全细胞原位催化秸秆稀酸水解液制木糖酸的活性炭脱色

曹　柔,张红玉,3,周　鑫,3,徐　勇,3,*

(1.南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏南京 210037;2.南京林业大学化工工程学院,江苏南京 210037;3.江苏省生物质绿色燃料与化学品重点实验室,江苏南京 210037)



全细胞原位催化秸秆稀酸水解液制木糖酸的活性炭脱色

曹柔1,2,张红玉1,2,3,周鑫1,2,3,徐勇1,2,3,*

(1.南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏南京 210037;2.南京林业大学化工工程学院,江苏南京 210037;3.江苏省生物质绿色燃料与化学品重点实验室,江苏南京 210037)

研究旨在探讨活性炭对木质纤维水解液全细胞原位催化制取木糖酸产品的脱色精制技术与工艺条件。在单因素实验基础上,采用正交实验,以脱色率(%)和木糖酸回收率(%)为指标,分别用紫外-可见分光光度法和高效阴离子交换色谱测定研究并确定脱色的最优工艺参数。结果表明:粉状活性炭对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液均具有选择性的吸附功能,对色素杂质的吸附脱除率明显高于对木糖酸的吸附率。C3对木糖酸产品的选择性脱色精制效果最佳。C3活性炭添加量对脱色效果的影响最大,其次为时间和温度,最适脱色工艺条件为:活性炭添加量20%、脱色温度60 ℃、吸附时间40 min,脱色率达到99.74%,木糖酸回收率可保持90.05%。这说明采用C3粉状活性炭对木糖酸进行脱色和产品精制的技术可行,且快速简便。

木糖酸,脱色,活性炭,秸秆稀酸水解液,全细胞原位催化

木糖的氧化产物木糖酸是美国能源部NREL(National Renewable Energy Laboratory)和PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)所确定最具发展前途的30种生物基化学品之一[1]。作一种新兴的生物基化学品,木糖酸的用途正在被不断拓展应用于水泥减水剂、分散剂和缓释剂、混凝土黏结剂、生物杀菌剂、农药悬浮剂和鞣革剂等[2-3];除此之外,木糖酸还可作为替代葡萄糖酸的非能量的新型食品酸味剂,也是合成重要含能材料丁三醇硝酸酯(BTTN)前体物质1,2,4-丁三醇的中间体的原料[4],还能够与粘胶纤维进行混纺以生产夏季冰爽纤维新型面料[5]。

利用氧化葡萄糖酸杆菌全细胞通氧加压催化技术可以直接以木质纤维水解液为原料原位高效生产木糖酸[5-7],是当前破解木质纤维资源生物炼制体系C5糖高效生物利用技术瓶颈的最佳出路之一,不仅有效消减了生产系统中的废水污染负荷,同时还显著提高生产系统的整体经济效益和推动其工业化进程[5]。但是经激烈预处理及酶水解后的木质纤维原料水解液中含有木质素、糖、植物提取物及其降解产物等复杂成分,使木糖酸产品的杂质多且颜色深,对产品品质、下游的衍生化加工与应用造成较大的影响,因此需要脱色和除杂处理。本研究针对木质纤维原料制取的木糖酸产品精制问题,选取比表面积大和吸附能力强的活性炭吸附剂进行脱色技术研究,比较了3种典型市售粉末活性炭的脱色性能并优化其脱色工艺参数,以期为木质纤维原料木糖酸产品的精制技术研发提供借鉴。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

活性炭选取溧阳活性炭厂、上海活性炭厂、重庆飞扬活性炭厂,分别编号C1～C3。

Dionex ICS-3000高效阴离子交换色谱系统Thermo Fisher,配置ED-50型电化学检测器、AS40自动进样器、金工作电极、pH-Ag/AgCl复合参比电极,采用Chromeleon 6.80色谱工作站;HH·S11-6电热恒温水浴锅上海悦丰仪器仪表有限公司;Legend Mach 1.6R冷冻离心机Thermo Scientific;FA1104电子天平上海天平仪器厂;Five Easy型台式pH计Mettler Toled;723N型分光光度计上海精密科学仪器厂;MLS-3750型灭菌锅SANYO。

1.2实验方法

1.2.1玉米秸秆水解液全细胞催化称取一定质量的玉米秸秆(直径0.2～0.4 mm)加入固液比为1∶10(g/mL)、质量分数为1.0%的硫酸浸泡过夜,置于15 L蒸煮反应器中,在150 ℃的条件下反应30 min取出,过滤得滤液即玉米秸秆稀酸水解液[8]。玉米秸秆稀酸水解液经过浓缩至所需浓度,以粉状CaCO3中和调节pH5.5～6.5,离心去杂木质纤维水解液[7]。

在3 L机械搅拌通风发酵罐中加入1 L木质纤维水解液,接入活化后的氧化葡萄糖酸杆菌(G. oxydans NL71)至细胞浓度2 g/L,在搅拌转速500 r/min条件下,通入氧气充分置换出体系中的空气,封闭罐体并保持通氧(罐体压力0.02 MPa),采用氢氧化钠在线流加调控反应体系pH5.0～pH5.5,全细胞催化木糖酸制取木糖酸[7]。

