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蛋清蛋白热絮凝脱除麦草秸秆碱预处理水解液中木质素的研究

  • 陈妍 1
  • 吕鹏静 1
  • 陈妍冰 1
  • 丁文瑞 1
  • 李敏 2
  • 刘春兰 3
  • 王高升 1
  • 于孟辉 1
1. 天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457; 2. 珠海红塔仁恒包装股份有限公司,广东珠海,519070; 3. 山东科迈生物制浆有限公司,山东潍坊,262400

中图分类号: TS724

最近更新:2024-12-23

DOI:10.11981/j.issn.1000-6842.2024.04.152

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摘要

为提升麦草秸秆碱法预处理水解液(简称碱预处理液)的可生化降解性能,本研究利用蛋清蛋白(Egg White Proteins,EWPs)热絮凝工艺脱除碱预处理液中的木质素,并与EWPs常温絮凝工艺,以及分别以氯化铁(FeCl3)和聚氯化铝(PAC)为絮凝剂的传统絮凝工艺进行比较。结果表明,在碱预处理液浓度(以CODCr计)为8 g/L时,经EWPs热絮凝工艺处理,碱预处理液中大分子胶体木质素(以浊度计)去除率达70.6%±2.2%,小分子可溶性木质素(以总酚计)去除率达20.7±1.4%,与EWPs常温絮凝、FeCl3及PAC絮凝工艺相比均有所提高。EWPs热絮凝脱除木质素的机理探究结果表明,高温会引发EWPs变性,导致其蛋白结构发生变化,促进EWPs通过疏水及氢键作用与木质素絮凝结合;在加热过程中,EWPs通过分子间氢键作用及巯基-二硫键转换反应,进一步与木质素形成大分子絮体,促进了碱预处理液中大分子木质素及其衍生物的絮聚脱除。

麦草秸秆富含木质纤维素,可通过生物炼制将其转化为生物燃料及生物基化学品,替代传统化石燃料及化学品。生物炼制过程主要通过酶及微生物将木质纤维素中的纤维素、半纤维素转变成单糖及低聚糖,再由微生物进一步转化成生物燃料及生物基化学品。木质纤维素中的木质素通过共价键与半纤维素结合,形成坚实的木质素鞘以包埋纤维素,使木质纤维素结构具有较高的顽抗性,阻碍了酶及微生物对纤维素、半纤维素的有效降

1

预处理可破坏木质纤维素的顽抗性结构,脱除木质素,以增加水解酶对原料中纤维素、半纤维素的可及性,进而提升酶水解效

2。当前主要用于生物炼制的预处理方法中,碱预处理具有反应条件温和、处理成本低、发酵生成抑制物较少等优势,逐渐成为生物炼制领域的研究热3。碱预处理主要通过溶剂化和皂化反应破坏半纤维素与木质素之间的酯键连4。在碱预处理过程中,部分木质纤维素中的半纤维素与木质素发生降解,并以单糖和酚类化合物的形式存在于碱预处理液5。碱预处理生成的碱预处理液富含糖类化合物,是制备生物乙醇、生物甲烷等能源的理想原6-7。然而,大量研究证实,碱预处理液中的木质素及酚类化合物等木质素衍生物对微生物生长及代谢具有强抑制8,其会破坏微生物细胞膜完整性,改变细胞膜表面酶活性,进而抑制细胞的生长和代9。因此,有效去除碱预处理液中的木质素及其衍生物是提升其可生化降解性能的关键。

