一种双极膜电还原木糖制备木糖醇的方法与流程

本发明涉及木糖醇制备领域，具体为一种双极膜电还原木糖制备木糖醇的方法。

背景技术：

当今社会，人们的生活水平有了大幅度的提升，人们对于食物的需求不仅仅满足于吃得饱，还要吃得好，随着科学技术的发展，人们逐步认识到木糖醇的功效恰好可以满足这一需求，木糖醇现已广泛应用于医药、食品、化工等领域。

基于木糖醇性质的多样性，木糖醇在生产生活中有多种用途，在医药、食品等领域均有着不可替代的作用。

木糖醇的甜度与蔗糖相当，并且可以在体内胰岛素缺乏的情况下，替代胰岛素促进肝糖原合成，在保持体内血糖值稳定的同时，提供机体所需的营养与能量。

木糖醇可以促进胃液的分泌，促进胰脏与胆的活性，增加nadph2、atp和肾上腺皮质激素等的量，木糖醇进入人体内的各组织中，广泛分布且代谢速度极快，便于机体利用。

根据第三次全国口腔健康流行病学调查结果，我国5岁儿童龋齿患病率为66.0％，12岁儿童患病率为28.9％，35至44岁年龄组患病率为88.1％，65至74岁年龄组的患病率为98.4％，其中，未治疗率分别高达97.1％、88.9％、80.1％和92.1％，而木糖醇则是防龋齿的最好甜味剂，口腔中产生龋齿的细菌无法使木糖醇发酵，对链球菌的生长以及酸的产生起到了抑制作用，从而降低龋齿的感染率，防龋齿效率高达90%。

当前木糖醇工业化生产方法分四种：固液萃取、化学转化、生物转化法和电化学还原法，其中，化学还原法一般使用阳离子交换隔膜电解槽，以盐或酸溶液为阳极液，以葡萄糖的异构化产物、蔗糖的水解产物或果糖为原料，加入支持电解质制成阴极液，通电电解，之后电解液经中和、脱色、蒸发、脱盐、结晶、精制、干燥等处理过程制得甘露醇成品，但是目前的化学还原法在使用的过程中，受到外界影响的因素较多，产品质量和生产工艺稳定性难以控制。目前国内外木糖醇的工业规模化生产采用的是化学合成法，此方法需要高压、高温、镍催化剂和高纯度氢气等条件，成本高，客观上制约了木糖醇的应用。相对于传统的木糖醇制备方法，双极膜制备工艺无需高压设备及催化剂，减轻污染、节省能耗，尤其提纯工艺简便，所得产品纯度高，是一种绿色环保的生产工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双极膜电还原木糖制备木糖醇的方法，通过绿色环保的生产工艺生产电还原木糖制备木糖醇，推动生产技术的进步，降低生产成本、减少环境污染方面有着极其重要的意义，经检索，目前还尚未有与本申请技术方案类似的的文献报道，因此，本申请涉及的方法具有重要的意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双极膜电还原木糖制备木糖醇的方法，包括以下步骤：

（1）构建双极膜电解系统

所述双极膜电解系统包括电源、阴极板、双极膜和阳极板；将所述阴极板、所述双极膜和所述阳极板依次排列，其中所述阴极板和双极膜之间形成阴极室，双极膜和阳极板之间形成阳极室；将所述电源的阴极电性连接至阴极板，将所述电源的阳极电性连接至阳极板；在所述阴极室中加入木糖和阴极室溶液，在阳极室中加入阳极室溶液；通过滴加碱性溶液将阴极室中的ph调节至不小于9；

（2）在反应过程中，电流维持在0.2-5a，电压维持在5-45v，所述阴极室和所述阳极室的温度维持在10-60℃；

（3）接通电源，双极膜电解系统开始工作，分别记录时间、电流、电压数据。

优选的，前半个小时每分钟记录一次数据；半小时至一个小时的时间内每两分钟记录一次数据；一到两个小时时间内每十分钟记录一次数据；此后每半个小时记录一次数据。

优选的，所述电流为3a。

优选的，所述电压维持在45v。

优选的，所述阴极室和所述阳极室的温度维持在50℃。

优选的，所述阴极板选自镍电极，铅电极或铅镍电极。

优选的，所述阴极板选自铅电极

优选的，所述阴极室溶液选自水、硫酸钠、硝酸钠、硫酸钾或硝酸钾溶液；所述阳极室溶液选自硫酸钠、硝酸钠、硫酸钾或硝酸钾溶液。在这里阴极室中可不添加电解质，当反应难以进行时，可选择性添加一些电解质以增大阴极室溶液的电导率。

优选的，所述碱性溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

本发明具有以下有益效果：

（1）探索了双极膜法电还原木糖制备木糖醇的生产工艺，尤其是确定了木糖的电还原需在碱性条件下进行是生产的关键所在。

（2）通过单因素控制确定了以木糖为原料采用双极膜法合成木糖醇的工艺参数。利用双极膜法电解转化木糖生产木糖醇，研究电流强度、电压强度、温度以及电极材料等生产条件对生产过程产生的影响，优化工艺参数。

