（化学工艺专业论文）近临界水中羽毛水解制备氨基酸的工艺及反应动力学研究.pdf

上海大学硕i ：学位论文 摘要 我国是世界上畜牧业最发达的国家，猪、牛、羊等牲畜的毛以及鸡、鸭、 鹅等禽类的羽毛产量每年都在百万吨以上。从猪毛中梳出的猪鬃，曾作为生产 牙刷、毛刷的主要原料，但塑料制品问世以后，用量明显下降。禽类的羽毛， 主要用以提取羽绒，余下的羽毛梗蛋白含量在8 5 以上。这些废弃蛋白被大量 弃置于环境中，不但污染水、大气环境，而且导致苍蝇、病毒滋生，给人类的 健康带来威胁。 在强调可持续发展的今天，应大力研究开发简单、经济、有效的羽毛水解 工艺和方法，使大量的角蛋白废物转变成可消化多肽和复合氨基酸，将其直接 应用或作为进一步提纯氨基酸的廉价易得的原料，从而大大提高角蛋白废弃物 的利用率和利用价值，既保护环境又资源利用。 羽毛蛋白质是一种不溶性角蛋白，具有较强的稳定性，一般情况下很难水 解。目前，羽毛水解的方法有：酸碱水解法、酶解法、微生物以及膨化处理法 等。酸解法会用到大量的酸，后处理消耗大量碱，成本较高，而且废水容易污 染环境；碱水解法效率低，并且较易引起氨基酸构型的变化，多数氨基酸被破 坏。酶水解法要求苛刻，需要几种酶协同作用，水解时间也比较长，成本比较 高。 近临界状态是介于气体和液体之间的一种特殊状态，所以在此状态下水的 性质会发生变化，主要表现在粘性减小，扩散系数增大，对有机物的溶解性增 强等方面。除此之外，近临界水解法与传统生产方法相比，具有无污染，无需 催化剂，可以变多相反应为均相反应，反应产物易分离等独特优势，所以近临 界水已经逐渐成为一些氧化，水解反应的主要介质。 本课题利用近临界水独特的性质研究了羽毛中角蛋白质的水解工艺，讨论 了反应温度，反应时间，反应压力对氨基酸总收率的影响，并通过正交试验， 筛选出最佳水解工艺条件，同时进一步研究羽毛在近临界水中水解制备氨基酸 的动力学方程。为解决废弃毛发对环境的污染问题，实现毛发废弃物的资源化 利用提供科学的方法和依据。 v 上海大学硕上学位论文 实验首先研究了在反应压力为5 0 m p a ( 4 - 0 5 m ) ，不同反应时间的条件下， 温度对羽毛水解制备氨基酸的影响。结果发现羽毛角蛋白在4 5 3 k 一- 5 9 3 k 的温 度内水解时，氨基酸的总收率先随温度升高而增加，当达到一定温度后又开始 下降。此氨基酸总收率最高时的温度值一般在5 0 3 k 到5 5 3 k 的范围内。 接着实验在反应压力为5 0 m p a ( 4 - 0 5 m ) 时，不同反应温度的条件下对时 间的影响进行了研究。结果表明氨基酸的总收率在一定时间点时也会出现最大 值，继续延长反应时间，氨基酸的总收率有所下降。由实验得出，氨基酸总收 率出现最大值的时间点一般是反应到3 0 分钟左右。 随后实验在反应时间为5 分钟时，不同反应温度的条件下对压力的影响进 行了研究。结果表明压力对氨基酸的总收率影响不大。在指定的温度和反应时 间下，氨基酸的总收率随着压力增大而增大，但增加的量很小，到1 5 0 m p a 以 后收率会有所下降。 接着，通过正交实验确定了近临界水中羽毛水解的最优化工艺：反应温度 为5 2 3 k ，反应时间为3 0 分钟，反应压力为5 0 m p a ( 4 - 0 5 m ) 。按此反应条件进 行实验，氨基酸的总收率为6 5 4 。 本文随后进行了水解动力学的研究。由于现有仪器很难直接对羽毛中的角 蛋白质进行定性定量测定，又因为酸水解蛋白所得收率比较高，盐酸反应条件 温和，氧化性小，所以我们先用盐酸水解羽毛角蛋白，得到羽毛所含氨基酸总 收率。结果表明当反应时间达到1 9 小时的时候，氨基酸的总收率达到最大，其 值达到2 4 5 5 。 最后实验选取反应温度为4 9 3 k ，5 2 3 k ，5 5 3 k ，5 7 3 k 来进行动力学研究。 我们通过测量近临界水水解反应中不同时间点所得氨基酸的总收率，将其与羽 毛角蛋白完全水解时氨基酸总收率的比值来表征羽毛角蛋白的水解率，建立了 动力学方程。结果表明羽毛角蛋白水解动力学的级数为1 7 ，4 9 3 k ，5 2 3 k ，5 5 3 k ， 5 7 3 k 下的反应速率常数分别为1 9 0 x1 0 3 、1 3 9 1 0 之、3 4 6 1 0 、7 3 1 1 0 。2 ， 活化能为1 0 4 3 9 k j m o l ，前置因子为2 6 5 1 0 8 。 本实验为废弃毛发的处理提供了一条新颖的环保工艺，同时也为近临界介 质中的动力学研究提供了新方法，为工业化的生产提供了理论依据。 