试验研究钙Hydroxide-Assisted去木质素的热液地对待甜高粱蔗渣

文摘

热水地对甜高粱甘蔗渣(单边带)粉治疗使用Ca(哦)₂从中提取木质素。单边带化学成分的变化和糖和水解产物的形成进行了研究。10%的最佳条件(g / g衬底)Ca(哦)₂和106.3分钟等温处理的停留时间在394 K导致69.67±1.26%的木质素提取热水地对待单边带粉,生产包含68.29±0.31%剩余的固体残渣纤维素和13.26±0.32%残余木质素。Ca(哦)₂浓度和等温处理停留时间明显的观察到的反应。治疗使用Ca(哦)₂农场是一个潜在的流程处理对木质纤维原料。

1。介绍

许多生物炼制过程正在开发,加快从化石经济向biobased经济。这个运动还提出潜在的小规模处理的木质生物质大规模生物炼油厂操作可以经济、社会、和环境有益的(1发达国家和发展中国家。木质生物质的小规模加工需要安全、简单的技术,只需要最小的资本投资。应该与其他技术来产生能量集成处理的生物量以及产品要求在当地社会1]。

小范围处理对木质纤维原料可以执行在生物质生产者和农场的产业。农场的一个方法来处理生物质衬底的分馏成组件使用温和的化学物质在温和的温度。集成多个进程所需的木质纤维原料的分离,因为不同的生物质组件的属性特征。半纤维素可以提取没有严重影响木质素和纤维素使用水作为催化剂在温和适度高温(323 - 453 K)。半纤维素提取后的残渣获得将富含木质素和纤维素。这个残留的木质素可以提取使用氢氧化钙等碱性催化剂最小影响纤维素的组件的残渣2]。碱木质素的提取木质纤维原料将会产生残渣含有高量的纤维素比未经处理的材料。提取的木质素将出现在碱性液中,pH值大约12,通过治疗,可以从这种液体分离木质素降低pH值使用酸化剂或无机酸(3,4]。

相比其他预处理过程可用,木质生物质治疗使用是安全的、经济的生产生物燃料和生物材料。石灰预处理是一种证明方法去除木质素的木质生物质而不影响其碳水化合物的部分。治疗条件取决于原材料。例如,软木等工业原料含有高浓度的木质素为原料而需要额外的氧气等工业原料含有低浓度的稻草木质素可能不需要额外使用有效氧脱木素。石灰预处理去除约80%的木质素以及95%的矿物质的木质生物质(5)进入溶液中富含纤维素的固体残渣。但是,大多数的预处理研究在环境323 - 333 K的适度更高的温度。这些条件的需求不再保留时间从8到150天,但最简单的木质纤维素的预处理过程基质。如前所述,显著提高温度会降低治疗时间。这也将减少所需治疗区域的工业规模的操作。增加治疗温度环境中高温度(323 - 333 K)还要求更高的水输入高水的热容量和热可转让性保证混合均匀的温度分布。高水加载还确保适当的分配的混合物(6]。

本研究评估的潜力治疗作为田间对木质纤维原料预处理的过程。Autohydrolysis在394 K随后脱木素的分离进行了研究单边带和糖的程度退化过程中阶段也被调查。

2。材料和方法

2.1。底物的预处理

甘蔗渣粉末的甜高粱品种CSSH45最初治疗用水提取半纤维素。热水地(394 K,底物浓度13%,90分钟等温处理停留时间)对甜高粱甘蔗渣(HTSSB)粉作为本研究的衬底。残渣经热液的治疗方法是用自来水清洗去除游离糖一夜之间从378 K,随后干去除水分。基质的理化性质和治疗后获得的固体残留物分析估计体积密度和化学成分。

2.2。Ca(哦)₂辅助治疗热水地对待甜高粱蔗渣

干HTSSB被使用解决方案在394 K 30、75和120分钟。底物浓度为10% (g / g)和浓度为0,10,20%衬底的g / g。高底物浓度导致困难的适当的混合基质和试剂,从而减少去木质素过程的效率。使用的底物浓度为10% (g / g)为了增加的反应与底物(7]。后获得的固体残留物治疗分析纤维素、木质素、半纤维素和火山灰。的解决方案获得治疗后分析了木质素,糖,总碳水化合物和糖降解产物。本研究选择去木质素的工艺条件,导致最大值,纤维素浓度,和固体复苏。

