曹　柔,張紅玉,3,周　鑫,3,徐　勇,3,*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210037;2.南京林業(yè)大學化工工程學院,江蘇南京 210037;3.江蘇省生物質(zhì)綠色燃料與化學品重點實驗室,江蘇南京 210037)

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全細胞原位催化秸稈稀酸水解液制木糖酸的活性炭脫色

曹柔1,2,張紅玉1,2,3,周鑫1,2,3,徐勇1,2,3,*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210037;2.南京林業(yè)大學化工工程學院,江蘇南京 210037;3.江蘇省生物質(zhì)綠色燃料與化學品重點實驗室,江蘇南京 210037)

研究旨在探討活性炭對木質(zhì)纖維水解液全細胞原位催化制取木糖酸產(chǎn)品的脫色精制技術與工藝條件。在單因素實驗基礎上,采用正交實驗,以脫色率(%)和木糖酸回收率(%)為指標,分別用紫外-可見分光光度法和高效陰離子交換色譜測定研究并確定脫色的最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明:粉狀活性炭對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液均具有選擇性的吸附功能,對色素雜質(zhì)的吸附脫除率明顯高于對木糖酸的吸附率。C3對木糖酸產(chǎn)品的選擇性脫色精制效果最佳。C3活性炭添加量對脫色效果的影響最大,其次為時間和溫度,最適脫色工藝條件為:活性炭添加量20%、脫色溫度60 ℃、吸附時間40 min,脫色率達到99.74%,木糖酸回收率可保持90.05%。這說明采用C3粉狀活性炭對木糖酸進行脫色和產(chǎn)品精制的技術可行,且快速簡便。

木糖酸,脫色,活性炭,秸稈稀酸水解液,全細胞原位催化

木糖的氧化產(chǎn)物木糖酸是美國能源部NREL(National Renewable Energy Laboratory)和PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)所確定最具發(fā)展前途的30種生物基化學品之一[1]。作一種新興的生物基化學品,木糖酸的用途正在被不斷拓展應用于水泥減水劑、分散劑和緩釋劑、混凝土黏結(jié)劑、生物殺菌劑、農(nóng)藥懸浮劑和鞣革劑等[2-3];除此之外,木糖酸還可作為替代葡萄糖酸的非能量的新型食品酸味劑,也是合成重要含能材料丁三醇硝酸酯(BTTN)前體物質(zhì)1,2,4-丁三醇的中間體的原料[4],還能夠與粘膠纖維進行混紡以生產(chǎn)夏季冰爽纖維新型面料[5]。

利用氧化葡萄糖酸桿菌全細胞通氧加壓催化技術可以直接以木質(zhì)纖維水解液為原料原位高效生產(chǎn)木糖酸[5-7],是當前破解木質(zhì)纖維資源生物煉制體系C5糖高效生物利用技術瓶頸的最佳出路之一,不僅有效消減了生產(chǎn)系統(tǒng)中的廢水污染負荷,同時還顯著提高生產(chǎn)系統(tǒng)的整體經(jīng)濟效益和推動其工業(yè)化進程[5]。但是經(jīng)激烈預處理及酶水解后的木質(zhì)纖維原料水解液中含有木質(zhì)素、糖、植物提取物及其降解產(chǎn)物等復雜成分,使木糖酸產(chǎn)品的雜質(zhì)多且顏色深,對產(chǎn)品品質(zhì)、下游的衍生化加工與應用造成較大的影響,因此需要脫色和除雜處理。本研究針對木質(zhì)纖維原料制取的木糖酸產(chǎn)品精制問題,選取比表面積大和吸附能力強的活性炭吸附劑進行脫色技術研究,比較了3種典型市售粉末活性炭的脫色性能并優(yōu)化其脫色工藝參數(shù),以期為木質(zhì)纖維原料木糖酸產(chǎn)品的精制技術研發(fā)提供借鑒。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

活性炭選取溧陽活性炭廠、上?；钚蕴繌S、重慶飛揚活性炭廠,分別編號C1～C3。

Dionex ICS-3000高效陰離子交換色譜系統(tǒng)Thermo Fisher,配置ED-50型電化學檢測器、AS40自動進樣器、金工作電極、pH-Ag/AgCl復合參比電極,采用Chromeleon 6.80色譜工作站;HH·S11-6電熱恒溫水浴鍋上海悅豐儀器儀表有限公司;Legend Mach 1.6R冷凍離心機Thermo Scientific;FA1104電子天平上海天平儀器廠;Five Easy型臺式pH計Mettler Toled;723N型分光光度計上海精密科學儀器廠;MLS-3750型滅菌鍋SANYO。

