金属离子助催化稀酸水解纤维素工艺的研究
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燃料 的重 要途径 之一 。酸水 解工艺在 工业 上应 用较 为成 熟，但是 ，纤 维素酸 水解 制糖 工艺还 存在 酸性介质 对 设备腐蚀 严重 ，水解后 可发 酵糖 的得率 较低等 问题【。 ｕ ｅ Ｉ和颜 涌捷 ＿ Ｎｇ ｙｎ等 ８ 】 等 曾研 究 了用 ＦＺ 化水解 纤维 素，能够 明显 提高 纤维素 水解糖 的得 率 。 Ｊ ｅ＋ 催
本文以小麦秸杆为原料 ，考察 Ｆ ２ ｉ 、Ｎ Ｍｇ ｅ 、Ｎ ２ ａ和 ＋ ＋ 四种金属离子对纤维素水解的影
响，探讨和优化稀酸水解小麦秸杆纤维素制备可发酵糖的工艺。
收 稿 日期 ：２ ０ ．０１ ０ ９１ ．０
作者简介：蒋 崇文 （９ ８ ） １６ ～ ，男，湖南娄底人 ，副 教授 ，博士，硕士生导师；２ ０ ０ ９年赴 日本九州 工业大学 研修 ，主要从事二次资源的转化与利用研究 。
第 ｌ ８卷第 １期
２］ ０ ０年 ３月
纤 维 素 科 学 与 技 术
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｌｕ ｏ ｅ Ｓ ｉｎ ｅ ｎ ｅ ｈ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｆＣｅ ｌｌ ｓ ｃｅ ｃ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎｏｏ ｙ
Ｖ １ １ ＮＯ １ ｏ．８ ． Ｍ越 ２ ０ ０１
文章 编 号 ：１ ０ －４ ５２ １）１０ ２－５ ０ ４８ ０ （０ ００ —０ ４０
得率 ，其助催化作用的大小依次为：Ｆ ＞Ｎａ＞Ｎｉ ＞Ｍｇ ｅ ｅ ＋ ２ ＋ ２，Ｆ 对稀酸水解小麦
秸秆制备还原糖的催化效果最佳 ，还原糖得率最高可达 ７ ．５ ３０ ％，纤维素转化率达到
８ ．９ 。 ５７ ％
关键词：纤维素；麦秸杆 ；金属离子；水解
中图分类号：０６６１ ３ ．１ 文献标识码：Ａ
木质 纤维 素主要 由纤维 素、半纤 维素和 木质 素组 成 ， 中纤维 素和半 纤维 素经过 水解后 其
变成可发酵的糖类， 可发酵糖在酶催化作用下转化成燃料酒精。目前，纤维素的水解发酵工 艺制备燃料酒精 的技术关键是如何取得成本低廉 的可发酵糖【。 ３ 纤维素水解制糖方法主要有 】
酸水解，酶水解和高温液态水水解等方法【 。酶水解和高温液态水水解 由于成本和技术等 ４ ． 酬 方面的原因，目 前仍然处于实验研究阶段 。 用稀酸水解农业废弃物秸秆、 木材加工废物等木 质纤维素制备可发酵糖， 再将这些糖发酵成燃料乙醇， 是利用农林废弃物等生物质生产清洁
３ 温层； ．保
４ ．冷 凝 管 ； ５ ．搅 拌 浆 ；
６ ．进 料 管 ； ７ 制 仪 及热 电偶 ．控 ８ ．电机 ；
９ ．出料 口。 图 １ 水 解 反 应 装 置