的辅助治疗的热水地对待单边带(HTSSB)是在一个高压蒸汽(美国NAPCO dse - 8000)。在实验治疗,10 g HTSSB与90克水混合解决方案包含0、1或2 g粉。的料浆在不同数量不同浓度(0、10和20% (g/ g衬底))。混合物被保存在一个蒸汽饱和高压釜在394 K的热液治疗。一旦温度达到394 K,混合物是保存在温度30,75和120分钟。治疗停止通过释放蒸汽压力和保持混合冷自来水将混合物的温度到室温。混合物分离使用尼龙织物获得固体和液体样品进行进一步的分析和研究。湿固体样品自来水下冲洗直到洗水的pH值中性,然后干在干热灭菌器,最后用于成分分析。液体样品(水解)被冷藏在277 K和用于成分分析。

2.3。实验设计

实验进行了等温等估计独立变量的影响(394 K)治疗停留时间(30、75和120分钟)浓度(0、10和20% (g / g衬底))等原料反应木质素提取、纤维素复苏,除灰,去除半纤维素、稳固复苏,复苏,碳水化合物和糖降解。这是调查使用响应面设计准备用JMP软件(SAS研究所美国)10。响应面设计实验运行的数量减少,导致反应表面显示的线性和二次独立因素对反应的影响。二阶多项式回归方程所示(1)被用来适应反应理解等温处理停留时间的影响浓度: 在哪里响应如木质素提取、稳固的复苏,和糖的降解,和是独立的因素,如等温处理停留时间和浓度,是拦截,和是线性系数,相互作用系数,和是二次系数。方差分析是确定统计学意义进行的变量的响应和估计多项式预测方程的适合观察到的反应(8]。系数测定和均方根误差(RMSE)值被用来估计模型的适合观察到的反应和估计模型的可用性预测的反应类似的实验条件。

所有的治疗包括两个中心分(10%浓度和治疗时间75分钟)和固体和液体样品的分析进行了一式三份。治疗后获得的固体残留物分析纤维素,半纤维素,木质素,火山灰浓度。同样,后获得的液体样品治疗分析总还原糖,戊糖糖,总碳水化合物、糖降解产物(羟甲基糠醛羟甲基糠醛和糠醛)和溶解木质素。治疗条件优化获得的最大提取木质素,纤维素浓度最大残留、最大恢复固体,和最小糖降解。

2.4。分析方法

底物的粒度分布用于治疗估计使用筛分分析方法(9]。固体样品的体积密度估计治疗前后用量筒(100毫升10]。重量和光谱光度测量的方法被用来估计基质和残留的化学成分之前和之后治疗。

重力饲料纤维分析方法被用来估计的浓度纤维素,半纤维素,木质素和矿物质在固体HTSSB样品之前和之后的治疗(11]。这些方法被选中,因为它们是简单的,方便日常分析在生物治疗研究(12]。

总还原糖的浓度,戊糖糖,糖降解产物,木质素在液体中使用紫外可见光谱样本进行分析。戊糖糖估计是使用对溴苯胺的方法由Deschatelets和玉。同样,TPTZ (2、4、6-tripyridyl-s-triazine)方法被用来估计总在液体样品中还原糖的浓度(13]。总碳水化合物存在于液体样本估计用蒽酮试剂法(14]。糠醛的浓度和hydroxyl-methyl糠醛(羟甲基糠醛)液体样本估计使用紫外线(UV)光谱[15]。同样,木质素水溶性液体中估计在278海里(通过测量吸光度4,16]。

3所示。结果与讨论

3.1。HTSSB理化成分

热水地处理材料控制,在采掘自由和烘箱干燥的基础上,约56%的纤维素,木质素31%,灰分1%,半纤维素11%。底物的体积密度公斤/米³估计,使用一个100毫升的量筒(10]。底物的体积密度为60%高于未经处理的甜高粱甘蔗渣粉末(单边带)。HTSSB的粒度分布主要是1毫米(图250微米1)估计通过筛分分析9]。

