電滲析法處理生物質(zhì)水解液分離提純乙酰丙酸

龔 晨，唐 興,2*，曾憲海,2，孫 勇,2，林 鹿,2

(1.廈門市生物質(zhì)清潔高值化利用重點實驗室(廈門大學)，福建 廈門 361102；2.福建省生物質(zhì)清潔高值化技術(shù)工程研究中心(廈門大學)，福建 廈門 361102)

乙酰丙酸(levulinic acid，LA)是一種具有高附加值的綠色平臺化合物，在農(nóng)藥、樹脂、溶劑、添加劑和醫(yī)藥等各種工業(yè)生產(chǎn)過程中均有重要的作用[1-2]，并且被美國能源部列為十大增值生物基化學品之一，擁有廣泛的應(yīng)用前景[3].木質(zhì)生物質(zhì)是一種清潔的可再生碳源，能夠替代化石資源進行化學轉(zhuǎn)化，其價格便宜、無毒無害并且來源廣泛，是一種優(yōu)質(zhì)的制備LA的原料[4-6].工業(yè)上常采用硫酸為催化劑，在水溶劑中直接水解生物質(zhì)制備LA，即首先在高溫下將生物質(zhì)中的纖維素水解為葡萄糖單體，然后在酸存在下將葡萄糖進一步降解為5-羥甲基糠醛并最終轉(zhuǎn)化為LA和甲酸(formic acid，F(xiàn)A)，整個水解過程還伴隨著大量腐殖質(zhì)的產(chǎn)生[1].目前，木質(zhì)纖維素制備LA的收率一般能達到50%以上[7-11]，但如何有效地對水解液中的LA進行分離提純?nèi)允且粋€難題.LA分離提純的方法有樹脂吸附法[12]、溶劑萃取法[13]、結(jié)晶法[14]和色譜法[15]等，回收率高于90%，但這些方法只適用于較清潔的LA水溶液.生物質(zhì)水解液中存在大量的腐殖質(zhì)[16-17]，因此難以直接使用上述方法進行處理.蒸餾法是一種應(yīng)用非常廣泛的分離方法，具有效率高、工藝簡單、成本低等優(yōu)點.但是，利用蒸餾法從含硫酸的生物質(zhì)水解液中分離提純LA的過程中，隨著水解液中水分的蒸發(fā)，體系中濃硫酸的氧化性和脫水性會使LA發(fā)生劇烈的副反應(yīng)，生成黑色焦油狀物質(zhì)，導(dǎo)致分離提純過程失敗，因此本研究嘗試使用電滲析法對生物質(zhì)水解液進行處理，除去其中的硫酸，以保證后續(xù)蒸餾過程的順利進行.本研究首先利用固體堿活性氧蒸煮脫除木質(zhì)素制備的竹漿[18-20]和工業(yè)上由玉米秸稈制備糠醛后余下的糠醛渣為原料，通過多次投料以及補加硫酸的方式得到含有高濃度LA的生物質(zhì)水解液;然后對主要成分為LA、硫酸和FA的模擬水解液進行電滲析處理，分析電滲析過程中原料液中各成分的分離規(guī)律;最后，根據(jù)上述分離規(guī)律利用電滲析法處理生物質(zhì)水解液并進行減壓蒸餾得到高純度的LA產(chǎn)品.

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

LA(分析純)和偶氮氯膦Ⅲ(顯色劑)購自阿拉丁試劑(上海)有限公司；硫酸(質(zhì)量分數(shù)98%)、FA、乙醇、甲基異丁基酮、氯化鋇和氯化鈉均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司.

400 mL高壓反應(yīng)釜，大連自控設(shè)備廠；EX-3BT型臺式電滲析儀和均相膜堆，杭州藍然環(huán)境技術(shù)有限公司；Starter 3C型pH計，奧豪斯儀器(上海)有限公司；Waters 2695型高效液相色譜(HPLC)儀，美國 Waters 公司；Agilent 7890型氣相色譜(GC)儀，美國Agilent 公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 生物質(zhì)原料的制備

將1 kg竹子機械粉碎至小塊狀后投入到反應(yīng)器中，加入150 g氧化鎂粉末和5 kg水，密封反應(yīng)器后通入氧氣使反應(yīng)器內(nèi)氣體初壓達到1 MPa.將反應(yīng)器加熱至170 ℃并保溫反應(yīng)180 min.反應(yīng)結(jié)束后，取出產(chǎn)物過濾并烘干得到固體竹漿(纖維素72.7%，半纖維素20.3%，木質(zhì)素3.7%，灰分3.3%).

