發(fā)酵糠醛渣中生化腐植酸的提取工藝

張?jiān)浩?，?剛，張國(guó)蘭，豆亞妮

(寧夏共享生物化工有限公司，寧夏銀川 750200)

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發(fā)酵糠醛渣中生化腐植酸的提取工藝

張?jiān)浩?，?剛，張國(guó)蘭，豆亞妮

(寧夏共享生物化工有限公司，寧夏銀川 750200)

[目的]考察發(fā)酵糠醛渣中生化腐植酸的最佳工藝條件。[方法]以發(fā)酵糠醛渣為原料，采用堿提酸析法提取生化腐植酸(BHA)。通過(guò)4因素4水平正交試驗(yàn)，考察固液比(發(fā)酵糠醛渣與水的質(zhì)量比)、堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)生化腐植酸提取率的影響，再利用鹽酸調(diào)節(jié)提取液的pH，使生化腐植酸沉淀析出，固液分離烘干后得到成品生化腐植酸。[結(jié)果]最佳的腐植酸提取工藝條件為堿提步驟固液比1∶8，堿液濃度 8%，提取時(shí)間為2.5 h，提取溫度為70 ℃，酸析步驟pH為2.5。得到腐植酸含量為76%的固體生化腐植酸成品，其提取率為49%。[結(jié)論]該研究可為糠醛渣廢棄物的開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

生化腐植酸；堿提酸析法；正交實(shí)驗(yàn)；發(fā)酵糠醛渣

腐植酸是自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，基本結(jié)構(gòu)是芳環(huán)和脂環(huán)，環(huán)上連有羧基、羥基、羰基、醌基、甲氧基等官能團(tuán)[1]。作為有機(jī)物原料，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、牧、石油、化工、建材、醫(yī)藥、衛(wèi)生、環(huán)保等領(lǐng)域。尤其是在農(nóng)業(yè)方面，與氮、磷、鉀等元素結(jié)合制成的腐植酸類(lèi)肥料具有增強(qiáng)肥效、改良土壤、刺激作物生長(zhǎng)、提高作物抗病力、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等功能，并且越來(lái)越受重視[2]。腐植酸按照其來(lái)源可分為天然腐植酸和人造腐植酸。天然腐植酸一般都是從泥炭、風(fēng)化煤中提取得到[3-6]。生化腐植酸(Biotechnology Humic Acid，BHA)是以工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物為原料，通過(guò)特殊的生化工藝生產(chǎn)富含黃腐酸的產(chǎn)品，可利用的工農(nóng)業(yè)廢物主要有農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便、食品加工廢液、造紙黑液、園林廢棄物等。因此，BHA是一種“人造腐植酸”，是腐植酸的新來(lái)源。筆者以糠醛生產(chǎn)排放的廢棄物糠醛渣為原料，經(jīng)過(guò)微生物好氧發(fā)酵，得到含BHA的發(fā)酵糠醛渣[7-9]，并研究了從發(fā)酵糠醛渣中分離提純BHA的最優(yōu)工藝，旨在為廢棄糠醛的合理利用提供借鑒。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料供試原料為發(fā)酵糠醛渣(自產(chǎn))、氫氧化鉀(分析純)、水、鹽酸(分析純)。發(fā)酵糠醛渣技術(shù)指標(biāo)：外觀顏色呈淺褐色，松軟無(wú)黏塊，無(wú)惡臭；腐植酸含量大于20%，pH 5.5～7.0，含水率小于35%。試驗(yàn)所用發(fā)酵糠醛渣檢測(cè)指標(biāo)為腐植酸含量23.92%，pH 6.81，含水率25.97%。

供試儀器為DF-101S集熱式恒溫加熱水浴鍋，JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器，DT5-6A低速臺(tái)式離心機(jī)，恒溫振蕩水浴鍋，循環(huán)水式多用真空泵，布氏漏斗，電子秤(0.01 g)，萬(wàn)分天平，玻璃燒杯(1 000、250 mL)，水銀溫度計(jì)(0～200 ℃)等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)堿提試驗(yàn)中影響生化腐植酸提取的因素有固液比(發(fā)酵糠醛渣與水的質(zhì)量比)、堿液(KOH)濃度、提取溫度、提取時(shí)間。根據(jù)影響因素設(shè)計(jì)了4因素4水平的正交試驗(yàn)，研究影響糠醛渣中生化腐植酸提取的最佳條件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　正交試驗(yàn)因素水平

