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【研究】通过活性炭吸附和干燥空气吸附从解毒后水解木质纤维素生产生物乙醇

发布日期:2018-11-15 09:51 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

生物乙醇生产已成为提供能源需求和减少温室气体影响的替代方案。 然而,由于在预处理和水解过程中在生物质上采用的研磨条件,可以产生用于发酵阶段的抑制剂,例如乙酸等。 基

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介绍

生物燃料已被称为替代化石燃料的可再生能源。一旦由生物质产生,它就不会促进温室气体浓度的增加,因为它可以在光合作用过程中再次被生态系统同化(Rivera-Méndez等,2017)。在这种情况下,巴西已成为领导者,主要是由于甘蔗的强劲和有效的乙醇生产(Moreira等,2016)。除此之外,由于大量生产甘蔗渣和其他木质纤维素材料,巴西也有可能成为生物乙醇的重要生产商(Carvalho等,2016)。

然而,木质纤维素乙醇是由廉价的原料生产的; 在释放糖之前,生物质需要几种物理和化学过程在其三种主要聚合物中非结构化:纤维素,半纤维素和木质素(Kundu等,2015 ; De Bhowmick等,2018)。预处理和水解是通常在研磨过程中进行的必要步骤,其中可以产生有毒成分并在发酵过程中抑制酵母(Diaz等,2018 ; Muharja等,2018)。)。由半纤维素降解产生的乙酸是一种抑制剂,由于其通过真菌细胞膜并影响其代谢而在培养基中具有相关性。在加工过程中产生的其他抑制剂也是对酵母的有害作用的原因(Huang等,2011 ; Diaz等,2018)。因此,水解生物质的解毒对于提高发酵过程中的生物乙醇产量是重要的(Zhang等人,2015)。

活性炭由于其多孔结构被定义为有机化合物的最佳吸附剂,聚集到材料具有高表面积和高吸附性(Gamal等,2018)。即使应用于各种研究并且是一种具有成本效益的吸附剂(Li et al。,2016),吸附对(吸附剂 - 吸附物)与活性炭仍需要调查以改善许多过程(Sellaoui等,2015 ; Singh和Kumar) ,2016)。因此,设定吸附动力学和等温线对于促进对对之间关系的理解是必不可少的。

通过这种方式,本研究的目的是评估微孔活性炭对乙酸的吸附以及该对之间的等温线和动力学特征。同时,旨在研究通过干燥空气从类似溶液中汽提相同组分。在酒精发酵中测试产生具有较低乙酸浓度的水解产物的条件。

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材料和方法

吸附

在该研究中使用粉末形式的微孔活性炭(Vetec)和冰醋酸。进行固相和液相之间的动力学和平衡曲线以表征活性炭对乙酸的吸附。在Erlenmeyer 250mL中进行具有不同浓度的乙酸,5%,10%和20%(w / w)的三种动力学。将10g活性炭加入到研究中浓度为200mL的乙酸溶液中。动力学时间设定为1小时,发生在振荡器中,在环境温度下搅拌120rpm。为了检查活性炭的饱和时间,在动力学过程中采集了8个样品。所有实验均基于先前的测试。对于平衡曲线,有四个温度,20,40,60和70°C,以及8个浓度,2,4,6,8,10,12,14,测试了16%(w / w)。将每种浓度的40毫升乙酸溶液与2克活性炭一起加入Erlenmeyer 125毫升中。样品温度在恒温浴中稳定在半小时之前在振荡器中在每个温度下在研究中以120rpm进行操作搅拌。在该实验中,将所有用于测量的样品用滤纸过滤,并通过用氢氧化钠(NaOH)的中和方法测量5mL渗透物。实验进行两次。将所有用于测量的样品用滤纸过滤,并用氢氧化钠(NaOH)通过中和法测量5mL渗透物。实验进行两次。将所有用于测量的样品用滤纸过滤,并用氢氧化钠(NaOH)通过中和法测量5mL渗透物。实验进行两次。