3.2。固体复苏在Ca(哦)₂治疗HTSSB

固体回收率变化从66.9到93.4%,与等温处理停留时间增加和减少浓度(图2)。最大的固体复苏需要同时从木质纤维素的提取木质素的材料。的重要响应面固体恢复了(二次模型2)。的模型的价值是0.94 RMSE值为2.14。模型有一个无意义的lack-of-fit因此可以用来预测固体反应而将HTSSB复苏在394 K和条件进行调查。恢复后的固体治疗的体积密度公斤/米³的体积密度高于HTSSB用于治疗。考虑以下: 在哪里和等温处理停留时间(分钟)和吗浓度(% g / g基质),分别。

3.3。Ca (OH)的影响₂治疗HTSSB的化学成分

中残留的半纤维素的浓度对待HTSSB与增加减少浓度(图3)。剩余半纤维素在最后残留的浓度变化(g / g)从8.45到11.87%。半纤维素从HTSSB最低,大部分半纤维素含量被在最初的热液治疗。响应面模型去除半纤维素酒被发现不显著与一个值为0.24,而不是有用的预测剩余半纤维素的浓度对待HTSSB残留。考虑以下: 在哪里和等温处理停留时间(分钟)和吗浓度(% g / g基质),分别。

3.4。木质素提取通过Ca(哦)₂治疗HTSSB

氢氧化钙处理HTSSB (10% g / g)在394 K 100分钟删除大约55%的木质素。最后残渣含有约74%纤维素和17%的木质素。最大的木质素提取观察在这个调查78.36%相比较,与脱蜡竹的木质素提取(62.25%)通过使用乙醇和氢氧化钠(17]。

响应面残余木质素的二次方程(4)被发现显著与一个0.94和1.51的RMSE值的价值。残余木质素的浓度(%)在最后残留变化从9.99到27.66%,减少与增加被发现浓度和等温处理停留时间和响应如图4。木质素的提取(%),估计是在基质中的木质素浓度的差异之前和之后治疗,发现变化从17.59到78.33%,增加与增加浓度和等温处理停留时间(图5)。响应面残余木质素的二次方程(5)被发现显著与一个0.99和2.46的RMSE值的价值。随着木质素的浓度(g / L)的酒治疗HTSSB变化从8.44到35.26 g / L,还发现增加增加加载和等温处理停留时间(图6)。响应面残余木质素的二次方程(6)被发现显著与一个0.98和1.18的RMSE值的价值。考虑以下: 更高的量(> 80%)的木质素,可以提炼出的连续使用二氧六环等有机化合物或无机化学物质如氢氧化钠或KOH衬底(18- - - - - -20.]。然而,这些过程的适用性的田间处理木质纤维素的物质可能是有限的。

3.5。Ca (OH)的影响₂治疗纤维素HTSSB内容

的纤维素含量HTSSB略中溶解治疗。的浓度和等温处理停留时间是重要的影响因素在残渣纤维素的浓度。残留纤维素浓度变化从58.21至70.61%,发现浓度增加而增加浓度和等温处理停留时间(图7)。

响应创建了一个模型的回归分析后纤维素浓度的表达式治疗是在(7)。模型被发现意义重大与一个0.91和1.48的RMSE值的价值。考虑以下: 在那里,和代表浓度百分比(g / g基质)和治疗时间最小值,分别。底物浓度的线性和二次影响纤维素浓度而等温处理停留时间只有线性影响纤维素浓度。

3.6。Ca (OH)的影响₂治疗HTSSB灰分

最后残留的灰分含量是增加后的氢氧化钙处理可能是由于钙的绑定的多糖和木质素残渣(21]。重复洗涤的delignified残渣直到残留的pH值中性不删除有界的矿物质。增加增加了灰分浓度对脱木素的残留和等温增加保留时间减少残留的灰分(图8)。二次响应面模型中残留的灰尘的浓度对待HTSSB发现意义重大和所示(8)。的值为0.99和RMSE值为0.06。考虑以下: 在那里,和代表浓度百分比(g / g基质)和治疗时间最小值,分别。

3.7。在Ca转换多糖糠醛、羟甲基糠醛(哦)₂治疗HTSSB

一些数量的纤维素和半纤维素HTSSB转化为糖,估计总碳水化合物,戊糖糖和还原糖。白酒中总碳水化合物的浓度范围从3.27到13.67 g / L和浓度增加而增加加载和等温处理停留时间(图9)。二次响应面模型总碳水化合物的浓度的酒被发现意义重大并给出了(9)。的模型的价值是0.97和RMSE值为0.68。同样,糖和戊糖总还原糖的浓度增加而增加加载和等温处理停留时间(数字10和11)。戊糖糖的浓度从1.67变化到6.98 g / L,总还原糖的浓度变化从3.19到13.34 g / L。二次响应面模型戊糖糖的浓度和总还原糖的酒被发现意义重大并给出了(10)- (11)。的值模型的戊糖糖浓度为0.97和RMSE值为0.30。类似地,值模型的总还原糖浓度为0.97和RMSE值为0.66。

