预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法及其产品.pdf

本发明涉及预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法及其产品。方法包括：蔗渣备料：对蔗渣进行除髓和洗涤；预提取：提取溶剂为氢氧化钠溶液，工艺条件为：对除髓绝干蔗渣，用碱量为1～8％，固液比为1∶2.5～8.0，提取温度为80～180℃，压力为相应温度下的饱和蒸汽压力，升温时间为10～120分钟，保温时间为0～120分钟，反应终点pH值为4.5～6.9；液固分离和洗涤：收集滤液制得提取液；残渣碱法蒸煮制浆。可获得可提取低聚木糖等的蔗渣提取液和用于漂白化学浆制备的蔗渣粗浆。蒸煮之前增加预提取工序，通过控制预提取和蒸煮工艺条件使蔗渣粗浆得率和硬度与蔗渣不进行预提取而单纯制浆相当，实现以制浆为基础的蔗渣生物炼制，制浆和半纤维素预提取的成本下降，节约资源。

1、  一种预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：依序包括下述步骤：
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取，在蒸球或水解器中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，工艺条件为：对除髓绝干蔗渣，用碱量为1～8％，固液比为1∶2.5～8.0，提取温度为80～180℃，压力为相应温度下的饱和蒸汽压力，升温时间为10～120分钟，保温时间为0～120分钟，反应终点pH值为4.5～6.9；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液；
(4)残渣碱法蒸煮制浆。

2、  根据权利要求1所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：步骤(1)中的蔗渣为经自然存放发酵而除去大部分胶质的蔗渣，除髓方法为干法、半湿法和湿法中的一种或一种以上的组合。

3、  根据权利要求1或2所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：步骤(1)中，对除髓后的蔗渣用洗涤机和螺旋压榨机依次进行洗涤和脱水，去除杂质，脱水后蔗渣的干度不低于35％。

4、  根据权利要求1所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：步骤(2)中的预提取工艺条件为：对除髓绝干蔗渣，用碱量为3～6％，固液比为1∶2.5～4.0，提取温度为140～170℃，升温时间为40～100分钟，保温时间为10～80分钟，反应终点pH值为5.0～6.5。

5、  根据权利要求1所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：步骤(3)中，采用连续式压榨对步骤(2)的产物进行液固分离，收集滤液制得提取液，收集残渣备用。

6、  根据权利要求1所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，其特征在于：步骤(4)中，蒸煮在蒸球或横管连续蒸煮器中进行，工艺条件为：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为7～16％，硫化度为0～25％，固液比为1∶2.5～5.0，蒸煮温度为120～180℃，压力为相应温度下的饱和蒸汽压力，升温时间为10～180分钟，保温时间为0～120分钟。

7、  采用权利要求1～6之一所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法所制得的产品，其特征在于：为经步骤(1)至(3)获得的蔗渣提取液，对除髓绝干蔗渣，蔗渣有机物提取率为7～15％，蔗渣提取液pH值为4.5～6.9，组份包括低聚木糖、木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、木质素、糖醛酸和乙酸。

8、  针对权利要求7所述的蔗渣提取液产品的用途，其特征在于：所述的蔗渣提取液用于木糖、低聚木糖、木糖醇、L-阿拉伯糖、乙醇或乙酸的制备。

9、  采用权利要求1～6之一所述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法所制得的产品，其特征在于：为经步骤(1)至(4)获得的蔗渣粗浆，对起始除髓绝干蔗渣，粗浆得率为48～57％，粗浆硬度KMnO₄值为8～14。

