步琦近紅外助力再循環(huán)
ProxiMate 快速檢測秸稈糖
近紅外應(yīng)用
”
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簡介
秸稈是一種豐富且廉價(jià)的可再生資源，主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。隨著全球?qū)稍偕茉春途G色化學(xué)品需求的增加，秸稈作為生物質(zhì)資源的利用越來越受到關(guān)注。通過微生物發(fā)酵技術(shù)，秸稈中的纖維素和半纖維素可以轉(zhuǎn)化為糖液，進(jìn)一步用于生產(chǎn)生物燃料、生物塑料等。這一過程不僅能有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物，還能減少環(huán)境污染，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義。
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工業(yè)利用秸稈類物質(zhì)的主要步驟
1、預(yù)處理
在微生物發(fā)酵之前，秸稈需要經(jīng)過預(yù)處理。預(yù)處理的目的是打破秸稈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使纖維素和半纖維素暴露出來，更易于后續(xù)的微生物降解。
常見的預(yù)處理方法有以下幾種：
物理預(yù)處理：通過機(jī)械粉碎、蒸汽爆破等方法增加秸稈的表面積，破壞其結(jié)構(gòu)
化學(xué)預(yù)處理：使用酸、堿或其他化學(xué)試劑處理秸稈，溶解部分木質(zhì)素，增加纖維素的可及性
生物預(yù)處理：利用特定的微生物或酶來降解秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素，增強(qiáng)纖維素的可發(fā)酵性
2、發(fā)酵
預(yù)處理后的秸稈將被送入發(fā)酵罐中，與特定的微生物（如酵母菌、乳酸菌或細(xì)菌）混合。微生物在適宜的溫度、pH值和營養(yǎng)條件下，分泌酶類分解纖維素和半纖維素，產(chǎn)生單糖（如葡萄糖、木糖等）。這個(gè)過程稱為酶解發(fā)酵。為了提高效率，發(fā)酵過程常常在厭氧條件下進(jìn)行，并定期監(jiān)測和調(diào)節(jié)發(fā)酵環(huán)境。
3、提取和純化
發(fā)酵結(jié)束后，生成的糖液需要從發(fā)酵液中提取出來。
常用的提取和純化方法包括：
過濾：通過物理過濾將固體殘?jiān)c糖液分離
離心：利用離心力分離發(fā)酵液中的固體和液體部分
膜分離：使用半透膜進(jìn)行精細(xì)分離，去除雜質(zhì)，提高糖液的純度
4、后處理
提取出的糖液可直接用于生產(chǎn)生物燃料（如乙醇）或進(jìn)一步加工成其他化學(xué)品。后處理步驟可能包括濃縮、蒸發(fā)和干燥等，以滿足不同應(yīng)用的需求。
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相關(guān)儀器
在發(fā)酵結(jié)束后進(jìn)行提取純化，一方面是為了提高產(chǎn)品的純度，另一方面也是要延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，通常在純化前后要對(duì)產(chǎn)品中的各個(gè)有效組分進(jìn)行檢測，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)來說，其日常分析肯定是一項(xiàng)非常繁重的任務(wù)。而近紅外分析技術(shù)就能很好的幫助使用者快速無損地檢測產(chǎn)品中多個(gè)組分的含量。
下面介紹的一則實(shí)例就是使用步琦旁線近紅外 ProxiMate 分析糖液中的四種組分。
▲ BUCHI ProxiMate 近紅外光譜儀
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實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
27 個(gè)濃縮糖液樣品使用 ProxiMate 測量其近紅外光譜，液相色譜分析其 A、B、C、D 四種糖分的含量，測得的光譜如下圖所示：
▲ 糖液樣品的近紅外光譜圖
對(duì) A、B、C、D 四種成分建模的結(jié)果如下表所示：
糖液樣品四種指標(biāo)模型評(píng)價(jià)表：
指標(biāo) | 范圍 | SEC | SECV | R2p |
A | 1.37-2.87 | 0.015 | 0.032 | 0.995 |
B | 18.64-29.83 | 0.116 | 0.370 | 0.989 |
C | 4.50-10.77 | 0.087 | 0.201 | 0.991 |
D | 0.08-1.15 | 0.013 | 0.028 | 0.993 |
建模后使用 8 個(gè)外部樣品進(jìn)行驗(yàn)證，近紅外預(yù)測結(jié)果和色譜分析結(jié)果如下：
▲外部獨(dú)立驗(yàn)證近紅外與色譜結(jié)果分布圖
外部獨(dú)立驗(yàn)證近紅外與色譜結(jié)果對(duì)比誤差表：
序號(hào) | A | B | C | D |
1 | -0.05 | -0.05 | -0.10 | -0.03 |
2 | -0.03 | -0.37 | 0.22 | 0.03 |
3 | -0.07 | -0.62 | 0.19 | 0.01 |
4 | -0.04 | -0.16 | -0.02 | -0.01 |
5 | -0.13 | -1.08 | 0.39 | 0.03 |
6 | 0 | 0.10 | -0.06 | -0.01 |
7 | -0.04 | -0.48 | 0.21 | 0.02 |
8 | -0.06 | -0.65 | 0.33 | 0.04 |
從上述驗(yàn)證結(jié)果不難看出，ProxiMate 對(duì)糖液四種組分的建模預(yù)測效果良好，說明近紅外可以對(duì)秸稈糖液進(jìn)行快速分析。
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實(shí)驗(yàn)結(jié)論
上述案例中使用的是 BUCHI 的 ProxiMate 近紅外光譜儀，具有 IP69 的高防護(hù)等級(jí)及 FDA 認(rèn)證的外殼設(shè)計(jì)，能夠勝任各種復(fù)雜條件下的測量工作，固定陣列光柵也無懼振動(dòng)環(huán)境的干擾，上下兩種照射方式及各式檢測附件能夠滿足多種樣品狀態(tài)的測量需求。
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