目前,去除碱预处理液中木质素及其衍生物的方法主要包括物理法、化学法及生物法等。然而,上述方法在实际运行过程中存在设备成本高、操作复杂、能耗高等不

10。絮凝法用于脱除碱预处理液中的胶体化合物时,具有操作简单、快速显效、对反应设备要求较低等优势,成为脱除制浆黑液中木质素及其衍生物的一种可行工艺。目前,常用的絮凝剂包括无机絮凝剂(如氯化铁(FeCl3)、聚合硫酸铝(PAC)等)、有机合成絮凝剂(如阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、聚二甲基二烯丙基氯化铵等),以及生物絮凝剂(如壳聚糖、蛋白化合物等11。上述絮凝剂需在常温下使用,其絮凝性能会随温度的升高而下12。然而,实际生产中,碱预处理液的温度通常为90~100 ℃。因此,通常将碱预处理液经换热器降至室温后,再添加絮凝剂进行处理。该过程会产生额外能耗,提高生产成本;其次,在水处理过程中,传统无机及有机合成絮凝剂释放的金属离子或溶出的有机物具有较强的毒性,会对环境及人类健康造成潜在威13。此外,传统絮凝工艺产生的污泥需进一步处理,增加了生产成本及环境污14

相比之下,生物絮凝剂具有原料可再生、絮体可降解等突出优势,受到行业及相关学者的广泛关注。在众多生物絮凝剂中,蛋白质在水净化和废水处理方面显示出巨大潜

15。其中,蛋清蛋白(Egg White Proteins,EWPs)具有絮凝效果显著、投加量少、安全无毒、可生物降解和产生污泥体积小等优16。作为球蛋白混合物,EWPs具备球蛋白可自发聚集的性质,且加热可促进EWPs分子聚17。木质素及其衍生物含有大量酚羟基,可与蛋白中的氨基交联,使蛋白分子发生明显聚18,从而达到絮凝沉淀的效果;因此,EWPs可用作碱预处理液中脱除木质素及其衍生物的澄清剂。在高温(90~100 ℃)下利用EWPs絮凝处理碱预处理液,可减少使用传统絮凝剂时因降温而产生的能耗。此外,EWPs可为微生物提供氮源,在后续生物炼制中的沼气发酵阶段,提升碱预处理液的可生化降解性能。

目前,已有文献报道了EWPs作为生物絮凝剂,用于高岭土分散液和硅藻土悬浮液等模拟废水的澄

19-20,而关于EWPs在实际废水中絮凝性能的报道有限。此外,EWPs在实际废水中的澄清性能以及对木质素及其衍生物的脱除机理有待进一步探究。基于以上原因,本研究以麦草秸秆碱法预处理过程中生成的水解液(简称碱预处理液)为处理对象,考察EWPs絮凝处理碱预处理液,以及脱除其所含木质素及其衍生物的作用效果,在此基础上探究EWPs絮凝的反应机理,同时对比分析絮凝处理前后碱预处理液的可生化降解性能,以期为新型絮凝剂的开发提供数据参考及理论依据。

1 实验

1.1 原料与试剂

麦草秸秆,产自山东德州,预处理前将其剪切成3~5 cm长段。鸡蛋,购自当地市场,将蛋清分离并冷冻干燥,冻干粉末经筛分后得到粒径180~250 μm EWPs粉末,将其置于密封袋中,于4 ℃密封储存。氢氧化钠(NaOH)、氯化铁(FeCl3)、玫瑰红染料、聚氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM),均为分析纯,购于国药集团控股有限公司;1 μmol/L十六烷基三甲基溴化铵(Cetyltrimethylammonium bromide,CTAB)阳离子滴定液、磷酸盐缓冲液、乙酸/乙酸钠缓冲液,实验室自制;木质素,实验室提取;没食子酸标准品、铁氰化钾、磷酸、阿拉伯树胶,均购于天津市江天化工技术股份有限公司。

1.2 碱预处理液的制备

参照某工厂麦草秸秆高得率浆制浆工艺条件,对麦草秸秆进行碱法预处理,具体方法如下:将100 g绝干麦草秸秆置于密封袋中,NaOH添加量为麦草秸秆绝干质量的4%;以固液比1∶5加入蒸馏水,混匀后置于90 ℃恒温水浴中反应1 h。反应结束后,用350目浆袋进行固液分离,所得滤液即为碱预处理液,其主要成分及水质指标如表1所示。

表1  碱预处理液主要成分分析
Table 1  Composition of the alkali pretreatment hydrolysate
样品pH值固含量/%浊度/NTUCODCr/(mg·L-1)总酚/(g·L-1)
碱预处理液 10.3 4.3 569 32159.1 3.27