1.2實驗方法

1.2.1玉米秸稈水解液全細胞催化稱取一定質(zhì)量的玉米秸稈(直徑0.2～0.4 mm)加入固液比為1∶10(g/mL)、質(zhì)量分數(shù)為1.0%的硫酸浸泡過夜,置于15 L蒸煮反應器中,在150 ℃的條件下反應30 min取出,過濾得濾液即玉米秸稈稀酸水解液[8]。玉米秸稈稀酸水解液經(jīng)過濃縮至所需濃度,以粉狀CaCO3中和調(diào)節(jié)pH5.5～6.5,離心去雜木質(zhì)纖維水解液[7]。

在3 L機械攪拌通風發(fā)酵罐中加入1 L木質(zhì)纖維水解液,接入活化后的氧化葡萄糖酸桿菌(G. oxydans NL71)至細胞濃度2 g/L,在攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min條件下,通入氧氣充分置換出體系中的空氣,封閉罐體并保持通氧(罐體壓力0.02 MPa),采用氫氧化鈉在線流加調(diào)控反應體系pH5.0～pH5.5,全細胞催化木糖酸制取木糖酸[7]。

1.2.2活性炭的預處理活性炭→1% HCl洗滌→熱去離子水洗滌→濾干→干燥(120 ℃,8 h)→冷卻至室溫備用[9]。

1.2.3活性炭脫色法于150 mL錐形瓶中加入50 mL木糖酸液和一定量活性炭,塞好橡皮塞,后將該錐形瓶放入一定溫度的恒溫振蕩水浴中,以150 r/min振蕩一段時間,過濾除去活性炭得脫色液備用。

1.2.4單因素實驗

1.2.4.1活性炭的添加量對脫色效果的影響設定活性炭的添加量分別為1%、2%、4%、8%、12%、16%、24%和28%,在溫度40 ℃,脫色時間30 min條件下考察不同活性炭添加量對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液選擇性脫色精制效果的影響。

1.2.4.2溫度對吸附脫色反應的影響設定溫度分別為20、40、60、80、100 ℃,在活性炭添加量為16%條件下反應20 min,比較溫度對脫色精制效果的影響。

1.2.4.3脫色時間對吸附脫色的影響設定脫色時間分別為10、25、40、55、70、85、100 min,在活性炭添加量為16%,溫度為40 ℃條件下進行反應,考察脫色時間對脫色效果的影響。

1.2.5正交實驗設計根據(jù)單因素實驗的結(jié)果,選取活性炭的添加量、溫度、時間,按L9(34)設計正交實驗。測定木糖酸含量和脫色率,以其為評價指標,確定最佳脫色工藝。因素水平見表1。

表1　正交因素水平表

1.2.6測定方法

1.2.6.1色素吸光度值測定方法以5000 r/min離心樣品液,再經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾,于420 nm處測定其吸光度值[10-11]?；钚蕴棵撋Ч捎妹撋屎湍咎撬峄厥章蕘肀硎?脫色率(%)=(脫色前吸光度-脫色后吸光度)/脫色前吸光度×100。

1.2.6.2木糖酸測定方法于8000 r/min下離心樣品液10 min得上清液,以超純水稀釋1000～10000倍后經(jīng)0.22 μm親水性微濾膜過濾得濾液。采用Dionex ICS-3000高效陰離子交換色譜系統(tǒng)分析和定量檢測反應液中的木糖和木糖酸含量[12]。色譜柱:CarboPacTMPA10(2 mm×50 mm);保護柱CarboPacTMPA10(2 mm×250 mm)。色譜條件:柱溫30 ℃,采用四電位脈沖安培檢測器(PAD)以外標法檢測。木糖酸損失率(%)=(脫色前木糖酸含量-脫色后木糖酸含量)/脫色前木糖酸含量×100。木糖酸回收率(%)=脫色后木糖酸含量/脫色前木糖酸含量×100。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Origin 9.0軟件作圖,采用正交設計助手3.1分析處理正交實驗結(jié)果。每個實驗重復3次,數(shù)據(jù)用“平均數(shù)±標準差”表示。

2　結(jié)果與分析

2.1活性炭的添加量對脫色效果的影響

粉狀活性炭是最常用的脫色劑,由于不同活性炭的表面化學結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)存在著差異,因此其選擇性脫色精制效果也不盡相同,本文選用3種典型市售粉末活性炭考察不同活性炭添加量對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液選擇性脫色精制效果的影響,并繪制吸附等溫線如圖1。其橫坐標上的活性炭添加量相當于吸附等溫線的平衡濃度,縱坐標上的脫色率相當于吸附等溫線的吸附量。

