木質(zhì)生物質(zhì)水解工藝的研究

木質(zhì)生物質(zhì)水解工藝的研究

世界每年通過光合作用產(chǎn)生的木油約為2000萬噸，相當(dāng)于世界每年消耗的能源的10倍。其中，固定木材材料占總數(shù)的90%95%。中國每年有93億t農(nóng)作物秸稈,其中26.6億t已被以各種方式利用。此外,還有林業(yè)下腳料22.7億t,其中12.4億t已被利用。從化學(xué)成分上看,這些木質(zhì)纖維材料的主要成分均為糖類和芳香族化合物。這是非常寶貴的自然資源,貯存著巨大的能量。用水解法可以將木質(zhì)生物質(zhì)材料分解轉(zhuǎn)化,得到葡萄糖和各種低聚糖作為人類的營養(yǎng)品和保健品,繼續(xù)聚合得到菌體蛋白可以作為人類食品和動物飼料,葡萄糖繼續(xù)發(fā)酵還可得到乙醇、甲烷等清潔燃料。因此,木質(zhì)生物質(zhì)作為一種可更新的有機資源,可以緩解糧食和能源問題,也可以使木質(zhì)資源高效利用,同時這種木質(zhì)材料的生物轉(zhuǎn)化過程又不會對環(huán)境造成污染。這充分說明木質(zhì)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化有很好的發(fā)展前景。水解是木質(zhì)纖維素資源開發(fā)利用的關(guān)鍵步驟之一,水解工藝分為酸水解和酶水解兩種。酶制劑生產(chǎn)費用昂貴、水解周期長、原料需要預(yù)處理,因此,生物質(zhì)酶水解要達到技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性還有很長的路要走。酸水解可以直接將木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)生單糖,也可作為酶水解的預(yù)處理方法,而且具有較好的可操作性和經(jīng)濟可行性。1材料和方法1.1設(shè)備和藥物1.1.1儀器和檢測方法恒溫水浴鍋(型號WZOIB),上海申勝生物技術(shù)有限公司;分析天平(型號FAIO04N),上海精密科學(xué)儀器廠;可見光分光光度計(型號DR/4000V),尤尼柯(上海)儀器有限公司;多功能食品粉碎機(型號SL-250),上海帥菱電器有限公司。1.1.2實驗藥物3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈣、硫酸、葡萄糖。1.2試劑的制備1.2.1aoh溶液的配制稱取DNS6.3g,用少量水溶解,加2mol/LNaOH溶液262ml,加到500ml含有185g酒石酸鉀鈉的熱水中,再加5g苯酚和5g亞硫酸鈉,攪拌溶解,冷卻后加水稀釋至1000ml,貯于棕色瓶中備用。1.2.2標(biāo)準(zhǔn)溶液50毫升準(zhǔn)確稱取100mg分析純的葡萄糖(預(yù)先加熱至105℃干燥至恒重),用少量蒸餾水溶解后定容至100ml,冰箱保存?zhèn)溆谩?.3實驗方法1.3.1水浴鍋中酸的合成將蒸汽爆破后的桉木利用粉碎機磨成要求的木粉粒度,在三角瓶中加入1g木粉和25ml一定濃度的硫酸,溫度恒定后,置于恒溫水浴鍋中,按一定時間間隔取樣。反應(yīng)條件:分別在給定溫度、時間、粒度、濃度等條件下反應(yīng)。濃度分為5%、10%、15%、20%,粒度分別為30目、60目和80目,溫度分別為60℃、80℃、100℃和120℃,時間為半小時、1小時、2小時、4小時、6小時、8小時。1.3.2ds法的應(yīng)用還原糖的測定方法有蔥酮比色法、斐林試劑比色法、薄層層析法、直接滴定法、3,5-二硝基水楊酸比色法(又稱DNS法)等。