1.3 絮凝实验

参考赵

21的方法进行絮凝实验。取100 mL碱预处理液于烧杯中,用1 mol/L HCl或NaOH溶液将碱预处理液pH值调节至5.0~9.0,添加絮凝剂并控制搅拌转速,絮凝剂浓度1 g/L,絮凝剂与碱预处理液中可溶性木质素质量比0.25∶1 ~ 4∶1(以总酚含量表示小分子可溶性木质素含量)。为减小实验误差,选择每个工艺参数下的同批次实验数据进行对比分析。

常温下分别以FeCl3、PAC为絮凝剂的传统絮凝反应(FeCl3、PAC絮凝工艺)及EWPs常温絮凝(EWPs-AT)工艺步骤如下:分别在碱预处理液中加入絮凝剂FeCl3、PAC和EWPs,在200 r/min搅拌转速下快速搅拌3 min,然后降低搅拌转速至50 r/min,慢速搅拌20 min,最后将水样于室温静置2 h。

EWPs热絮凝(EWPs-TC)工艺步骤如下:将EWPs加入碱预处理液中,依次经过上述相同的快速、慢速搅拌后,置于100 ℃水浴下反应10 min,再置于冰水混合物中冷却10 min;最后将水样置于室温下静置2 h。

静置结束后,取液面下方2 cm处澄清水样用于检测分析。

1.4 热处理EWPs的制备

参考Ma

22的方法制备热处理EWPs样品,用于蛋白结构及表面电荷等分析,具体制备方法如下:取10 g EWPs冻干粉末于烧杯中,加入蒸馏水配制成质量浓度10 g/L的EWPs溶液,在150 r/min转速下室温搅拌2 h。将搅拌后的EWPs溶液置于100 ℃水浴下加热30 min,再置于冰水混合物中冷却1 h,经6000 r/min离心后,收集沉淀并于40 ℃真空干燥,得到热处理EWPs样品。

1.5 分析与表征

1.5.1 EWPs二级结构分析

根据畅柯

23的方法,利用圆二色谱仪(New MOS-450,XP biomed公司)对EWPs的二级结构进行定量分析。分析前使用5 mmol/L磷酸盐缓冲液(pH值=7.0)溶解EWPs样品,并配置质量浓度0.2 g/L的EWPs溶液,置于1 mm石英比色皿中分析样品摩尔椭圆率。设置波长范围190~260 nm、时间间隔0.1 s、带宽0.5 nm,通过分析网站(http://dichroweb.cryst.bbk.ac.uk)对样品进行结构分析。以不添加EWPs样品的空白磷酸盐缓冲液为对照组,每组实验设置3个平行样,结果取平均值。

1.5.2 表面疏水性测定

根据Li

24的方法,采用玫瑰红染料法测定EWPs样品的表面疏水性。称取一定量EWPs样品,加入0.05 mol/L、pH值=5.0的乙酸/乙酸钠缓冲液,配制质量浓度2~10 g/L的EWPs溶液,并添加40 mg/L玫瑰红染液,以不添加玫瑰红染液的样品为对照组。将实验组及对照组置于室温、150 r/min条件下反应2 h,反应结束后离心得到上清液,使用紫外分光光度计(UV-2550,岛津)测定其在543 nm处的吸光度。

根据实验组与对照组吸光度差值,得到游离染液的吸光度,再根据玫瑰红染液标准曲线计算得到游离染料浓度。EWPs染料吸附量为染料初始添加量与反应终止时剩余量的差值。以EWPs溶液质量浓度为横坐标,以对应的游离染料量与EWPs染料吸附量的比值为纵坐标,拟合得到直线,斜率即为EWPs样品的表面疏水值(L/g)。

