酶解廢紙脫墨漿使用固體催化劑制備5-羥甲基糠醛的工藝研究

田 野，張 翼，陳向斌

（湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院制漿造紙省級(jí)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，武漢 430070）

化石能源在人類社會(huì)的發(fā)展過程中起到了重要的作用，但其弊端使得人們不得尋找和開發(fā)清潔能源，清潔能源已經(jīng)成為綠色化學(xué)的主要研究內(nèi)容之一[1]。生物質(zhì)資源分布廣泛、應(yīng)用便利，是一種相對(duì)干凈的新型可再生資源，由生物質(zhì)制備高附加值化學(xué)品已成為近年研究的熱點(diǎn)[2]。

當(dāng)前的環(huán)境污染和能源損耗問題嚴(yán)重，所以將廢棄的生物質(zhì)資源利用起來，轉(zhuǎn)化為能源及化學(xué)品具有重要的意義。廢紙是一種生物質(zhì)資源，其纖維含量豐富，而且價(jià)格低廉，在原料取材方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)利用的前景可觀。對(duì)廢紙進(jìn)行脫墨制漿，經(jīng)生物轉(zhuǎn)化制備生物基燃料和化學(xué)品就是一種有效的利用方式[3-5]。

5-羥甲基糠醛(5-HMF)在一種重要的生物基化學(xué)品，其性質(zhì)相對(duì)較活潑，而且容易制備，可通過后續(xù)催化轉(zhuǎn)化合成一系列重要的生物基材料單體或作為高分子塑料的原材料[6-7]。因此，5-HMF 的制備成為了生物質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[8]。

選用酶解后的廢紙脫墨漿為反應(yīng)底物，經(jīng)過固體酸催化劑WO3/ZrO2的催化作用，可以將漿液中含有的糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物5-HMF。由酶解后的廢紙脫墨漿制備5-HMF 時(shí)，反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件會(huì)對(duì)5-HMF 產(chǎn)率產(chǎn)生影響，本文在設(shè)定底物溶液體積為10 mL 的條件下對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

葡萄糖，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；廢紙脫墨漿，博匯造紙廠；纖維素酶，Sigma 公司；DNS，工業(yè)品，百靈威科技有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；酒石酸鉀鈉，分析純，中久科技(上海)有限公司；苯酚，分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司；亞硫酸鈉，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

固體酸催化劑為WO3/ZrO2，在馬弗爐中的焙燒溫度為750 ℃，W 原子與Zr 原子的摩爾比為0.1。

1.2 主要儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；100 mL 不銹鋼高壓釜，大連通達(dá)反應(yīng)釜廠；UV 紫外-可見分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；FA1004 型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司。

1.3 酶解液中葡萄糖含量的測(cè)定

1.3.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

（1）DNS 試劑配置：稱取6.3 g DNS，加入蒸餾水中，置于溫度在45 ℃的水浴中攪拌溶解。用量筒量取262 mL 的2 mol/mL 氫氧化鈉溶液，不斷攪拌的條件下逐滴加入DNS 溶液中至完全溶解。將185 g酒石酸鉀鈉、5 g 苯酚、5 g 亞硫酸鈉溶于500 mL 蒸餾水中，把以上所有溶液混合，繼續(xù)于45 ℃下攪拌至完全溶解為止。待溶液冷卻，再定容于1 000 mL容量瓶中，靜置6～7 d 待用。

（2）葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：表1 是葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液、蒸餾水和DNS 試劑的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件。用紫外分光光度計(jì)于540 nm 處測(cè)出每支試管中樣品溶液的吸光度值A(chǔ)。繪制葡萄糖濃度C 的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1 所示?？傻玫交貧w方程為

表1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液、蒸餾水和DNS試劑的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件

圖1 葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.2 廢紙脫墨漿酶解后溶液的葡萄糖濃度測(cè)定

將少量廢紙脫墨漿酶解液加入到比色皿中，測(cè)定其吸光度值A(chǔ)，依據(jù)式（1）回歸方程計(jì)算反應(yīng)液中葡萄糖濃度C。

1.4 分析與計(jì)算方法

采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定反應(yīng)液中5-HMF的含量，選定284 nm 為特征吸收波長[9]。

1.5 5-HMF 的制備

首先將酶解后的廢紙脫墨漿溶液濃縮或稀釋到合適的濃度，準(zhǔn)確量取一定體積的上述酶解溶液與一定體積的二甲基亞砜混合，同時(shí)加入一定質(zhì)量的固體酸催化劑，置于反應(yīng)釜中，在100～180℃溫度條件下攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后取樣待測(cè)。采用紫外分光光度法測(cè)定樣品的反應(yīng)液中5-HMF 的含量，依據(jù)式（2）計(jì)算5-HMF 產(chǎn)率。