关键词：近临界水；水解；氨基酸；羽毛；化学反应动力学 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ai st h ew o r l d sm o s td e v e l o p e dc o u n t r yi na n i m a lh u s b a n d r y t h ea n n u a l f e a t h e ro u t p u to fp i g , c a t t l e ，s h e e pa n do t h e rl i v e s t o c k ，鹤w e l la sc h i c k e n , d u c ka n d g e e s ec o m e su pt om o r et h a no n em i l l i o nt o n s o n c eu s e d 雒t h em a i nr a wm a t e r i a l o fc o m b ，t o o t h b r u s hp r o d u c t i o n ，t h eb r i s t l eh a sam a r k e dd e c l i n ei ni t ss a l e sa f t e r p l a s t i cp r o d u c t sc o m e o u tl a t e r t h ep o u l t r yf e a t h e ri sm a i n l yu s e df o rt h ee x t r a c t i o n o fe i d e r d o w n h o w e v e rt h er e m a i n i n gf e a t h e rh a sah i 曲p r o t e i nc o n t e n to fm o r e t h a n8 5 al a r g ea m o u n to fa b a n d o n e dp r o t e i nh a sb e e nd i s c a r d e di nt h e e n v i r o n m e n t ，w h i c hn o to n l yb r i n g sw a t e rp o l l u t i o n ，a t m o s p h e r ec o n t a m i n a t i o n ，b u t a l s or e s u l t si nt h ef l i e sa n dv i r u sb r e e d i n gw h i c hc o u l da l s ot h r e a t e nt h eh u m a n h e a l t h i nt o d a y sn e ww o r l dt h a te m p h a s i so nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , i ti s n e c e s s a r yt oe x p l o r eas i m p l e ，e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o dt h a tc o u l db ea b l et o t u r nt h ep r o t e i n - r i c hw a s t ei n t od i g e s t i b l ep o l y p e p t i d ea n dc o m p o u n da m i n oa c i d s ， w h i c hc o u l db eu s e dd i r e c t l yo ra st h ec h e a pr a wm a t e r i a l sf o rt h ef u r t h e r p u r i f i c a t i o na m i n oa c i d i th a sg r e a t l yi m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o no fk e r a t i nd e b r i sa n d t h ev a l u ei nu s e ，w h i c hn o to n l yp r o t e c t st h ee n v i r o n m e n tb u ta l s om a k e sf u l l u t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s f e a t h e rk e r a t i ni sal 【i n do fi n s o l u b l ep r o t e i n , w h i c hh a ss t r o n gs t r u c t u r e s t a b i l i t ya n di sd i f f i c u l tt oh y d r o l y s i su n d e rn o r m a lc i r c u m s t a n c e s a tp r e s e n t ，t h e h y d r o l y s i s m e t h o d so ff e a t h e ra r ea c i d - b a s e h y d r o l y s i sm e t h o d ，e - l l z y m e ， m i c r o o r g a n i s m s 嬲w e l la sp u f f i n gt r e a t m e n t h o w e v e r , a c i dh y d r o l y s i sn e