CN108729285A - 一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微波‑膨化提取蔗渣半纤维素的方法，通过对蔗渣使用膨化剂，对蔗渣进行微波‑膨化处理，使蔗渣结构蓬松，便于半纤维素的溶出；并在低碱浓的条件下，使用微波方法提取蔗渣半纤维素，能有效提高半纤维素得率，并保证半纤维素的分子量；本发明可缩短半纤维素提取反应时间，降低耗碱量，经微波膨化处理后的半纤维素品质较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，属于生物质精炼提取领域。
背景技术
蔗渣是甘蔗制糖后的主要副产物，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其年产量超过数亿吨。传统行业对蔗渣的利用方式主要集中于纤维素，对占蔗渣含量超过20%的半纤维素的研究却鲜有报道，其主要原因是半纤维素固有的多组分、多支链的化学结构所导致的易降解、难提取的缺点，这既限制了半纤维素的应用发展，也减缓了综合生物质精炼的实施。
目前对于蔗渣各组分的开发利用成为国内外学者的研究热点。而对于其中的半纤维素的利用报道较少，这主要是由于半纤维素提取困难，限制其应用发展。传统的提取方法存在耗碱量高和得率低等问题，宋先亮等人在蒸汽爆破法制浆的研究进展中介绍了蒸汽爆破法制浆可以将原料胀裂为细小纤维态，利用高温高压热蒸汽作用于纤维原料，并通过瞬间爆破过程实现其类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排的综合作用，使原料破碎。雷以超等使用碱抽提方法从蔗渣中提取半纤维素，其优点是在生产传统纸浆的同时提取半纤维素，增加了产业附加值，其缺点是碱浓过高，会导致半纤维素的大量降解。通过科研工作者的不断研究，发现通过预处理能有效提高半纤维素得率，预处理的方法主要有物理法、化学法、物理-化学法和生物法，不同预提取方法对半纤维素的性质影响不同，同时也存在一定的问题。例如，J.A.Perez等人利用热水预处理麦草，可以得到71.2%的半纤维素，但是其保温时间较长，能耗较高，因此不能广泛的为人们所应用。Esther Guerra-Rodriguez探讨了不同浓度的稀硫酸水解麦草秸秆提取木糖的工艺条件，研究发现原料中99％的半纤维素和11%的葡聚糖被水解，因此稀酸易对半纤维素造成降解，不适用于蔗渣提取半纤维素的预处理。
发明内容
本发明采用在原料中加入膨化剂的预处理方法，并通过微波-膨化使蔗渣结构蓬松，便于半纤维素的溶出，并在低碱浓的条件下，使用微波方法提取蔗渣半纤维素，该方法能提高半纤维素得率并保证半纤维素的分子量。
本发明的技术方案如下：
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量6-16%的比例，将膨化剂溶液加入蔗渣中，搅拌后静置2-4h，在60-110℃、微波功率600-1200W的条件下膨化处理40-100s；
（2）微波-碱法提取半纤维素：在步骤（1）处理过的蔗渣中加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1:（5-7）的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为4-8%，混合物在85-105℃、微波功率800-1200W，提取20-80min；
（3）将步骤（2）处理后的产物在2000-5000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，调节上清液pH值到2-3，并加入上清液3-5倍体积的体积浓度为60-95%的乙醇，然后于-5℃下在4000-7000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
步骤（1）所述膨化剂为碳酸氢铵、碳酸氢钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种任意比例混合。
步骤（2）所述NaOH-NH4Cl溶液是NaOH和NH4Cl按照质量比为（2-5）:1混合后加水溶解得到。
步骤（3）所述调节上清液pH值采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液，醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为（2-4）:1。
本发明的有益效果：
（1）本发明的使用膨化剂强化微波提取蔗渣半纤维素，能提高半纤维素得率并保证半纤维素的分子量。
（2）本发明具有反应时间短，碱耗低，半纤维素得率高，品质好的特点，微波的好处是加热均匀、快速，温度容易控制，因此微波-膨化技术有巨大的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂碳酸氢铵用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量6%的比例，将碳酸氢铵溶液加入蔗渣中，搅拌后静置2h，于微波反应器中进行膨化，微波功率600W，膨化温度60℃，膨化时间40s；
（2）微波-碱法提取半纤维素：步骤（1）膨化处理后的蔗渣继续置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 7的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为4%，然后混合物在105℃、微波功率800W，提取时间20min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为5:1；
（3）将步骤（2）处理后产物在5000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到2，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为2:1，并加入上清液4倍体积的体积浓度为95%的乙醇，然后于-5℃下在4000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为77.2%。
实施例2
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂碳酸氢钠用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量16%的比例，将碳酸氢钠溶液加入蔗渣中，搅拌后静置3h，于微波反应器进行膨化，微波功率800 W，膨化温度110℃，膨化时间100s；
（2）微波-碱法提取半纤维素：步骤（1）膨化处理后的蔗渣继续置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 5的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为6%，然后混合物在95℃、微波功率1000W，提取时间80min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为5:1；
（3）将步骤（2）处理后产物在4000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到3，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为3:1，并加入上清液4倍体积的体积浓度为85%的乙醇，然后于-5℃下在6000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为82.1%。
实施例3
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂十二烷基苯磺酸钠用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量12%的比例，将十二烷基苯磺酸钠溶液加入蔗渣中，搅拌后静置4h，于微波反应器进行膨化，微波功率900 W，膨化温度90℃，膨化时间90s；
