[发明专利]一种棉杆汽爆提取木糖制备糠醛及全质化利用的方法

说明书

本发明属于植物提取领域，涉及棉杆高附加值利用技术，具体为一种棉杆汽爆提取木糖制备糠醛及全质化利用的方法。该方法包括步骤1)预处理；2)预蒸；3)汽爆；4)汽爆后物料水洗后进行压榨脱水，得到水洗液和固体纤维物料；5)分馏塔分馏；6)还原糖混合物中加入酵母；7)发酵液经微滤膜浓缩；8)制备糠醛等等。该方法将原料棉杆中的聚戊糖通过汽爆不添加酸而降解为木糖，并采用进行水提进行了回收，免去了酸的污染，经济效益明显；得到的木糖水溶液通过溶剂法生产糠醛，可减少副反应的产生，提高产品收率；节省蒸汽、污染小；同时剩余的固体物料充分利用。

技术领域

本发明属于植物提取领域，涉及棉杆高附加值利用技术，具体为一种棉杆汽爆提取木糖制备糠醛及全质化利用的方法。

背景技术

糠醛是一种目前尚不能通过化学方法合成的重要的基础有机化工原料；也是从糖类化合物中所获得的唯一一种不饱和大比容有机化学品，其化学性质十分活泼，糠醛及其衍生物都是应用广泛的有机化工中间体。此外，糠醛还可通过与甲醛的羟甲基化作用生成5－羟甲基糠醛，也可作为原料制备汽油、柴油和航空煤油，由糠醛通过加氢作用生成的甲基四氢呋喃可直接作为汽油的基料。随着世界范围内能源危机和环境问题的日益严峻，各化工领域对糠醛的需求量将会持续增长。但是，现有的糠醛生产工艺能耗巨大，环境污染极其严重，生产成本偏高且收率低下，以上诸多不利因素使欧盟和美国在过去数十年中已严令禁止在本国范围内生产糠醛。中国是糠醛生产和出口大国，占世界糠醛总产量70％左右。鉴于糠醛在有机化工及能源领域中的重要作用，现有的糠醛生产工艺亟待改进。

工业上，糠醛由木质纤维素生物质中的半纤维素在稀酸，最常采用的催化剂是H₂SO₄。目前，糠醛的工业生产采用批处理反应器使原料与稀酸水溶液在水解锅内混合，并采用高压蒸汽提供反应所需要的热量，同时，蒸汽的另一个重要作用是将糠醛从反应体系中及时移除，减小因二次反应而造成的糠醛产率降低，常用的工艺条件是在高温(140～185℃)高压(5～10MPa)下反应6～10h，H₂SO₄用量为3％，固液比在(2～3)∶1，受多种条件限制，工业生产上最大糠醛收率只能达到理论值的45％～55％。反应器出口蒸汽中糠醛的质量分数约为3％，糠醛和水的混合物(即粗醛)通过汽提塔进行浓缩，形成富含糠醛的蒸汽。由于糠醛在水中的溶解能力有限(20℃，8.3％)，相分离现象非常明显，下层富含糠醛相进一步通过连续的精馏塔进行精制和提纯，从而得到糠醛成品，上层含水相则回流至汽提塔。在分离过程中，甲醇和乙酸是有价值副产物。水解后的废渣(主要成分是纤维素和木质素)作为锅炉燃料生产蒸汽。现有的糠醛生产工艺存在诸多弊端：首先是收率问题，目前世界范围内约70％的糠醛生产企业采用批量处理反应器，糠醛收率只有理论值的50％左右，但是消耗蒸汽量却是糠醛产量的30～50倍，且反应时间较长。现有的催化体系副反应较多，水相、强酸、高温、与氧气接触、较长的反应时间等都会导致糠醛的缩合和树脂化，同时，糠醛与木糖及反应中间产物之间也会发生交互聚合反应，糠醛还会进一步降解生成丙酮醛、甲醛、甘油醛、乙醇醛等，这些副反应会降低戊糖生成糠醛的选择性。其次，稀酸易腐蚀设备，且其分离和循环使用非常困难，而稀酸水解法还会导致大量酸性糠醛废水产生，治理难度极大。再次，使用蒸汽作为热源和萃取剂耗能巨大。因此有人希望解决上述问题。专利号01105995.8公开了从甘蔗渣制取糠醛的方法：(1)甘蔗渣与稀硫酸(4－10％)按重量比1：3混合后装入水解锅中，直接蒸汽加热，并带出生成的糠醛；(2)含糠醛3－6％的蒸汽冷凝后，送初馏塔蒸馏，冷凝液中含糠醛30－35％，冷却到40－50℃分层；(3)上层送低沸物蒸馏塔，除去低沸点物后返回初馏塔回收糠醛；(4)下层粗糠醛送脱水塔和精制塔加工，分别除去水分、低沸物和甲基糠醛高沸物，得产品糠醛。

从该专利可以看出，该技术仍存在糠醛收率低、废水和废气排放量大与环境污染严重等问题；生产成本较高。另外，糠醛水解法中多级精馏能耗以及大量废水问题已成为制约行业发展的重要因素，寻求清洁生产工艺解决糠醛生产中环保、节能与节水等问题以及植物纤维全质化利用等，成为该行业发展当务之急。

发明内容