ｌ 实验 方 法 － ３
称取定量粉碎过 ８ ０目筛的麦秸杆放入 ｌＬ的高压釜，加入定量的硫酸和金属离子催化
随着 化石 能源 的 日趋 枯竭 ， 发展 可再 生 的生物 质 能源 已经成为 世界各 国重要 的能源 发展
战略Ｉ。我 国每年可开发的木质纤维素的总量约达 ７ ｌ Ｊ 亿吨，其中农业秸秆占 ３ 亿吨，是一 ． ５ 个 巨大的可再生能源宝库， 因此， 以农作物秸秆和林业生产废弃物等木质纤维素为原料生产 燃料 酒精 日益 受到人们 的广泛 关注Ｉ。 ｚ ｜
ｌ 分析 方法 － ４
水解后的总还原糖含量用 Ｄ Ｓ法测定，总纤维素含量参照 Ｇ ／２ ６ ． ．９ ５ Ｎ ＢＴ ６７１ １９ 测定， ０ 木 质素含量参照 Ｇ ／２ ６ ． ９ 测定，纤维素含量用硝酸一乙酸法测定。计算方法如下式。 ＢＴ ６７ ．４ ８
还糖率 ＝ 垡 垦 童 原得／ 查 塑 蔷 ％
第１ 期
蒋 崇文 等：金 属 离子助 催 化稀 酸水解 纤 维素 工 艺的研 究
２ ５
Ｉ 实验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｉ 材 料 ． Ｉ
小麦秸杆，化学组成见表 Ｉ 。
表 Ｉ 小麦秸杆 的化学组成 （ ％）
硫 酸 ，葡萄 糖 ，３５二硝 基水 杨酸 ，ＮａＳ ，Ｆ Ｓ ・ ２ ，－ ２Ｏ４ ｅ Ｏ４ Ｈ ０，Ｍｇ ０ ・－０，ＮｉＯ４ Ｈ ０， ７ Ｓ ４ Ｉ２ ７Ｉ Ｓ ・ ２ ６
均 为分 析纯试 剂 。
１ 设备 及装 置 ． ２ 高 压釜 （ Ｙｘ．） Ｆ １；微 型植 物 试样 粉碎 机 （ ｚ ０ ） 离心机 （ Ｇ ．６ ｗ ） Ｆ ｌ２ ； Ｔ Ｌ １Ｇ． ；紫外 分光 光度 计 （ｐ ｃｕ ｌｂ７２ ） Ｓ ｅｔ ｍ ａ ５ Ｓ 。 ｒ
７
１ ．反 应 釜 ： ２ ．电炉 丝 ；
２ ６
金属离子助催 化稀酸水解纤维 素工艺 的研究
蒋崇文 ， 肖 豪， 邓慧东， 张 煜， 饶 猛
（ 中南大学 化学化工学院，湖 南 长沙 ４ ０ ８ ） １０ ３
摘
要 ：以小麦秸秆为原料，采 用正交试 验考察了硫酸 浓度 、Ｆ ｅ 浓度 、反应温度
和 反应 时间等因素对稀酸水解纤维素 的还原糖得率的影响，得到 了优化的纤维素水
剂 ，迅 速升温 至 反应 温度 ，调节 反应 温度 控制 在 ±３ ℃，液 固 比为 ２ ｌ ０： ，搅拌 速度 为 ２ ０ ０ ｒ ｎ ／ 。反应 完 毕 ，在冷 却 盘管 中通 入 冷 却水 快速 冷 却至 室温 ，取 出反应 液 ，过滤 。将滤 饼 ｍｉ 洗 至 中性后 ，在 １５ ０ ℃干燥 ２ ，再在 室温 下冷 却 ２ ，称重 。滤 液用 １ ｌ ４ｈ ４ｈ ． ｍｏ Ｌ的 Ｎａ ５ ／ ＯＨ 中和 ，静 置 ２ ，过 滤 ，离心 ，取 上层 清液 ，测 定总 还 原糖量 。 ４ｈ