的装置的开发是为了运行该实验,如图如图一。1它由一个紧凑的压缩机组成,它将空气泵送通过二氧化硅柱,干燥的空气产物通过微气泡扩散器插入溶液中进行测试。空气离开二氧化硅柱,相对湿度为20%,并改善了组分从液相到气相的解吸附。在不同温度下进行三次动力学以研究干燥空气从溶液中带出乙酸的能力。将200g 10%(w / w)的乙酸溶液与扩散器一起加入到柱中,其释放出0.82L·min -1的通量。空气 实验在恒温浴中进行,以将系统维持在20,40和60℃的所需温度。动力学在30小时内进行,收集5mL样品并检查每6小时的重量损失。实验基于先前的测试。通过用氢氧化钠(NaOH)中和来测量样品浓度。

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图1

代表剥离过程。

通过干燥空气汽提解毒水解木质纤维素

 

水解物

用作底物的纤维素水解产物由位于巴西圣保罗的CTC-Centro de Tecnologia Canavieira友情提供。通过蒸汽爆破然后使用酶Cellic CTec3(Novozymes)进行酶水解,从甘蔗中预处理甘蔗渣获得发酵液。

Bazoti等人的特征在于水解产物的特征。2017):45.71 gL -1葡萄糖,28.5 gL -1木糖,6.32 gL -1纤维二糖,1.05 gL -1阿拉伯糖和发酵抑制剂:9.18 gL -1乙酸,0.36 gL -1糠醛和0.17 gL -1羟基甲基糠醛(HMF),除了pH值为4.88之外。为了评估在第二代乙醇的生产中解毒(除去乙酸)的影响,解毒水解产物通过剥离过程作为“剥离”部分中描述的实验装置,然后用作酒精发酵中的底物。作为对照,还使用未解毒的(不除去乙酸)水解产物作为底物。

 

微生物

用于发酵的通常名称为UFFS CE3.1.2的酵母最近从巴西生态系统中分离出来并由Bazoti等人描述。2017)。该菌株代表了一种新的Wickerhamomyces物种(GenBank 登录MF538579MF538580)。

 

酒精发酵程序

将酵母维持在酵母提取物蛋白胨葡萄糖(YPD培养基-1%酵母提取物,2%蛋白胨,2%葡萄糖和2%琼脂)中。酵母的生长发生在30℃的固体培养基中,72小时后,它被转移到液体培养基中,在那里它保持超过24小时。然后将接种物倒入无菌水解产物中。

将解毒的水解产物甘蔗渣以1:3(v / v)稀释,在初步实验完成后测定稀释度(数据未显示),并将其90mL加入250mL锥形瓶中,并在120℃高压灭菌器中灭菌。 15分钟(Bazoti等,2017)。

发酵在轨道振荡器中在30℃和50rpm的微 - 嗜气条件下进行。每24小时取样,测量葡萄糖,木糖,纤维二糖,阿拉伯糖,糠醛,乙酸,羟甲基糠醛(HMF)和乙醇的浓度。

通过配备有折射率检测器RID 10-A和AMINEX BIORAD HPX87H柱的HPLC(Shimadzu色谱仪)定量这些化合物。将20μL样品在45℃下进行色谱分离,用5mM H 2 SO 4作为流动相,流速为0.6mL / min。使用用C18柱操作的PDA 10-A检测器测定糠醛和HMF化合物(20μL样品),用1:8乙腈/水和1%乙酸洗脱,在30℃下,流速为0.8毫升/分钟。在HPLC分析之前,将样品预过滤并适当稀释。通过使用每种化合物的校准曲线作为Bazoti等人提出的分析方法测定化合物浓度。2017)。

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结果和讨论

吸附动力学

几种机制可以控制吸附物在吸附剂上的吸附过程,它们是:传质,扩散控制,化学反应和粒子扩散(Mohan和Gandhimathi,2009)。对于动力学研究,使用诸如伪一级,伪二级和颗粒内扩散的方法来测量所获得的数据。等式1和2描述了根据Al-Othman等人的伪一阶和伪二阶的模型。2012),其中:q e是平衡时的浓度(mg.g -1); t是吸附时间; t(mg.g -1)是t(min)时的吸附容量ķ1(min -1)和2(g.mg -1 .min -1)分别是Pseudo一级和二级的吸附常数。表11呈现在固相动力学每个的端部所达到的平衡浓度,决定系数(- [R 2)和所述常数ķ 1ķ 2为应用的每个方法。