e d sag r e a t d e a lo fa c i da sw e l la sm u c hb a s ei nt h ea f t e r - t r e a t m e n t t h ec o s ti sv e r yh i g ha n d m i g h tb ea b l et om a k es o m ec o n t a m i n a t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t t h eb a s em e t h o dh a s al o we f f i c i e n c ya n dc o u l dg i v er i s et ot h ec o n v e r s i o no fc o n f i g u r a t i o no fa m i n o a c i d s t h er e a c t i o nc o n d i t i o no fe n z y m a t i ch y d r o l y s i si sq u i t eh a r s h ，w h i c hn e e d s s e v e r a ls y n e r g i e sa n dc o s t sal o tw i t hl o n gh y d r o l y s i st i m e a st h es u b c r i t i c a lw a t e r ( s e w ) i si nas p e c i a ls t a t eb e t w e e ng a sa n dl i q u i d ， v l i 上海人学硕上学位论文 s o m ep r o p e r t i e so fs c wc h a n g eal o t v i s c o s i t yd e c r e a s e sg r e a t l y , d i f f u s i o n c o e f f i c i e n ta n dt h es o l u b i l i t yf o ro r g a n i cc o m p o u n d si n c r e a s e d b e s i d e sm 她w h e n c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，i th a st h ea d v a n t a g eo fn o n e p o l l u t i o n , f r e e - c a t a l y z e r , t r a n s f o r m i n gm u l t i p h a s ei n t os i n g l e p h a s ea n ds e p a r a t i n gp r o d u c t s e a s i l y d u et oi t ，s u b c r i t i c a lw a t e ri sb e c o m i n gt h em a i nm e d i u mf o ro x i d a t i o na n d h y d r o l y s i sr e a c t i o n t a k i n ga d v a n t a g eo ft h es p e c i a lp r o p e r t i e so fs c w , w ed i ds o m er e s e a r c ho f t h e h y d r o l y s i sp r o c e s so ff e a t h e rk e r a t i n t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t i m ea n d p r e s s u r eo nt h et o t a ly i e l do fa m i n oa c i d sw e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y t h r o u g h t h eo r t h o g o n a lt e s t , w ed e t e r m i n e dt h eo p t i m u mh y d r o l y s i sc o n d i t i o n sf o ra m i n o a c i d s p r o d u c t i o nf r o mf e a t h e r a tt h es a m et i m e ，f u r t h e rs t u d yw a sl a i do nt h ek i n e t i c e q u a t i o no fa m i n oa c i d sp r o d u c t i o nf r o mf e a t h e ri ns c w i no r d e rt o p r o v i d et h e u t i l i z a t i o no ft h ew a s t ep r o t