其中蔥酮比色法是普遍采用的方法之一,但蔥酮試劑不穩(wěn)定,操作條件不易控制,準(zhǔn)確度差,因此在使用上受到一定限制。DNS法是近幾年得到廣泛應(yīng)用的方法,具有簡單、快速、試劑穩(wěn)定、較少受雜質(zhì)干擾、重現(xiàn)性好等優(yōu)點。本研究要求快速準(zhǔn)確測定,所以采用DNS法。(1)原理3,5-二硝基水楊酸與還原糖共熱后被還原糖的醛基還原成棕紅色的氨基化合物,在一定范圍內(nèi),還原糖的量和反應(yīng)液的顏色深度呈比例關(guān)系,利用比色法可測知樣品的糖含量。(2)樣品中還原糖含量測定樣品中還原糖的測定:取1ml樣品溶液,置入25ml比色管中,并補水至2ml,加1.5mlDNS溶液,搖勻,于沸水浴加熱5min,取出,冷卻至室溫,用水稀釋至25ml,波長520nm,1cm比色皿,試劑空白,測定吸光度。對應(yīng)圖查出葡萄糖濃度。2結(jié)果與分析2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線制備:取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液(lmg/mL)0.1~0.7ml分別放入具塞試管中,均用蒸餾水稀釋至lml,加入1.5mlDNS試劑,在沸水浴中加熱5min,取出以自來水冷卻,再加入蒸餾水23ml,混勻,在波長520nm下,以1cm比色皿測定各管光密度(空白管溶液調(diào)零),以葡萄糖含量(mg)為橫坐標(biāo),相應(yīng)各管光密度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)線,如圖1所示。2.2單因素反應(yīng)單因素的影響分析2.2.1爆破材料的水解率稱取粒度為30目的木粉各1g,分別放入濃度為5%、10%、15%和20%的硫酸溶液中,固液比1∶25,在90℃的水浴鍋中水解2小時。將所得水解液進行過濾,測得水解率的結(jié)果如圖2所示。圖2表明,30目的爆破材料90℃水解2小時,硫酸濃度10%左右時有最大值。濃度低于10%時,木粉纖維素的晶體結(jié)構(gòu)不能被完全破壞,纖維素不能被充分水解;酸濃度增加至10%之后,總糖收率降低,因糖類化合物發(fā)生了復(fù)合2010年第3期和分解反應(yīng),生成糠醛、羥甲基糠醛和酚類化合物等。2.2.2固液分離和總糖收率稱取粒度為30目的木粉各1克,分別放入濃度為10%的硫酸溶液中,固液比1∶25,在90℃的條件下分別水解半小時、1小時、2小時、4小時、6小時和8小時,然后將水解液進行固液分離,測得水解率的結(jié)果如圖3所示。圖3表明,30目的爆破材料在硫酸濃度10%、水解溫度為90℃、固液比為1∶25的條件下,水解時間與總糖收率的關(guān)系如圖所示。總糖收率在2小時以后產(chǎn)物幾乎不再變化,曲線趨于平緩。2小時之前纖維素晶體結(jié)構(gòu)沒有完全被破壞,不能充分水解,2小時之后纖維素晶體結(jié)構(gòu)完全破壞,水解率達到最大值。2.2.3水解液的制備稱取粒度為30目的木粉各1克,分別放入濃度為15%的硫酸溶液中,固液比1∶25,分別在60℃、80℃、100℃、120℃的溫度下水解2小時,將所得水解液進行分離。測得水解率的結(jié)果如圖4所示。圖4表明,總糖收率隨溫度升高而增加。溫度升高,化學(xué)反應(yīng)速度加快,纖維素晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,水解率逐漸增加,在所給的四個水平中120℃水解率達到最大值。