安玉民,王菊葵,魏文慧,陈思源
(宁夏师范学院化学化工学院,宁夏固原756000)
摘要:以马铃薯秸秆为原料,用不同浓度的稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、Na2S溶液、NaHCO3溶液、NH3·H2O和NaOH-H2O2的混合溶液对马铃薯秸秆进行预处理;通过单因素和正交试验,分析预处理后秸秆中纤维素的含量、糖化率等。结果表明,对秸秆糖化率的影响由大到小为浓度、处理时间、固液比(质量与体积之比)、温度;以3%NaOH溶液和3%H2O2(体积比为2∶1)混合液为处理试剂,在温度为60℃,处理时间为4d,固液比(质量与体积之比)为1∶12为最佳的处理条件。
近年来,随着全球化石燃料日益短缺和环境污染加重,很多国家开展清洁能源和可再生能源的开发利用,其中,以农作物秸秆等木质纤维为原料生产燃料乙醇成为研究的焦点[1]。国内外一些公司建立了示范工厂,使木质纤维素生产燃料乙醇的技术初步实现了产业化。例如,加拿大Iogen公司建成用麦秸生产燃料乙醇的示范工厂,可加工麦秆50t/d[2]。美国的BC International公司以甘蔗残渣为原料,用稀硫酸水解的工艺[2],计划建成年产燃料乙醇7600万L的工厂。美国的Arkenol公司在南加州建立了一个中试工厂,以稻草为原料,用浓酸水解的工艺生产燃料乙醇[2]。华东理工大学等单位以废木屑为原料,以酸水解的工艺为主,建成生产燃料乙醇约600t/a的示范工厂[3]。文献显示,研究大多以玉米秸秆和小麦秸秆为原料生产燃料乙醇,而以马铃薯秸秆为原料的相关研究较少。马铃薯秸秆是我国北方马铃薯产区的主要农作物废弃物,如果能加以利用,既可消除环境隐患,又能为农民增加收入。
秸秆的成分以纤维素、半纤维素为主,其次是木质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁、无机盐等,其中,木质素与半纤维素将纤维素分子紧紧包裹在里面,且木质素的结构复杂,难溶于水。研究表明,若不除掉木质素,在秸秆酸解和酶解时,纤维素的水解效率只有10%~20%[4]。因此,要提高秸秆中纤维素的酶解效率和“出酒率”,需对原料进行预处理,首先要解决木质素的降解问题。目前,对玉米秸秆的预处理主要有物理方法、化学方法[5]和生物预处理法[6-7],其中,化学方法中的稀酸水解法[8]研究比较多。借鉴对玉米秸秆的预处理技术,笔者分别用稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaOH-H2O2混合溶液、Na2S溶液、NaHCO3溶液、NH3·H2O对马铃薯秸秆进行预处理,测定处理后秸秆的糖化率,并对预处理条件进行优化,寻找最佳的处理条件。
1材料与仪器
原料取自宁夏固原市西吉县新营乡白城村。马铃薯秸秆经水洗后干燥,粉碎,过30~60目筛,备用。SE-202F电子天平(东莞市精工仪器厂);J2X-9076电热恒温鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司);SHB-IV循环水式真空泵(郑州长城科工贸有限公司);XMTD-204数显式电热恒温水浴锅(常州诺基仪器有限公司);VIS-723N紫外可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司);ZD-85恒温振荡器(常州国华电器有限公司)。
2实验
2.1试剂的预处理
取15g秸秆粉3份,分别加入250mL碘量瓶中,按m(固)∶V(液)=1∶10分别加入0.5%,1%,2%的稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、NaHCO3溶液、NaOH-H2O(等浓度混合)混合液、Na2S溶液、NH3·H2O,混合后用保鲜膜覆盖,再用橡皮筋密封,20℃下放置5d。用碱中和至中性,抽滤。用自来水充分冲洗,将滤渣在80℃烘干,测纤维素、半纤维素和木质素的损失率及糖化率。
2.2实验方法
