玉米芯制木糖醇的生产工艺

玉米芯制木糖醇的生产工艺
木糖醇是轻化工等多种工业产品的重要原料 ,既可用于制作饮料、糖果罐头等食品 ,又可替代甘油用于造纸、卷烟、炸药、牙膏等生产行业;还可用来制作石油破乳剂、农药乳化剂、化纤助剂、抗静电剂、防冻剂等.精制的木糖醇作为一种新糖原料 ,除具有蔗糖、葡萄糖的共性外 ,还具有特殊的生化性能 ,它不需要通过胰岛素就能通过细胞壁被人吸收 ,具有降低血脂、抗酮体等功能 ,是糖尿病、肝炎等病症者的良好食糖替代品.农作物副产品秸杆、皮壳、芯等都含有丰富的粗纤维(多缩戊糖) ,每年收获季节这些产品大部分被废弃或焚烧 ,造成极大的浪费与环境污染.而木糖醇可由粗纤维(多缩戊糖)水解制得[1 ,2 ].因此 ,笔者以富含多缩戊糖的农作物副产品———玉米芯作为原料制备木糖醇 ,为农副产品变废为宝、节约资源、保护环境探索可利用途径.
材料
玉米芯(色白、无霉烂、质地均匀) ;化学试剂:HCl、 CaCO3、 CaCl2、活性炭等.
设备仪器
超微粉碎机;压力水解釜;中和罐;升降膜蒸发器; 脱色罐; 离子交换树脂; 凯氏定氮仪(T J2300) .
工艺流程
选料→清洗→水解→中和→蒸发→脱色→离子交换→加氢→浓缩→结晶→分离→成品母液处理→净化→浓缩→结晶→回收→成品
操作要点
1 玉米芯的选择
玉米芯分红白二种.红色玉米芯会加重木糖醇的颜色 ,增加脱色炭的消耗 ,加大成本 ,所以选用白色玉米芯作原料.同时搞好原料的保管除杂工作 ,严防雨淋、霉烂 ,尽量减少风沙尘土等污染 ,在水解之前要经过筛选.
2 清洗、水解
将选好的玉米芯用清洗机清洗干净 ,烘干后破碎(粒度为3～5 mm) ,放入水解釜 ,料水比1∶ 3 ,加热100 ℃蒸煮90 min ,排水后再加入 5 倍料重、浓度
为2 %～3 %的 HCl ,水解釜升温至 120～130℃,保温 ,水解压力为 0. 1 MPa ,水解时间为 3～5h.
3 中和
水解液仍含 0. 7 %～0. 9 %的 HCl ,pH 值为2. 5左右 ,因此加入波美度17 度碳酸钙进行中和.具体方法为:将上面水解液加入中和罐中并加温至75～80 ℃,在此过程中 ,边搅拌边加入波美度17度的 CaCO3 乳液 ,调控至 pH3. 8～4. 0 ,为使沉淀充分 ,中和后保温1 h再过滤除渣.
4 蒸发
将除渣后的糖液减压蒸发 ,将糖液浓缩为原来的 1/ 6 倍(按体积) ,并将析出的CaCl2 过滤排除.
5 脱色
浓缩后的浆液色泽较深 ,利用活性炭(用量为糖液的 10 %)进行脱色处理 ,将糖液加热到 75～80 ℃,调控 pH 为 3. 5 左右 ,边搅拌边加入活性炭 ,过滤、脱色后糖液透明度(折光度)为 30 %～40 %.
6 离子交换
为了进一步净化糖液 ,提高产品质量 ,需进行离子交换 ,经试验测试选用 723 型强酸性阳离子树脂和强碱多孔阴离子树脂(阳树脂→阴树脂→阳树脂→阴树脂)配套使用.可使糖液透明度(折光度)达95 %～97 % ,使糖液呈无色透明状.
7 加氢
将糖液升温加压 ,通入 10 %的氢气催化 ,使木糖的羰基变成羟基.
8 浓缩、结晶、分离
氢化后糖液含有少量催化剂粉 ,在蒸发浓缩前先进行过滤.浓缩分两步 ,第一步 ,真空度 9. 33× 104Pa ,温度为 50 ℃条件下将糖液浓缩至含木糖醇量为50 %;第二步 ,采用升降膜蒸发器 ,将真空度提高到 10. 67 ×104Pa ,温度升到70～75 ℃,糖液浓缩到含木糖醇 86 %时出料压入结晶机 ,当温度降至65 ℃左右时加入晶种 ,慢慢搅拌结晶 ,以每小时降1 ℃至室温即可得产品.
9 母液处理
母液为结晶分离成品后的副产品 ,每1 t 成品可得70 %浓度的母液 1 t ,母液含杂质较多 ,纯度低 ,呈褐黄色 ,其中除大部分木糖醇外 ,还含有少量阿拉伯
醇、山梨醇、甘露醇等杂醇 ,但仍有一定的经济价值.将母液再净化处理(步骤同上) ,重新浓缩、结晶(养晶时间变长、晶粒变细) ,所得木糖醇纯度符合标准 ,回收率为母液的30 %～40 %.
影响木糖醇产品质量及得率的因素
影响木糖醇产品质量及得率的主要因素为:水解时间、水解温度、水解压力、酸添加量、生产过程中的操作步骤控制等. 首先以常见酸 H2SO4、HCl 为目标进行试验.在实验过程中发现 ,两种酸水解条件、效果基本相当(H2SO4 酸水解已进行了研究报告) ,但在比较操作过程中 ,HCl 比 H2SO4更易中和除杂 ,纯度更高 ,因此选用 HCl 作为水解用酸.而且在操作上将原料先粉碎一定粒度并且水煮处理后 ,再调压进行酸水解 ,提高了水解液的纯净度与水解效果 ,减少了后序生产步骤.此外加强了对母液进行再回收处理 ,使得率提高了 15 %～20 %.
生物转化法生产木糖醇
由于化学法需高温( 115~ 135 )、高压(约6. 5 ∀ 106Pa) 、易燃易爆的高压氢气及对溶液纯度要求很高的镍催化剂、繁杂的分离和净化工序, 以及基本建设投资及操作费用高, 并且污染较严重。

