量可达到10%。不合理的浸渍和大块的原料会使单糖得率降低，为防止不完全扩散所造成的单糖损失，应适当降低水解温度和增加渗滤时间。
2.渗滤时间对水解的影响
在渗滤水解中，渗滤时间与水解釜中贮液量成正比，与水解液的渗滤速度成反比。渗滤水解时，液体的液位应严格地适用于水解釜中的料位。液体贮量低于料位时，会使从水解原料扩散带出单糖的条件变坏,增加单糖在反应区停留的时间，引起单糖的分解率升高。随着水解的进行，原料组分的溶解脱落导致原料的体积逐渐缩小，相应的水解签中的贮液量也减少。所以在每个水解周期中要及时调节水解釜中的贮液量。
通过改变渗滤速度来调节渗滤时间。通过提高水解釜的压力来加快渗滤速度是十分有限的,主要是随着压力的升高,过滤层被压实，原料层的阻力增加，同时由于靠近过滤装置的木质素被压实，其滤孔自由截面积缩小，所以提高渗滤速度变得困难。原料层的细粉含量使得原料层的流体阻力增加,降低渗滤速度。同样，水解原料过滤层中液体自沸也会降低渗滤速度。
3.水解液比对水解过程的影响
水解液比，即水解液引出液比，指引出水解液(m2)与装釜绝干原料量(t)之比。水解液比视原料情况和反应进程进行调整，主要是由于原料的灰分影响介质的酸度，从而影响水解速度和单糖的得率。
木材原料的灰分含量较低，般小于1%，而农作物加工剩余物的灰分含量较高,为5% ~ 10% ,并且其中能与酸反应的活性灰分达到了总灰分的30% ~ 60%，所以就得考虑灰分的影响。
在高液比的条件下操作,有大量的酸过剩，灰分对介质酸性的影响较小，当液比低于10~ 12时,灰分的中和作用就明显了,中和作用的结果是导致水解液的酸度下降,水解速度降低。
水解产物的稀释也会影响水解液的酸度变化，对于小液比水解工艺,这种变化是不容忽视的。快阳种
4.其他影响因素
在设置植物水解加工厂时，以下几点是要注意的:
①要考虑原材料的密集程度、可供数量和工艺性质等因素。
②在选择木材水解原料时，要控制树皮的用量，因为树皮的糖含量低,并使水解液的过滤性能变差。
③原材料在贮存时，由于腐朽而降低糖含量，使水解液的质量下降,所以要控制原材料中的腐朽量。
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