酸析(固體生化腐植酸的制備)中影響固體腐植酸提取率的主要因素為調(diào)酸pH和提取時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)計(jì)pH為5.5、4.5、3.5、2.5、1.5，研究不同pH對(duì)固體生化腐植酸沉淀量和提取率的影響。

1.3生化腐植酸的提取方法

1.3.1堿提(生化腐植酸提取液的制備)。將腐熟的糠醛渣粉碎過(guò)1 mm篩，按一定的固液比(發(fā)酵糠醛渣與水的質(zhì)量比)準(zhǔn)確稱(chēng)量后置于1 000 mL燒杯中，加入一定質(zhì)量的氫氧化鉀，在一定的溫度條件下攪拌反應(yīng)一定時(shí)間。然后靜置過(guò)夜，等反應(yīng)物料分層后，用離心機(jī)對(duì)燒杯內(nèi)物料進(jìn)行離心分離(轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心10 min)。收集含生化腐植酸的黑褐色提取液。將生化腐植酸提取液準(zhǔn)確稱(chēng)量，檢測(cè)腐植酸提取液中生化腐植酸含量，計(jì)算堿提步驟中生化腐植酸提取率(ω1)。

式中,ω1為生化腐植酸提取率，%；m1為發(fā)酵糠醛渣質(zhì)量，g；n1為發(fā)酵糠醛渣中BHA含量，%；m2為生化腐植酸提取液質(zhì)量，g；n2為生化腐植酸提取液中BHA含量，%。

1.3.2酸析(固體生化腐植酸的制備)。 將堿提制備得到的生化腐植酸提取液用鹽酸調(diào)節(jié)為酸性，混合物料分層，容器底部析出棕黃色沉淀，靜置過(guò)夜后用布氏漏斗抽濾，收集沉淀物，抽濾過(guò)程中用蒸餾水洗滌3～4次，將所得沉淀物置于105 ℃烘干至恒重得到固體生化腐植酸成品，稱(chēng)重。檢測(cè)成品中生化腐植酸含量，并按公式計(jì)算固體腐植酸的提取率(ω2)。

式中，ω2為固體生化腐植酸提取率，%；m1為發(fā)酵糠醛渣質(zhì)量，g；n1為發(fā)酵糠醛渣中BHA含量，%；m3為固體腐植酸成品質(zhì)量，g；n3為固體腐植酸成品中BHA含量，%。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法 按照《GB/T11957—2001 煤中腐植酸產(chǎn)率測(cè)定方法》測(cè)定發(fā)酵糠醛渣及腐植酸成品中腐植酸含量，按照《NY/T1971—2010 水溶肥料 腐植酸含量的測(cè)定》測(cè)定生化腐植酸提取液中腐植酸含量。腐植酸的含碳比(Rc)以0.62計(jì)算。

2　結(jié)果與分析

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果由表2可知，利用腐熟糠醛渣制備生化腐植酸液，各因素對(duì)生化腐植酸提取率的影響從大到小依次為固液比、堿液濃度、提取時(shí)間、提取溫度。最佳工藝為固液比1∶8，堿液濃度8%，提取時(shí)間2.5h，提取溫度70 ℃。

表2　4因素4水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

2.2酸析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)由正交試驗(yàn)得到的高腐植酸提取率最優(yōu)組合進(jìn)行提取，得到1 000 g腐植酸提取液，攪拌均勻后分成5份，每份200 g，置于250 mL玻璃燒杯中進(jìn)行酸析試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，利用鹽酸溶液對(duì)生化腐植酸液進(jìn)行調(diào)酸處理，隨著pH的降低生化腐植酸重量增大。但酸度過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，因此綜合考慮，pH為2.5時(shí)最佳。