解反应工艺组合：反应温度 １０Ｃ，Ｆ ２ ８ ＂ ｅ＋ 浓度 Ｏ０ ７ ｌ ． ５ ｍｏ Ｌ，硫 酸质量分数 １ ３ ／ ％，反 应 时间 ９ ｉ。研究了 Ｆ ２、Ｎｉ 、 ＋ ０ ｎ ａ ｒ ｅ ＋ ２ Ｎａ、Ｍｇ ＋ ２四种金属离子对稀酸水解 纤维素制 备
还原糖 的影响，结果表 明，金属离子能 明显提高稀酸水解纤维素的转化率和 还原糖
本文以小麦秸杆为原料 ，考察 Ｆ ２ ｉ 、Ｎ Ｍｇ ｅ 、Ｎ ２ ａ和 ＋ ＋ 四种金属离子对纤维素水解的影
响，探讨和优化稀酸水解小麦秸杆纤维素制备可发酵糖的工艺。
收 稿 日期 ：２ ０ ．０１ ０ ９１ ．０
作者简介：蒋 崇文 （９ ８ ） １６ ～ ，男，湖南娄底人 ，副 教授 ，博士，硕士生导师；２ ０ ０ ９年赴 日本九州 工业大学 研修 ，主要从事二次资源的转化与利用研究 。
第 ｌ ８卷第 １期
２］ ０ ０年 ３月
纤 维 素 科 学 与 技 术
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｌｕ ｏ ｅ Ｓ ｉｎ ｅ ｎ ｅ ｈ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｆＣｅ ｌｌ ｓ ｃｅ ｃ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎｏｏ ｙ
Ｖ １ １ ＮＯ １ ｏ．８ ． Ｍ越 ２ ０ ０１
文章 编 号 ：１ ０ －４ ５２ １）１０ ２－５ ０ ４８ ０ （０ ００ —０ ４０
得率 ，其助催化作用的大小依次为：Ｆ ＞Ｎａ＞Ｎｉ ＞Ｍｇ ｅ ｅ ＋ ２ ＋ ２，Ｆ 对稀酸水解小麦
秸秆制备还原糖的催化效果最佳 ，还原糖得率最高可达 ７ ．５ ３０ ％，纤维素转化率达到
８ ．９ 。 ５７ ％
关键词：纤维素；麦秸杆 ；金属离子；水解
中图分类号：０６６１ ３ ．１ 文献标识码：Ａ
木质 纤维 素主要 由纤维 素、半纤 维素和 木质 素组 成 ， 中纤维 素和半 纤维 素经过 水解后 其
变成可发酵的糖类， 可发酵糖在酶催化作用下转化成燃料酒精。目前，纤维素的水解发酵工 艺制备燃料酒精 的技术关键是如何取得成本低廉 的可发酵糖【。 ３ 纤维素水解制糖方法主要有 】
酸水解，酶水解和高温液态水水解等方法【 。酶水解和高温液态水水解 由于成本和技术等 ４ ． 酬 方面的原因，目 前仍然处于实验研究阶段 。 用稀酸水解农业废弃物秸秆、 木材加工废物等木 质纤维素制备可发酵糖， 再将这些糖发酵成燃料乙醇， 是利用农林废弃物等生物质生产清洁
３ 温层； ．保
４ ．冷 凝 管 ； ５ ．搅 拌 浆 ；
６ ．进 料 管 ； ７ 制 仪 及热 电偶 ．控 ８ ．电机 ；
９ ．出料 口。 图 １ 水 解 反 应 装 置
ｌ 实验 方 法 － ３
称取定量粉碎过 ８ ０目筛的麦秸杆放入 ｌＬ的高压釜，加入定量的硫酸和金属离子催化
随着 化石 能源 的 日趋 枯竭 ， 发展 可再 生 的生物 质 能源 已经成为 世界各 国重要 的能源 发展