將1.9 t玉米秸稈原料、285 kg水和28 kg 93%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的硫酸加入反應(yīng)器中，充入氮氣調(diào)節(jié)反應(yīng)器壓力至0.95 MPa，在180 ℃下保溫反應(yīng)200 min.反應(yīng)結(jié)束后，取固體殘渣烘干得到糠醛渣(纖維素35.4%，半纖維素3.5%，木質(zhì)素與腐殖質(zhì)58.1%，灰分3.0%).

1.2.2 LA的制備

將50 g糠醛渣投入到反應(yīng)釜中，并加入200 mL 3%稀硫酸，確認反應(yīng)釜氣密性良好并在220 ℃下保溫反應(yīng)60 min.待反應(yīng)結(jié)束后，取出產(chǎn)物并過濾得到水解液，取樣進行檢測.將水解液稀釋至200 mL并檢測其pH值，然后將稀釋后的水解液作為溶劑，再次向其投入等質(zhì)量(50 g)的原料，在反應(yīng)條件不變的情況下進行下一次水解實驗，共投料5次.另外，為了驗證補加硫酸的效果，取糠醛渣50 g或竹漿20 g作為原料在相同的反應(yīng)條件下進行多次投料實驗，但水解液稀釋至200 mL后，加入一定量98%的硫酸調(diào)節(jié)水解液pH至0.34(與3%稀硫酸溶液相當)，再進行后續(xù)的水解實驗.

1.2.3 模擬水解液的配制與電滲析處理

分別配制LA水溶液(100 g/L)、LA-硫酸水溶液(LA 100 g/L，硫酸30 g/L)和LA-硫酸-FA水溶液(LA 100 g/L，硫酸30 g/L，F(xiàn)A 40 g/L).

將電滲析裝置(圖1)的工作電壓和電流分別設(shè)為15 V和1.1 A，將均相分離膜堆安裝緊密后，向A入口(電極液)中加入500 mL 5%(質(zhì)量分數(shù))的氯化鈉溶液，然后分別將500 mL模擬水解液加入B入口(原料液)，500 mL去離子水加入C入口(濃水)，接通電源，等待液體循環(huán)穩(wěn)定，并確定工作電壓與工作電流是否正常.從電滲析裝置正常運行時開始，每15 min 記錄一次實驗數(shù)據(jù)，包括原料液體積、濃水體積和電導(dǎo)率等，并從原料液與濃水中取一定量樣品，檢測其中LA、SO42-和FA的質(zhì)量濃度.每組電滲析分離實驗進行120 min.

圖1 處理生物質(zhì)水解液的電滲析裝置Fig.1 Electrodialysis device for treating biomass hydrolysate

1.2.4 LA的提純

將500 mL生物質(zhì)水解液(LA 93.7 g/L，SO42-32.7 g/L，F(xiàn)A 35.7 g/L)作為原料液進行電滲析，反應(yīng)時間為120 min并記錄8次數(shù)據(jù)(每隔15 min記錄一次數(shù)據(jù)).另取500 mL生物質(zhì)水解液，電滲析60 min 后停止，從中取100 mL生物質(zhì)水解液置于250 mL 的蒸餾燒瓶中，并使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在80 ℃水浴溫度以及90 kPa真空度的條件下除去其中的水與FA，得到的棕黑色濃縮液在170 ℃油浴溫度以及99 kPa 真空度的條件下分離提純LA，蒸餾燒瓶中的LA經(jīng)過氣化和冷凝過程最終從原體系中分離并且由冷凝管末端連接的25 mL燒瓶收集.待蒸餾過程結(jié)束，取出餾分稱量并進行后續(xù)的定量檢測.