10、  针对权利要求9所述的蔗渣粗浆产品的用途，其特征在于：所述的蔗渣粗浆用于漂白化学浆的制备。

预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法及其产品
技术领域
本发明涉及化学工程、制浆工艺领域，具体涉及一种预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法及其产品。
背景技术
蔗渣是甘蔗制糖工业的副产物和制浆造纸的优良纤维原料，现有蔗渣碱法制浆公知技术中，蔗渣通过烧碱法或硫酸盐法蒸煮使木质素溶解并使纤维分离成浆，进一步通过洗涤、筛选和漂白制得漂白化学浆。
在蒸煮过程中，蔗渣中的半纤维素多缩戊糖部分溶出并进入黑液，在碱回收过程中燃烧转化为热能。实际上，多缩戊糖等碳水化合物的热值仅相当于木质素的一半，热转化的利用价值不高。
近年来，A.van Heiningen等人(Pulp and Paper Canada，2006，107(6)，38～43)提出木材生物炼制的理念并用以改造硫酸盐木浆厂。其核心思想是，在不影响原有制浆的前提下，在蒸煮前以绿液为溶剂从阔叶木中提取出部分半纤维素，并进一步通过生物化工技术转化为燃料乙醇和乙酸等产品，经济和社会效益比单纯制浆更佳。体现了木质纤维素原料各组份高值利用的生物炼制理念。但由于采用绿液作为提取溶剂并添加蒽醌，该方法的提取物若用于食品和饲料添加剂制备存在安全性问题。
蔗渣中含有25％左右的多缩戊糖，并且以木聚糖为主，是木糖、低聚木糖、木糖醇和L-阿拉伯糖等功能糖醇的最佳原料之一。目前，蔗渣或者单纯制浆，或者单纯提取木聚糖。还没有将提取木聚糖和纤维制浆通盘考虑的蔗渣综合利用的完整技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，特别是提供一种预提取方法。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供采用上述预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法所制得的产品，包括蔗渣提取液和蔗渣粗浆。
本发明所要解决的技术问题之三在于提供上述蔗渣提取液和蔗渣粗浆产品的用途。
一种预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，包括下述步骤：
(1)蔗渣备料：对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在蒸球或水解器中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，工艺条件为：对除髓绝干蔗渣，用碱量按重量百分比计为1～8％，固液比为1∶2.5～8.0，提取温度为80～180℃，压力为相应温度下的饱和蒸汽压力，升温时间为10～120分钟，保温时间为0～120分钟，反应终点pH值为4.5～6.9；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液；
(4)残渣碱法蒸煮制浆。
具体的，在步骤(2)预提取中，用碱量可以为1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5或8％；
固液比可以为1∶2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5或8；
提取温度可以为80，90，100，110，120，130，140，150，160，170或180℃；
升温时间可以为：10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110或120分钟；保温时间可以为：0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110或120分钟；
反应终点pH值为4.5，4.8，5，5.2，5.5，5.8，6，6.2，6.5，6.7或6.9。
在上述方案的基础上，步骤(1)中的蔗渣为经自然存放发酵而除去大部分胶质的蔗渣，除髓方法为干法、半湿法和湿法中的一种或一种以上的组合。
在上述方案的基础上，步骤(1)中，对除髓后的蔗渣用洗涤机和螺旋压榨机依次进行洗涤和脱水，去除杂质，脱水后蔗渣的干度不低于35％。
在上述方案的基础上，步骤(2)中优选的预提取工艺条件为：对除髓绝干蔗渣，用碱量为3～6％，固液比为1∶2.5～4.0，提取温度为140～170℃，升温时间为40～100分钟，保温时间为10～80分钟，反应终点pH值为5.0～6.5。
在上述方案的基础上，步骤(3)中，采用连续式压榨对步骤(2)的产物进行液固分离及多级逆流洗涤(用稀滤液和水进行多级逆流洗涤)，收集滤液制得提取液，收集残渣备用。
连续式压榨及多级逆流洗涤采用公知和公开的技术方案，连续式压榨可以是螺旋压榨、辊榨或带式压榨，第一级直接压榨或者用第二级滤液洗涤和压榨，第二级用第三级滤液洗涤和压榨，依此类推，最后一级用水洗涤和压榨，收集第一级和第二级或第一级滤液制得提取液，收集最后一级残渣备用。
在上述方案的基础上，步骤(4)中，蒸煮在蒸球或横管连续蒸煮器中进行，工艺条件为：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为7～16％，硫化度为0～25％，固液比为1∶2.5～5.0，蒸煮温度为120～180℃，压力为相应温度下的饱和蒸汽压力，升温时间为10～180分钟，保温时间为0～120分钟。对起始除髓绝干蔗渣，蔗渣粗浆得率控制为48～57％，粗浆硬度KMnO4值控制为8～14，黑液残碱量控制为4～8g/l。
本发明通过控制预提取和碱法蒸煮工艺条件，使预提取蔗渣中部分半纤维素的同时不影响粗浆制浆得率和硬度。
具体的，用碱量可以为7，8，9，10，11，12，13，14，15或16％；
硫化度可以为0，2，5，8，10，12，15，18，20，22或25％，采用烧碱法制浆可以看作是硫化度为0；
固液比可以为1∶2.5，3，3.5，4，4.5或5.0；
温度可以为120，130，140，150，160，170或180℃；
升温时间可以为：10，20，40，60，80，100，120，140，160或180分钟；保温时间可以为：0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110或120分钟。
在上述方案的基础上，步骤(4)中优选的碱法蒸煮工艺条件为：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为9～12％，固液比为1∶2.5～4.0，蒸煮温度为150～170℃，升温时间为40～100分钟，保温时间为10～60分钟。
采用上述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法所制得的产品，为经步骤(1)至(3)的蔗渣备料、预提取及液固分离和洗涤获得的蔗渣提取液，对除髓绝干蔗渣，蔗渣有机物提取率为7～15％，蔗渣提取液pH值为4.5～6.9，组份包括低聚木糖、木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、木质素、糖醛酸和乙酸。
具体的蔗渣有机物提取率可以为7，8，9，10，11，12，13，14或15％。
针对上述的蔗渣提取液产品的用途，对提取液的进一步处理和后续加工可以采用公知和公开的技术，如酸水解、脱色、脱酸、浓缩、净化、离子交换、脱水、氢化合成、生物发酵、酶水解、色层分离、超滤、结晶和喷雾干燥等，进一步制成木糖、低聚木糖、木糖醇、L-阿拉伯糖等产品，也可以通过生物发酵法制成乙醇及其它发酵产品，还可同时从提取液中提取乙酸。
采用上述的预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法所制得的产品，为经步骤(1)至(4)的蔗渣备料、预提取、液固分离和洗涤及碱法蒸煮制浆获得的蔗渣粗浆，对起始除髓绝干蔗渣，粗浆得率为48～57％，粗浆硬度KMnO₄值为8～14。