1.2.2活性炭的预处理活性炭→1% HCl洗涤→热去离子水洗涤→滤干→干燥(120 ℃,8 h)→冷却至室温备用[9]。

1.2.3活性炭脱色法于150 mL锥形瓶中加入50 mL木糖酸液和一定量活性炭,塞好橡皮塞,后将该锥形瓶放入一定温度的恒温振荡水浴中,以150 r/min振荡一段时间,过滤除去活性炭得脱色液备用。

1.2.4单因素实验

1.2.4.1活性炭的添加量对脱色效果的影响设定活性炭的添加量分别为1%、2%、4%、8%、12%、16%、24%和28%,在温度40 ℃,脱色时间30 min条件下考察不同活性炭添加量对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液选择性脱色精制效果的影响。

1.2.4.2温度对吸附脱色反应的影响设定温度分别为20、40、60、80、100 ℃,在活性炭添加量为16%条件下反应20 min,比较温度对脱色精制效果的影响。

1.2.4.3脱色时间对吸附脱色的影响设定脱色时间分别为10、25、40、55、70、85、100 min,在活性炭添加量为16%,温度为40 ℃条件下进行反应,考察脱色时间对脱色效果的影响。

1.2.5正交实验设计根据单因素实验的结果,选取活性炭的添加量、温度、时间,按L9(34)设计正交实验。测定木糖酸含量和脱色率,以其为评价指标,确定最佳脱色工艺。因素水平见表1。

表1　正交因素水平表

1.2.6测定方法

1.2.6.1色素吸光度值测定方法以5000 r/min离心样品液,再经0.45 μm微孔滤膜过滤,于420 nm处测定其吸光度值[10-11]。活性炭脱色效果采用脱色率和木糖酸回收率来表示:脱色率(%)=(脱色前吸光度-脱色后吸光度)/脱色前吸光度×100。

1.2.6.2木糖酸测定方法于8000 r/min下离心样品液10 min得上清液,以超纯水稀释1000～10000倍后经0.22 μm亲水性微滤膜过滤得滤液。采用Dionex ICS-3000高效阴离子交换色谱系统分析和定量检测反应液中的木糖和木糖酸含量[12]。色谱柱:CarboPacTMPA10(2 mm×50 mm);保护柱CarboPacTMPA10(2 mm×250 mm)。色谱条件:柱温30 ℃,采用四电位脉冲安培检测器(PAD)以外标法检测。木糖酸损失率(%)=(脱色前木糖酸含量-脱色后木糖酸含量)/脱色前木糖酸含量×100。木糖酸回收率(%)=脱色后木糖酸含量/脱色前木糖酸含量×100。

1.3数据统计分析

采用Origin 9.0软件作图,采用正交设计助手3.1分析处理正交实验结果。每个实验重复3次,数据用“平均数±标准差”表示。

2　结果与分析

2.1活性炭的添加量对脱色效果的影响

粉状活性炭是最常用的脱色剂,由于不同活性炭的表面化学结构及孔隙结构存在着差异,因此其选择性脱色精制效果也不尽相同,本文选用3种典型市售粉末活性炭考察不同活性炭添加量对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液选择性脱色精制效果的影响,并绘制吸附等温线如图1。其横坐标上的活性炭添加量相当于吸附等温线的平衡浓度,纵坐标上的脱色率相当于吸附等温线的吸附量。

图1　3种活性炭在40℃脱色30 min时脱色率(A)变化和木糖酸损失率(B)Fig.1　Decolorization(A)and adsorption loss of xylonic acid(B)with three active carbons at 40℃ for 30 min

由图1A可见,尽管木糖酸产品成分复杂,但这3种粉状活性炭对木糖酸产品中色素杂质的吸附曲线为典型的第I类吸附等温线,即“Langmiur”等温线,属于单分子层吸附[11]。从图1A可知,在相同的条件下,3种活性炭的脱色性能不同,C3的脱色率大于C1和C2,说明C3活性炭对木糖酸产品中色素的吸附能力最强,脱色精制效果最好。木糖酸产品的脱色精制效果与活性炭的用量关系显著。在活性炭用量小于12%时,等温线的斜率较大,说明在活性炭用量较小时,单位质量的粉状活性炭吸附木糖酸产品中色素杂质的量较多。当活性炭用量达到16%时,C1、C2和C3的色素吸附率达到93.89%、83.03% 和96.31%,之后随着活性炭用量的增加,活性炭吸附木糖酸产品中色素能力逐渐接近饱和。

