年产5000吨山梨醇生产工艺

1山东理工大学《食品工程原理》课程设计题目：年产5000吨山梨醇生产工艺—离子交换选型及论证学院：农业工程与食品科学学院专业：食品科学与工程专业学生姓名：指导教师：课程设计时间：2011年1月4号——2011年1月14号摘要1摘要介绍了年产5000吨山梨醇的生产工艺流程、各步的操作要点、物料衡算、山梨醇在生产生活中的应用，离子交换处理的选型等。关键词：山梨醇生产工艺设计目录1目录摘要…………………………………………………………目录…………………………………………………………第一章前言………………………………………………11.1概述……………………………………………………11.2性质……………………………………………………11.3主要用途………………………………………………1第二章工艺流程…………………………………………32.1工艺流程论证及选则…………………………………32.1.1氢化法生产技术……………………………………32.1.2电解法生产技术……………………………………32.1.3发酵法生产技术……………………………………32.2工艺说明………………………………………………42.2.1原料处理………………………………………………42.2.2加氢………………………………………………42.2.3加氢液的精致与浓缩…………………………………5第三章物料衡算………………………………………………6第四章离子交换设备选型……………………………………74.1离子交换树脂分类………………………………………84.2设备选型………………………………………………8结束语………………………………………………………9参考文献…………………………………………………10致谢………………………………………………………11第一章前言1第一章前言1.1概述山梨醇是和甘露醇、木糖醇、麦芽糖醇等相同的可食用糖醇，在自然界广泛存在于水果，如苹果、梨、樱桃、乌梅中，在烟草和海海藻中也含有少量山梨醇。由于食用糖醇在自然界的原料中含量太低，所以商品山梨醇是用较纯的结晶葡萄糖氢化制得。山梨醇和其他糖醇比较，具有原料充足、工艺简单、成本低廉、用途广泛的特点。山梨醇工业的发展，是因为合成维生素C的需要，至今为止，世界上维生素C是以山梨醇作为起始原料。随着经济技术的发展，山梨醇已广泛应用于医药、表面活性剂﹑醇酸树脂、日化、食品行业。美国1995年仅产山梨醇2万吨，到1960年达3万吨以上，1980年后生产能力8.5万吨。1989年生产能力为19.8万吨，1990年为23.7万吨，1991年为25万吨，美国在七十年代山梨醇应用于维生素C占25%，其他为制药占12%，表面活性剂占15%，牙膏化妆品占10%，树脂5%，食品15%，粘合剂5%，其他15%。现在维生素C只占18%，牙膏化妆品占31%，糖果和食品占27%，表面活性剂11%，医药8%，其他5%。在日本年产山梨醇11万多吨，七十年代维生素C用山梨醇占30%，其余为饮料、酒类﹑食品30%，表面活性剂及脂类10%，内服药5%，烟草及化妆品2%。目前消费结构为食品糖果占65%，牙膏化妆品占15%，维生素C占9%，表面活性剂占3.7%制药4.1%，聚醚3.3%。1.2山梨醇的性质山梨醇亦即山梨糖醇的简称，其英文全称是D-sorbitol，商品山梨醇有粉状结晶及液体两种，液体的含山梨醇50%～70%。山梨醇易溶于水，无臭味，有清凉感的甜味，每克产生4kcal的热量，其甜度低于蔗糖。山梨醇在空气中易吸湿潮解。山梨醇进入体内能代谢，属营养性甜味剂，但其代谢途径首先是缓慢扩散吸收氧化成果糖，再被利用，参与果糖代谢途径。对血糖值和尿糖没有影响，可以作为糖尿病人的甜味剂使用。1.3山梨醇的主要用途维生素C：维生素C对于骨骼组织、细胞间质的形成，以及这些正常功能的维持，都是必需的。维生素C对于人体机构白细胞吞噬作用、抗体的形成也有促进作用。维生素C存在于一切生活组织中，是细胞的代谢氧化一还原化合物。