CN101372815B - 利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由我国传统中草药甘草提取黄酮、甘草酸或多糖过程中所产生的废弃物分离木质素和纤维素的方法。所述方法包括以下步骤：(1)将甘草废渣中加入甲基异丙酮-乙醇-水混合溶剂制成混浊液；(2)用超声波处理上述混浊液，之后保温静置一定时间，过滤得滤液和滤渣。(3)滤液经真空浓缩回收溶剂后，得到结晶，再过滤、干燥后得到木质素；滤渣直接干燥得到纤维素。利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法可以克服碱煮法和亚硫酸盐造成环境污染和资源浪费及高沸醇溶剂法的耗能高的缺点。该法为甘草废渣的综合利用开辟了新的途径。

Description

利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法

一、技术领域

本发明涉及由我国传统中草药甘草提取黄酮、甘草酸或多糖过程中所产生的废弃物分离木质素和纤维素的方法。

二、背景技术

甘草是豆科甘草属植物的根和根状茎，是常用的中药品种。目前我国中西部地区有关甘草中有效成分的提取生产的厂家较多，对提取后剩余的大量甘草废渣作为废料扔掉或烧毁。我国每年耗6×10⁴吨干草，可回收利用纯木质素1.2×10⁴～1.5×10⁴吨，纤维素1.8×10⁴～2.0×10⁴吨，是一笔巨大的财富。因此，甘草废渣的利用应该引起人们的重视。甘草废渣中富含木质素和纤维素，如果能利用它替代木材生产附加值较高的木质素和纤维素，不仅为甘草废渣的系统利用提供一条新途径，而且还能创造较高的经济效益。

在甘草废渣中，纤维素与木质素和半纤维素一起构成超分子体系，木质素和半纤维素形成牢固结合层，包围着纤维素。所以，欲分离甘草废渣中的纤维素，首先应考虑溶解与纤维素伴生的木质素和半纤维素。

1997年2月19日由中国专利局公告了一种“甘草中黄酮类化合物、木质素及纤维素的提取工艺”，申请号为95109065.8，其特点是用Ca(OH)₂转化甘草中的木质素，生成木质素钙沉淀，再用Na₂CO₃转化木质素钙沉淀得碱木质素或用酸沉淀分离的纯木质素。该法采用强碱沉淀和溶解木质素，反应过程中使用大量强碱Ca(OH)₂和Na₂CO₃，对设备有强的腐蚀作用，且产生废渣和废碱液，很容易造成二次环境污染。

利用有机溶剂法溶解木质素，由于所用溶剂具有良好的溶解性和易挥发性，所以产生的废液可以通过减压浓缩回收有机溶剂，达到循环利用的目的，是较理想的分离木质素、纤维素的方法。如2003年6月18日由中国专利局公告了一种“高沸醇溶剂制备纤维素及木质素的方法”，申请号为02157689.0。其缺点是反应过程需要高温高压，耗能高，而且仅用有机溶剂脱木质素后，所得纤维素纯度不高。

根据“超声波法从罗汉果渣中提取碱木质素的研究”(《林产化学与工业》杂志2004年第24卷第4期第73页)文献报道，超声波辅助碱法提取木质素，提取率将得到明显改善。但是，采用超声波辅助有机溶剂法脱木质素未见相关报道。针对传统分离木质素和纤维素工艺多用碱蒸煮法和亚硫酸盐法造成环境污染和资源浪费及高沸醇溶剂法的耗能的问题，发明一种低耗能的、条件温和又高效的分离甘草废渣木质素、纤维素的方法是本领域研究的主攻方向。

三、发明内容

本发明选用有机介质和水，利用超声波的特殊效应(空化作用、机械作用和热效应)辅助分离甘草废渣中的木质素和纤维素，其原理在于：在超声波作用下，连接在木质素结构单元间的β-O-4键以及木质素与半纤维素之间的α-O-4醚键发生断裂，木质素分子溶于有机相中实现与纤维素的分离。

本发明具体技术方案如下：

(1)向甘草废渣A中加入一定量的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液，料液比为1∶10g/mL；

(2)用超声波处理该混浊液，所用的超声波作用装置为超声波清洗仪，超声波作用时间30～120min，温度20～50℃，所用超声波的功率100～950W，超声波的频率20～60kHz；