2.4水解硫酸和分離硫酸稱取粒度為30目、60目和80目的木粉各1克,分別放入濃度為20%的硫酸溶液中,固液比1∶25,在90℃的條件下水解2小時,然后進行固液分離。結(jié)果如圖5所示。2.3蒸汽加熱和桉樹酸水解的正交實驗2.3.1正交試驗因素的水平設(shè)計2.3.2溫度和時間、硫酸濃度突變對水解率的影響蒸汽爆破桉木正交實驗結(jié)果以及極差分析如表3所示。根據(jù)以上正交試驗,得到結(jié)果如表3所示:溫度極差最大,其次是時間,硫酸濃度極差最小。即對水解率影響:溫度>時間>硫酸濃度。并且得出最佳水解條件:硫酸濃度20%、溫度120℃、水解時間1小時,對最佳水解條件需進行驗證。2.3.3蒸汽爆破桉木酸水解實驗結(jié)果對正交實驗得出的最佳水解條件進行驗證,結(jié)果如表4所示。表4顯示:硫酸濃度20%、溫度120℃、水解時間1小時,蒸汽爆破桉木酸水解率49.62%,比正交實驗任何組R2.326.1411.37合水解率都大。所以認為蒸汽爆破桉木纖維素和半纖維素酸水解的最優(yōu)條件是硫酸濃度20%、溫度120℃、水解時間1小時。2.4蒸汽爆破壓力對桉木水解率的影響在不同的爆破壓力下桉木分別經(jīng)過木粉機和網(wǎng)篩,磨成80目的木粉,然后對利用正交實驗得到的最佳水解條件進行實驗。即:不同壓力下的蒸汽爆破的木粉分別稱取1g,放入20%的硫酸中,固液比1∶25,120℃水解2小時,然后進行固液分離。結(jié)果如圖6所示。由圖6看出,壓力增大,蒸汽爆破桉木水解率逐漸增大。1.6MPa蒸汽爆破壓力的水解率為49.62%,2.2MPa壓力蒸汽爆破水解率上升到51.32%。蒸汽爆破處理能使桉木纖維之間的結(jié)合變松散,紋孔膜破損,從而提高酸對纖維素的可及度,改善其生物化學(xué)反應(yīng)性能。壓力增大,爆破力增強,酸對纖維素的可及度提高,水解率增大。3稀硫酸水解正交實驗設(shè)計根據(jù)以上實驗,得出以下結(jié)論:(1)在常壓下進行稀硫酸水解,可節(jié)省能源,對設(shè)備的要求也比高溫高壓水解要求低,并且水解效果較好,還原糖得率也較高。因此,纖維材料稀硫酸水解即可產(chǎn)糖,又可作為酶水解材料的預(yù)處理方法。(2)單因素對桉木水解率影響中,水解率隨硫酸濃度增加而增大,在10%時水解率最大,之后水解率程下降趨勢;時間上,2小時之后,水解率達到穩(wěn)定不再變化;溫度上,水解率隨溫度增加而增大,120℃時最大;粒度上,水解率隨粒度增大而增大。(3)影響稀硫酸水解的主要因素是水解溫度、水解時間和硫酸濃度,在正交實驗范圍內(nèi),結(jié)果顯示,各因素對總糖收率影響的主次順序為:溫度>時間>硫酸濃度。溫度的影響達到極顯著的水平,這是因為在選定的水平范圍內(nèi),硫酸主要水解纖維素,溫度增加有利于水解;水解時間適中,總糖收率較高;硫酸濃度水平間的差異極小,對總糖收率的影響不顯著。得出的最佳的水解條件為:酸濃度20%,水解時間1h,溫度120℃。通過驗證發(fā)現(xiàn)此條件下總糖收率達49.62%。(4)正交實驗得出最佳條件對不同預(yù)處理蒸汽爆破桉木進行水解,1.6MPa、1.8MPa、2.0MPa和2.2MPa蒸汽爆破壓力的水解率分別為49.62%、49.91%、51.25%和51.32%,水解率隨爆破壓力增強漸增大。原因是蒸汽爆破處理能使桉木纖維之間的結(jié)合變的松散,紋孔膜破損,從而提高酸對纖維素的可及度,改善其生物化學(xué)反應(yīng)性能。壓力增大,爆破力增強,酸對纖維素的可及度提高,水解率增大。圖5表明,粒度不同的爆破材料在9