圖1　3種活性炭在40℃脫色30 min時脫色率(A)變化和木糖酸損失率(B)Fig.1　Decolorization(A)and adsorption loss of xylonic acid(B)with three active carbons at 40℃ for 30 min

由圖1A可見,盡管木糖酸產(chǎn)品成分復雜,但這3種粉狀活性炭對木糖酸產(chǎn)品中色素雜質(zhì)的吸附曲線為典型的第I類吸附等溫線,即“Langmiur”等溫線,屬于單分子層吸附[11]。從圖1A可知,在相同的條件下,3種活性炭的脫色性能不同,C3的脫色率大于C1和C2,說明C3活性炭對木糖酸產(chǎn)品中色素的吸附能力最強,脫色精制效果最好。木糖酸產(chǎn)品的脫色精制效果與活性炭的用量關系顯著。在活性炭用量小于12%時,等溫線的斜率較大,說明在活性炭用量較小時,單位質(zhì)量的粉狀活性炭吸附木糖酸產(chǎn)品中色素雜質(zhì)的量較多。當活性炭用量達到16%時,C1、C2和C3的色素吸附率達到93.89%、83.03% 和96.31%,之后隨著活性炭用量的增加,活性炭吸附木糖酸產(chǎn)品中色素能力逐漸接近飽和。

由圖1B可見,木糖酸損失率隨三種活性炭添加量的增加而增加。在相同添加量條件下,C3的木糖酸損失率最高,其次C1,再次C2。

由圖1A和圖1B比較得知,3種粉狀活性炭對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液均具有選擇性的吸附功能,對色素雜質(zhì)的吸附脫除率明顯高于對木糖酸的吸附率。這可能是因為色素來源于稀酸預處理過程,如秸稈水溶性提取物、木質(zhì)素碎片、呋喃類,大部分為非極性或者弱極性的化合物,容易在粉狀活性炭上吸附;而木糖酸為較強極性的多羥羧酸,對活性炭孔隙親和力較弱。為減少脫色過程中木糖酸的損失,必需在提高木糖酸產(chǎn)品中色素雜質(zhì)的吸附脫除率的前提下,盡量減少活性炭的用量。通過綜合比較3種粉狀活性炭對色素的吸附脫除率和木糖酸的損失率發(fā)現(xiàn)C3對木糖酸產(chǎn)品的選擇性脫色精制效果最佳,所以選擇活性炭C3加入量為16%進行下一步的研究。

2.2溫度對吸附脫色反應的影響

由圖2可知,20 ℃到60 ℃范圍內(nèi),隨著溫度的上升,色素雜質(zhì)的吸附脫除率及木糖酸損失率明顯增大。這可能是因為提高溫度促使分子的熱運動加快,分子間碰撞機會增加,有利于絮體的形成,也有利于加快吸附作用[11]。而當溫度高于60 ℃時,色素雜質(zhì)吸附及木糖酸損失率變化很小。綜合比較木糖酸產(chǎn)品液的脫色與木糖酸的損失及經(jīng)濟可行性,選擇40 ℃為木糖酸產(chǎn)品液活性炭C3脫色的適宜溫度。

圖2　不同脫色溫度對脫色率和木糖酸損失率的影響Fig.2　The effect of temperature on the decolorization and adsorption loss of xylonic acid

2.3脫色時間對吸附脫色的影響

由圖3可知,隨著脫色時間的延長,木糖酸損失率大幅度增加。當活性炭C3脫色反應10 min時,木糖酸損失率最小為4.27%,當脫色反應進行到100 min時,木糖酸的損失率達到了12.29%。而脫色時間對活性炭C3脫色效果的影響并不大,當時間從10 min提升至25 min時,木糖酸產(chǎn)品液脫色率增加了1.92%,25 min到85 min,木糖酸產(chǎn)品液脫色率僅僅增加了1.07%,活性炭C3對色素雜質(zhì)的吸附在脫色反應進行到85 min時達到吸附平衡,當脫色時間再延長時,一部分已經(jīng)吸附在活性炭上的色素雜質(zhì)可能又重新解吸下來,影響了木糖酸產(chǎn)品液的脫色效果[13]。從色素吸附率和木糖酸損失率及經(jīng)濟可行性等方面考慮,選擇脫色反應較理想的脫色時間為25 min。

表2　正交實驗數(shù)據(jù)及極差分析

表3　正交實驗方差分析表

圖3　不同脫色時間下脫色率和木糖酸損失率的變化Fig.3　The effect of time on the decolorization and adsorption loss of xylonic acid

