沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的優(yōu)化

黃明星　周彩榮

摘要：從工藝角度對(duì)沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)考察了各因素對(duì)處理過(guò)程的影響，得到最佳工藝條件，即蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此條件下得到的粗纖維產(chǎn)品純度為67.21%。

關(guān)鍵詞：沙柳；酸催化乙醇法；纖維素；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ352.62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0224-03

纖維素作為一種巨大的綠色資源，由于其可再生、可生物降解、可衍生化等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)受到人們的關(guān)注。目前，纖維素在化工、食品、醫(yī)藥、涂料等領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。沙柳又名筐柳、降馬，屬楊柳科落葉叢生直立灌木或小喬木，為沙漠地區(qū)廣為種植的沙生植物之一。沙柳是固沙造林的優(yōu)良樹(shù)種，不僅起防風(fēng)固沙、保持水土的作用，在改善生態(tài)系統(tǒng)、維持生態(tài)平衡等方面也具有獨(dú)特的功能[3-5]。沙柳通常3年成材，成材后需平茬才能保持旺盛的生長(zhǎng)力[6]。目前，平茬后的沙柳除少部分用于纖維板或編織生產(chǎn)外，大部分作為薪材燃燒或者丟棄，造成資源浪費(fèi)[7]。沙柳細(xì)胞壁中含有大量的纖維素，是天然可再生生物質(zhì)資源，合理利用沙柳資源將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

乙醇法制漿是有機(jī)溶劑制漿的一種，是利用半纖維素上的乙?；邷厮猱a(chǎn)生的乙酸自催化，使木質(zhì)素分解，并將其溶出，同時(shí)部分半纖維素也溶出，從而達(dá)到分離纖維素的目的[8-10]。生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的制漿廢液可以通過(guò)蒸餾來(lái)回收有機(jī)溶劑，通過(guò)提純得到高純度的木質(zhì)素。乙醇法制漿技術(shù)的優(yōu)越性不僅可以有效提取木質(zhì)纖維原料中制得高品質(zhì)的纖維素，還可有效回收有機(jī)溶劑和副產(chǎn)品，避免了浪費(fèi)資源和環(huán)境污染。本研究采用乙醇制漿法提取纖維素，使用乙醇-乙酸-水作溶劑來(lái)預(yù)處理沙柳，考察了各因素對(duì)酸催化乙醇法預(yù)處理工藝的影響，并優(yōu)化了預(yù)處理工藝。

1 材料與方法

1.1 原料和儀器

沙柳：內(nèi)蒙古鄂爾多斯；乙醇：AR，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；冰醋酸：AR，廣東光華科技股份有限公司生產(chǎn)；硝酸：AR，洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠(chǎng)生產(chǎn)。電子分析天平：FA1004，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；高壓反應(yīng)釜：GS-0.5，山東威海宏協(xié)化工機(jī)械有限公司生產(chǎn)；粉碎機(jī)：DFY-200A，上海比朗儀器有限公司生產(chǎn)；循環(huán)水泵：SHB-Ⅲ，河南鞏義市英峪華科儀器廠(chǎng)生產(chǎn)；干燥箱：HG101-3，江蘇南京電器三廠(chǎng)生產(chǎn)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

主要分析表征沙柳原料化學(xué)組成特征的木質(zhì)素、綜合纖維素、纖維素、灰分等。了解原料的化學(xué)組成特征，據(jù)此選擇合適的處理工藝條件。沙柳組成的分析方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

1.3 試驗(yàn)方法

將沙柳材粉碎，過(guò)40目篩，（105±3） ℃烘干，冷卻，放入干燥器中備用。在高壓反應(yīng)釜中加入20g沙柳木粉，按配比加入一定比例的乙醇-乙酸-水蒸煮液，加熱到一定溫度后，保溫一定時(shí)間，冷卻，過(guò)濾，先用70%乙醇洗滌，再用2次蒸餾水洗干凈，最后（105±3） ℃烘干，得纖維素粗品。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙柳原料化學(xué)成分

