植物纖維水解技術(shù)

前言

植物纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中纖維素和半纖維素為多糖類物質(zhì)，能夠發(fā)生水解，通過水解工藝制得多種產(chǎn)品，如糠醛、酒精等?？啡┦窃?832年被德國化學(xué)家德貝雷涅爾（J-W-D-bereiner）所發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時是在由硫酸和二氧化錳混合液用于蔗糖制取甲酸時，從蒸餾產(chǎn)物中偶然發(fā)現(xiàn)一種具有特殊氣味的油狀物，認(rèn)為是一種副產(chǎn)物而稱其為“人造蟻酸油”。其后，于1845年又有人從米糠中制取出了同樣物質(zhì)，此后便稱其為糠醛了（furfur——米糠，oleum——油）。當(dāng)確定了結(jié)構(gòu)以后發(fā)現(xiàn)其物理化學(xué)性質(zhì)均很特殊,并有廣泛用途，直到1922年才在美國采用農(nóng)業(yè)廢料（棉籽殼、稻殼和燕麥殼）首先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。至今，糠醛仍僅從植物纖維原料通過水解的方法來生產(chǎn)，雖然也有研究者從事于糠醛合成的研究工作（如氧化脂肪系的二烯），但未能實(shí)施。我國是糠醛生產(chǎn)和出口大國，但是規(guī)模小，生產(chǎn)技術(shù)水平落后，存在污染較大的問題，與發(fā)達(dá)國家具有較大差距。我國糠醛行業(yè)技術(shù)水平急需提高。植物多糖經(jīng)水解、發(fā)酵生產(chǎn)酒精具有悠久的歷史。然而，當(dāng)以植物纖維為原料時，由于木質(zhì)素對微生物的抑制作用、纖維素酶活性低等原因使其水解發(fā)酵制酒精成本很高。在過去的幾十年中植物纖維原料水解制酒精工業(yè)一直處于停滯狀態(tài)，未能得到發(fā)展。直至最近幾年，由于化石資源危機(jī)，生物質(zhì)能源的利用受到重視，“生物質(zhì)工程”已列入國家“十一五”重大科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，以植物纖維原料水解制酒精技術(shù)也得到了發(fā)展。中糧集團(tuán)和中石化等能源行業(yè)巨頭都對燃料乙醇項(xiàng)目表現(xiàn)出濃厚興趣。河南天冠纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目一期工程——5千噸纖維乙醇生產(chǎn)裝置于2008年完成建設(shè)，并投入運(yùn)行，順利實(shí)現(xiàn)了纖維酒精的生產(chǎn)。當(dāng)前，我國植物纖維水解工業(yè)快速發(fā)展，但是相關(guān)技術(shù)資料較少且較落后。為此，編者在收集大量國內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上編寫了本書，希望促進(jìn)我國植物纖維水解技術(shù)的發(fā)展。本書由東北林業(yè)大學(xué)李淑君主編，其中，第五章 由蘇文強(qiáng)編寫，其他四章由李淑君編寫，全書由方桂珍主審。由于編者水平所限，內(nèi)容難免有不足和疏漏之處，敬請讀者予以指正。

內(nèi)容概要

本書主要介紹植物纖維原料水解工藝及理論知識。從植物纖維原料特征入手，重點(diǎn)闡述了水解工藝和稀酸水解理論基礎(chǔ)，以及糠醛、酒精生產(chǎn)工藝和發(fā)展現(xiàn)狀。還介紹了糠醇、木糖醇、飼料酵母、干冰等的生產(chǎn)工藝。     本書可作為植物纖維原料水解工業(yè)技術(shù)人員和管理人員的參考資料或培訓(xùn)教材，還可作為高等院校林產(chǎn)化工及相關(guān)專業(yè)的教材或教學(xué)參考用書。