（2）微波-碱法提取半纤维素：步骤（1）膨化处理后的蔗渣继续置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 6的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为8%，然后混合物在85℃、微波功率800W，提取时间40min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为4:1；
（3）将步骤（2）处理后产物在3000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到2.5，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为3:1，并加入上清液5倍体积的体积浓度为60%的乙醇，然后于-5℃下在6000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为85.4%。
实施例4
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂碳酸氢钠和碳酸氢氨用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量10%的比例，将碳酸氢钠和碳酸氢氨溶液加入蔗渣中，搅拌后静置3h，于微波反应器进行膨化，微波功率1000W，膨化温度100℃，膨化时间80s，其中膨化剂碳酸氢钠和碳酸氢氨的质量比为1:1；
（2）微波-碱法提取半纤维素：步骤（1）膨化处理后的蔗渣继续置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 5的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为5%，然后混合物在90℃、微波功率1000W，提取时间30min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为3:1；
（3）将步骤（2）处理后产物在2000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到3，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为4:1，并加入上清液3倍体积的体积浓度为95%的乙醇，然后于-5℃下在7000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为84.9%。
实施例5
一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，具体步骤如下：
（1）将膨化剂碳酸氢钠和十二烷基苯磺酸钠用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量14%的比例，将碳酸氢钠和十二烷基苯磺酸钠溶液加入蔗渣中，搅拌后静置2h，于微波反应器进行膨化，微波功率1200W，膨化温度80℃，膨化时间70s，其中膨化剂碳酸氢钠和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1:2；
（2）微波-碱法提取半纤维素：步骤（1）膨化处理后的蔗渣继续置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 6的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为6%，然后混合物在95℃、微波功率1200W，提取时间40min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为2:1；
（3）将步骤（2）处理后产物在5000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到2，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为2:1，并加入上清液4倍体积的体积浓度为95%的乙醇，然后于-5℃下在7000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为86.6%。
实施例6
一种蔗渣半纤维素的提取方法，具体方法如下：
（1）将蔗渣置于微波反应器中，加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1: 6的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为6%，然后混合物在95℃、微波功率1200W，提取时间40min，其中NaOH-NH4Cl溶液中NaOH和NH4Cl的质量比为3:1；
（2）将步骤（1）处理后产物在5000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液调节上清液pH值到2，其中醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为2:1，并加入上清液4倍体积的体积浓度为95%的乙醇，然后于-5℃下在7000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
本实施例未进行膨化剂处理，蔗渣半纤维素得率为62.9%，蔗渣半纤维素得率比实施例1-5低很多。
实施例7
传统的碱法提取半纤维素：将蔗渣与NaOH溶液按质量体积比kg:L为1:7的固液比进行混合，NaOH溶液的质量百分浓度为14%，在100℃下进行碱法提取半纤维素，反应结束后，过滤收集滤液，滤液用2mol/L的盐酸调节pH值至2.0，过滤除去其中的酸不溶木素，之后将滤液调节pH值至4.5，并加入3倍体积的乙醇进行絮凝、分离絮凝物，沉淀物经乙醇、丙酮洗涤至中性后，在50°C下烘干，即得半纤维素。
本实施例中蔗渣半纤维素得率为32.6%，蔗渣半纤维素得率比实施例1-5低很多。
Claims (4)
1.一种微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）蔗渣膨化处理：将膨化剂用水溶解后，按照膨化剂占蔗渣质量6-16%的比例，将膨化剂溶液加入蔗渣中，搅拌后静置2-4h，在60-110℃、微波功率600-1200W的条件下膨化处理40-100s；
（2）微波-碱法提取半纤维素：在步骤（1）处理过的蔗渣中加入NaOH-NH4Cl溶液，加水搅拌均匀得到固液比kg:L为1:（5-7）的混合物，混合物的液体中NaOH的质量百分浓度为4-8%，混合物在85-105℃、微波功率800-1200W，提取20-80min；
（3）将步骤（2）处理后的产物在2000-5000r/min的转速下进行离心分离，收集上清液，调节上清液pH值到2-3，并加入上清液3-5倍体积的体积浓度为60-95%的乙醇，然后于-5℃下在4000-7000r/min的转速下进行离心分离，将离心分离后的产物分别用无水乙醇、丙酮洗涤至中性，烘干得到蔗渣半纤维素。
2.根据权利要求1所述微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，其特征在于，步骤（1）所述膨化剂为碳酸氢铵、碳酸氢钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种任意比例混合。
3.根据权利要求1所述微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，其特征在于，步骤（2）所述NaOH-NH4Cl溶液是NaOH和NH4Cl按照质量比为（2-5）:1混合后加水溶解得到。
4.根据权利要求1所述微波-膨化提取蔗渣半纤维素的方法，其特征在于，步骤（3）所述调节上清液pH值采用醋酸根离子浓度为2mol/L的醋酸-醋酸钠溶液，醋酸-醋酸钠溶液中醋酸和醋酸钠的质量比为（2-4）:1。
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