2.4脫色條件的優(yōu)化

影響木糖酸產(chǎn)品液脫色效果的主要因素有活性炭用量、脫色溫度、脫色時間。根據(jù)單因素實驗結(jié)果,采用 L9(34)正交實驗來確定秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液活性炭C3脫色的最佳條件。不考慮因素的交互作用,以脫色率和木糖酸回收率作為衡量木糖酸產(chǎn)品的脫色精制效果的指標。實驗結(jié)果及分析見表2,其中D=脫色率+木糖酸回收率,方差分析結(jié)果見表3。

由表2極差分析可得,各因素對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液脫色效果的影響程度為:A>C>B。由表3正交實驗方差分析可知,因素A、B、C均不顯著;活性炭添加量對脫色效果的影響最大,其次為時間和溫度,這與表2的極差分析相一致。由極差分析得提取最佳工藝條件為:A3B3C3,即活性炭用量為20%,脫色溫度為60 ℃,脫色時間為40 min。

2.5驗證實驗

取3份木質(zhì)纖維水解液全細胞原位催化制取的木糖酸產(chǎn)品液進行平行驗證實驗,按正交實驗所得出的優(yōu)化脫色條件進行,測定脫色率99.74%,木糖酸回收率90.05%,結(jié)果表明實驗所確定的工藝為最佳脫色工藝。

3　結(jié)論

色素大部分為非極性或者弱極性的化合物,容易在粉狀活性炭上吸附;而木糖酸為較強極性的多羥羧酸,對活性炭孔隙親和力較弱。雖然3種粉狀活性炭對秸稈稀酸水解液所制取的木糖酸產(chǎn)品液均具有選擇性的吸附功能,但對色素雜質(zhì)的吸附脫除率明顯高于對木糖酸的吸附率。這說明采用粉狀活性炭對木糖酸進行脫色和產(chǎn)品精制的技術可行。

通過對3種粉狀活性炭木糖酸產(chǎn)品液脫色性能的研究,得到了它們的吸附等溫線。在相同條件下,不同活性炭作用的效果不同,與C1和C2相比,C3對木糖酸產(chǎn)品的選擇性脫色精制效果最佳。

C3活性炭添加量對脫色效果的影響最大,其次

為時間和溫度。在活性炭添加量為20%,脫色時間40 min,脫色溫度60 ℃的條件下,脫色效果最佳,脫色率達到99.74%,木糖酸回收率可保持90.05%。

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Active carbon decolorization of xylonic acid from insitu whole-cell catalysate of diluted sulfuric acid pre-hydrolyzed corn stover solution

CAO Rou1,2,ZHANG Hong-yu1,2,3,ZHOU Xin1,2,3,XU Yong1,2,3,*

(1.Jiangsu Co-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;2.College of Chemical Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;3.Jiangsu Province Key Laboratory of Green Biomass-based Fuels and Chemicals,Nanjing 210037,China)

The objective of this work was to investigate the refining technology and process conditions of active carbon decolorization of xylonic acid from insitu whole-cell catalysate of diluted sulfuric acid pre-hydrolyzed corn stover solution. Based on the single factor experiment,the orthogonal design was applied to select the optimal conditions for the decolorization of xylonic acid. The decolorization rate and the recovery rate of xylonic acid were used as indexes which were determined by UV-Vis spectrometer and high performance anion exchange chromatography,respectively. The experimental results showed that powdered activated carbon had selective adsorption function for all xylonic acid products from diluted sulfuric acid pre-hydrolyzed corn stover solution,the removal rate of pigment impurities was significantly higher than the adsorption rate of xylonic acid. C3 performed the best in the adsorption of coloring matters among the three kinds of activated carbon products. The amount of C3 was the most significant factor for decolorization,followed by time and temperature. The optimal conditions for decolorization as follow:the added quantity of activated carbon was 20%(w/w),the temperature was 60 ℃ and the time was 40 min. Under these conditions,the decolorization rate was 99.74% and the recovery rate was 90.05%. It indicated that it was a feasible,convenient and quick technology to decolor and refine of xylonic acid with powdered C3.

xylonic acid;decolorization;activated carbon;diluted sulfuric acid pre-hydrolyzed corn stover solution;insitu whole-cell catalysate

2015-12-08

曹柔(1993-)，女，本科生，研究方向：植物纖維資源生物煉制，E-mail：343575892@qq.com。

徐勇(1971-)，男，博士，教授，研究方向：植物纖維資源生物煉制，E-mail：xuyong@njfu.edu.cn。

江蘇省大學生科技創(chuàng)新訓練計劃項目；江蘇省重點研發(fā)計劃項目(BE2015758)；國家自然科學基金項目(31370573)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)13-0230-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.038