因为它能防治坏血病，所以也称抗坏血酸。不象大多数动物，人体不能合成维生素C，主要从水果蔬菜中获得。FAO/WHO规定每日摄量儿童为20毫克，成人为30毫克，孕妇和乳母为50毫克。至今，世界上维生素C的生产，均以山梨醇为起始剂，经过发酵及化学合成若干步骤，获得维生素C。每吨维生素C需要消耗山梨醇(以干物质计)2.2吨，我国山梨醇工业也是随着维生素C的发展而开始建立的。表面活性剂：以山梨醇为基础的表面活性剂广泛应用于工业部门，其中山梨醇和脂肪酸合成的脱水山梨醇脂肪酸醋，以及在此基础上进一步经环氧乙烷经乙基化的产品，是制取各种表面活性剂的基本原料。商品名称为各种司盘和吐温。第一章前言2这些表面活性剂可以作为乳化、扩散、消泡、增湿、浸润、渗透剂等，应用于化纤、印染、建筑、矿冶、石油、医药、造纸、食品等工业。我国上海、天津、大连、温州等地均有生产。保湿剂：由于山梨醇具有保湿性，所以可以代替经常使用的甘油，应用于牙膏、卷烟、化妆品生产中。在牙膏行业中可作为水份控制剂，防冻剂之用，其加入量达25-30%，在化妆品中可用作保湿剂，并可增强乳化剂的伸展性和润滑性，延长货架期。，卷烟生产亦使用甘油作为保湿剂，特别是北方气候干燥的地区，使烟丝软，防止烟支生产空头。加量达1～2%，山梨醇代替甘油作烟丝的保湿剂风味不仅不变，而且还能改善。化学工业：山梨醇和环氧丙烷作起始原料，可以生产聚氨醋硬质泡沫塑料，并具有一定的阻燃性能。山梨醇和合成脂肪酸生成的醋类，可以代替胡麻油，用以生产代油醇酸树脂油漆。山梨醇松香醋是常用建筑涂料的原料。山梨醇醋作为增塑剂、润滑剂应用于聚氯乙烯树脂和其他聚合物。山梨醇在碱性溶液中和铁、铜、铝离子络合，应用于纺织工业的漂白和洗涤。食品工业：作为食品添加剂甜味剂的一个品种，已列入GB2760-86，食品添加剂使用卫生标准。由于它是天然的具有能量和营养的甜味剂，所FAD/WHO把山梨醇列入推荐使用名单。根据山梨醇的性质，在食品中使用有以下几个特点：
(1)山梨醇具有吸湿性，故在食品中加入山梨醇可以防止食品的干裂，使食品保持新鲜柔软。在面包蛋糕中使用，有明显效果。(2)山梨醇甜度低于蔗糖，且不被某些细菌利用，是生产低甜度糖果点心的好原料，也是生产无糖糖果的重要原料，加工各种防龋齿的食品。(3)山梨醇不含有醛基，不易被氧化，在加热时不和氨基酸产生美拉德反应。有一定的生理活性，能稳定防止类胡萝卜素和食用脂肪及蛋白质的变性。在浓缩牛乳中加入山梨醇可延长保存期，能改善小肠的色香味，对鱼肉酱有明显的稳定和长期保存的作用。在果酱蜜饯中也有同样作用。
(4)山梨醇代谢不引起血糖升高，可以作为糖尿病人食品的甜味剂和营养剂。纺织行业：山梨醇可螯合多价强碱性的织物漂白液或洗净液中的铁、铜离子，因而是一种清除剂，与乙二醇的混合物，可作为尼龙和丙烯纤维的调节剂，在染料中加适量山梨醇，可帮助染料渗入织物内部，使织物染色均匀。其它作业：以山梨醇制成的粘合剂，具有较好伸缩性，柔软性，可提高粘合剂的质量，在造纸行业中，可防纸张干燥，使纸面光滑，印刷清楚，在烟草业中，作为水份控制剂，部分或全部取代甘油，使烟草便于保管。在炸药行业中，硝化山梨醇的甘油一乙二醇溶液，是一种具有低冰点，高爆炸的液体炸药。另外，山梨醇还广泛用于皮革、玻璃纸、显影液、冷冻液、金属表面处理等。第二章工艺流程3第二章工艺流程2.1工艺流程论证及选择山梨醇的产品规格主要有50%山梨醇液、70%山梨醇液和结晶山梨醇等。山梨醇的生产包括氢化法、电化学法和发酵法。其中，氢化法是目前最常用的生产方法，以蔗糖、淀粉、葡萄糖等为原料通过氢化反应得到。电化学法和生物发酵法都是以葡萄糖和果糖为原料，前者通过电解还原原料制备山梨醇，后者则通过微生物的酶作用将葡萄糖和果糖转化为山梨醇。2.1.1山梨醇的氢化法生产技术氢化法生产山梨醇主要有葡萄糖催化加氢法和淀粉糖化直接加氢法，也有用蔗糖为原料进行生产的，但需首先水解成葡萄糖。