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  導(dǎo) 讀

作者：楊登科 段民英 孫雷

來源：東辰制藥  優(yōu)普惠藥品股份

摘要：本文綜述酸解法產(chǎn)生的水解液中糖-酸分離的研究方法。這些方法應(yīng)用于纖維素類輔料的生產(chǎn)，不僅可提高酸的利用度，還可獲得糖類物質(zhì)，具有重要的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)意義。

關(guān)鍵詞：纖維素水解，糖-酸分離

酸水解法是生產(chǎn)纖維素類輔料的主要方法之一，而硫酸因其價(jià)格便宜，水解效率高等特點(diǎn)而成為常用的酸。在纖維素類輔料的生產(chǎn)中，伴隨著纖維素的水解，必然會(huì)產(chǎn)生包含糖類物質(zhì)和硫酸的水解液，如果能有效地將酸和糖類物質(zhì)分開，不僅可以提高酸的利用率，而且可以得到副產(chǎn)品——糖，故研究輔料制備工藝中糖-酸分離的方法很有必要。

糖-酸分離研究有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義：

（一）環(huán)保意義  中國(guó)是硫酸的生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)又是硫酸的消費(fèi)大國(guó)，因此硫酸的使用必然帶來對(duì)環(huán)境的危害（包括污染水源、污染土壤和威脅食品安全）。保守估計(jì)，中國(guó)每年的廢硫酸產(chǎn)量超過1億噸。因此，在制備纖維素類輔料時(shí)，硫酸若能通過糖-酸分離有效地回收并再利用，將會(huì)大大減少硫酸的浪費(fèi)，最大限度地減少輔料生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。

（二）經(jīng)濟(jì)意義  酸解法制備產(chǎn)品時(shí)硫酸的回收再利用，實(shí)際上提高了每單位成品產(chǎn)出中酸的利用率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本；另外，回收的糖類物質(zhì)作為副產(chǎn)品也可用于很多領(lǐng)域，如發(fā)酵制備燃料酒精，生產(chǎn)動(dòng)物飼料等，這也可為企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)收入。

利用硫酸水解纖維素，國(guó)內(nèi)外已報(bào)道了關(guān)于水解液糖-酸分離的傳統(tǒng)方法（包括中和法和萃取法），這兩種方法雖然可回收糖類物質(zhì)，但是水解液中的硫酸都需通過化學(xué)反應(yīng)除掉，導(dǎo)致其無法回收再利用。

本文綜述的糖-酸分離方法可分為兩大類，即樹脂法和膜法。研究者驗(yàn)證了這些方法進(jìn)行糖和酸分離的有效性。根據(jù)分離原理，樹脂法又可分為陽離子樹脂法和陰離子樹脂法；而膜法則分為雙極性膜電滲析法和擴(kuò)散滲析法。

2.1、樹脂法

2.1.1、酸性陽離子交換樹脂法

分離原理——離子排斥法：酸性基團(tuán)（-COOH、-SO₃H）不規(guī)則的聯(lián)結(jié)在酸性陽離子樹脂的微孔內(nèi)或表面，非離子形式的糖分子可以自由的進(jìn)出樹脂微孔，由于同離子的相互排斥作用，SO₄^2-卻很難進(jìn)入到樹脂的微孔中。當(dāng)水解液流經(jīng)樹脂床層時(shí)，糖分子不斷在樹脂的微孔間吸附和脫附，而SO₄^2-由于無法進(jìn)入樹脂微孔中，通過樹脂層的速度要快。因此，首先出來的是富含酸的液體，可收集作為濃硫酸的稀釋劑；然后是含糖-酸混合物的液體，可返回合并后重新分離；最后是富含糖的液體。

具體方法：首先通過測(cè)定樹脂的靜態(tài)吸附量進(jìn)行樹脂的篩選，然后是確定料液濃度和進(jìn)料量，最后是動(dòng)態(tài)吸附工藝的確定（包括流速、溫度及柱長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)分離效率的影響）。