e i n - r i c hr e s o u r c e sw i t hs c i e n t i f i cm e t h o da n db a s i s f i r s t l y , w ed i s c u s s e dt h ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo na m i n oa c i dy i e l d ( s u mo fa l l 17d e t e c t a b l ea m i n oa c i d s ) i nc h i c k e nf e a t h e rh y d r o l y s a t ef o rt h r e e d i f f e r e n tr e s i d e n c et i m e su n d e rt h ep r e s s u r eo f5 0 m p a ( + 0 5 m ) i tc o u l db ef o u n d t h a tt h ey i e l do ft o t a la m i n oa c i d si n c r e a s e sw i t ht h er i s eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ea t f i r s t ，a n d t h e nd e c r e a s e sw i t hc o n t i n u e dr i s eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew h e n t e m p e r a t u r er i s e st oac e r t a i nv a l u e t h es c o p eo fm a x i m u mt e m p e r a t u r ev a l u e si s 5 0 3 k 5 5 3 k s e c o n d l y , w es t u d i e dt h ee f f e c to fr e s i d e n c et i m eo na m i n oa c i dt o t a ly i e l di n c h i c k e nf e a t h e rh y d r o l y s a t ef o rt h r e ed i f f e r e n tr e a c t i o nt e m p e r a t u r e su n d e rt h e p r e s s u r eo f5 0 m p a ( + 0 5 m ) t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ey i e l do ft o t a la m i n oa c i d s i n c r e a s e sw i t ht h ee x t e n s i o no fr e s i d e n c et i m e ，a n dr e a c h e st h em a x i m u my i e l da t a b o u t3 0 r a i n w h e np r o l o n g i n gt h er e s i d e n c et i m e ，t h ed e c o m p o s i t i o nr a t e a c c e l e r a t e db yh i g h e n e r g ys u b c r i t i c a lw a t e ri sg r e a t e rt h a nt h ep r o d u c t i o nr a t eo f a m i n oa c i d s ，w h i c hc o u l da c c o u n tf o rt h ed e c r e a s eo fa m i n oa c i dy i e l d t h i r d l y , w ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fr e a c t i o np r e s s u r eo na m i n oa c i dt o t a ly i e l d i nc h i c k e nf e a t h e r h y d r o l y s a t e f o rt h r e ed i f f e r e n tr e a c t i o n t e m p e r a t u r e s w i t h r e s i d e n c et i m eo f5 m i n i tc o u l db ef o u n dt h a tt h er e a c t i o np r e s s u r eh a sl i t t l ee f f e c t v i i l 上海大学硕士学位论文 o nt h ea m i n oa c i dy i e l d u