1.5.3 表面电荷量分析

参考李

25的方法分析木质素及EWPs样品表面电荷量,具体方法如下:称取0.03 g样品于锥形瓶中,加入50 mL去离子水,混合均匀后超声30 min;取10 mL样品溶液于颗粒电荷测定仪(PCD-05,BTG)检测池,使用1 μmol/L CTAB阳离子滴定液对样品溶液中的反离子进行滴定,直至仪器示数为0时结束滴定;记录滴定结束时所消耗的CTAB滴定液体积,用以计算样品表面电荷量。以去离子水为对照组,每组实验设置3个平行样,结果取平均值。样品表面电荷量Q计算如式(1)所示。

Q=V1-V2×M×m (1)

式中,Q表示样品表面电荷量,mmol/g;V1表示样品消耗的CTAB滴定液体积,mL;V2表示对照组消耗的CTAB滴定液体积,mL;M表示CTAB滴定液物质的量浓度,mmol/L;m表示样品质量,取0.03 g。

1.5.4 生物需氧量和化学需氧量测定

依据APHA标准方

26,对絮凝处理前后碱预处理液中的生物需氧量(BOD5)和化学需氧量(CODCr)进行测定分析。

1.5.5 糖、呋喃化合物及弱酸含量测定

单糖(如葡萄糖、木糖)、呋喃化合物(如糠醛、羟甲基糠醛)及弱酸(如甲酸、乙酸)等化学组分的含量通过高效液相色谱(1200,安捷伦)进行分析。低聚糖分析前,依据美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL

27的两步酸解法,将碱预处理液中的低聚糖水解为单糖。色谱条件为:色谱柱Aminex HPX-87H(美国Bio-rad公司)有机酸柱,Rio-10A示差折光监测器,柱温40 ℃,流动相5 mmol/L H2SO4溶液,流速0.5 mL/min,进样量100 μL。样品上柱前通过漩涡振荡器混匀,并经0.22 μm微孔滤膜过滤。

1.5.6 浊度及Zeta电位测定

采用浊度分析仪(TL 2300,HACH)定量分析絮凝处理前后碱预处理液的浊度,用以表示大分子胶体木质素含量。分析前用去离子水校准仪器,每组实验设置3个平行样,结果取平均值。

采用Zetasizer 3000HSa纳米粒度及电位分析仪(Malvern Instruments,英国)测定絮凝处理所得澄清水样的Zeta电位。

1.5.7 总酚含量测定

采用普鲁士蓝法分析碱预处理液中的总酚含量。在离心管中加入0.1 mL稀释至一定倍数的絮凝处理所得澄清水样,加入1 mL 0.016 mol/L铁氰化钾溶液后,立即加入1 mL 0.02 mol/L酸性FeCl3溶液,摇匀并置于室温下反应15 min,随后加入5 mL稳定剂(由85%磷酸溶液和1%阿拉伯树胶溶液配制,均为质量分数),经漩涡振荡均匀分散后,使用紫外分光光度计测量700 nm处溶液的吸光度,最后根据没食子酸标准曲线,对溶液中的总酚含量进行定量分析,用以表示小分子可溶性木质素含量。

1.5.8 絮凝反应去除率

取絮凝处理前后的碱预处理液,经0.22 μm滤膜过滤后,分析其中的糖类化合物(如葡萄糖、葡聚糖、木糖、戊聚糖等)、浊度、总酚、呋喃化合物(如糠醛、羟甲基糠醛等)及弱酸(如甲酸、乙酸等)含量。根据絮凝处理前后样品各化学组分含量的差值,计算各化学组分去除率,如式(2)所示。

R=Ci-CfCi×100% (2)

式中,R表示去除率,%;CiCf分别表示在絮凝处理前后的碱预处理液中,CODCr、糖类化合物、浊度、总酚、呋喃化合物及弱酸等各类指标的测量值。每组实验设置3个平行样,结果均平均值。

2 结果与讨论

在碱预处理液中,木质素以大分子胶体木质素和小分子可溶性木质素2种形式存在,其中大分子胶体木质素是碱预处理液中浊度的主要来

28-29。因此,本研究以浊度表示碱预处理液中大分子胶体木质素(Colloidal Lignin,CL)含量,以总酚含量表示碱预处理液中小分子可溶性木质素(Dissoved Lignin,DL)含量。

