水热法杨木半维素的分离与预水解液中低聚木糖的纯化

作     者：徐丰 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈嘉川

授予年度：2019年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 082201[工学-制浆造纸工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：杨木 半纤维素 预水解液 生物酶 低聚木糖 

摘      要：木质纤维原料组分的高效分离和转化是实现木质纤维原料全组分综合利用的有效途径,也是当今社会发展的必然趋势。在制浆造纸过程中,主要利用原料中的纤维素和部分半纤维素,而绝大部分木质素和部分半纤维素被视作废弃副产物进入碱回收工段进行焚烧,因而造成了纤维资源的极大浪费,同时这也会带来一些环境问题。本文以杨木为原料,首先对木片进行热水预处理分离半纤维素,然后对预水解液进行纯化处理,同时利用纯化后的预水解液制备功能性低聚木糖,以期实现半纤维素的高效利用,为木质纤维资源的高值化利用提供一定的理论指导和技术支持。探讨了不同P因子工艺条件下杨木热水预处理过程中半纤维素糖类、酸溶木质素、乙酸和醛类物质的溶出规律。实验结果显示:在热水预处理过程中,P因子较适宜的范围是685225,此范围内杨木中的半纤维素糖类能够较好的溶出,并且原料中总木糖溶出率高达51.8%。预水解液中木糖、酸溶木质素、乙酸、糠醛等含量与P因子成正比,而低聚木糖含量随P因子的增加则呈现先增加后降低的趋势。当P因子为717时,预水解液中低聚木糖含量高达10.24 g/L,原料中总木糖溶出率为44.2%,酸溶木质素、乙酸、糠醛等非糖类物质含量较低,这有利于后续低聚木糖和木糖的分离提取,进而生产聚合度为2的功能性低聚木糖产品。采用活性炭吸附对P因子为717条件下的原始预水解液进行初步纯化。研究了吸附过程中处理时间、活性炭用量和pH值对原始预水解液中木质素去除率及总木糖损失率的影响,并对木质素在活性炭表面的吸附行为进行了探究。结果表明:活性炭与预水解液中木质素的吸附作用受二者之间的静电作用影响,木质素在活性炭表面的吸附为非均相吸附。活性炭吸附去除预水解液中木质素的较优处理工艺条件为:处理时间10 min、活性炭用量0.8%和pH值3.6,此条件下,预水解液中木质素去除率较高为57.3%,总木糖损失率较低为3.1%,木质素脱除选择性较高为95.0%。采用漆酶结合活性炭处理对一级活性炭处理液(AC-PHL)进一步纯化。探究了漆酶用量、处理时间、处理温度、pH值和活性炭用量对木质素去除效果的影响。结果表明,在pH值为3.6、温度为45°C、时间为2 h、酶用量为1 U/g和活性炭用量0.6%条件下,AC-PHL中木质素去除率为70.2%,总木糖损失率仅为3.7%。经过活性炭、漆酶结合活性炭处理后,原始预水解液中木质素去除率显著提高到87.3%,总木糖损失率达较低值6.7%。采用氢氧化钙结合活性炭处理对原始预水解液进行纯化。探究了氢氧化钙去除木质素的机理,优化氢氧化钙和活性炭处理条件。研究表明,氢氧化钙处理过程主要通过吸附和形成木质素-钙离子复合物两种方式去除木质素。经过氢氧化钙处理后,预水解液中糠醛和木质素被有效去除,乙酸浓度明显增加,而木糖组分浓度基本不变。pH值对活性炭吸附效果影响较大,随活性炭用量的增加,活性炭对聚合度大于6的低聚木糖(低聚木糖)的吸附能力明显大于对聚合度2的低聚木糖(低聚木糖)的吸附。氢氧化钙结合活性炭处理的较优条件为氢氧化钙用量0.6%、活性炭用量0.4%和活性炭处理pH值5,此条件下原始预水解液中木质素和糠醛去除率分别为67.7%和70.1%,总木糖损失率为5.9%。采用漆酶/木聚糖酶组合处理对经氢氧化钙处理后的预水解液(CH-PHL)进行进一步纯化。探究了漆酶结合木聚糖酶处理与单一漆酶处理及木聚糖酶处理对CH-PHL中木质素去除率和低聚木糖含量的影响。结果表明,漆酶结合木聚糖酶处理具备单一漆酶及木聚糖酶处理过程的优点,能够在有效去除木质素的同时,显著提高低聚木糖的含量及后续活性炭处理过程木质素去除效率。漆酶结合木聚糖酶处理的较优工艺条件为漆酶用量1 U/g、木聚糖酶用量2 U/g、处理温度55°C、处理时间3 h和pH值5.5,在此酶处理条件下,原始预水解液中木质素去除率为51.8%,低聚木糖含量提高了40.3%,占原始预水解液中总木糖含量的66.5%。对漆酶结合木聚糖酶处理后的CH-PHL采用活性炭吸附处理,以有效去除木质素、糠醛等非糖类组分。结果表明,经过“氢氧化钙-漆酶结合木聚糖酶-活性炭处理流程后,原始预水解液中木质素、糠醛去除率分别为80.1%和94.0%,低聚木糖含量提高了37.8%,占原始预水解液中总木糖含量的65.3%。