沙柳原料含水分8.89%、灰分4.53%、苯醇抽提物251%、硝酸乙醇纖維素33.83%、綜合纖維素71.92%、木質(zhì)素22.72%。

沙柳原料中灰分含量遠(yuǎn)高于一般木材，灰分主要成分是二氧化硅[12]，這是傳統(tǒng)堿法制漿黑液難以回收的重要原因之一。溶劑法制漿可以消除灰分積累。沙柳原料中含有較高的纖維素，是天然可再生生物物質(zhì)，可以作為制備纖維素的原料。

2.2 單因素試驗(yàn)

以粗纖維產(chǎn)品中纖維素的含量為指標(biāo)，考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量、液固比對(duì)產(chǎn)品純度的影響，以?xún)?yōu)化預(yù)處理工藝條件。

2.2.1 蒸煮溫度的影響 考察蒸煮溫度影響因素，分別設(shè)置蒸煮溫度為140、160、180、190、200 ℃，其余條件控制為乙醇濃度60%，保溫時(shí)間60 min，乙酸添加量1%，液固比 10 mL ∶ 1 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

乙醇制漿法溶劑擴(kuò)散非常快，木質(zhì)素溶劑化主要取決于蒸煮溫度。從圖1可以看出，隨著蒸煮溫度的提高，纖維素的含量逐漸升高，在140～190 ℃范圍內(nèi)，纖維素含量變化最大，190 ℃以后纖維素含量變化不大，因此，選擇蒸煮溫度為

190 ℃ 較為適宜。

2.2.2 保溫時(shí)間的影響 考察保溫時(shí)間對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置保溫時(shí)間為15、30、45、60、75、90 min，其余條件為蒸煮溫度190 ℃，乙醇濃度60%，乙酸添加量為1%，液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維素的含量逐漸升高，但反應(yīng)時(shí)間達(dá)到45 min后，纖維素的含量基本不變，因此保溫時(shí)間可以選為45 min。

2.2.3 乙醇濃度的影響 考察乙醇濃度對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置乙醇濃度為20%、40%、50%、60%、80%，其余條件為蒸煮溫度190 ℃，保溫時(shí)間45 min，乙酸添加量為1%，液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著乙醇濃度的增加，纖維素純度增加，但乙醇濃度超過(guò)50%，纖維素純度有所下降。因?yàn)殡S著乙醇濃度的逐漸提高，脫木質(zhì)素率進(jìn)一步增加，導(dǎo)致了碳水化合物的部分降解。因此選擇乙醇濃度為50%較為適宜。

2.2.4 乙酸添加量的影響 考察乙酸添加量對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置乙酸添加量為0、0.5%、1.0%、1.5%、20%，其余條件為蒸煮溫度190 ℃，保溫時(shí)間45 min，乙醇濃度為50%，液固比為10 mL ∶ 1 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加，在乙酸添加量小于1%時(shí)，纖維素含量增加明顯，但乙酸添加量大于1%時(shí)，纖維素的含量下降。因?yàn)樗岽呋掖挤ㄖ茲{時(shí)，酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離，可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出，也會(huì)加速副反應(yīng)的發(fā)生，例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。

2.2.5 液固比的影響 考察液固比對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置液固比（mL ∶ g）為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1，其余條件為蒸煮溫度 190 ℃，保溫時(shí)間45 min，乙醇濃度為50%，乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。

由圖5看出，纖維素含量隨著液固比的增加而增加，但液固比超過(guò)10 mL ∶ 1 g時(shí)纖維的含量開(kāi)始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用，乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴(lài)性，液比增加體系酸度下降，木質(zhì)素脫除能力下降；乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力，液比增加有利于木質(zhì)素的溶解，抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此，酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。

2.3 正交試驗(yàn)

為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響，優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，溫度因素極差最大，為6.312，表明蒸煮溫度的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最大，溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3，試驗(yàn)按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料，并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)得到粗纖維素的純度為67.21%（表3），結(jié)果高于單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中達(dá)到的最佳效果。因此，酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為：蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。

3 結(jié)論

從單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理?xiàng)l件下，獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。

參考文獻(xiàn)：

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[13]Gilarranz M A，Oliet M，Rodriguez F，et al. Ethanol-water pulping：cooking variables optimization[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering，1998，76（4）：253-260.