1.2.5 成分檢測

使用HPLC對生物質(zhì)水解液、模擬水解液以及濃水中的LA和FA的質(zhì)量濃度進行檢測，具體條件為：Waters 2414示差折光檢測器，Bio-Rad Aminex HPX-87H色譜柱，Empower TM 3工作站，流動相5 mmol/L稀硫酸，流動相流速0.6 mL/min，色譜柱溫度60 ℃，檢測器溫度35 ℃，單次進樣量10 μL.利用外標法繪制標準曲線后計算樣品中LA和FA的質(zhì)量濃度，再根據(jù)下式計算生物質(zhì)水解過程中LA的收率：

(1)

式中：YLA為LA的收率;ρLA為測得的水解液中LA的質(zhì)量濃度,g/L;V為水解液的體積,L;mcellu為原料中纖維素的質(zhì)量，g;0.716為纖維素制備LA的理論最高質(zhì)量收率.

各溶液中SO42-的質(zhì)量濃度使用滴定法進行檢測.具體步驟為：取5.00 mL樣品，加入5 mL去離子水和20 mL乙醇，搖勻后加入5滴0.1%(質(zhì)量分數(shù))的偶氮氯膦Ⅲ水溶液作為指示劑,使用0.05 mol/L的氯化鋇標準溶液滴定至溶液由紫紅色變?yōu)榉€(wěn)定的藍色.同時進行空白實驗，并利用下式計算原溶液中SO42-的質(zhì)量濃度：

(2)

式中：ρS為SO42-的質(zhì)量濃度,g/L;cB為氯化鋇溶液的實際濃度,mol/L;V1為滴定過程消耗氯化鋇溶液的實際體積,mL;V0為空白實驗消耗氯化鋇溶液的實際體積,mL;MS為SO42-的摩爾質(zhì)量,96.05 g/mol;V為樣品的實際體積,mL.

利用GC對生物質(zhì)水解液中分離提純的LA產(chǎn)品進行定量分析，具體條件為：火焰離子化檢測器(270 ℃)，DB-INNOWAXETR色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為氮氣，載氣流速1.0 mL/min，初始柱溫40 ℃，升溫速率10 ℃/min，最終柱溫度240 ℃，單次進樣量1 μL.取1 g餾分，加入甲基異丁基酮定容至10 mL后取樣檢測，利用外標法計算樣品中LA的質(zhì)量濃度，并利用下式計算蒸餾提純過程中LA的回收率和純度：

(3)

(4)

式中：P為LA產(chǎn)品的純度;ρ2為測得的樣品中LA的質(zhì)量濃度,g/L;ρ1為樣品中餾分的實際質(zhì)量濃度,g/L;R為生物質(zhì)水解液蒸餾提純過程中LA的回收率;m1為餾分的質(zhì)量,g;m0為100 mL經(jīng)電滲析處理后的水解液中LA的質(zhì)量,g.

另外，為了減少誤差，所有實驗均在相同條件下進行重復(fù)，最終結(jié)果取3次實驗的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)水解制備LA

2.1.1 直接多次投料

在稀硫酸催化水解生物質(zhì)的過程中，原料質(zhì)量濃度是一個十分重要的參量.一般來說，較低的原料質(zhì)量濃度有利于反應(yīng)體系中傳質(zhì)過程的進行，進而得到較高的LA收率，但同時也將導(dǎo)致水解液中LA的質(zhì)量濃度變低.因此，為了得到含高質(zhì)量濃度LA的水解液，需要在單次實驗中選取盡可能高的原料質(zhì)量濃度，同時利用多次投料的方式，進一步提高整個反應(yīng)過程中的原料質(zhì)量濃度.以糠醛渣為原料直接多次投料水解制備LA的效果如表1所示，其中單次實驗的原料質(zhì)量濃度為250 g/L，水解過程中LA的收率基于已投入的原料總質(zhì)量計算.可以看出：第1次水解過程中LA的收率僅為18.0%，這也證實了較高的原料質(zhì)量濃度對水解反應(yīng)的不利影響;而水解液中LA的質(zhì)量濃度達到17.3 g/L，這意味著如果后續(xù)的水解過程中LA收率保持不變，那么總投料5次即可得到LA質(zhì)量濃度超過86 g/L的水解液.第2次投料后，整體的LA收率基本不變，水解液中LA的質(zhì)量濃度也達到第1次投料后水解液的2倍，這說明第2次投料的水解效果仍然比較明顯.值得注意的是，水解液的pH隨著投料次數(shù)的增加不斷增大，這意味著反應(yīng)過程消耗了大量的氫離子，而氫離子的不足會導(dǎo)致水解反應(yīng)難以進行.當投料次數(shù)達到3時，LA的收率驟降至12.0%，水解液中LA的質(zhì)量濃度也幾乎沒有增長，這說明第3次投料水解實驗中幾乎沒有LA生成，而水解液的pH繼續(xù)增大至0.74，驗證了上述推測，即此時過低的氫離子濃度已經(jīng)不足以支持水解反應(yīng)的順利進行.后續(xù)的第4和第5次投料實驗均沒有LA生成，而水解液的pH仍在不斷地增大，因此可以認為保證多次投料實驗順利進行的關(guān)鍵在于維持一個較高的氫離子濃度.

