酶解木质素的改性及用作脱除糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛吸附剂的研究

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木质纤维素是地球上蕴藏量最大的可再生生物质资源,利用木质纤维素生产乙醇和其他化学品已成为解决未来能源和资源危机的重要途径。木质纤维素通过酶解发酵转变成燃料乙醇的过程中,酸法预处理工艺具有简单高效和成本低的优点,但其预处理液中不仅含有糖份,还含有糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛等发酵抑制物。因此,必须在发酵前对预处理液进行脱毒。吸附脱毒具有操作简单快速、容易实现的优点,采用多孔树脂和活性炭进行吸附可以有效去除糠醛类和酚类抑制物,但存在成本高和脱附工艺复杂的问题。本文将我国最大的玉米秸秆纤维素乙醇试验工厂副产的酶解木质素(EHL)用作吸附剂,探讨吸附时间和固液比对糠醛和5-羟甲基糠醛在EHL上的吸附量的影响。通过化学改性合成了磺化酶解木质素(简称SEHL)和羟甲基化酶解木质素(简称HEHL),探讨了初始浓度、温度、pH和离子强度等因素对EHL、SEHL和HEHL的吸附糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的影响规律及EHL、SEHL和HEHL对稀酸法预处理液(DA液)和酸性亚硫酸盐预处理液(SPORL液)中糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附脱除效果。结果发现,EHL、SEHL和HEHL对糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附能力排序均为:HEHL>SEHL>EHL。随着初始浓度的升高,EHL、SEHL和HEHL对糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附量逐渐升高,特别是糠醛和5-羟甲基糠醛的吸附量线性升高;其吸附等温线符合Frendlich模型。随着温度的增加,EHL、SEHL和HEHL对糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附量减小。当pH在1~10内,三种酶解木质素对5-羟甲基糠醛的吸附量随pH变化较小;而对糠醛和香草醛的吸附量分别在pH=6和pH=7时最大。当无机盐浓度在0~500mM的范围内,EHL、SEHL和HEHL对糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附量随无机盐浓度升高而增大。EHL、SEHL和HEHL对DA和SPORL预处理液中糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的吸附能力排序均为:HEHL> SEHL> EHL。用HEHL对DA液和SPORL液进行单次吸附,DA液中糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的去除率分别为21.5%、9.7%和70.1%,SPORL液中糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛的去除率分别为26.1%、17.8%和73.2%。糠醛和5-羟甲基糠醛在HEHL上的吸附量相互影响不大,说明两者在酶解木质素上的吸附位点不同。虽然酶解木质素对糠醛、5-羟甲基糠醛的吸附去除率比多孔吸附树脂和活性炭小,但是酶解木质素是纤维素乙醇工艺的副产物,产量大、成本低,且吸附后不需要脱附再生就可以直接烧掉回收热量。因此,将酶解木质素用于吸附脱除酸法预处理液中的糠醛、5-羟甲基糠醛和香草醛等抑制物是有前景的。
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