2.2.1葡萄糖标准曲线的绘制 用二硝基水杨酸(DNS)法[9]测葡萄糖标准溶液的光密度D,绘制葡萄糖的标准曲线。取经80℃干燥2h的葡萄糖固体0.100g,加水溶解后定容于100mL容量瓶中。取6支25mL比色管,分别加入葡萄糖标准溶液(ρ=1.0g/L)0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0mL,补充蒸馏水至2mL。再分别加入2.0mL的DNS试剂,摇匀,在沸水中加热5min,冷却后定容至25mL。取浓度最大的溶液,在λ=470~550nm进行波长扫描,选择D最大的波长作为测定波长,在该波长下测定混合体系的D,绘制葡萄糖溶液的标准曲线。
2.2.2纤维素、半纤维素和木质素的损失率 秸秆粉经预处理后,测定各种试剂处理前后样品中纤维素、半纤维素和木质素的质量分数[10],计算各种组分的损失率RL:
2.2.3秸秆的糖化率 在100mL具塞三角瓶中加入1g预处理秸秆粉和50mL 0.1mol/L HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.8),再加入1mL 1%纤维素酶( 15000U/g)溶液及2滴甲苯,放置恒温振荡器中,在60r/min、45℃下反应48h。然后取0.4mL糖溶液于25mL比色管中,再加入0.8mLDNS试剂,摇匀,沸水中加热5min,冷却后定容至25mL。用分光光度计在λ=490nm时测定混合体系的D。在同样的条件下,测定不加酶、各预处理后秸秆溶液的D。根据以下公式计算秸秆的糖化率RG:
2.2.4正交实验 根据预处理结果,选择处理后样品中纤维素、葡萄糖质量分数最高的试剂,进行以处理试剂的浓度、处理温度、处理时间、固液比(质量与体积之比)为因素的L16(44)正交实验,筛选最佳的预处理条件。
3结果与分析
3.1预处理后样品中各组分的质量分数及损失率
预处理前,马铃薯秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的平均质量分数分别为35.35%,11.60%,26.45%(表1)。预处理后,纤维素损失率最大的是用NH3·H2O处理后的样品,平均损失率为62.33%,损失率最小的是用NaOH-H2O2混合溶液处理后的样品,平均损失率为6.84%;半纤维素损失率最大的是用NaOH溶液处理后的样品,平均损失率为36.3%;木质素损失率最大的是用NaOH-H2O2混合溶液处理后的样品,平均损失率为54 .66%。
3.2预处理后样品的糖化率
1)最佳测定波长的确定。取56g/L的葡萄糖标准溶液在分光光度计上进行波长扫描,从λ=470nm开始,每隔5nm扫描一次,记录溶液的D(图1)。由图1可知,还原糖在λ=490nm处有最大的吸收。
2)葡萄糖溶液的标准曲线。葡萄糖溶液的质量浓度ρ和体系的D见图2。
3)预处理后各样品的糖化率。预处理后各样品加酶前后溶液的D及RG见表2。由表2可知,用NaOH-H2O2混合溶液处理后,样品中纤维素的质量分数和加酶水解后的还原糖质量分数最高。尽管糖化率最高的是用NH3·H2O处理后样品,但用NH3·H2O处理后样品中纤维素的质量分数比用NaOH-H2O2混合溶液处理后的低很多,且还原糖的质量分数也低。因此,综合考虑各种因素,选择用NaOH-H2O2混合溶液作为处理试剂进行下一步实验。
3.3正交实验
根据上述预处理实验,选择用NaOH-H2O2混合溶液处理马铃薯秸秆。以混合溶液的质量分数w(A)、处理温度T(B)、处理时间t(C)、固液比(质量与体积之比,D)为因素,设计正交实验,结果见表3~4。
由表4可知,对糖化率的影响由大到小依次为处理试剂的浓度、处理时间、固液比(质量与体积之比)、处理温度,即最佳的实验条件为A4C2D3B4。
4结论
虽然酸解法在玉米秸秆的预处理中运用较广,但碱法处理的成本低,对环境的污染小。考虑诸多因素,在该实验条件下,对马铃薯秸秆的最佳预处理条件:以V(3%NaOH溶液)∶V(3%H2O2溶液)=2∶1为处理试剂,处理温度T=60℃、固液比(m(固)∶V(液))=1∶12、处理时间t=4d,秸秆的糖化率在40%以上。
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