在淀粉生产山梨醇时，首先要经酶法或酸法将其转变成葡萄糖，然后进行生产。氢化包括间歇式和连续式2种，工业上目前较多采用高压柱形反应器的连续式氢化新技术。将葡萄糖溶液通过高压泵连续注入装有固体块状催化剂的柱式反应器中，反应一段时间后排出即为山梨醇。催化器在反应器中处于静状态，没有搅拌和冲击的影响，而葡萄糖溶液和氢气连续不断的通过催化剂的表面，使氢化反应均匀完全。连续氢化所得的山梨醇溶液经过离子交换树脂精制通过升膜式或降膜式蒸发器脱水浓缩即可得液体山梨醇成品，进一步结晶即为结晶状山梨醇。2.1.2山梨醇的电化学法生产技术电化学法制备山梨醇，是通过电解法在阴极上将葡萄糖或果糖还原为山梨醇。与催化加氢法相比，电化学法具有工艺流程短、安全性高、产物易分离提纯、生产过程中废物排放少等优点。但由于转化率低（约70%），且每次电解只能在一个电极上合成一种产品，导致成本较高，因此电化学法生产山梨醇至今仍未实现工业化。直到20世纪80年代中叶，Park和Pintauro等提出了成对电氧化和还原工艺，即在同一个电解槽内同时合成葡萄糖酸盐和山梨醇，使得电化学法制备山梨醇的技术有了巨大的进步，相信工业化生产指日可待。成对电氧化和还原工艺以葡萄糖为原料，以NaBr为催化剂，加入辅助电解质Na2SO4，在50℃~60℃进行成对电化学反应。溴离子首先在阳极表面上失去电子生成溴分子，继而与葡萄糖作用，生成葡萄糖酸内酯中间体，在水溶液中与葡萄糖酸存在平衡，由于溶液中还有Na盐或Ca盐，则进一步生成葡萄糖酸盐，以避免葡萄糖酸内酯在阴极被还原。葡萄糖在阴极表面上获得2个电子被还原成山梨醇。因为山梨醇和甘露醇是同分异构体，所以有小部分的葡萄糖还原会成为甘露醇。2.1.3山梨醇的发酵法生产技术长期以来山梨醇的生产都只有氢化法，直到1984年有报道利用一种生成乙醇的微生物Zymomonasmobilis可将果糖和葡萄糖的混合物转化为乙醇，且山梨醇的生成是与葡萄糖脱氢形成葡萄糖内酯的反应同时进行。Zymomonasmobilis最初是从发酵龙舌兰、棕榈和蔗糖等植物汁中分离得到的，经过生物转化来生产山梨醇和葡萄糖酸。用渗透性试剂（如甲醇或洗涤剂等）浓缩第二章工艺流程4Zymomonasmobilis细胞处理后，葡萄糖酸和山梨醇产率分别为94%~95%和98%~99%。但这种生产方法操作麻烦，成本也高，目前仅限于实验室研究。2.2工艺说明国内典型的以葡萄糖为原料，加氢生产方法，其工艺流程可简单描述如下：葡萄糖→原料处理→加氢→精制→浓缩由葡萄糖原料生产山梨醇，主要工艺包括如下三个工序。2.2.1原料处理（第一工序）一般包括化糖离子交换处理调节PH等工序。化糖浓度一般为45%～52%，加氢前PH调节为7.5～8.0。如果结晶葡萄糖质量很好，可以不用离子交换处理，但化糖用水最好用纯水。活性炭脱色与离子交换可以用一般的脱色与离子交换工艺进行。为降低成本，可以采用普通糖用活性炭，这种活性炭一般是用锌盐法制造的，其中常含有2%～3%的盐分，因此在活性炭脱色后，必须进行离子交换处理。离子交换可以将糖液中的盐分除掉，并进一步除去一些活性炭不容易脱掉的色素。此工序的糖液，要求达到无色或极淡的黄色。2.2．2加氢（第二工序）加氢一般在一个高压加氢釜中进行。加氢有两种主要的模式，一种是高压加氢釜间歇加氢，一种是采用连续加氢。我国目前主要是采用间歇加氢。间歇加氢的压力为4.0～12.0MPa，容积在1～9m³。现以5m³磁力加氢釜为例，其典型的操作如下：在新的加氢釜启动前，首先用水将加氢釜反复清洗三次，然后将加氢釜装满水，用氮气将水置换。然后用氢气将氮气转换三次。置换方法是通入氢气到高压釜中压力达到0.2Mpa，然后卸压到0.01Mpa，再通入氢气到0.2Mpa，然后再一次卸压到0.01Mpa。此时，取样测定氢气纯度，到确保氢气中的含氧量达到要求，保压。通过用高压进料泵将0.25的葡萄糖液打入高压釜中，将硝化好的催化剂放入葡萄糖进料计量罐中，与糖液混合好后，用高压进料泵打入高压釜中。新