(3)在40℃温度保温静置2～5h，待沉淀完全后离心分离得上清液B和滤渣C；

(4)向上清液B中加水，上清液B与加水量的比例为1∶1.4(体积比)，使不溶性的MIPK产生两相分层：分离上层为MIPK相，真空浓缩回收MIPK，得到结晶，经过滤、洗涤、干燥后得到木质素；下层为水合相，浓缩、结晶得半纤维素和可溶性糖；

(5)滤渣C在80℃的温度下干燥3～5h，得到纤维素D。

有益效果：在甲基异丙酮-乙醇-水混合溶剂体系中，超声波优先断开木质素之间及其与纤维素之间连接的键；由于超声波作用的条件温和，作用时间短，可以避免其对纤维素的降解。木质素在超声波的作用下降解成碎片后，溶于甲基异丙酮相中，从而与纤维素分离，可获得比单用有机溶剂提取更高产量及纯度的纤维素。

四、具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明也不仅限于实施例的内容。

实施例1

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在30℃的温度下，超声波处理时间60min，所用超声波功率950W，超声波频率20kHz。超声波处理完毕将盛处理液容器转移到40℃恒温水浴中保温2h，待沉淀完全后抽滤。向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素3.1g。滤饼在80℃真空干燥4小时，得到7.6g纤维素。

实施例2

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在40℃的温度下，超声波处理时间90min，所用超声波功率700W，超声波频率20kHz。超声波处理完毕将盛处理液容器转移到40℃恒温水浴中保温5h，待沉淀完全后抽滤。向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素3.5g。滤饼在80℃真空干燥5小时，得到纤维素7.8g。

实施例3

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在50℃的温度下，超声波处理时间120min，所用超声波功率600W，超声波频率40kHz。超声波处理完毕将处理液转移到40℃恒温水浴中保温3h，待沉淀完全后抽滤，向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素4.0g。滤饼在80℃真空干燥3小时，得到7.9g纤维素。

实施例4

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在40℃的温度下，超声波处理时间50min，所用超声波功率500W，超声波频率40kHz。超声波处理完毕将处理液转移到40℃恒温水浴中保温4h，待沉淀完全后抽滤，向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素3.7g。滤饼在80℃真空干燥3小时，得到7.2g纤维素。

实施例5

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在50℃的温度下，超声波处理时间50min，所用超声波功率350W，超声波频率60kHz。超声波处理完毕将处理液转移到40℃恒温水浴中保温2.5h，待沉淀完全后抽滤。向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素3.2g。滤饼在80℃真空干燥4小时，得到6.7g纤维素。

实施例6

准确称取甘草废渣20.0g，加入200mL的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液。在20℃的温度下，超声波处理时间30min，所用超声波功率100W，超声波频率60kHz。超声波处理完毕将处理液转移到40℃恒温水浴中保温2h，待沉淀完全后抽滤。向滤液中加入280mL水，分离MIPK相，经旋转蒸发回收MIPK，浸膏干燥可以得到木质素2.5g。滤饼在80℃真空干燥5小时，得到5.9g纤维素。

Claims (3)

1.一种利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)向甘草废渣A中加入一定量的甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂MIPK∶乙醇∶水＝50∶30∶20制成混浊液，料液比为1∶10g/mL；

(2)用超声波处理该混浊液，所用的超声波作用装置为超声波清洗仪，超声波作用时间30～120min，温度20～50℃，所用超声波的功率100～950W，超声波的频率20～60kHz；

(3)在40℃温度保温静置2～5h，待沉淀完全后离心分离得上清液B和滤渣C；

(4)向上清液B中加水，上清液B与加水量的比例为1∶1.4(体积比)，使不溶性的MIPK产生两相分层：分离上层为MIPK相，真空浓缩回收MIPK，得到结晶，经过滤、洗涤、干燥后得到木质素；下层为水合相，浓缩、结晶得半纤维素和可溶性糖；

(5)滤渣C在80℃的温度下干燥3～5h，得到纤维素D。

2.根据权利要求1所述利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法，其特征在于步骤(1)的甘草废渣为提取甘草黄酮后的甘草废渣、提取甘草酸后的甘草废渣、提取甘草次酸后的甘草废渣、提取甘草多糖后的甘草废渣中的任一种。

3.根据权利要求1所述利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法，其特征在于步骤(2)在使用甲基异丙酮(MIPK)-乙醇-水混合溶剂分离木质素和纤维素的过程中施加超声波场以强化木质素的溶解。