桉木自催化水解煉制低聚木糖的研究.pdf

1、本論文以林業(yè)生物質(zhì)精煉理念為基礎(chǔ)，通過桉木自催化水解及脫色精煉獲取低聚木糖半纖維素高附加值產(chǎn)品，并對煉制的低聚木糖產(chǎn)品進(jìn)行了初步應(yīng)用探索。首先，結(jié)合桉木溶解漿生產(chǎn)自催化預(yù)水解過程，研究了半纖維素自催化水解還原糖溶出規(guī)律，應(yīng)用Design-Expert8.0.5軟件系統(tǒng)中的Box-Behnken Design(BBD)設(shè)計(jì)模塊將因子與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（響應(yīng)值）的關(guān)系函數(shù)化，研究了因子與響應(yīng)值之間、因子與因子之間的相互關(guān)系、主效應(yīng)和交互效應(yīng)。其次，

2、結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化模型及預(yù)水解P因子模型優(yōu)化水解液中低聚木糖的相對含量，并獲得響應(yīng)值R對自編碼變量（B最高溫度、C保溫時(shí)間）方程。利用PID智能控溫體外循環(huán)蒸煮器模擬并優(yōu)化連續(xù)工況水解歷程，證實(shí)桉木自催化水解液中低聚木糖、木糖及其他副產(chǎn)物相對含量與水解條件密切相關(guān)，且R因子與P因子在一定范圍內(nèi)規(guī)律一致，這對于整合林業(yè)生物質(zhì)精煉與造紙工業(yè)，獲取高附加值半纖維糖基產(chǎn)品具有一定理論價(jià)值;再次，對桉木自催化水解糖液進(jìn)行了表征及脫色精煉。針對造紙工

3、業(yè)生物質(zhì)利用量大且連續(xù)化生產(chǎn)的情況，開發(fā)了快速高效且連續(xù)處理能力強(qiáng)的高效混凝脫色工藝。利用IC、GC-MS、FT-IR等對脫色過程中木糖、低聚木糖及色素成分進(jìn)行了分析。低聚木糖粗糖液經(jīng)過超濾澄清、高效脫色精制、膜濃縮及真空干燥方式獲取了符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23747-2009的低聚糖木糖產(chǎn)品。最后，初步研究了精制低聚木糖特性及其對雙歧桿菌的增殖作用和代謝過程。
　　 (1)采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)(RSA

4、)設(shè)計(jì)分析，桉木半纖維素自催化水解提取還原糖的理論最佳工藝條件為液比13.81，最高溫度184.62℃，保溫時(shí)間103.01 min，在此條件下的最高理論響應(yīng)值為0.1331 g/g。實(shí)際采用液比14，溫度185℃，保溫100 min的優(yōu)化條件，測得優(yōu)化條件下每克絕干原料還原糖提取量的平均值為0.1311g/g，半纖維素還原糖提取率平均值高達(dá)61.24％。水解液中的葡萄糖等己糖含量較低，水解液中木聚糖水解形成的木糖和低聚木糖成分占85％

5、以上。
　　 (2)一定范圍內(nèi)低溫長時(shí)間和高溫短時(shí)間自催化水解可以得到相近的還原糖提取率，即R(153℃,90 min)≈R(162℃,30 min),R(158℃,90 min)≈R(168℃,30 min),R(164℃，90 min)≈R(176℃，30 min)。預(yù)水解因子P＜2500范圍內(nèi)，響應(yīng)面模型與預(yù)水解P因子模型對于還原糖提取率的影響高度一致。利用PID智能控溫體外循環(huán)蒸煮研究了半纖維素自催化水解歷程，P因子在1

6、000-1500范圍內(nèi)水解液中低聚木糖高附加值產(chǎn)品相對含量超過55％，170℃保溫40 min（P因子約1000）條件下達(dá)到最優(yōu)水平。當(dāng)P因子＞2000時(shí)糖組分總量開始呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，通過GC-MS及FT-IR分析可以看出，單糖組分可轉(zhuǎn)化為糠醛等其他降解產(chǎn)物。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，降解產(chǎn)物含量呈上升趨勢。
　　 (3)桉木片170℃保溫40 min（P因子約1000）條件下所得水解液離心分離后，上清液中木糖及低聚木糖成分含量為1

7、9.80 g/L，占總還原糖成分85％以上。聚丙烯酸鈉PAA結(jié)合粉末活性炭PAC的高效混凝脫色工藝糠醛去除率接近100％，可溶性木質(zhì)素去除率也可以達(dá)到76.5％。在聚丙烯酸鈉結(jié)合粉末活性炭PAC的高效混凝脫色機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，粉末活性炭在機(jī)械和水力作用下，粒徑變得更小，比表面積更大，脫色效果更好。原水解液通過超濾澄清、高效混凝脫色精制、膜濃縮及真空干燥等工序制備低聚木糖糖漿，其主要指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23747-2009。
　　

8、 (4) TG-DSC結(jié)果分析，低聚木糖在溫度低于236.9℃時(shí)基本沒有發(fā)生變化，具有很好的熱穩(wěn)定性。青春雙岐桿菌的增殖過程經(jīng)歷適應(yīng)期(0-6 h)、對數(shù)增長期(6-24 h)、停滯期(24-48 h)等過程。以B（桉木自制低聚木糖為碳源）培養(yǎng)基培養(yǎng)的青春雙歧桿菌菌體質(zhì)量濃度在24 h達(dá)到最大值1.31 g/L，增殖了13.81倍，培養(yǎng)液pH由初始的6.50降至4.34。通過精制脫毒脫色過程，B（桉木自制低聚木糖為碳源）對青春雙岐桿菌