從圖4可知，粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加，在乙酸添加量小于1%時(shí)，纖維素含量增加明顯，但乙酸添加量大于1%時(shí)，纖維素的含量下降。因?yàn)樗岽呋掖挤ㄖ茲{時(shí)，酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離，可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出，也會(huì)加速副反應(yīng)的發(fā)生，例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。

2.2.5 液固比的影響 考察液固比對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置液固比（mL ∶ g）為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1，其余條件為蒸煮溫度 190 ℃，保溫時(shí)間45 min，乙醇濃度為50%，乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。

由圖5看出，纖維素含量隨著液固比的增加而增加，但液固比超過(guò)10 mL ∶ 1 g時(shí)纖維的含量開(kāi)始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用，乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴(lài)性，液比增加體系酸度下降，木質(zhì)素脫除能力下降；乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力，液比增加有利于木質(zhì)素的溶解，抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此，酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。

2.3 正交試驗(yàn)

為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響，優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，溫度因素極差最大，為6.312，表明蒸煮溫度的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最大，溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3，試驗(yàn)按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料，并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)得到粗纖維素的純度為67.21%（表3），結(jié)果高于單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中達(dá)到的最佳效果。因此，酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為：蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。

3 結(jié)論

從單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理?xiàng)l件下，獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。

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從圖4可知，粗纖維素產(chǎn)品中纖維素含量隨著乙酸添加量的增加而增加，在乙酸添加量小于1%時(shí)，纖維素含量增加明顯，但乙酸添加量大于1%時(shí)，纖維素的含量下降。因?yàn)樗岽呋掖挤ㄖ茲{時(shí)，酸的使用有助于沙柳原料中纖維素、木質(zhì)素的分離，可以加快木質(zhì)素變成碎片并溶出，也會(huì)加速副反應(yīng)的發(fā)生，例如木質(zhì)素的聚合和纖維素的分解。因此酸催化乙醇法預(yù)處理沙柳原料的酸濃度選擇為1%較為適宜。

2.2.5 液固比的影響 考察液固比對(duì)纖維素含量的影響，分別設(shè)置液固比（mL ∶ g）為6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1，其余條件為蒸煮溫度 190 ℃，保溫時(shí)間45 min，乙醇濃度為50%，乙酸添加量為1%。蒸煮結(jié)果如圖5所示。

由圖5看出，纖維素含量隨著液固比的增加而增加，但液固比超過(guò)10 mL ∶ 1 g時(shí)纖維的含量開(kāi)始緩慢下降。Gilarranz等認(rèn)為乙醇制漿法增加液比具有雙重作用，乙醇的脫木質(zhì)素能力具有氫離子濃度依賴(lài)性，液比增加體系酸度下降，木質(zhì)素脫除能力下降；乙醇具有溶解木質(zhì)素的能力，液比增加有利于木質(zhì)素的溶解，抑制木質(zhì)素的吸附[13]。因此，酸催化預(yù)處理沙柳原料的液固比選用10 mL ∶ 1 g較為適宜。

2.3 正交試驗(yàn)

為了考察蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量和液固比等影響因素之間的相互影響，優(yōu)化酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝條件，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)蒸煮溫度、乙醇濃度、保溫時(shí)間、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，溫度因素極差最大，為6.312，表明蒸煮溫度的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最大，溫度是要考慮的主要因素。最佳處理方案為A4B3C1D3E3，試驗(yàn)按照A4B3C1D3E3的最佳因素處理沙柳原料，并在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)得到粗纖維素的純度為67.21%（表3），結(jié)果高于單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中達(dá)到的最佳效果。因此，酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝最佳工藝條件為：蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。

3 結(jié)論

從單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，沙柳酸催化乙醇法提取纖維素預(yù)處理工藝的最佳條件為蒸煮溫度為206 ℃、保溫時(shí)間為55 min、乙醇濃度45%、液固比為 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此處理?xiàng)l件下，獲得的纖維素粗品中纖維素的含量為67.21%。

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