表格1

伪第一和伪第二阶调整数据。

乙酸浓度(%) e(mg / g) 伪一阶 伪二阶
    2 1(min -1 2 2(g.mg -1 .min -1
159.67 0.89 0.098 0.93 0.003
10 211.85 0.97 0.183 0.98 0.004
20 224.82 0.71 0.052 0.98 0.003

由于较高的2结果,伪二级模型显示出更好地适应系统中的吸附过程,因此假设它是与该过程相关的二级反应。结果表明,活性炭表面与乙酸组分之间发生了化学相互作用,换句话说,发生了化学吸附(Xu et al。,2013)。Figures2,233存在于第一阶和第二阶模型在分析每个浓度积为乙酸的吸附。

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图2

伪一级动力学结果。

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图3

伪二阶动力学结果。

gq Ëq Ť=Ò qË1 23 ķ1Ť
(1)
ŤqŤ= 1ķqË21 qË Ť
(2)

吸附过程的限制步骤可能与慢粒子内扩散的机制有关,即使考虑到外表面上的瞬时吸附也是如此(Ho和McKay,1998)。该过程可以由两个或更多个限制阶段决定:第一个是快速的并且发生在吸附剂表面上; 第二个是逐渐吸附,其中颗粒内的扩散调节过程; 第三个是最后一步,其中颗粒内扩散减少并达到平衡(Chen et al。,2003)。等式(3)给出了吸附的行为。

 =   ķ Ñ ½
(3)

其中in(mg.g -1 .h -1/2)是颗粒内扩散速度的常数。表22个采用等式呈现数据(3)之后。由于其较高的2,可以将第一个定义为调节阶段表22还示出了用于各实验条件内扩散速度的常数。

表2

粒子内扩散调整数据。

乙酸浓度(%) 第一阶段 第二阶段
  ķ (mg.g -1ħ -1/2 2 ķ (mg.g -1ħ -1/2 2
37.54 0.97 34.46 0.90
10 80.53 0.96 18.23 0.94
20 55.92 0.93 16.36 0.72

吸附等温线

考虑到吸附过程,等温线用于在平衡条件下设定液相和固相之间的热力学特性(Maneerung等,2016)。Langmuir吸附等温线基于吸附物吸附发生在单层吸附上的假设,并且该过程发生在有限数量的可用位点。因此,当不再发生吸附时,达到平衡点(Allen等,1988)。因此,该模型可以用等式(4)表示,其中qmax(mg.g -1)代表单层中的最大容量,bL(Lg -1)代表吸附质和吸附剂之间的亲和力,qe(mg.g)-1)和Ce(gL -1)分别是平衡时固体和液相中溶质的浓度。

qËq x b大号 CË1 +b 大号 CË
(4)

此外,吸附过程还可以通过由等式(5)表示的称为分离因子(R L的无量纲参数来表征,其中C 0是吸附物的初始浓度。该参数推断吸附是否不利(R L > 1),线性(R L = 1),有利(0 <R L<1)或不可逆(R L = 0)(Webber和Chakkravorti,1974)。

[R大号1 1 +b 大号 C0
(5)

假设吸附剂保留的吸附物的量与溶液中吸附物的浓度之间的关系对于不同的溶液浓度不是恒定的,Freundlich吸附模型表明,如果平衡Ce中的介质中吸附物的浓度增加到在n的幂,吸附的材料量将是qe,并且在一定温度下它们之间的关系将是恒定值(Allen等,1988)。因此,给出了经验公式(6),其中Fn分别是Freundlich常数和指数。

qËk F CË1ñ
(6)

Freundlich模型认为吸附发生在多层膜上,并描述了在不均匀表面上的更好吸附(Fritz等,1981)。如果指数n位于1和10之间,则反应被指定为有利的

在20,40,60和70℃下进行的等温线实验的结果表明,研究中的温度之间的区别不明确。进行统计分析,未发现显着差异(数据未显示),导致温度不是活性炭吸附乙酸的变量。因此,一旦评估温度变化对于该过程不显着,则从每个浓度的所有运行中取平均值。采用根据Langmuir和Freundlich方法的建模程序,以便从组成的等温线调整数据。两种型号,一种为每个方法,建造和图都Figure44