2.1 碱预处理液pH值的影响

为考察碱预处理液pH值对絮凝处理过程中木质素脱除的影响,控制碱预处理液浓度(以CODCr计,下同)为8 g/L、絮凝剂与碱预处理液中DL的质量比为1∶1,采用EWPs-TC工艺,在pH值=5.0~9.0范围内,考察pH值对木质素脱除的影响,并与EWPs-AT工艺及FeCl3、PAC絮凝工艺进行对比,结果如图1所示。

图1  碱预处理液pH值对木质素脱除的影响

Fig. 1  Effect of alkali pretreatment hydrolysate’s pH value on lignin removal

图1(a)可以看出,在考察的pH值范围内,EWPs-TC工艺中CL去除率均高于EWPs-AT工艺及PAC、FeCl3絮凝工艺。此外,在pH值=5.0~9.0范围内,碱预处理液pH值未对EWPs-TC和EWPs-AT工艺的CL去除率产生明显影响。而在PAC、FeCl3絮凝工艺下,CL去除率随pH值增加而提高。另一方面,4种絮凝工艺下,DL去除率均随碱预处理液pH值的提高而下降(图1(b))。

为解释碱预处理液pH值对絮凝处理脱除木质素的影响,分析了不同pH值碱预处理液絮凝处理所得澄清水样的Zeta电位变化。如图1(c)所示,所有澄清水样Zeta电位均随碱预处理液的pH值增加而下降,说明澄清水样中表面携带负电荷的颗粒数量逐渐增

29。这是由于碱预处理液中木质素的羟基及羧基随pH值升高而发生解离,促使木质素表面携带更多负电30。在PAC、FeCl3絮凝工艺中,澄清水样的Zeta电位随碱预处理液的pH值升高而明显下降(图1(c)),同时CL去除率显著增大(图1(b)),说明PAC、FeCl3絮凝工艺主要通过卷扫机理促进碱预处理液中木质素的去29。由于pH值升高,DL分子间斥力明显增加,导致PAC、FeCl3絮凝工艺的DL去除率随pH值升高而显著降低。

在考察的pH值=5.0~9.0范围内,pH值对EWPs-TC和EWPs-AT工艺所得澄清水样的Zeta电位也具有一定影响(图1(c))。这是由于改变碱预处理液pH值会引发EWPs结构变化,使得部分埋藏于蛋白内部的带电基团暴露于表面,进而影响了EWPs-TC和EWPs-AT工艺下碱预处理液的电荷分

23。根据上述分析可判断,EWPs絮凝脱除木质素的反应机理有别于PAC、FeCl3等无机絮凝剂。综上,碱预处理液pH值≥7.0时,虽然各絮凝工艺下CL去除率均有所提升,但DL去除率随pH值升高而下降显著;此外,由于沼气发酵等生物炼制工艺通常在pH值=7.0条件下进行,因此将碱预处理液pH值=7.0作为后续研究的基础。

2.2 絮凝剂用量的影响

絮凝剂与絮凝底物间的相互作用存在浓度依赖性。为考察絮凝剂用量对碱预处理液中木质素脱除的影响,控制碱预处理液pH值=7.0、碱预处理液浓度为8 g/L,在絮凝剂∶DL质量比=0.25∶1 ~ 4∶1范围内,考察EWPs-TC工艺下絮凝剂用量对碱预处理液中木质素脱除的影响,并与EWPs-AC工艺及PAC、FeCl3絮凝工艺进行对比,结果如图2所示。

