Гидролизная печь: разновидности, плюсы и минусы, самостоятельное изготовление

Целью данного исследования была оценка химического и ферментативного гидролиза с использованием факторного экспериментального дизайна (2 ³ ) с целью получения сбраживаемых сахаров из целлюлозы на основе Материал (CBM) обычно используется в качестве подстилки для животных. При оценке химического гидролиза мы изучали влияние температуры, а также концентрации и времени реакции H ₂ SO ₄ на производство общих сахаров, редуцирующих сахаров, растворимого лигнина, углеводного профиля, фурфурола (F) и гидроксиметилфурфурол (HMF).Мы провели анализ поверхности реакции и обнаружили, что при 100 ° C, концентрации кислоты 1% и времени реакции 60 мин были получены выходы 0,0033 г, снижающие содержание сахара / г биомассы, и 0,0852 г общего количества сахаров / г биомассы. В вышеуказанных условиях F не образуется, в то время как HMF генерируется в такой концентрации, которая не препятствует ферментации. Мы предварительно обработали CBM H ₂ SO ₄ , NaOH, CaO или озонолизом, чтобы оценить эффективность ферментативного гидролиза из предварительно обработанной биомассы, используя ферментативный коктейль.Результаты показали, что CBM с кислотой был подвержен ферментативному воздействию, получая концентрацию 0,1570 г, снижающую содержание сахаров / г биомассы, и 0,3798 г общего количества сахаров / г биомассы. Мы пришли к выводу, что кислотная предварительная обработка была наилучшей для получения сбраживаемых сахаров из СВМ.

1. Введение

Производство этанола из лигноцеллюлозного материала является темой, представляющей интерес, поскольку оно не подрывает сельскохозяйственные культуры, используемые для потребления человеком, а использует различные источники лигноцеллюлозной биомассы, такие как твердые отходы сельского хозяйства и городского хозяйства [1].В энергетическом секторе биоэтанол недавно использовался в качестве добавки, поскольку при смешивании с бензином биоэтанол может снизить выбросы CO ₂ и заменить использование токсичных кислородсодержащих агентов, таких как метил трет--бутиловый эфир (МТБЭ) [2] ,

Преобразование лигноцеллюлозной биомассы в этанол включает четыре стадии: предварительная обработка, гидролиз, ферментация и извлечение этанола дистилляцией [3]. Из-за сложной и непроницаемой структуры лигноцеллюлозной биомассы для гидролиза углеводов требуются различные процессы предварительной обработки в зависимости от биомассы.Предварительная обработка повышает усвояемость биомассы для эффективного производства сбраживаемого сахара, что снижает стоимость производства биоэтанола [4]. Были предложены различные методы предварительной обработки в зависимости от цели удаления гемицеллюлозы [5] или лигнина из биомассы [6, 7]. Предварительная обработка разбавленной кислотой является перспективной предварительной обработкой, способной к высокой растворимости гемицеллюлозы [8]. Этот процесс разрушает большинство водородных связей в гемицеллюлозах и частично разрушает целлюлозу и лигнин [9].Кроме того, предварительная обработка кислотой позволяет гидролизу гемицеллюлозы пентозы и гексозы, удаляет часть лигнина и делает структуру целлюлозы более доступной, так что фракция может ферментативно превращаться в глюкозу. Предварительная обработка является необходимым шагом для изменения некоторых структурных характеристик лигноцеллюлозы, повышения доступности глюкана и ксилана для ферментативной атаки. Структурные модификации лигноцеллюлозы сильно зависят от типа используемой предварительной обработки и оказывают большое влияние на ферментативный гидролиз [9] и последующие стадии.Выбор технологии предварительной обработки для конкретного сырья зависит от нескольких факторов, некоторые из которых напрямую связаны со стадией ферментативного гидролиза, таких как схемы выделения сахара и используемые ферменты. Таким образом, сочетание состава субстрата в дополнение к условиям предварительной обработки оказывает большое влияние на усвояемость биомассы [10].

В данной статье предлагается оценка материала на основе целлюлозы (лигноцеллюлозные отходы: мусор для домашних животных) для производства биоэтанола.Оптимизация химического гидролиза описана с использованием экспериментальной схемы для определения наилучших условий для получения высоких выходов сбраживаемых сахаров. Также описан ферментативный гидролиз предварительно обработанной биомассы с помощью ферментативного коктейля, называемого Celluzyme XB ™, с применением предварительной обработки, такой как озонолиз и щелочная и химическая предварительная обработка.