n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r ea n dr e s i d e n c et i m e ，t h et o t a ly i e l d o ft o t a la m i n oa c i d si n c r e a s e ss l i g h t l yw i t hp r e s s u r eg o i n gu p ，a n di td e c r e a s e sa r e r t h e n , d e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u mh y d r o l y s i s c o n d i t i o n sf o ra m i n oa c i d sp r o d u c t i o nf r o mf e a t h e ra l ea sf o l l o w s ：r e a c t i o n t e m p e r a t u r ei s 5 2 3 k , r e a c t i o nt i m ei s3 0m i n , a n dp r e s s u r ei s5 0 m p a ( _ 0 5 m ) u n d e rs u c hc o n d i t i o n s ，t h ey i e l do fa m i n oa c i d si s6 5 4 t h ee x p e r i m e n tc a r r i e so u tt h es t u d yo fr e a c t i o nk i n e t i c sn e x t n o to n l yt h e i n s t r u m e n t sa led i f f i c u l tt od e t e r m i n et h ea m o u n to fp r o t e i ni nf e a t h e r , b u ta l s ot h e y i e l do fa m i n oa c i df r o ma c i dh y d r o l y s i si sr e l a t i v e l yw e l l s ow eg a i nt h et o t a l a m o u n to fa m i n oa c i di nf e a t h e rk e r a t i nt h r o u g hh y a r o c h l o r i ca c i dh y d r o l y s i sw h i c h i sm i l da n dl o wa b i l i t yo fo x i d a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e s ty i e l do fa m i n o a c i di s2 4 5 5 w h e nr e s i d e n c et i m er e a c h e s1 9h o u r s i nt h ee n d r e a c t i o nk i n e t i c ss t u d yw a sc o n d u c t e da tt e m p e r a t u r e4 9 3 k5 2 3 k 5 5 3 k , 5 7 3 k w h i l ei tw a sn o tc o n v e n i e n tt om e a s u r et h eq u a n t i t yo fk e r a t i ni nt h e p r o c e s s ，t h et e m p o r a lt o t a la m o u n to fa m i n oa c i d st ot h et h e o r e t i c a la m o u n to fa m i n o a c i d sa c t u a l l yr e c o v e r a b l er a t i ow a si n t r o d u c e dt or e p r e s e n tt h ee x t e n to fh y d r o l y s i s o ff e a t h e rk e r a t i n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et o t a lv e l o c i t yc o n s t a n t so ff e a t h e r h y d r o l y s i si ns u b c r i t i c a lw a t e ra r e1 9 0 1 0 一，1 3 9 x 1 0 2 ，3 4 6 1 0 ，7 3 1 1 0 。