图2  絮凝剂∶DL质量比对木质素脱除的影响

Fig. 2  Effect of the mass ratio of flocculant to DL on lignin removal

图2(a)所示,在研究的絮凝剂∶DL质量比范围内,EWPs-TC工艺的CL去除率均高于EWPs-AT工艺及FeCl3、PAC絮凝工艺,该结果与2.1中CL去除率的分析结果相吻合,表明采用EWPs-TC工艺脱除碱预处理液中的CL,效果优于采用FeCl3和PAC等传统絮凝剂。EWPs-TC工艺下,在絮凝剂∶DL质量比=0.25∶1 ~ 1∶1范围内,增加絮凝剂用量有助于去除碱预处理液中的CL;当絮凝剂∶DL质量比达1∶1时,CL去除率达70.6%,显著高于EWPs-AT(51.0%)工艺及FeCl3(56.3%)、PAC(57.4%)絮凝工艺的CL去除率。然而,进一步增加絮凝剂∶DL质量比至4∶1,4种絮凝工艺的CL去除率均出现不同程度的下降,这可能是由于过量添加絮凝剂导致体系浊度上升,进而降低了CL去除

31

图2(b)所示,增加絮凝剂用量可提高碱预处理液中的DL去除率,但提高量有限。图2(c)表示不同絮凝剂用量下样品Zeta电位的变化,在絮凝剂∶DL质量比从0.25∶1增至1∶1时,FeCl3、PAC絮凝工艺处理所得澄清水样的Zeta电位均未出现显著变化。这是由于在碱预处理液pH值=7.0条件下,FeCl3和PAC主要通过卷扫机理脱除木质素,对碱预处理液中Zeta电位影响较

29。相似地,增大EWPs-TC和EWPs-AT工艺的EWPs用量,碱预处理液的Zeta电位也未出现明显变化(图2(c)),这表明EWPs不是通过电荷中和作用脱除碱预处理液中的木质素。然而,Nordmark32发现辣木蛋白提取物主要通过电中和机制,去除表面携带负电荷的高岭土胶体粒子。这与本研究结论不同,这可能是由于不同蛋白的结构及组成存在差异,导致其絮凝反应机制存在差异。综上,后续研究在碱预处理液pH值=7.0条件下,将絮凝剂∶DL质量比确定为1∶1。

2.3 碱预处理液浓度的影响

水解液初始浓度不仅影响絮凝性能,同时也影响絮凝所需絮凝剂与絮凝底物的相对含量及盐离子浓

33。为探究碱预处理液浓度对絮凝处理脱除木质素的影响,在絮凝剂∶DL质量比=1∶1、pH值=7.0条件下,在2~8 g/L范围内考察了碱预处理液浓度的影响,结果如图3所示。其中,8 g/L为工厂碱预处理液进入生化系统时的水解液浓度(以CODCr计)。

图3  碱预处理液浓度对木质素脱除的影响

Fig. 3  Effect of alkali pretreatment hydrolysate concentration on lignin removal

图3(a)所示,所有絮凝体系中的CL去除率均随碱预处理液浓度增大而提高。当碱预处理液浓度从2 g/L提高至8 g/L时,EWPs-AT、EWP-TC、FeCl3及PAC 4种絮凝工艺下的CL去除率均提高,DL去除率也呈相似的变化趋势(图3(b))。如图3(c)所示,碱预处理液浓度增至8 g/L时,所有样品的Zeta电位均出现小幅提高。在碱预处理液pH值=7.0、絮凝剂∶DL质量比=1∶1条件下,增大碱预处理液浓度会增加体系盐离子浓度,使得木质素胶体的双电层结构被压缩,导致Zeta电位增大,且木质素胶体的扩散层厚度减少,从而促进木质素的絮聚脱

34。Chen35及Shih36的研究均报道了盐离子浓度增加可促进溶液中胶体颗粒的聚沉。基于以上分析,确定碱预处理液最佳浓度为8 g/L。

2.4 EWPs-TC工艺参数优化总结

基于前文对絮凝工艺参数的系统优化,将絮凝工艺参数确定为絮凝剂∶DL质量比=1∶1、碱预处理液pH值=7.0、碱预处理液浓度8 g/L。在该絮凝工艺参数下,EWPs-TC工艺的CL和DL去除率分别为70.6%±2.2%及20.7%±1.4%,高于EWPs-AT工艺及FeCl3、PAC絮凝工艺。Shi