2. Экспериментальная методология

2.1. Характеристика материала на основе целлюлозы

Лигноцеллюлозная биомасса, известная как «абсорбент целлюлозы» или материал на основе целлюлозы (CBM), биоразлагаемый или подстилка для ложа для домашних животных, была получена от коммерческого дистрибьютора и была охарактеризована для того, чтобы узнать химический состав биомассы. ,В общей сложности 250 г куб.м были размолоты в мельнице Retsch. Затем измельченный материал просеивали до размера 60–80 меш. Образец промывали водой при 80 ° C, фильтровали в вакууме и сушили при 50 ° C в течение 48 часов в конвекционной печи Felisa, модель FE02292A, чтобы удалить компоненты, поставляемые с целлюлозой, и избежать каких-либо помех. Для проксимального анализа химического состава было проведено определение содержания золы и влаги. Содержание золы определяли в муфельной печи Lindberg / Blue, модель BF51866A-1, при 500 ± 25 ° C в течение 24 часов для сжигания органических соединений из биомассы.Содержание золы указывается в процентах от сухого вещества с использованием формулы, описанной Sluiter et al. [11]. Содержание влаги определяли в термобалансе MB 35 OHAUS.

Содержание углеводов, в дополнение к растворимому и нерастворимому в кислоте лигнину, получают путем двух стадий гидролиза с H ₂ SO ₄ . На первой стадии 3 г целлюлозы с размером частиц 60–80 реагировали с 3 мл 72% H ₂ SO ₄ (вес / вес) при 30 ° C в течение 1 часа на водяной бане со встряхиванием.Затем гидролизат переносили в колбу Эрленмейера и добавляли 54 мл дистиллированной воды для получения конечной концентрации серной кислоты 4% (мас. / Мас.) Для второй стадии гидролиза, на которой проводили реакцию, проводимую на SE510 Ямато автоклав при 120 ° С в течение 1 часа. Гидролизат фильтровали в вакууме и жидкость использовали для определения углеводов и лигнина. Твердое вещество промывали дистиллированной водой для удаления избытка кислоты, поскольку определяли количество нерастворимого твердого лигнина [12].

Общие сахара (TS) определяли методом фенол-серной кислоты [13], для которого в качестве стандарта использовали глюкозу, а для редуцирующих сахаров — методом 3,5-динитросалициловой кислоты (DNS) [14]. Степень полимеризации (DP) сиропа была получена для оценки средних существующих единиц моносахаридов, то есть для определения количества выходов повторяющегося звена мономера из цепи [15].

Качественное и количественное определение образовавшихся сахаров проводили высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).Этот анализ выполняли с использованием стационарной фазы с изократическим элюированием (ацетонитрил) и детектором показателя преломления (RID) или детектором для испарительного рассеяния света (ELSD), используя аминогруппу Pinnacle II для анализа моносахаридов и дисахаридов, имеющих детектирование предел 100 пг / мл. Детектор испарительного рассеяния света (ELSD) имеет скорость потока 1 мл / мин при 80 ° C, объем впрыска составляет 10 мкл, а в качестве подвижной фазы используется 18% воды и 82% ацетонитрила. Концентрация углеводов была рассчитана Sluiter et al.Уравнение [12].

2.2. Химическая предварительная обработка

Предварительная обработка проводилась в условиях, установленных нашей группой (см. Арагон и др. [16] в качестве примера), за исключением предварительной обработки разбавленной кислотой, условия которой были определены экспериментальным планом для оптимизации химического гидролиза.

2.2.1. Предварительная обработка кислотой

CBM суспендируют в 10 мл 1% H ₂ SO ₄ (в пересчете на сухое вещество, 10% от общего количества твердых веществ) во флаконах по 50 мл. Реакцию проводили в течение 1 ч в испарителе при 100 ° С (установили условия в экспериментальной схеме).По истечении времени реакции реакционный сосуд гасили на ледяной бане; образцы фильтровали в вакууме, получая твердое вещество и жидкость. Из жидкости получали концентрацию растворимого лигнина, и оставшуюся жидкость доводили до pH 7 с помощью CaCO ₃ и затем центрифугировали при 10000 об / мин в течение 15 минут при 25 ° C для удаления избытка CaCO ₃ . Жидкость была получена для определения общего и редуцирующего сахара (TS и RS, соответственно). Полученное предварительно обработанное твердое вещество промывали цитратным буфером до тех пор, пока твердое вещество не достигло рН 4.8 для последующего использования ферментативного гидролиза и для проведения того же анализа с помощью инфракрасной (ИК) спектрофотометрии для анализа изменений, вызванных функциональными группами, содержащимися в лигнине. Аналогичным образом промытое твердое вещество хранили для последующего использования в ферментативном гидролизе, для которого содержание влаги (

гидролиз | Wyzant Resources

Автор: Kathie Z.

Так же, как изучение воды является «гидрологией», гидролиз означает разделение воды +. Чаще всего вы будете изучать разрыв химических связей путем добавления молекулы воды, что означает, что вещество, которое вы наблюдаете, разрушается.