2a t 4 9 3 k5 2 3 k5 5 3 k5 7 3 kr e s p e c t i v e l yw i t ht h ep r e s s u r eo f5 0 m p a t h er e a c t i o n k i n e t i c so r d e ri s1 7 ，a c t i v ee n e r g yi s10 4 3 9 k j m o la n dt h ep r e e x p o n e n t i a lf a c t o ri s 2 6 5 x 1 0 s t h i se x p e r i m e n ti n t r o d u c e sa l li n n o v a t i v ee n v i r o n m e n t a lp r o c e s sf o r t h e t r e a t m e n to fw a s t eh a i ra n df e a t h e r i ta l s op r e s e n t san e wm e t h o df o rk i n e t i c ss t u d y a n dp r o v i d e st h ep r o d u c t i o no fi n d u s t r i a l i z a t i o nw i t ht h e o r e t i c a lp a r a m e t e r k e yw o r d s ：s u b c r i t i c a lw a t e r , h y d r o l y s i s ，a m i n oa c i d ，f e a t h e r , c h e m i c a lr e a c t i o n k i n e t i c s i x 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) u 籀期：掣 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本研究得到了国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 8 9 0 1 ) 的资助，以及上海 市重点学科项目( t - 1 0 5 ) 的资助。 1 2 课题研究的目的和意义 一 我国是世界上畜牧业最发达的国家，猪、牛、羊等牲畜的毛以及鸡、鸭、 鹅等禽类的羽毛产量每年都在百万吨以上。从猪毛中梳出的猪鬃，曾作为生产 牙刷、毛刷的主要原料，但塑料制品问世以后，用量明显下降。禽类的羽毛， 主要用以提取羽绒，羽绒的提取率可达4 0 以上，余下的羽毛梗蛋白含量在8 5 以上。这些废弃蛋白可利用的价值低，被大量弃置于环境中，不但污染水、大 气环境，而且导致苍蝇、病毒滋生给人类健康带来威胁【l 捌。 近年来，随着工业进步、人民生活水平的提高、医疗保健的加强及畜牧业 的发展，动物蛋白质资源的短缺逐渐明显，己慢慢成为我国饲料工业发展的制 约因素；同时氨基酸的应用越来越广泛【3 】，可用作食品添加剂、饲料添加剂、 医药、化妆品及表面活性剂等等，其需求量的日益扩大也使得国内对氨基酸原 料( 蛋白质) 的短缺尤为严重。目前国际上的氨基酸工业已比较发达，而我国 氨基酸工业发展相对落后，因此为适应我国社会发展的需要，大力发展饲养业， 改善人们的膳食生活水平，缓解氨基酸原料的供求矛盾，大力的研究开发动物 蛋白质、氨基酸及其连锁产品具有十分深远的现实意义【4 】。 在强调可持续发展的今天，大力研究开发简单、可行、经济、有效的羽毛 水解工艺和方法，使大量的角蛋白废物转变成可消化蛋白和复合氨基酸，将其 直接应用或作为进一步提纯氨基酸的廉价易得的原料，从而大大提高角蛋白废 弃物的利用率和利用价值，既保护环境又资源利用。这将是一个很有前景的环 保举措，并具有十分显著的经济效益和深远的社会效型 】。 上海人学硕i j 学位论文 立足减少污染，节约能源的目标，本课题以羽毛为原料，用近临界水解技 术为手段，研究了羽毛在无催化剂条件下水解得到高附加值的多种氨基酸产品 的生产工艺以及其在近临界水中水解反应的动力学，为实现毛发废弃物的资源 化利用，提供一种环境友好的绿色生产工艺，并为工业化放大提供基础数据。 本方法是一种全新的水解工艺，以近临界水为反应溶剂，可以变多相反应 为均相反应，降低传质、传热阻力，提高反应效率，缩短反应时间，同时避免 使用酸碱催化剂，对环境没有污染，大大优于传统的水解方法，而且变废为宝， 具有较大经济效益。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 毛发研究概况 毛发中含有丰富的蛋白质，其粗蛋白质含量高达8 0 以上。其主要以角蛋 白质的形式存在，而角质蛋白主要是由胱氨酸等约1 7 种氨基酸以肽键互相结合 构成的长链大分子，其中二硫键、氢键、酯键等保持角蛋白的空间构型，使其 相互交联形成三维结构，因而在自然条件下很难降解【l 们。羽毛角蛋白的结构如 图1 1 所利1 1 】。从理论上讲，蛋白质的肽键可以通过酸、碱、酶介质水解来拆 断酰胺键，使其变成多肽及游离氨基酸。 失纤 图1 1 羽毛角蛋白的结构 2 上海大学硕上学位论文 目前，我国主要采用以下几种方法进行羽毛粉的加工生产【1 2 4 1 。 ( 1 ) 酸( 碱) 水解法【1 5 1 8 】 将羽毛除尘洗净后，浸入一定浓度的酸( 盐酸、磷酸) 或碱( 氢氧化钠) 中，加热水解。