由图1B可见,木糖酸损失率随三种活性炭添加量的增加而增加。在相同添加量条件下,C3的木糖酸损失率最高,其次C1,再次C2。

由图1A和图1B比较得知,3种粉状活性炭对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液均具有选择性的吸附功能,对色素杂质的吸附脱除率明显高于对木糖酸的吸附率。这可能是因为色素来源于稀酸预处理过程,如秸秆水溶性提取物、木质素碎片、呋喃类,大部分为非极性或者弱极性的化合物,容易在粉状活性炭上吸附;而木糖酸为较强极性的多羟羧酸,对活性炭孔隙亲和力较弱。为减少脱色过程中木糖酸的损失,必需在提高木糖酸产品中色素杂质的吸附脱除率的前提下,尽量减少活性炭的用量。通过综合比较3种粉状活性炭对色素的吸附脱除率和木糖酸的损失率发现C3对木糖酸产品的选择性脱色精制效果最佳,所以选择活性炭C3加入量为16%进行下一步的研究。

2.2温度对吸附脱色反应的影响

由图2可知,20 ℃到60 ℃范围内,随着温度的上升,色素杂质的吸附脱除率及木糖酸损失率明显增大。这可能是因为提高温度促使分子的热运动加快,分子间碰撞机会增加,有利于絮体的形成,也有利于加快吸附作用[11]。而当温度高于60 ℃时,色素杂质吸附及木糖酸损失率变化很小。综合比较木糖酸产品液的脱色与木糖酸的损失及经济可行性,选择40 ℃为木糖酸产品液活性炭C3脱色的适宜温度。

图2　不同脱色温度对脱色率和木糖酸损失率的影响Fig.2　The effect of temperature on the decolorization and adsorption loss of xylonic acid

2.3脱色时间对吸附脱色的影响

由图3可知,随着脱色时间的延长,木糖酸损失率大幅度增加。当活性炭C3脱色反应10 min时,木糖酸损失率最小为4.27%,当脱色反应进行到100 min时,木糖酸的损失率达到了12.29%。而脱色时间对活性炭C3脱色效果的影响并不大,当时间从10 min提升至25 min时,木糖酸产品液脱色率增加了1.92%,25 min到85 min,木糖酸产品液脱色率仅仅增加了1.07%,活性炭C3对色素杂质的吸附在脱色反应进行到85 min时达到吸附平衡,当脱色时间再延长时,一部分已经吸附在活性炭上的色素杂质可能又重新解吸下来,影响了木糖酸产品液的脱色效果[13]。从色素吸附率和木糖酸损失率及经济可行性等方面考虑,选择脱色反应较理想的脱色时间为25 min。

表2　正交实验数据及极差分析

表3　正交实验方差分析表

图3　不同脱色时间下脱色率和木糖酸损失率的变化Fig.3　The effect of time on the decolorization and adsorption loss of xylonic acid

2.4脱色条件的优化

影响木糖酸产品液脱色效果的主要因素有活性炭用量、脱色温度、脱色时间。根据单因素实验结果,采用 L9(34)正交实验来确定秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液活性炭C3脱色的最佳条件。不考虑因素的交互作用,以脱色率和木糖酸回收率作为衡量木糖酸产品的脱色精制效果的指标。实验结果及分析见表2,其中D=脱色率+木糖酸回收率,方差分析结果见表3。

由表2极差分析可得,各因素对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液脱色效果的影响程度为:A>C>B。由表3正交实验方差分析可知,因素A、B、C均不显著;活性炭添加量对脱色效果的影响最大,其次为时间和温度,这与表2的极差分析相一致。由极差分析得提取最佳工艺条件为:A3B3C3,即活性炭用量为20%,脱色温度为60 ℃,脱色时间为40 min。

2.5验证实验

取3份木质纤维水解液全细胞原位催化制取的木糖酸产品液进行平行验证实验,按正交实验所得出的优化脱色条件进行,测定脱色率99.74%,木糖酸回收率90.05%,结果表明实验所确定的工艺为最佳脱色工艺。

3　结论

色素大部分为非极性或者弱极性的化合物,容易在粉状活性炭上吸附;而木糖酸为较强极性的多羟羧酸,对活性炭孔隙亲和力较弱。虽然3种粉状活性炭对秸秆稀酸水解液所制取的木糖酸产品液均具有选择性的吸附功能,但对色素杂质的吸附脱除率明显高于对木糖酸的吸附率。这说明采用粉状活性炭对木糖酸进行脱色和产品精制的技术可行。

通过对3种粉状活性炭木糖酸产品液脱色性能的研究,得到了它们的吸附等温线。在相同条件下,不同活性炭作用的效果不同,与C1和C2相比,C3对木糖酸产品的选择性脱色精制效果最佳。

C3活性炭添加量对脱色效果的影响最大,其次

为时间和温度。在活性炭添加量为20%,脱色时间40 min,脱色温度60 ℃的条件下,脱色效果最佳,脱色率达到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：植物纤维资源生物炼制，E-mail：343575892@qq.com。

徐勇(1971-)，男，博士，教授，研究方向：植物纤维资源生物炼制，E-mail：xuyong@njfu.edu.cn。

江苏省大学生科技创新训练计划项目；江苏省重点研发计划项目(BE2015758)；国家自然科学基金项目(31370573)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)13-0230-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.038