Этот процесс включает в себя несколько этапов химии, которые вы уже изучили:

Возможно, вы также узнали о гидролизе в биологии, когда узнали об АТФ и пищеварении.Вы можете захотеть рассмотреть эти темы в вашем учебнике или на страницах справки Wyzant.

гидролиз

Это химический процесс добавления молекулы воды к соединению, который чаще всего вызывает разрушение обеих частей. химические связи, в результате чего каждый фрагмент превращается в анион (отрицательно заряженные ионы, такие как гидроксид-ионы, ОН ^— ) или катион (положительно заряженные ионы, такие как ионы водорода Н ⁺ ).Противоположно заряженные ионы присоединяются друг к другу, синтезируя в новые вещества. Часто эти реакции происходят, когда ионные соединения растворяются в воде.

Существует пять типов реакций гидролиза, с которыми вы можете столкнуться в своих исследованиях: соли, АТФ, пищеварение (ферменты), мыло (омыление) и выветривание (скалы).

Соли — это соединения, образующиеся в результате реакции кислоты и основания.Ионные соединения могут быть кислотой или основанием и являются основой соли, которая является их результирующим соединением. В зависимости от того, была ли соль изначально сильной кислотой и слабым основанием, или наоборот (слабая кислота и сильное основание), когда он растворяется в воде (подвергается гидролизу), что приводит либо к сильному кислому раствору, либо наоборот к сильной щелочи решение. При этом молекулы воды самопроизвольно ионизируются в гидроксильные анионы и катионы водорода.

а) Вы можете безопасно сочетать уксус и бикарбонат натрия и создавать ацетат натрия в домашних условиях:

CH ₃ COOH + NaHCO ₃ -> CH ₃ COO ^— Na ⁺ + H ₂ O + CO ₂

Ацетат натрия в воде диссоциирует на ионы натрия и ацетата. Ионы натрия очень мало реагируют с гидроксилом ионы, в то время как ацетат-ионы соединяются с ионами водорода, что приводит к щелочному (щелочному) раствору и высвобождению углерода диоксид газа.

б) Хлорид аммония (NH ₄ Cl) ​​представляет собой соль слабого основания, аммиака (NH ₃ ) и сильной кислоты, соляной кислоты (HCl).

NH ₄ Cl + H ₂ O -> NH ₄ ⁺ + H ₂ O + Cl ^— -> NH ₃ + H ₃ O ⁺

Когда хлорид аммония растворяется в воде, он гидролизуется с расщеплением на катион NH ₄ ⁺ и анион Cl ^— .NH ₄ ⁺ будет реагировать с H ₂ O, теряя ион водорода, становясь H ₃ O ⁺ . Поскольку в результате этой химической реакции образуются ионы гидроксония (H ₃ O ⁺ ), получается кислый раствор.

Помните, что соль сильного основания и сильной кислоты НЕ будет гидролизоваться в воде, потому что катион основания и анион кислоты НЕ реагируйте с водой.

АТФ — молекула аденозинтрифосфата. Как вы помните из биологии, выделение энергии АТФ имеет важное значение для жизни. Клетки используют АТФ для накопления энергии и высвобождения ее по мере необходимости в результате гидролиза. Таким образом, гидролиз связан как с энергетическим обменом, так и с накоплением. АТФ подвергается гидролизу двумя путями. 1) АТФ удаляет одну фосфатную группу и образует АДФ (аденозиндифосфат) и 2) затем удаляет другую фосфатная группа приводит к AMP (аденозинмонофосфату) и пирофосфату, который обычно расщепляется еще дальше.Эти биосинтез реакции часто происходят в цепях, поскольку фосфатные связи подвергаются гидролизу.

Пищеварение — это расщепление пищи, чтобы наш организм мог легче усваивать питательные вещества. Гидролиз — это процесс добавления воды к органические соединения в еде. Однако, поскольку большинство органических соединений нелегко соединить с водой, необходим катализатор. чтобы начать процесс. Катализаторы в органических реакциях называются ферментами.Вы помните из биологии, что каждый фермент является специфическим ключ, чтобы разблокировать процесс сопоставления. Таким образом, липазы сочетаются с жирами, углеводы — с углеводами, а протеазы — с белками в воде. процесс гидролиза.

Специфичность ферментов очень важна для согласования «ключа» и «замка», поэтому каждый ключ протеазы не катализирует гидролиз. каждого белка. Расположение и ориентация белка имеют значение и могут быть даже повреждены.Это становится очень важным при активации гормонов в эндокринной системе репродуктивной системы. Также считается, что он является частью проблем резистентности к инсулину типа 2 диабетики, связанные с их поджелудочной железой.