表1 多次投料水解糠醛渣制備LA

注：水解液pH在其稀釋至200 mL后測得,下同.

2.1.2 多次投料并補加硫酸

為了補充反應(yīng)中消耗的氫離子，在反應(yīng)結(jié)束后向水解液中加入硫酸以維持反應(yīng)前后溶液的pH基本相等.以糠醛渣為原料多次投料并且補加硫酸水解制備LA的結(jié)果如表2所示.通過與表1中的結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，補加硫酸后第2次投料的LA收率從18.5% 提高至20.0%，這說明在沒有補加硫酸的實驗中，盡管第2次投料有比較好的效果，但氫離子的減少仍導(dǎo)致LA的收率降低.通過補加硫酸維持水解液pH穩(wěn)定在0.34左右，可以有效地控制其中的氫離子濃度.在后續(xù)的投料實驗中，LA的收率穩(wěn)定在20%以上，水解液中LA的質(zhì)量濃度則不斷增加，單次增幅約為20 g/L.因此，在5次投料后，整個過程中LA的收率為21.3%，水解液中LA的質(zhì)量濃度為101.7 g/L，質(zhì)量分數(shù)約為10%，達到較高的水平，對后續(xù)的分離提純過程十分有利.另外，統(tǒng)計每次實驗后水解液的體積以及殘渣的質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)，無論是否補加硫酸，反應(yīng)結(jié)束后水相的體積均減少了約70 mL;沒有補加硫酸時，每次投料實驗的殘渣質(zhì)量均在28 g左右，而補加硫酸后，隨著投料次數(shù)的增加，殘渣的質(zhì)量從28.4 g逐漸提高至35.5 g.

表2 多次投料并補加硫酸水解糠醛渣制備LA

驗證了在多次投料過程中補加硫酸的可行性后，以竹漿為原料在相同反應(yīng)條件下進行實驗.由于竹漿的結(jié)構(gòu)較為膨松，吸水性很強，原料質(zhì)量濃度不宜過高，所以取原料質(zhì)量濃度為100 g/L.如表3所示，竹漿多次投料并補加硫酸的水解效果同樣良好，第1次水解實驗中LA的收率超過40%，遠高于糠醛渣的LA收率.在后續(xù)的投料實驗中，盡管LA的收率緩慢降低，水解液中LA的質(zhì)量濃度仍然不斷增高，投料5次后，水解液中LA的質(zhì)量分數(shù)超過8%，仍維持在較高的水平.總的來說，相對于糠醛渣，竹漿作為水解原料的優(yōu)點較多，例如單次投料量少，LA收率高，殘渣生成少等.另外，竹漿水解液的pH穩(wěn)定在0.4附近，而糠醛渣水解液的pH則接近0.5，這意味著竹漿在水解過程中消耗的氫離子比糠醛渣少.

表3 多次投料并補加硫酸水解竹漿制備LA

2.2 電滲析處理模擬水解液

2.2.1 LA水溶液

LA屬于相對較弱的電解質(zhì)，在水溶液中會部分電離，因此，電滲析處理過程會對LA產(chǎn)生效果.利用電滲析法處理LA水溶液的實驗結(jié)果，如表4所示：在電滲析過程中，原料液的體積不斷減少而濃水體積不斷增加，這是水循環(huán)的結(jié)果.原料液中LA的質(zhì)量不斷減少，平均減速約為0.25 g/min，濃水中LA的質(zhì)量則不斷增加，平均增速約為0.21 g/min，這說明在整個實驗過程中，LA電離的陰陽離子會通過膜堆由原料液進入濃水;但LA在水溶液中的電離并不完全，因此原料液中的離子濃度不高，導(dǎo)致整體上LA的轉(zhuǎn)移速度比較慢.另外，原料液和濃水中測得的LA總量隨著實驗的進行不斷減少，最后穩(wěn)定在44 g左右，這個過程中損失的LA(4.4 g)可能吸附在膜堆內(nèi)部.