具体的，粗浆得率可以为48，50，52，55或57％。
针对上述蔗渣粗浆产品的用途，采用公知和公开的技术，如洗涤、筛选、漂白和抄造等将蔗渣粗浆进一步加工制得漂白化学浆。
本发明的有益效果为：
本发明提供了预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆方法，在不影响蔗渣制浆的前提下，提取出部分半纤维素，此蔗渣粗浆可进一步用于漂白化学浆的制备；
半纤维素提取液组份包括低聚木糖、木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、木质素、糖醛酸和乙酸等，可以用于木糖、木糖醇、L-阿拉伯糖、乙醇和乙酸等食品和饲料添加剂及化工产品的制备；
本发明仅仅在蒸煮之前增加预提取工序，相比较单纯制浆，设备投资少，并且在不增加制浆药液消耗的前提下，通过控制预提取和蒸煮工艺条件，可使蔗渣粗浆得率和硬度与蔗渣不进行预提取而单纯制浆相当；
本发明从木质纤维素原料各组份综合利用的角度出发，改进传统蔗渣碱法制浆方法，在工程上实现以制浆为基础的蔗渣生物炼制，使制浆和半纤维素预提取的综合生产成本较大幅度下降，节约了资源，不仅经济效益可观，而且社会效益巨大。
具体实施方式
本发明的对照例和实施例中蔗渣碱法蒸煮的具体工艺技术参数均采用公知和公开的方案，不因采用某个具体的工艺技术条件而影响本发明预提取方法对蔗渣碱法蒸煮制浆方法的普遍适用性和构成整个预提取半纤维素的蔗渣碱法制浆技术方案的完整性。
下述对照例和实施例中蔗渣原料除髓率均大于35％，蔗渣经过洗涤和脱水后干度不低于35％。经预提取，采用三级螺旋压榨对产物进行液固分离和逆流洗涤，第一级直接压榨或者用第二级滤液洗涤和压榨，第二级用第三级滤液洗涤和压榨，第三级用水洗涤和压榨，收集第一级和第二级或第一级滤液制得提取液，螺旋压榨残渣干度不低于35％，收集第三级残渣供蒸煮制浆用。
对照例1
对除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为15％，固液比为1∶3，蒸煮温度为164℃，升温时间为50分钟，保温时间为40分钟。粗浆得率为51％，硬度KMnO₄值为10～12.5，黑液残碱量为4g/l。
对照例2
对除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为15％，硫化度为15～20％，固液比为1∶3，蒸煮温度为159℃，升温时间为90分钟，保温时间为40分钟。粗浆得率为52％，硬度KMnO₄值为8.5～12.5，黑液残碱量为6g/l。
实施例1
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在蒸球中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为3％，固液比为1∶3，预提取温度为140℃，升温时间为45分钟，保温时间为80分钟，反应终点pH值为6.5；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为8.1％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为12％，固液比为1∶3，蒸煮温度为164℃，升温时间为50分钟，保温时间为30分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。
实施例2
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在蒸球中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为3％，固液比为1∶3，预提取温度为160℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，反应终点pH值为5.9；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为10.3％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为12％，固液比为1∶3，蒸煮温度为164℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。
实施例3
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在水解器中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为3％，固液比为1∶5，预提取温度为160℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，反应终点pH值为5.9；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为10.7％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为12％，硫化度为15～20％，固液比为1∶3，蒸煮温度为159℃，升温时间为90分钟，保温时间为15分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。
实施例4
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在水解器中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为5％，固液比为1∶3，预提取温度为140℃，升温时间为45分钟，保温时间为80分钟，反应终点pH值为6.2；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为9.0％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为10％，固液比为1∶3，蒸煮温度为164℃，升温时间为50分钟，保温时间为30分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。
实施例5
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在水解器中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为5％，固液比为1∶3，预提取温度为160℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，反应终点pH值为5.5；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为12.6％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量为10％，固液比为1∶3，蒸煮温度为164℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。
实施例6
(1)蔗渣备料，对蔗渣进行除髓和洗涤；
(2)预提取：在蒸球中进行，提取溶剂为氢氧化钠溶液，对除髓绝干蔗渣，用碱量为5％，固液比为1∶5，预提取温度为160℃，升温时间为50分钟，保温时间为20分钟，反应终点pH值为5.5；
(3)液固分离和洗涤，收集滤液制得提取液：蔗渣有机物提取率为12.7％；
(4)残渣碱法蒸煮制浆：对起始除髓绝干蔗渣，以NaOH计，用碱量10％，硫化度为15～20％，固液比为1∶3，蒸煮温度为159℃，升温时间为90分钟，保温时间为15分钟，制得蔗渣粗浆，粗浆得率为51～53％，硬度KMnO₄值为10～12，黑液残碱量为4～6g/l。实施例工艺条件和结果见表1。
表1


续表1