書籍目錄

緒論 　一、植物纖維水解工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用 　二、植物纖維水解技術(shù)的發(fā)展 第一章　水解工業(yè)的原料 　第一節(jié)　水解工業(yè)原料的種類 　第二節(jié)　各種原料化學(xué)組成 　第三節(jié)　原料的工藝性質(zhì) 　第四節(jié)　原料的預(yù)處理、儲存和運(yùn)輸 第二章　植物原料水解工藝 　第一節(jié)　植物原料稀硫酸水解工藝 　　一、固定法水解工藝 　　二、滲濾法水解工藝 　　三、水解工段的主要設(shè)備 　第二節(jié)　纖維素的酶水解 　　一、酶的一般特性與分類 　　二、纖維素酶 　　三、纖維素酶水解工藝過程 　　四、纖維素酶水解亟待解決的問題 　第三節(jié)　多糖濃酸水解 　　一、濃酸水解機(jī)理 　　二、濃酸水解工藝 　第四節(jié)　高溫水解 　　一、擠壓法水解 　　二、爆炸法水解 第三章　植物原料稀酸水解理論基礎(chǔ) 　第一節(jié)　多糖苷鍵斷裂的機(jī)理 　第二節(jié)　水解反應(yīng)的基本動力學(xué)特性及影響水解速度的因素 　　一、水解反應(yīng)的基本動力學(xué)特性 　　二、影響多糖水解速度的因素 　第三節(jié)　半纖維素的水解特性與動力學(xué) 　　一、半纖維素的水解特性 　　二、半纖維素水解動力學(xué) 　第四節(jié)　水解條件下單糖和糠醛的分解與動力學(xué) 　　一、水解條件下單糖的分解 　　二、水解條件下呋喃化物的轉(zhuǎn)換 　　三、水解條件下單糖分解動力學(xué) 　第五節(jié)　稀酸水解條件下木質(zhì)素及提取物的轉(zhuǎn)換 　　一、水解條件下木質(zhì)素的轉(zhuǎn)換 　　二、酸水解條件下提取物的轉(zhuǎn)換 　第六節(jié)　固定法水解條件下單糖得率 　第七節(jié)　滲濾法水解的單糖得率 　第八節(jié)　宏觀動力學(xué)因素對單糖得率的影響 　　一、擴(kuò)散過程 　　二、流體動力學(xué)因素 　　三、水解液比（液相與固相之比） 第四章　糠醛生產(chǎn) 　第一節(jié)　糠醛生產(chǎn)的基本原理 　　一、糠醛的生成 　　二、原料種類和特征 　　三、糠醛生產(chǎn)的催化劑 　　四、形成糠醛的反應(yīng)動力學(xué) 　　五、影響糠醛得率的因素 　第二節(jié)　糠醛生產(chǎn)的蒸煮工藝 　　一、一段水解 　　二、二段水解 　　三、其他獲得含醛冷凝液的途徑 　第三節(jié)　有機(jī)酸的中和 　第四節(jié)　糠醛的蒸餾與凈化 　　一、糠醛蒸餾的基本原理、工藝流程和條件 　　二、粗糠醛的精制 　　三、糠醛生產(chǎn)中熱能和副產(chǎn)物的回收 　　四、幾種糠醛蒸餾與精制的工藝實(shí)例 　第五節(jié)　典型糠醛生產(chǎn)工藝評述 　　一、美國桂格燕麥公司糠醛間歇式蒸煮?精制工藝 　　二、羅西法間歇式糠醛生產(chǎn)工藝 　　三、羅森柳（賽佛）法間歇生產(chǎn)工藝 　　四、農(nóng)業(yè)呋喃法間歇式糠醛生產(chǎn)工藝 　　五、美國桂格燕麥公司連續(xù)水解工藝 　　六、埃斯徹爾?維斯連續(xù)水解工藝 　　七、羅森柳連續(xù)水解工藝 　　八、最新糠醛生產(chǎn)工藝　　……第五章　酒精生產(chǎn)附錄　我國常見植物纖維原料化學(xué)成分分析表附錄　植物纖維原料中聚戊糖含量的分析方法附錄　糠醛?水溶液的性質(zhì)附錄　糠醇的主要性質(zhì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：水蒸氣分配裝置是由30塊內(nèi)徑100mm，外徑240mm，具有4個螺栓孔的圓環(huán)組成。在兩塊圓環(huán)間的螺栓孔上都套上一個厚1mm的墊圈。這樣圓環(huán)間形成的縫隙是水蒸氣的出口。我國水解廠采用噴射式水加熱器，它是利用高壓蒸汽和水直接接觸加熱，噴射到水解鍋內(nèi)。這樣可以不考慮水的硬度和細(xì)顆粒雜質(zhì)。噴射式水加熱器結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。它是由8mm厚的耐酸鋼板焊接而成的。第二節(jié)纖維素的酶水解纖維素的酶水解就是利用微生物分泌的纖維素酶作催化劑，使纖維素加水分解的過程。纖維素酶水解的研究歷史較短，直至1961年才用木霉制出纖維素酶制劑。由于纖維素酶水解比酸水解有諸多的優(yōu)越性，如：纖維素酶水解所用設(shè)備簡單，無需耐酸、耐壓、耐熱，在45～50℃下即可水解；酶水解生成的糖不會進(jìn)一步分解，且酶水解不產(chǎn)生對發(fā)酵有害的副產(chǎn)物，從而簡化了糖液凈化工藝；纖維素酶的生產(chǎn)原料與酶水解原料可同為纖維原料，自然界中纖維原料資源豐富、價格低廉等。所以纖維素酶水解備受重視。一、酶的一般特性與分類酶是由細(xì)胞產(chǎn)生的，它參與生物體一切生化反應(yīng)，因此被稱為生物催化劑。它，主要由蛋白質(zhì)組成，故具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。與非生物催化劑相比它還有以下特性。（1）酶催化反應(yīng)的高效性  酶的催化效率遠(yuǎn)比無機(jī)催化劑高，一般可比無機(jī)催化劑高105～1013倍，即用少量的酶就可催化大量的底物。酶的存在降低反應(yīng)所需的活化能，并能增加底物與酶分子間的碰撞頻率，因此才使酶催化反應(yīng)能高速有效地進(jìn)行。（2）酶催化作用的專一性  酶催化反應(yīng)時，對底物有嚴(yán)格的選擇性，即某一種酶只能催化某一種或某一類物質(zhì)（底物）進(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)，生成相應(yīng)的產(chǎn)物。生物體內(nèi)含有多種酶類，它們各有分工，催化不同的生化反應(yīng)，才使復(fù)雜的代謝過程有規(guī)律的進(jìn)行。（3）酶催化條件的溫和性酶是一種生物催化劑，主要由蛋白質(zhì)組成，所以酶不能耐高溫、高壓及能引起蛋白質(zhì)凝固、變性的各種環(huán)境條件。一般來說，酶的催化反應(yīng)條件溫和，即在常溫、常壓，近于中性的環(huán)境下進(jìn)行。酶的種類繁多，其分類方法大體有以下幾種：按酶的組成可分為單酶（單成分酶）和復(fù)合酶（雙成分酶）。單酶即僅由蛋白質(zhì)組成的酶，催化水解反應(yīng)的酶大多數(shù)為單酶。復(fù)合酶即是其組成除蛋白質(zhì)（酶蛋白）外，還有非蛋白質(zhì)部分（輔酶或輔基）。在復(fù)合酶催化反應(yīng)時，其組成的兩部分必須同時存在才具有催化活性，缺少任何一部分都使酶失去催化能力。