战略Ｉ。我 国每年可开发的木质纤维素的总量约达 ７ ｌ Ｊ 亿吨，其中农业秸秆占 ３ 亿吨，是一 ． ５ 个 巨大的可再生能源宝库， 因此， 以农作物秸秆和林业生产废弃物等木质纤维素为原料生产 燃料 酒精 日益 受到人们 的广泛 关注Ｉ。 ｚ ｜
ｌ 分析 方法 － ４
水解后的总还原糖含量用 Ｄ Ｓ法测定，总纤维素含量参照 Ｇ ／２ ６ ． ．９ ５ Ｎ ＢＴ ６７１ １９ 测定， ０ 木 质素含量参照 Ｇ ／２ ６ ． ９ 测定，纤维素含量用硝酸一乙酸法测定。计算方法如下式。 ＢＴ ６７ ．４ ８
还糖率 ＝ 垡 垦 童 原得／ 查 塑 蔷 ％
第１ 期
蒋 崇文 等：金 属 离子助 催 化稀 酸水解 纤 维素 工 艺的研 究
２ ５
Ｉ 实验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｉ 材 料 ． Ｉ
小麦秸杆，化学组成见表 Ｉ 。
表 Ｉ 小麦秸杆 的化学组成 （ ％）
硫 酸 ，葡萄 糖 ，３５二硝 基水 杨酸 ，ＮａＳ ，Ｆ Ｓ ・ ２ ，－ ２Ｏ４ ｅ Ｏ４ Ｈ ０，Ｍｇ ０ ・－０，ＮｉＯ４ Ｈ ０， ７ Ｓ ４ Ｉ２ ７Ｉ Ｓ ・ ２ ６
均 为分 析纯试 剂 。
１ 设备 及装 置 ． ２ 高 压釜 （ Ｙｘ．） Ｆ １；微 型植 物 试样 粉碎 机 （ ｚ ０ ） 离心机 （ Ｇ ．６ ｗ ） Ｆ ｌ２ ； Ｔ Ｌ １Ｇ． ；紫外 分光 光度 计 （ｐ ｃｕ ｌｂ７２ ） Ｓ ｅｔ ｍ ａ ５ Ｓ 。 ｒ
７
１ ．反 应 釜 ： ２ ．电炉 丝 ；
２ ６
金属离子助催 化稀酸水解纤维 素工艺 的研究
蒋崇文 ， 肖 豪， 邓慧东， 张 煜， 饶 猛
（ 中南大学 化学化工学院，湖 南 长沙 ４ ０ ８ ） １０ ３
摘
要 ：以小麦秸秆为原料，采 用正交试 验考察了硫酸 浓度 、Ｆ ｅ 浓度 、反应温度
和 反应 时间等因素对稀酸水解纤维素 的还原糖得率的影响，得到 了优化的纤维素水
剂 ，迅 速升温 至 反应 温度 ，调节 反应 温度 控制 在 ±３ ℃，液 固 比为 ２ ｌ ０： ，搅拌 速度 为 ２ ０ ０ ｒ ｎ ／ 。反应 完 毕 ，在冷 却 盘管 中通 入 冷 却水 快速 冷 却至 室温 ，取 出反应 液 ，过滤 。将滤 饼 ｍｉ 洗 至 中性后 ，在 １５ ０ ℃干燥 ２ ，再在 室温 下冷 却 ２ ，称重 。滤 液用 １ ｌ ４ｈ ４ｈ ． ｍｏ Ｌ的 Ｎａ ５ ／ ＯＨ 中和 ，静 置 ２ ，过 滤 ，离心 ，取 上层 清液 ，测 定总 还 原糖量 。 ４ｈ
解反应工艺组合：反应温度 １０Ｃ，Ｆ ２ ８ ＂ ｅ＋ 浓度 Ｏ０ ７ ｌ ． ５ ｍｏ Ｌ，硫 酸质量分数 １ ３ ／ ％，反 应 时间 ９ ｉ。研究了 Ｆ ２、Ｎｉ 、 ＋ ０ ｎ ａ ｒ ｅ ＋ ２ Ｎａ、Ｍｇ ＋ ２四种金属离子对稀酸水解 纤维素制 备
还原糖 的影响，结果表 明，金属离子能 明显提高稀酸水解纤维素的转化率和 还原糖