2.3最優(yōu)提取條件驗(yàn)證由表4可知，生化腐植酸含量能夠達(dá)到76.62%～76.98%，生化腐植酸的提取率為49.24%～49.97%。

表3　pH對(duì)生化腐植酸重量的影響

表4　最優(yōu)提取條件重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

以糠醛生產(chǎn)排放的廢棄物糠醛渣為原料，經(jīng)過(guò)微生物好氧發(fā)酵腐熟得到發(fā)酵糠醛渣，采用堿提酸析法從中提取生化腐植酸(BHA)。設(shè)計(jì)了4因素4水平正交試驗(yàn)，考察固液比(發(fā)酵糠醛渣與水的質(zhì)量比)、堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)生化腐植酸提取率的影響，再通過(guò)加酸調(diào)節(jié)pH，使腐植酸提取液中的腐植酸凝膠析出，固液分離烘干后得到成品生化腐植酸。結(jié)果表明，腐植酸最佳提取工藝條件：堿提步驟固液比1∶8，堿液濃度 8%，提取時(shí)間2.5 h，提取溫度70 ℃，酸析步驟pH 2.5。得到腐植酸含量為76%的固體生化腐植酸成品，其提取率為49%。

[1] 曾憲成，成紹鑫.腐植酸的主要類(lèi)別[J].腐植酸，2002(2)：4-6.

[2] 李威，鄒立壯，朱書(shū)全.近十年腐植酸應(yīng)用研究綜述[J].腐植酸，2006，30(3)：3-8.

[3] 徐小方，張華.腐植酸的提取方法研究[J].山東煤炭科技，2009(5)：110-112.

[4] 牛育華，李仲謹(jǐn)，郝明德.腐植酸研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(11)：4638-4639.

[5] 劉光燦.陜西某地泥炭腐植酸提取工藝的實(shí)驗(yàn)研究[J].廣州化學(xué)，2011，39(4)：83-85.

[6] 高麗娟，王世強(qiáng)，趙雪飛，等.寧夏石嘴山褐煤腐植酸的提取工藝[J].湖北農(nóng)業(yè)科技，2012，51(22)：5168-5170.

[7] 張?jiān)浩?，張曉?發(fā)酵糠醛渣中生化腐植酸的提取與表征[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(28)：9752-9754.

[8] 王娟娟，趙永斌，張茜.含生化腐植酸水溶肥料在茄子上的應(yīng)用效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(22)：9261-9262.

[9] 豆亞妮，張?jiān)浩?，崔?利用糠醛渣制備含腐植酸螯合態(tài)水溶肥料的技術(shù)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(29)：41-43.

Extraction Technology of Biological Humic Acid from Fermented Furfural Residue

ZHANG Yuan-ping, CUI Gang, ZHANG Guo-lan et al

(Ningxia Kocel Biochemistry Co., Ltd.,Yinchuan, Ningxia 750200)

[Objective] To investigate the optimal extraction technology of biochemical humic acids (BHAs) from fermented furfural residue. [Method] With fermented furfural residue as the raw materials, BHAs was extracted by alkali-dissolution and acidification method. Four-factor and four-level orthogonal test was used to investigate the effects of solid-liquid ratio (mass ratio of fermented furfural residue to water), alkali concentration, extraction temperature and extraction time on the extraction rate of BHAs. Then, pH value of extracting solution was regulated by hydrochloric acid, in order to precipitate BHAs from its extracts. Through the solid-liquid separation and drying, solid BHAs were obtained. Results showed that the optimal extracting conditions were as follows:1∶8 solid-liquid ratio, 8% alkali concentration, 70 ℃ extracting temperature, 2.5 h extracting time, and pH 2.5 during alkali dissolution. Under these conditions, solid BHAs containing 76% humic acid content was obtained, and its extraction rate was 49%. [Conclusion] This research provides scientific basis for the development of fermented furfural residue.

Biochemical humic acid; Alkali-dissolution and acidification; Orthogonal test; Fermented furfural residue

張?jiān)浩?1984- )，女，寧夏銀川人，工程師，從事腐植酸提取及腐植酸系列肥料技術(shù)研發(fā)工作。

2016-06-06

TQ 920.6

A

0517-6611(2016)21-086-02