梁靜^[1]在其論文中系統(tǒng)地研究了該方法分離高濃度糖酸液的方法和理論，證明了樹脂具有良好的分離能力，且再生后的樹脂也具有良好的吸附-脫附能力。

2.1.2、堿性陰離子交換樹脂法

陰離子交換樹脂法也可以稱為酸阻滯法。其分離原理是利用陰離子樹脂吸附硫酸而產(chǎn)生的對(duì)硫酸的延遲作用，而樹脂對(duì)糖的吸附作用不明顯。選擇合適的樹脂，利用這種吸附差異當(dāng)水解液流經(jīng)樹脂層時(shí)，糖和酸將被分離開來。

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具體方法：類似于陽離子的實(shí)驗(yàn)方法。

文獻(xiàn)報(bào)道了劉躍紅等^[2]利用該方法分離白酒丟糟濃硫酸降解液中的糖-分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)方法硫酸和糖的分離度達(dá)到0.845，糖和硫酸的回收率分別為83.49%和69.26%。

2.2、膜法

2.2.1、雙極性膜電滲析法

雙極性膜電滲析法過程簡(jiǎn)單、能效率高、廢物排放少，是一種清潔、高效、節(jié)能的分離方法，而且該技術(shù)在廢酸回收方面已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

分離原理：由陽離子交換層和陰離子交換層復(fù)合而成的雙極性膜在傳質(zhì)性能上具有許多新的性能。在直流電場(chǎng)的作用下，雙極膜可將水離解，在膜的兩側(cè)分別得到H 和OH^-，而陰離子交換膜則可以選擇性透過陰離子。在電場(chǎng)作用下，SO₄^2-穿過陰離子交換膜進(jìn)入酸回收室；而糖分子幾乎不發(fā)生電離，則留在處理室，因此達(dá)到糖-酸分離的目的。

李潯等^[3]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在纖維素水解過程中的可行性，考察了多種因素對(duì)水解液中糖-酸分離效果的影響，結(jié)果表明雙極性膜電滲析法可以有效地將水解液中的鹽酸和醋酸分離出來。

2.2.2、擴(kuò)散滲析法

擴(kuò)散滲析的特點(diǎn)包括：能耗低、無污染、操作簡(jiǎn)單等，因此已有研究者將這種環(huán)保而且節(jié)能的分離技術(shù)應(yīng)用于糖-酸分離的研究。

分離原理：擴(kuò)散滲析是指濃度較高的溶質(zhì)通過薄膜向低濃度溶劑中擴(kuò)散的過程。實(shí)現(xiàn)該過程的兩個(gè)因素包括：濃度差和膜的選擇透過性，其中濃度差是溶質(zhì)進(jìn)行膜間擴(kuò)散的動(dòng)力。

王帥等^[4]研究了硫酸酸解制備納米晶纖維素時(shí)產(chǎn)生的水解液中的糖酸分離，其中水解液中酸的濃度高達(dá)56%。實(shí)驗(yàn)首先處理水解液，將水解液中的低聚糖全部轉(zhuǎn)化為葡萄糖；接著將處理后的水解液通過2次陰離子交換膜過濾，硫酸的回收率達(dá)到90.31%，最后通過濃縮得到10.06mol/L的硫酸和36g/L的葡萄糖溶液。

糖-酸分離研究有著重要的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)意義；文獻(xiàn)報(bào)道中不管是利用樹脂法還是膜法分離水解液中的糖和酸，對(duì)回收和利用酸解法制備纖維素類輔料（包括微晶纖維素和納米晶纖維素）時(shí)產(chǎn)生的硫酸都有非常重要的指導(dǎo)意義；針對(duì)特定的酸解工藝，研究人員應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)去探索和驗(yàn)證分離水解液中糖和硫酸的方法，并以可轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用為最終目標(biāo)。

[1]梁靜.木質(zhì)纖維素水解液糖酸分離系統(tǒng)的研究[d].北京:北京化工大學(xué), 2010.；

[2]劉躍紅等. 酸阻滯法用于白酒丟糟濃硫酸降解液糖酸分離的研究[j]. 食品工業(yè), 2002, 2: 106-109.；

[3]李潯等. 雙極性電滲析法用于糖酸分離的研究[j]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 30(4): 402-.；

[4]王帥等, 酸解法制備纖維素納米晶體水解殘夜的糖酸分離[j], 中國(guó)造紙學(xué)報(bào), 2017, 32(3): 27-31.