木糖渣稀酸水解制取还原糖条件的研究

2011-09-24郑利宇李园园曹晓伟

河南化工 2011年5期

关键词：木糖废渣固液

郑利宇，李园园，曹晓伟

(郑州拓洋实业有限公司，河南郑州 450000)

木糖渣稀酸水解制取还原糖条件的研究

郑利宇，李园园，曹晓伟

(郑州拓洋实业有限公司，河南郑州 450000)

在高温条件下通过对木糖渣稀硫酸水解的研究，探讨了影响水解还原糖产率的因素如固液比、硫酸浓度、时间和温度，得到了水解还原糖的较优条件是固液比为1∶15(质量体积比)，硫酸浓度为8%，反应温度为120℃，反应时间为120min。在此条件下，得到还原糖产率为45.6%。证明通过稀酸水解处理木糖渣是一条重要和环境友好型的途径。

水解;稀硫酸;木糖渣;还原糖

Key words:hydrolysis;dilute sulfuric acid;xylose cinder;reducing sugar

木糖渣是木糖生产中产生的废渣，木糖的生产过程中伴有大量的木糖废渣产生，它是一种优质的木质纤维素资源。木质纤维素是地球上积累的最具潜力的可再生能源。如何合理的利用开发这种资源，在国际上受到了极大的关注。对它的利用世界上多个国家投入了大量的资金进行研究。近年来，围绕生物质利用的研究多集中于玉米秸秆、水稻秸秆和松木屑等材料，而对制糖残渣木质纤维素材料研究较少。木糖渣在制木糖过程中已经经过酸水解预处理，因此它更易利用。一般情况下，生产1t结晶木糖排放含水70% ～80%的废渣13～26t，按我国企业的年生产能力1万t计算，每年有13万～26万t木糖废渣排放。废渣的露天堆放不仅占用了大量的耕地，而且对周边环境造成了严重污染。大风吹起废渣，造成大气污染;雨水冲刷废渣流入农田，造成土壤的污染;渗入地下，造成水体污染。因此合理的利用和处置这些木糖废渣，不但保护了环境，而且变废为宝，能够创造巨大经济效益。

目前木糖废渣的能源利用方式大致有以下几种:直接燃烧、压缩成型制炭、采用热化学方式转化为气体或液体燃料、厌氧发酵制取沼气、制取生物有机肥料、栽培食用菌、制作纤维板、草板等［1］。王关斌［2］等以木糖生产中产生的废渣为原料，采用化学活化法制备活性炭，同时将所制备活性炭直接应用于木糖生产过程中水解液脱色，既降低了木糖生产成本，又保护了环境。张来新［3］等用玉米芯制木糖后的废渣经加酸加热水解制取乙酰丙酸，收率为16.4% ，产品纯度可达90%。其残渣经硫酸炭化制得了木素活性炭，收率为83%。但是以上处理方式都没有很好利用木糖渣的有效成分。

目前可以通过化学的方法将其中的纤维素等成分水解成各种可以直接利用的糖类物质，为人类提供绿色的资源和化工产品等。水解生物质资源的方法是一种成熟的技术，尤其是酸水解技术。本实验中采取稀硫酸水解的技术对木糖渣水解条件进行研究。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

实验所用木糖渣在105℃，烘箱中烘至恒重，粉碎至40目后备用。实验主要仪器:UV－2102pcs紫外可见光分光光度计，优尼柯(上海)公司生产。

7）以民间传说或吉祥嘉言命名，如卧龙街。《潍县志稿》载，刘以贵在修三官庙碑中谓宋太祖路过此桥时，曾卧息其上，登基后，封该桥为“卧龙桥”。后来新修东西大街卧龙街以此传说得名。

1.2 实验方法

1.2.1 木糖渣各种成分的分析

采取重量法［4－6］测定木糖渣中各种成分的含量。

1.2.2 水解方法

称取一定量粉碎后的木糖渣和一定浓度、一定量的稀硫酸加到高压反应釜中，加热反应一定时间，反应结束后，取出反应液，再用离心机在5000r/min，处理10min，取出上清液测量其中的还原糖。

1.2.3 还原糖浓度测定

木糖渣中水解的还原糖用DNS法［7］测定。

2 结果与讨论

2.1 木糖渣成分分析(见表1)

表1 木糖渣成分分析结果 %

2.2 葡萄糖溶液标准曲线

采用紫外可见光分光光度计测定不同浓度下的葡萄糖标准溶液的吸光度，以吸光度值为纵坐标，葡萄糖浓度为横坐标，得到葡萄糖溶液的标准曲线为:

由实验数据拟合出的直线方程(1)的复相关系数R2=0.99839。将测定的水解溶液的吸光度值代入标准曲线方程中，即可得到水解液中还原糖的产率。

2.3 各种因素对水解还原糖产率的影响

2.3.1 固液比对水解还原糖产率的影响

在温度为120℃，酸浓度为8%，时间为120min的条件下，考察固液比(质量体积比)对水解液中还原糖产率的影响，实验结果如图1所示。从图1中看出，在固液比为1∶15之前，还原糖产率是随着固液比的增大而升高，固液比高于1∶15时，还原糖产率则随着固液比的增大而降低。固液比较小时，木糖渣和硫酸混合不均匀，硫酸不能完全浸入木糖渣中，不利于水解;但较高的固液比会降低还原糖的浓度，而且对后续的单糖利用也不利。因此，实验中固液比为1∶15最合适。

图1 固液比对还原糖产率的影响

2.3.2 酸浓度对水解还原糖产率的影响

采用不同的酸浓度在固液比为1∶15、温度为120℃、水解120min，所得的水解液中还原糖的产率与硫酸浓度的关系如下页图2所示。从图2可知，随着酸浓度的增加，水解还原糖产率不断增加。这是因为在水解中是靠酸的H+水解和催化的双重作用实现，酸浓度越高，H+离子浓度越大，H+离子与木糖渣接触越充分，更有利于水解的进行。考虑到酸浓度越高，对实验仪器的腐蚀越强，而且糖产率上升幅度不大，所以实验中稀酸水解研究中适宜的酸浓度为8%。

图2 酸浓度对水解还原糖产率的影响

2.3.3 温度对水解还原糖产率的影响

在固液比为1∶15，酸浓度为8%，水解120min，温度对水解还原糖产率的影响如图3所示，随着温度的升高，反应速率加快，还原糖产率先是快速升高，120℃时到达最大值，之后随着温度的升高，还原糖产率反而下降，主要是因为在高温下，生成的单糖会受热降解，生成其它产物。因此，最适宜温度为120℃。

图3 温度对水解还原糖的影响

2.3.4 时间对水解还原糖产率的影响

从图4可以看出，在固液比为1∶15，酸浓度为8%，水解温度120℃的条件下，随着反应时间的延长，还原糖的产率不断地升高，在120min时还原糖的产率达到最大值，继续延长时间，反应还原糖产率反而降低，主要是在高温下纤维素和少量的半纤维素被水解生成单糖，随着反应的继续进行，部分的单糖又被进一步降解为糠醛等其它物质，导致还原糖产率的降低。因此，在实验中，要选择合适的反应时间。