一小部分从多糖形成的糖转化成糖降解产物如糠醛和5-hydroxymethyl糠醛(羟甲基糠醛)。糖降解,因此浓度(g / L)的糠醛和羟甲基糠醛酒逐渐等温处理停留时间和增加而增加加载(图12和13)。糠醛的浓度变化从0.48到1.99 g / L和羟甲基糠醛的浓度从0.35变化到1.44 g / L的根据加载和等温处理停留时间。二次响应面模型糠醛和羟甲基糠醛的浓度的酒被发现意义重大和有(12)- (13)。的值模型的糠醛浓度为0.75和RMSE值为0.37。类似地,羟甲基糠醛浓度为0.68的模型值和RMSE值为0.30。考虑以下: 的和代表(9)- (13)浓度百分比(g / g基质)和等温处理在最小停留时间,分别。

3.8。优化的Ca(哦)₂治疗HTSSB

的治疗优化最大值的木质素提取(70.35%,31.66 g / L水溶性木质素),残留纤维素浓度(68.65%)、固体复苏(71.2%)、糖浓度的最小值(12.85 g / L总碳水化合物,6.46 g / L戊糖,和12.62 g / L还原糖)和糖降解产物(糠醛2.01 g / L, 1.38 g / L羟甲基糠醛)酒使用人民币10软件。预测的最优条件浓度约为11.24% (g / g基质)和一个等温处理105分钟的停留时间。在最优条件下残余木质素的预测,残留的半纤维素,和残余灰分13.35%,分别为10.87%和4.87%。

进行优化实验10、11日装载和12% (g / g基质)和100年,105年和110年最小等温处理的停留时间。最优条件给maxima木质素去除,固体复苏,残留纤维素10%被发现加载和停留时间106.35分钟的等温治疗。尽管木质素提取增加而增加加载和等温处理停留时间、固体恢复减少与这些因素的增加。因此,最优条件在很大程度上是依赖于固体复苏的过程。最优条件导致%固体复苏,%残留纤维素,%残余木质素,%木质素提取,%剩余半纤维素%残灰固体残渣。这也导致了g / L水溶性木质素,总碳水化合物g / L,总还原糖g / L,g / L戊糖糖,g / L糠醛,酒的g / L羟甲基糠醛。

3.9。前景的两步分馏甜高粱甘蔗渣的田间分馏过程

甜高粱的两步分馏蔗渣包括提取半纤维素和随后的第一步一步从基质中提取木质素。第一步水解导致富含hemicellulosic糖和第二步的结果在一个渣富含纤维素和酒含有木质素。后获得的固体残渣治疗已经高出大约270%体积密度和51.7%纤维素浓度高于原始蔗渣体积密度约为85公斤/米³只包含大约45%的纤维素。体积密度和纤维素含量高将帮助生物量生产商得到更高的代价和生物炼制这些产品可以帮助他们减少他们的资本投资的处理生物量以及为他们提供原料无关的区域性和季节性变化22]。这个过程需要进一步发展,让它适合在农场的条件下实现。

4所示。结论

的辅助治疗的热水地对待甜高粱蔗渣在394 K 106分钟等温处理结果在大约69%的木质素提取。最优装载大约是10% (g / g衬底)导致包含大约68%的固体残渣残留纤维素。渣的火山灰浓度高于HTSSB和它的影响的进一步处理残渣需要研究。这个过程使用被认为是安全的,廉价的木质纤维素的治疗,因此,它可以用于田间分离对木质纤维原料。的固体产品处理含有高量的纤维素在它可以进一步增值集中生物炼制生物燃料和生物材料。这个过程需要进一步治疗的液体产品分离溶解木质素,和其他组件。对木质纤维原料的潜力提高分馏使用热液和后续治疗需要在田间试验研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融援助从昏聩魁北克人de la矫揉造作的苏尔la自然等莱斯技术(FQRNT)和加拿大自然科学和工程研究理事会(NSERC)。

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