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图4

Langmuir和Freundlich调整了实验数据。

通过软件STATISTICA 8.0两种调整,Langmuir和Freundlich定义的参数,示于表表3。3发现2的相似值,但是更高的值表明Langmuir模型比Freundlich模型更好地拟合实验数据。的值的qmax 128.66 mg.g的-1决定了活性炭上保持醋酸的最大容量,并且将结果与在等温线使用的较低计算为0.30,指示有利的吸附。

表3

Langmuir和Freundlich等温线调整的参数。

  参数 估计 标准错误 p 2
朗缪尔 最大尿流率 128.66 mg.g -1 9.09 0.000002 0.90
  L 0.16 Lg -1 0.10 0.165699  
符合Freundlich ķ 76.94 23.12 0.012649 0.88
  ñ 10.39 7.41 0.203635  

辛格和Kumar(2016)采用的Langmuir等温模型来评估CO的吸附2吸附到颗粒形式的活性,最大吸附范围被发现为483.55和364.22 mg.g -1在25℃和65℃与温度ř 2在0.94和0.91之间变化。Maneerung等。2016)发现qmax为189.8 mg.g -1,对吸附对char /罗丹明B使用相同的建模方法.Li等人。2016紫茎泽兰Eupatorium adenophorum)产生的使用H 3 PO 4作为活化剂,Langmuir等温线模型的最大吸附量为351.0 mg.g-1刚果红在这种吸附剂上。

Figure55呈现结果汽提过程,并且当温度变化发生的影响时在质量下降。30小时后,溶液中的质量滴加量分别为86和69%,分别在20°和40℃下运行。对于60℃的温度,由于体积损失,在24小时后继续实验显示是不切实际的,此时溶液质量从开始时为38%。2值大于0.99的线性方程取自数据,并且在20,40和60℃下的动力学系数分别为0.46,1.01和2.55(%.h -1)。

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图5

每次动能下降溶液质量。

液体浓度值在动力学过程中没有显着变化,表明空气不能有效地促进挥发性组分的去除和浓缩介质中的水。量化从溶液中除去乙酸。对于在20,40和60℃下进行的动力学,每升所用空气中除去的乙酸毫克数的结果分别为1.98,4.24和12.32。该结果显示了温度对过程的影响,显着增加了结果。

乙醇生产

在使用脱毒水解产物发酵后,从汽提过程中,在发酵72小时后获得8.3gL -1的乙醇浓度发酵结果表明,用解毒的水解产物去毒水解产物发酵48小时后,乙醇浓度达到7.4gL -1,而用非去毒水解产物进行的发酵同时达到1.1gL -1这表明,随着抑制成分的去除,酵母更容易适应中间,并因此设法将这些碳水化合物更快地转化为乙醇。

获得的乙醇浓度显着大于先前研究中获得的值。费雷拉等人。2011)从Destoxified水解产物中,Scheffersomyces stipitis UFMG-IMH 43.2 发酵48小时后得到2.7gL -1的浓度Gutiérrez-Rivera等。2015)报道了在S. stipitis NRRL Y-7124的4.5gL -1乙酸发酵存在下,从原糖的甘蔗渣水解产物中产生2.26g / L的乙醇

Gutiérrez-Rivera等人。2015)确认水解产物百分比的增加导致乙醇产量的减少。这是由于培养基中抑制组分浓度的增加而发生的,例如乙酸,HMF和糠醛,表明在抑制组分存在下对发酵活性的负面影响。在我们的研究中也观察到这种影响,强调了应用剥离过程去除发酵培养基的抑制性成分的重要性和潜力。

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结论

确定吸附动力学和吸附等温线对于评估吸附质 - 吸附剂对之间的物理和热力学性质是必不可少的。伪二阶模型显示出非常适合数据并将吸附反应定义为二阶模型,表明在吸附过程中发生了化学相互作用。与Freundlich模型相比,Langmuir等温线更好地描述了实验数据,证明了在测试中对活性炭的均匀吸附。来自Langmuir模型的参数推断吸附是有利的并且表明值为128.66mg.g -1作为研究对中的最大吸附容量。对于汽提过程,温度的升高显着改善了乙酸的挥发,但是对于浓缩介质中的水没有效果。然而,剥离过程证明对于去除甘蔗渣水解产物的抑制组分是有效的,在醇发酵过程中乙醇产量从1.1gL -1增加到7.4gL -1


(责任编辑:活性炭网)
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