后記

植物纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中纖維素和半纖維素為多糖類物質(zhì)，能夠發(fā)生水解，通過水解工藝制得多種產(chǎn)品，如糠醛、酒精等。    糠醛是在1832年被德國化學(xué)家德貝雷涅爾（JWDbereiner ）所發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時是在由硫酸和二氧化錳混合液用于蔗糖制取甲酸時，從蒸餾產(chǎn)物中偶然發(fā)現(xiàn)一種具有特殊氣味的油狀物，認(rèn)為是一種副產(chǎn)物而稱其為“人造蟻酸油”。其后，于1845年又有人從米糠中制取出了同樣物質(zhì)，此后便稱其為糠醛了（furfur——米糠，oleum——油）。當(dāng)確定了結(jié)構(gòu)以后發(fā)現(xiàn)其物理化學(xué)性質(zhì)均很特殊,并有廣泛用途，直到1922年才在美國采用農(nóng)業(yè)廢料（棉籽殼、稻殼和燕麥殼）首先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。至今，糠醛仍僅從植物纖維原料通過水解的方法來生產(chǎn)，雖然也有研究者從事于糠醛合成的研究工作（如氧化脂肪系的二烯），但未能實(shí)施。我國是糠醛生產(chǎn)和出口大國，但是規(guī)模小，生產(chǎn)技術(shù)水平落后，存在污染較大的問題，與發(fā)達(dá)國家具有較大差距。我國糠醛行業(yè)技術(shù)水平急需提高。    植物多糖經(jīng)水解、發(fā)酵生產(chǎn)酒精具有悠久的歷史。然而，當(dāng)以植物纖維為原料時，由于木質(zhì)素對微生物的抑制作用、纖維素酶活性低等原因使其水解發(fā)酵制酒精成本很高。在過去的幾十年中植物纖維原料水解制酒精工業(yè)一直處于停滯狀態(tài)，未能得到發(fā)展。直至最近幾年，由于化石資源危機(jī)，生物質(zhì)能源的利用受到重視，“生物質(zhì)工程”已列入國家“十一五”重大科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，以植物纖維原料水解制酒精技術(shù)也得到了發(fā)展。中糧集團(tuán)和中石化等能源行業(yè)巨頭都對燃料乙醇項(xiàng)目表現(xiàn)出濃厚興趣。河南天冠纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目一期工程——5千噸纖維乙醇生產(chǎn)裝置于2008年完成建設(shè)，并投入運(yùn)行，順利實(shí)現(xiàn)了纖維酒精的生產(chǎn)。    當(dāng)前，我國植物纖維水解工業(yè)快速發(fā)展，但是相關(guān)技術(shù)資料較少且較落后。為此，編者在收集大量國內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上編寫了本書，希望促進(jìn)我國植物纖維水解技術(shù)的發(fā)展。本書由東北林業(yè)大學(xué)李淑君主編，其中，第五章由蘇文強(qiáng)編寫，其他四章由李淑君編寫，全書由方桂珍主審。    由于編者水平所限，內(nèi)容難免有不足和疏漏之處，敬請讀者予以指正。

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