37依次通过酸化、聚环氧乙烷(Poly ethylene oxide,PEO)絮凝处理,脱除木片预水解液(Pre-hydrolysis liquid,PHL)中的木质素,在PEO用量350 mg/L、pH值=2的条件下,DL去除率达22%。Li28利用辣根过氧化物酶(Horseradish peroxidase,HRP)脱除PHL中的木质素,在HRP用量1200 U/L、H2O2添加量1 g/L的条件下,室温反应4 h,CL和DL去除率分别为47.9%及33.3%。与上述文献报道结果相比,本研究利用EWPs-TC工艺脱除木质素的去除率与其相当,甚至更高。

2.5 EWPs-TC絮凝工艺的木质素脱除机理

前文研究结果表明,EWPs-TC工艺可有效去除碱预处理液中的CL和DL,其去除率明显高于相同条件下的EWPs-AT工艺。目前已有研究主要从EWPs分子结构、表面基团及其与木质素的结合方式等方向,探究EWPs与木质素的作用机制。为探究EWPs-TC工艺在碱预处理液中脱除木质素的反应机理,当pH值=7.0时,分别对100 ℃热处理前后的EWPs样品进行结构及表面官能团对比分析,结果如图4表2所示。

图4  反应温度对EWPs结构及表面性质的影响

Fig. 4  Effect of reaction temperature on the structure and surface properties of EWPs

(a) EWPs二级结构 (b) 电荷密度 (c) 表面电荷及自由巯基

表2  EWPs二级结构定量
Table 2  Secondary structure quantification of EWPs ( % )
样品α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲
EWPs 32.7 17.7 21.9 29.6
热处理EWPs 5.4 42.8 21.0 30.5

图4(a)和表2所示,热处理EWPs的椭圆度显著降低,可推断EWPs-TC工艺使得EWPs的二级结构发生了显著改

38。100 ℃热处理导致EWPs样品的α-螺旋结构比例下降、β-折叠结构比例显著提升,而β-转角和无规卷曲结构比例未受明显影响。上述二级结构的变化表明,热处理EWPs的蛋白分子发生了变性,导致其分子链展开,暴露出了更多氢键结合位39。热处理促进了EWPs-TC工艺中蛋白与木质素的结合,形成大分子絮体,从而絮凝脱40-41。另一方面,木质素、EWPs和热处理EWPs样品表面均携带负电荷,可推断在碱预处理液pH值=7.0条件下,通过EWPs-TC和EWPs-AT工艺脱除木质素时,EWPs与木质素间存在静电斥力,这表明EWPs并不是通过电中和机制去除木质素。

图4(c)可知,100 ℃热处理后,EWPs样品表面的疏水性显著提升,而自由巯基含量显著降低。现有研究表

42-43,木质素与EWPs间、EWPs蛋白分子间均主要通过表面疏水作用结合。因此,EWPs-TC工艺热处理后,EWPs样品表面疏水性增大,不仅促进了EWPs蛋白分子间通过疏水作用结合,而且促进了EWPs蛋白分子与木质素间的疏水絮凝。此外,热处理使得EWPs蛋白分子的自由巯基发生巯基-二硫键转换(SH/S—S)反应,再与木质素结合形成大分子絮体,从而使大分子胶体木质素受重力沉降而絮聚脱44。基于以上分析结果,EWPs-TC工艺脱除碱预处理液中木质素的潜在机理为:高温条件(100 ℃)引发EWPs蛋白分子变性,导致其蛋白结构改变,促进EWPs与木质素间的疏水作用及氢键结合;同时,热处理使EWPs蛋白分子发生巯基-二硫键转换反应,再进一步与木质素形成大分子絮体,从而使碱预处理液中大分子胶体木质素受重力沉降而絮聚脱35

2.6 EWPs絮凝处理对碱预处理液可生化降解性能的影响

基于前文研究确定的絮凝工艺参数,以未经絮凝处理的空白碱预处理液为对照组,考察了碱预处理液经不同絮凝工艺处理后的性能指标,结果如表3所示;测定不同絮凝工艺处理所得碱预处理液的BOD5和CODCr,并以BOD5/CODCr比值表示碱预处理液的可生化降解性

