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糠醛的工业生产现状及存在问题

作者:一诺生物来源:浏览次数:188日期:2022-11-25

糠醛主要由生物质中戊糖单元(半纤维素组分)水解转化形成,农林废弃物是糠醛重要的生产原料。不同植物半纤维素中戊糖含量各不相同,例如:甘蔗渣、玉米秸秆、玉米芯中戊聚糖的质量分数分别为28.0%、31.8%和31.6%。

此外,不同的提取技术可以从生物质中获得的戊糖含量也不相同。

多数糠醛厂家使用甘蔗渣和玉米芯作为原料,在我国,玉米芯是糠醛生产的主要原料。

不仅木质纤维素可以用来生产糠醛,从造纸加工厂获得的造纸黑液也已被用来生产糠醛,该过程包括以下4步操作:

1、木质素沉淀;

2、半纤维素富集;

3、木聚糖化学转化为糠醛; 

4、糠醛纯化。

利用造纸黒液制备糠醛可以实现生物质中纤维素和半纤维素组分的充分利用,具有很广阔的应用前景。

工业糠醛以无机酸作为催化剂使用两步法或一步法水解工艺进行生产;两步法工艺中,首先对生物质原料进行酸预处理,将半纤维素/戊聚糖水解形成单糖;然后将预水解液与残余固体分离,预水解液进一步反应(主要是戊糖脱水)形成糠醛。一步法中,戊聚糖水解和戊糖脱水形成糠醛在同一个反应器中进行。目前,我国糠醛的工业生产主要使用一步法。得到的糠醛粗品后经共沸蒸馏塔精制和回收得到糠醛产品。表1列举了典型的糠醛生产工艺及其生产过程中相应的优缺点。

糠醛的工业生产工艺是由Quakers Oats公司于1921年率先提出的间歇生产工艺(两步法),该工艺流程需要预处理反应釜、水解反应釜、共沸精馏塔等设备组成。该方法的糠醛得率为40%~52%,经济性较差;同时由于水解温度低(153 ℃),因此需要较长的停留时间和较高的硫酸浓度。

1940年,随着批处理模式生产技术的进步,Quakers Oats工艺得到改进。同时利用糠醛饱和蒸汽在共沸蒸馏塔中的循环进一步提高能效,自此,糠醛生产成为一种简单且廉价的工艺。

1960年,工业界开发了基于Quaker Oats技术的连续生产工艺(一步法),由于该工艺中在反应釜中设置了螺旋搅拌,因而需要较高的维护成本,经济性较低。

1988年,Suprayield工艺问世,该工艺将反应器简化为一条简单的管道,同时实现了高温条件下(230~250 ℃)的连续生产。该工艺具有许多优势,包括反应器体积小、停留时间短、糠醛得率高(50%~70%)和酸循环利用。

尽管具有上述优势,但该工艺技术需要高昂的前期投资和后期维护成本。

21世纪初Westpto公司改进了Quaker Oats技术形成了Westpro工艺,能够得到55%的糠醛得率。

尽管糠醛的工业生产历史已经超过一个世纪,但现有的技术仍存在很多问题。比如:无机酸催化剂的使用不仅会腐蚀设备,无法回收,同时也存在污染水源的风险。

此外,在木质纤维素生产糠醛的过程中,预水解液中存在乙酸、木质素等副产物,会影响糠醛的得率。因此,学术界和工业界都在不断的尝试开发新技术新工艺来解决这些问题。

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