2.2.2 LA-硫酸水溶液

硫酸屬于強電解質(zhì)，因此在硫酸存在的情況下，電滲析過程首先會分離原料液中的SO42-，具體結(jié)果如表5所示.在初始60 min內(nèi)，原料液中的SO42-質(zhì)量不斷減少，同時電導(dǎo)率也不斷降低，當SO42-完全轉(zhuǎn)移至濃水后，原料液的電導(dǎo)率為0，因此，可以通過電導(dǎo)率來直觀判斷原料中的SO42-是否被完全除去.另外，SO42-存在時，原料液中的LA仍然會緩慢地轉(zhuǎn)移至濃水中;而當時間超過60 min后，SO42-被完全除去，此時實質(zhì)上是電滲析處理LA水溶液的過程，LA的轉(zhuǎn)移速度也增大到0.17 g/min左右;整個過程中有3.6 g的LA質(zhì)量損失.

表5 電滲析法處理LA-硫酸水溶液

2.2.3 LA-硫酸-FA水溶液

LA-硫酸-FA水溶液的成分最接近真實的生物質(zhì)水解液，其電滲析處理的結(jié)果如表6所示.在SO42-的分離過程中，LA和FA以較慢的速度轉(zhuǎn)移至濃水中;而當SO42-完全分離后，LA和FA的轉(zhuǎn)移速度均增大，并且沒有明顯的先后順序，這說明在電滲析過程中，首先被分離的是原料液中的SO42-，隨后LA與FA同時被分離.另外，由于后續(xù)蒸餾過程中，F(xiàn)A會與水同時被分離，對后續(xù)LA的提純沒有影響，所以電滲析過程只需要除去溶液中的SO42-即可.

表6 電滲析法處理LA-硫酸-FA水溶液

2.3 從生物質(zhì)水解液中提純LA

對生物質(zhì)水解液采用電滲析處理，分離其中的硫酸，結(jié)果如表7所示.根據(jù)模擬水解液的電滲析結(jié)果，當電滲析60 min后原料液中已不存在SO42-，繼續(xù)進行電滲析會導(dǎo)致LA的大量損失，因此電滲析時間選擇60 min為宜.取電滲析處理后的水解液進行蒸餾實驗，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去其中的水和FA等低沸點物質(zhì)，再將濃縮液進行減壓蒸餾，得到LA產(chǎn)品，經(jīng)檢測其純度為94.7%，蒸餾過程中LA的回收率為91.2%.另外，電滲析過程會造成一定的LA損失，通過電滲析-蒸餾法處理生物質(zhì)水解液的LA總回收率為87.1%.值得注意的是，電滲析過程結(jié)束后，蒸餾處理原料液可以分離LA，而濃水的主要成分是硫酸，可以利用濃水作為生物質(zhì)水解的催化劑，從而重復(fù)利用分離的硫酸.實驗證實，在相同的條件下以分離出的稀硫酸溶液水解竹漿制備LA的收率為43.7%，效果良好.

表7 電滲析法處理生物質(zhì)水解液

3 結(jié) 論

生物質(zhì)在稀硫酸體系下水解制備LA的過程會消耗溶液中的氫離子，導(dǎo)致后續(xù)多次投料水解過程難以順利進行，而通過補加硫酸可以有效地維持水解液的pH.利用竹漿和糠醛渣均可以在投料5次并補加硫酸的條件下，得到質(zhì)量分數(shù)為8%～10%的高濃度LA水解液，有利于后續(xù)LA的分離提純.電滲析過程對LA、硫酸和FA均有分離效果，在硫酸存在時，電滲析過程主要分離SO42-，少量分離LA和FA;當原料液中硫酸被完全除去時，溶液電導(dǎo)率降為0，電滲析過程開始同時快速分離LA和FA.對生物質(zhì)水解液進行電滲析處理除去SO42-，并使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去水和FA等低沸點物質(zhì)后，再利用減壓蒸餾法提純LA，LA的總回收率為87.1%.另外，電滲析過程中分離得到的稀硫酸溶液可作為溶劑重復(fù)利用，以竹漿為原料進行水解反應(yīng)時，LA的收率為43.7%.