附图说明

图1为双极膜电还原木糖制备木糖醇的方法的原理示意图。

图2为阴极室中酸碱性调控对双极膜电还原木糖制备木糖醇影响示意图。

图3电流强度对木糖转化率、木糖醇收率的影响示意图。

图4电压强度对木糖转化率、木糖醇收率的影响示意图。

图5温度对木糖转化率、木糖醇收率的影响示意图。

图6电极材料对木糖转化率、木糖醇收率的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1所示，构建双极膜电解系统，所述双极膜电解系统包括电源、阴极板、双极膜和阳极板；将所述阴极板、所述双极膜和所述阳极板依次排列，其中所述阴极板和双极膜之间形成阴极室，双极膜和阳极板之间形成阳极室；将所述电源的阴极电性连接至阴极板，将所述电源的阳极电性连接至阳极板；阳极板选用钛钌电极，阳极室为100ml7.5%质量浓度的硫酸钠溶液，阴极板选用镍电极，阴极室为100ml7.5%质量浓度的木糖溶液和3ml5%质量浓度的硫酸钠溶液；通过滴加碱性溶液将阴极室中的ph调节至不小于9；在反应过程中，将电流、电压，阴极室的温度和阳极室的温度维持在一定的技术参数下；接通电源，双极膜电解系统开始工作，分别记录时间、电流、电压数据。

实施例2

根据实施例1构建好双极膜电解系统，初始电压控制在35v，上限电流控制在0.2a，阳极板选用钛钌电极，阳极室为100ml7.5%质量浓度的硫酸钠溶液，阴极板选用镍电极，阴极室为100ml7.5%质量浓度的木糖溶液和3ml5%质量浓度的硫酸钠溶液；在阴极室通过滴加硫酸和氢氧化钠溶液将阴极室中溶液的ph值分别调节至5、7、8、9、10和12，然后通电进行电解反应，如附图2所示，当ph值在5、7和8时，虽然木糖具有一定的转化率，但是木糖醇的摩尔收率均非常低（3%以下）；当ph值在9时，但是木糖醇的摩尔收率达到5%；当ph值在10以上时，但是木糖醇的摩尔收率超过了10%。

实施例3

根据实施例1构建好双极膜电解系统，其中，所述电流的强度以0.5a、1a、2a、3a、4a的梯度变化，所述电压强度恒定保持在35v，所述温度控制在60℃，所述阴极板采用镍电极，阳极板采用采用的钛钌电极，所述温度通过cs501型超级恒温器控制恒温。不同强度的电流对木糖转化率以及木糖醇收率的影响不同。如图3所示，在电流强度为0.5a时，此时木糖转化率最低，仅为16%。之后随着电流强度的增加，转化率逐渐升高，但最高时仅为50%，转化率未能达到理想的效果。而木糖醇收率则随着电流强度的增加而起伏不定。电流为0.5a时，木糖醇收率为10%；电流在1a、2a时木糖醇收率下降，稳定在5%。待电流强度增加，收率也得到提升，但电流为4a时的增幅较小。综合木糖转化率以及木糖醇收率考虑，此条件下最佳的电流强度为3a。

实施例4

根据实施例3构建好双极膜电解系统且设置好各具体参数，所不同的是在此实施例中将电流保持在2a，调节电压的强度使其以15v、25v、35v、45v的梯度变化。不同强度的电压对木糖转化率以及木糖醇收率的影响不同。如图4所示，在电压强度为15v时，此时木糖转化率最低，仅为14%。之后随着电压强度的增加，转化率逐渐升高，但最高时仅为53%，转化率未能达到理想的效果。随着电压强度的增加，木糖醇的收率开始时稳定在5%左右，基本不变。电压增加至45v时，木糖转化率突然上升至20%。综合木糖转化率以及木糖醇收率考虑，此条件下最佳的电压强度为45v。

实施例5

根据实施例3构建好双极膜电解系统且设置好各具体参数，所不同的是在此实施例中将电流保持在2a，且电压保持在35v，调节电解系统中阴极室和阳极室中溶液的温度分别为10℃、30℃、50℃和60℃梯度变化。不同的温度对木糖转化率以及木糖醇收率的影响不同。木糖的转化率随着温度的升高而增大；在温度10℃、30℃的情况下木糖醇的收率在5%左右且几乎保持不变；在温度为50℃时木糖醇的收率突然升高，在15%左右，后在温度60℃时木糖醇收率又下降至5%左右。综合木糖转化率以及木糖醇收率考虑，此条件下最佳的温度为50℃。

实施例6

根据实施例3构建好双极膜电解系统且设置好各具体参数，所不同的是在此实施例中将电流控制在2a，且更换阴极板的材料。不同的电极材料对木糖转化率以及木糖醇收率的影响不同。本实施例中选取镍、铅、铜、铝、铅镍合金等材料进行电还原作业，分析各种材料所得数据可得材料铅的效果最佳。从图6可以看出，采用铅镍合金材料时，随着时间的推移，木糖的转化率增加、木糖醇的收率增加但增幅不大；同等条件下采用铅电极时，木糖的转化率以及木糖醇的收率均明显高于铅镍合金。综合木糖转化率以及木糖醇收率考虑，此条件下最佳的电极材料是铅。

以上特别示出并不意味着限制，而是用于示出和教导本发明主题的各种示例性实施方式。如所附权利要求书所述，本发明的范围包括本文所讨论的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员将想到的这些变化和修改。