Расщепление крахмала является довольно хорошо понимаемым типом гидролиза. Крахмал катализируется ферментом амилазой. Крахмал, который представляет собой комплекс углевод, расщепляется на более мелкие молекулы мальтозы (простой сахар).Мальтоза затем распадается на молекулы глюкозы в наличие фермента мальтазы. На каждом этапе гидролиза молекулы воды распадаются на ионы и добавляют гидроксильный анион или катион водорода к новым молекулам, образованным на каждом фрагменте разорванной связи.

Мыло — это один из промышленных процессов гидролиза, который проводится в лаборатории. Сырье не вступает в реакцию с водой и требует катализатор.Кроме того, процесс более эффективен при проведении в резервуаре высокого давления и при высоких температурах. Катализатор для мыла обычно сильная база. (Для гидролиза других лабораторных соединений может потребоваться сильная кислота.) Когда жир гидролизуется натрием Гидроксид в реакции с водой этот процесс называется омылением. «Мыло», которое получается, на самом деле является солью жирной кислоты.

Очень старые картины маслом могут образовывать белые отложения и комки на их поверхности.Поскольку некоторые произведения искусства были очищены и восстановлены, эти отложения было обнаружено, что омыление. Считается, что жирные кислоты в старых масляных красках реагировали с металлами в краске пигменты, которые были использованы. Неизвестно, почему это произошло только с некоторыми произведениями искусства, а не с другими.

Выветривание является частью горного цикла. Не делайте ошибку, которую делают некоторые студенты, и не путайте выветривание скал с погодой, связанной с климатом.Эта форма выветривания НЕ связана с круговоротом воды и погодой на улице.

Гидролиз — важный процесс выветривания горных пород и превращения горных пород в их форму из магматических и метаморфических пород в осадочные породы. типы. В основном из крупных твердых пород в более мелкие фрагменты. Все породы образованы минералами. Многие минералы в земной коре являются силикатами. Некоторые из этих силикатов, такие как полевые шпаты, могут гидролизоваться, медленно реагируя с водой, образуя вместе с водой новые и различные минералы растворимые соединения.По мере образования новых полезных ископаемых породы превращаются в осадки, которые могут быть уплотнены в осадочные породы, такие как глина и алевролит. Если они не сформированы в скалу, они становятся почвами, которые обеспечивают растения необходимыми питательными веществами.

Синтез дегидратации (противоположность гидролиза)

Другой способ думать об обратном гидролизу состоит в том, что вы синтезируете два химических вещества вместе и создаете молекулу воды, которая является формой обезвоживания или удаления молекулы воды из реагирующего вещества.

Объединив два ингредиента (синтез), вы удаляете два атома водорода и один атом кислорода, которые затем объединяются в одну воду молекула (H ₂ O). Вы берете гидроксильный ион (ОН ^— ) из одной молекулы и ион водорода (Н ⁺ ) из другой и синтезировать их в новое вещество плюс вода. Как всегда в химии, это может стать намного сложнее, но это основная концепция.

гидролиз нитрилов

Введение

Когда нитрилы гидролизуются, вы можете подумать о том, что они реагируют с водой в два этапа — сначала с образованием амида, а затем аммониевой соли карбоновой кислоты.

Например, этаннитрил может превратиться в этаноат аммония, проходящий через этанамид.

На практике реакция между нитрилами и водой будет настолько медленной, что будет совершенно незначительной. Вместо этого нитрил нагревают либо с разбавленной кислотой, такой как разбавленная соляная кислота, либо с щелочью, такой как раствор гидроксида натрия.

Конечный результат одинаков во всех случаях, но точный характер конечного продукта варьируется в зависимости от условий, которые вы используете для реакции.

Кислотный гидролиз нитрилов

Нитрил нагревают с обратным холодильником с разбавленной соляной кислотой. Вместо того, чтобы получать соль аммония, как если бы в реакции участвовала только вода, вы производите свободную карбоновую кислоту.

Например, с этаннитрилом и соляной кислотой вы получите этановую кислоту и хлорид аммония.

Почему образуется свободная кислота, а не соль аммония? Ионы этаноата в этаноате аммония реагируют с ионами водорода из соляной кислоты с образованием этановой кислоты. Этановая кислота — это только слабая кислота, и поэтому, получив ион водорода, она склонна к ней прилипать.

Щелочной гидролиз нитрилов

Нитрил нагревают с обратным холодильником с раствором гидроксида натрия. На этот раз вместо получения соли аммония, как если бы в реакции участвовала только вода, вы получаете натриевую соль.Газ аммиака также выделяется.

Например, с раствором этаннитрила и гидроксида натрия вы получите этаноат натрия и аммиак.

Аммиак образуется в результате реакции между ионами аммония и ионами гидроксида.

Если в этом случае вам нужна свободная карбоновая кислота, вам придется подкислять конечный раствор сильной кислотой, такой как разбавленная соляная кислота или разбавленная серная кислота. Ион этаноата в этаноате натрия будет реагировать с ионами водорода, как указано выше.