45,结果如图5所示。

表3  不同絮凝工艺处理后的碱预处理液性能指标
Table 3  Property indexes of wheat straw hydrolysates after different flocculation treatment
絮凝工艺浊度/(NTU)总酚/(g·L-1)CODCr/(mg·L-1)
对照组 212 1.02 8396.3
PAC 128 0.83 7331.2
FeCl3 64 0.82 7240.9
EWPs-AT 84 0.89 7989.5
EWPs-TC 56 0.84 7648.4

图5  不同絮凝工艺处理所得碱预处理液的BOD5、CODCr及可生化降解性能

Fig. 5  BOD5, CODCr and biodegradability of alkali pretreatment hydrolysate following different flocculation processes

图5所示,经EWPs-TC及EWPs-AT工艺处理后,碱预处理液的可生化降解性能分别达0.42和0.44,显著高于对照组(0.32)及以PAC(0.37)、FeCl3(0.36)为絮凝剂的传统絮凝工艺。BOD5/CODCr>0.4表明碱预处理液主要成分适用于微生物代谢及增

46。由此可推断,EWPs-TC及EWPs-AT工艺处理的碱预处理液可用于生化处理,以制备甲烷等生物能源。与PAC、FeCl3絮凝工艺相比,EWPs-TC及EWPs-AT工艺处理所得碱预处理液的BOD5明显提升,这可能是由于EWPs-TC及EWPs-AT工艺额外加入了氮47。此外,由2.4分析结果可知,在最优絮凝参数条件下,EWPs-TC工艺的木质素去除率高于EWPs-AT工艺,而图5显示其处理所得碱预处理液的可生化降解性能与EWPs-AT工艺相当。这可能是由于EWPs-AT工艺处理时,未参与絮凝反应的EWPs为微生物分解碱预处理液中的有机物提供了额外氮源,进而提升了絮凝处理后碱预处理液的BOD548。上述结果也表明,经EWPs-TC处理后的碱预处理液,可通过添加氮源进一步提升水解液的可生化降解性能。综上所述,通过EWPs-TC工艺可脱除碱预处理液中的木质素,有效提升其可生化降解性能。

3 结论

本研究利用蛋清蛋白(EWPs)絮凝工艺脱除麦草秸秆碱法预处理液中的木质素,并探究其絮凝机理。

3.1 在pH值=7、EWPs絮凝剂与小分子可溶性木质素(以总酚计)质量比为1∶1、加热(100 ℃,加热时间10 min)、碱预处理液浓度(以CODCr计)为8 g/L条件下,EWPs对碱预处理液中大分子胶体木质素(以浊度计)去除率达70.6%±2.2%,与EWPs常温絮凝及分别以FeCl3、PAC为絮凝剂的传统絮凝工艺相比,去除率均有所提高。

3.2 在EWPs加热絮凝工艺脱除碱预处理液中木质素的过程中,热处理(100 ℃)会使EWPs变性,增加蛋白分子表面疏水性及氢键结合位点,促进EWPs与木质素的相互结合;同时,EWPs蛋白分子间通过氢键作用及巯基-二硫键转换反应,进一步与木质素交联形成大分子絮体,使得碱预处理液中大分子胶体木质素及其衍生物受重力沉降而絮聚脱除。

3.3 利用EWPs加热絮凝工艺脱除碱预处理液中木质素,可提升其可生化降解性能,以适用于后续生化处理。

综上所述,EWPs加热絮凝工艺为脱除碱预处理液中木质素、提升碱预处理液可生化性能提供了一条新路径。基于生物炼制的背景,本研究为开发碱预处理液中木质素脱除工艺及技术提供了新的选择,为完善球蛋白-木质素絮凝机理提供了数据支撑,还为制浆造纸工厂废水处理工艺升级,以及新型生物絮凝剂开发提供了新思路。后续研究可将EWPs加热絮凝工艺与生物制氢、产甲烷工艺相结合,综合评价EWPs加热絮凝工艺对生物能源生产过程的影响。

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