5-HMF 產(chǎn)率=n（反應(yīng)后5-HMF）/n(反應(yīng)前葡萄糖)×100% （2）

2 結(jié)果與討論

用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定酶解后的廢紙脫墨漿溶液的吸光度，得到未處理的樣品溶液中葡萄糖含量為25 mg/mL。將未處理的樣品在油浴鍋80 ℃下進(jìn)行濃縮，由于濃縮之后的濃度不好控制，所以只需將底物濃度控制在200 g/L 左右，濃縮后的反應(yīng)底物濃度為220 g/L。因此在接下來的實(shí)驗(yàn)中固定反應(yīng)的底物濃度為220 g/L，催化劑用量為0.6 g，水相與有機(jī)相比例為1:5，在反應(yīng)釜中磁力攪拌反應(yīng)，研究反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物5-HMF 產(chǎn)率的影響[10]。

2.1 反應(yīng)時(shí)間與5-HMF 產(chǎn)率關(guān)系

設(shè)定反應(yīng)溫度為160℃，保持其他反應(yīng)條件不變，反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-HMF 產(chǎn)率的影響如圖2 所示。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-HMF產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最佳的反應(yīng)時(shí)間為8 h，此時(shí)5-HMF 產(chǎn)率最大為44.0%。開始階段，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)物5-HMF 的產(chǎn)率增加；8 h 以后繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率減小。原因可能是超過最佳的反應(yīng)時(shí)間會(huì)造成5-HMF 的降解，從而引發(fā)產(chǎn)物聚合使得產(chǎn)率降低。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)5-HMF 產(chǎn)率的影響

設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為8 h，其他反應(yīng)條件不變。觀察反應(yīng)溫度對(duì)5-HMF 產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)5-HMF產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最佳的反應(yīng)溫度為160 ℃。當(dāng)溫度低于160 ℃時(shí)，溫度越高越有利于5-HMF 的生成，因?yàn)榉磻?yīng)過程中的烯醇縮合反應(yīng)和葡萄糖的水解反應(yīng)在溫度較高時(shí)更容易進(jìn)行，從而獲得更高的5-HMF 產(chǎn)率。當(dāng)溫度高于160 ℃時(shí)，5-HMF 產(chǎn)率開始下降?？梢姺磻?yīng)溫度過高會(huì)使生成的5-HMF 的選擇性降低，同時(shí)也會(huì)造成反應(yīng)中腐黑物的生成，并且在5-HMF 濃度增加到一定程度時(shí)會(huì)進(jìn)一步降解，使得分子之間聚合。

2.3 催化劑用量對(duì)5-HMF 產(chǎn)率的影響

固定底物濃度為220 g/L，反應(yīng)溫度為160 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，對(duì)不同催化劑用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)率與催化劑用量的關(guān)系如圖4 所示。為節(jié)省固體酸催化劑用量，實(shí)驗(yàn)中選定反應(yīng)底物溶液體積為10 mL。

圖4 結(jié)果表明：10 mL 底物溶液中加入0.6 g 固體酸催化劑時(shí)的5-HMF 產(chǎn)率最大，繼續(xù)增加催化劑用量很有可能5-HMF 收率繼續(xù)增大，然而當(dāng)進(jìn)一步增加催化劑時(shí)，產(chǎn)率增加緩慢。原因是廢紙脫墨漿酶解后溶液中產(chǎn)生了很多影響反應(yīng)進(jìn)行的抑制物，因此在反應(yīng)中需要更多的催化劑來催化反應(yīng)[11]。

3 結(jié)束語

本文以酶解后的廢紙脫墨漿為反應(yīng)底物，討論了固定應(yīng)底物濃度條件下反應(yīng)過程中反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量三個(gè)因素對(duì)產(chǎn)物5-HMF 產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這三個(gè)因素均對(duì)葡萄糖制備5-HMF 有影響。

通過實(shí)驗(yàn)確定了本文實(shí)驗(yàn)的最佳的反應(yīng)條件：以酶解后的廢紙脫墨漿作為反應(yīng)底物的反應(yīng)溫度為160 ℃，反應(yīng)時(shí)間為8 h。在此條件下，產(chǎn)物5-HMF產(chǎn)率最大為44.0%。在其他條件不變的情況下，增加催化劑的用量會(huì)提高5-HMF 產(chǎn)率。