这就促使国内外科研工作者努力探索出木糖醇生产的新途径--生物转化法。

生物转化法的基本原理为农业废弃物( 如稻草、蔗渣、玉米芯等) 所含的多缩戊糖经稀酸水解后所得主要产物是木糖的水解液,然后利用微生物发酵水解液中的木糖可得木糖醇。

目前, 发现并可以利用的微生物为酵母菌株, 如 Candida spiecies、 Pachysolen tannophi lus、 De barycomyces hansenii、 Kluyveromyces fiagilis, 其中以Candida guill iennondii和Candida t ropicalis 的转化能力较强。

在往水解液中加入酵母之前, 要用离子交换法除去水解液中抑制酵母生长的有害物质如糖醛、乙酸等,还须加入酵母生长所需的培养基如碳源、氮源、无机离子和有机营养物质。

碳源占整个培养基的10% ~ 60%, 最好为20%~ 50%, 用作碳源的物质主要有己糖如葡萄糖和果糖, 二糖如蔗糖和乳糖,多糖如淀粉。

碳源可一次性全部加入,也可在发酵过程中分批加入。

可用作氮源的有氨气、氨水、铵盐。

无机盐有镁离子、钾离子、铁离子和锰离子。

有机营养物如维生素、氨基酸以及含有此
成分的物质如酵母膏、 麦芽膏、 蛋白脉和玉米浸膏等。

发酵的最适 pH 值因酵母菌株的不同而不同,如 Can dida t ropicalis 发酵产木糖醇的最适 pH 值为
2.5,而 Candida Shehatae 发酵产木糖醇的最适 pH 值为3 5~ 4 0。

大多数酵母的最适生长温度为20~ 30 。

发酵时间以主要碳源被基本消耗完为准,一般为3~ 8 d 。

然后用离心和过滤法将固体物质除去,20余下的溶液用活性炭和离子交换树脂进行脱色和除盐, 最后结晶, 得木糖醇成品。

在微生物发酵法中,因为培养液中不纯物质含量低,因而分离和收集木糖醇较化学法要简单得多,产品纯度相应得到提高。

此外,其专一性强,可省去高压设备和大量催化剂, 节省能耗,简化工艺, 减少农业废弃物处理不当造成的环境污染,变废为宝,为农民增加经济收入。

由于微生物法有着上述化学法无可拟的优越性,因此随着生物工程技术的不断提高,生物转化法必然在未来的木糖醇生产中占主导地位。

化学合成法生产木糖醇
目前，国内外木糖醇工业化生产方法主要为化学合成法，即用富含多缩戊糖的玉米芯、棉子壳、甘蔗渣、桦木片等农林和工业废料经酸（如HCl ，H 2SO 4）水解成木糖后经纯化处理和加氢反应制得木糖醇，反应式如下：
C 5H 8O 4n H 2O
C 5H 10O 5n n +酸多缩戊糖
水木糖 C 5H 10O 5
+H 2C 5H 12O 5木糖氢气木糖醇镍
化学合成法中木糖纯化工艺繁杂、酸碱消耗大；加氢过程需高温(115~135 °C)、高压(约6.5×106 Pa)、易燃易爆的高压氢气及对木糖溶液纯度要求很高的镍催化剂，基本建设投资及操作费用高，污染较严重[4]。

化学法每生产1吨木糖醇要消耗玉米芯近10吨，耗酸3吨，耗碱2吨，活性炭120~150公斤，蒸汽30~50吨，水100M 3以上[5]。

针对糖醇工艺中要求高温、高压、昂贵的催化剂和繁杂的分离、净化工序的问题，国际上从上世纪70年代开始研究木糖醇生产的新途径——化学生物合成法水。