直至用手轻易拉断为止，此后中和、干燥或捞出后用清水洗成 中性，再脱水干燥制成成品。此过程破坏角蛋白中的二硫键，使羽毛蛋白分解 成可消化吸收的状态。实践表明，o 2 0 6 的氢氧化钠能够分开胱氨酸二硫 键的结合因子，提高羽毛的溶解度及对消化性蛋白分解酶的敏感性。但此方法 要注意酸或碱的浓度和作用时间。经酸( 碱) 和长时间加热作用导致氨基酸不 同程度的破坏，另外还可导致氨基酸发生消旋现象，从而导致蛋白质利用率下 降。 ( 2 ) 酶解法 1 9 6 3 年n i e k e r s o n 等【1 9 】首次提出将具有分解角蛋白活性的酶称为角蛋白酶 ( k e r a t i n a s e ) 。角蛋白酶属于诱导型酶，需外源诱导物诱导而生，具有专一降解 天然角蛋白的功能。目前国外对角蛋白酶进行的大量研究主要包括角蛋白酶分 解菌的筛选、角蛋白酶的分离提纯、角蛋白酶的分子生物学研究，最近又开始 进行角蛋白酶高级结构、活性表达分子基础及酶工程方面的研究。而国内对角 蛋白酶的研究仅停留在产角蛋白酶菌种的分离、筛选，角蛋白酶的分离纯化， 角蛋白酶的理化性质方面，对其结构和作用机制的研究较少。 我国福建省福大百特发展有限公司在2 0 0 3 年研究开发出一种高效角蛋白 酶，它可以用来处理羽毛得到多肽和氨基酸的混合物。福建省最大的养鸡专业 户福建圣农公司采用该技术以后，原本当作废物的羽毛的身价立刻涨了1 0 倍，年创产值千万元【2 0 1 。 ( 3 ) 微生物法 1 9 9 0 年w i l l i a m s 等【2 1 】从家禽养殖废物的高温厌氧消化系统中获得了能够降 解羽毛的地衣芽抱杆菌( b a c c i l l u sl i n c h e n i f o r m i sp d w - i ) ，它能发酵羽毛并将羽 毛转变为部分水解的产物，其营养价值和饲用大豆蛋白质相当。与经过热压处 理的羽毛粉进行厌氧发酵后，可产生大量的氨基酸和多肽。 1 9 9 6 年f r i e d d e h 2 2 1 分离到一株利用羽毛角蛋白的嗜热厌氧菌闪光杆菌 3 上海大学硕士学位论文 ( f e r v i d o b a c t e r i u mp e n n a v o r a n s ) 。2 0 0 1 年m r o z s 等【2 3 1 又从部分降解的羽毛中分 离到一株能降解角蛋白的地衣芽孢杆菌，在温度为3 2 0 k , p h 为7 0 的发酵条件 下，该菌表现出极强的降解能力。近年来对降解羽毛的地衣芽饱杆菌的研究还 在不断深入【2 牝7 1 。 ( 4 ) 高温高压水解法 水解羽毛粉主要依靠水解过程中时间、压力、温度的控制。其加工过程为： 收集羽毛除尘清洗后，装入水解罐中，在高温高压条件下水解，然后烘干、粉 碎、化验、包装成成品。这种加工工艺突出特点是彻底破坏羽毛角蛋白质稳定 的空间结构，但其反应周期还是相对比较长，而且由于水解后二硫键断裂，会 使胱氨酸的含量减少口8 1 。 ( 5 ) 膨化澍2 9 】 采用膨化机对羽毛进行膨化处理，原理是利用膨化机内高温高压和高剪切 作用，羽毛在膨化中瞬间受到4 3 3 k 高温及一定催化剂的作用，使羽毛在出模 孔减压膨化时破坏角质蛋白的牢固空间结构，二硫键断裂。角质蛋白纤维变成 较小的蛋白质亚单元和线状排布的肽链群，易于被动物消化吸收。 以上这些方法，使得废弃的毛发到了应用，但是有的深加工带来了新的污 染，而且毛发的利用率比较低，一般都只是用作牲畜饲料添加剂。随着工业化 生产水平和经济发达程度的提高，人们在不断的寻找新的方法和途径，对羽毛 综合利用，来提高其附加值。在( 超) 近临界水中，羽毛可以水解生成多种氨 基酸，而其他的有机物在超临界水中则被氧化成二氧化碳，氮气等。这样既能 变废为宝，又能避免环境污染，这也是本课题的意义所在。 1 3 2 超( 近) 临界水研究概况 与传统的溶剂相比，超( 近) 临界水不仅在生态经济、安全等方面具有一 定的优势，而且由于其密度、离子积和介电常数等可由压力和温度调节，是一 种合适的反应介质，因此超( 近) 临界水中的化学反应引起了广泛重视【3 0 1 。总 之，超( 近) 临界水中的反应有其独特的优点，如反应的选择性高、反应容易 实现等，因此其深受欢迎。 4 上海大学硕士学位论文 近年来，利用高温的超( 近) 临界水进行生物质转化的研究引起了人们的 广泛重视，开展了许多非常有意义的工作。利用超( 近) 临界水对生物质进行 转化，水不仅作为溶剂，同时还可以作为反应物参与反应，成为由生物质生产 燃料气和化工原料的重要途径之一【3 1 1 。 ( 1 ) 生物质制氢 生物质在超( 近) 临界水中发生气化反应，可产生h 2 ，是一条环境友好的 制氢途径。其基本原理为，在高温的超( 近) 临界水里，淀粉、纤维素等生物 质可转化为葡萄糖及其异构体，继续升高温度可使葡萄糖及其异构体转化为 h 2 、c o 等。 a n t a l 课题组 3 2 - 3 3 】是最早进行超临界水中生物质转化研究的，起初他们开发 了超临界水中由生物质转化生成h 2 的技术，后来又对s w c 中的生物质气化反 应进行了深入细致的研究。 y u 等【3 2 1 在较宽的浓度范围内研究了葡萄糖在超临界水中的气化反应。他们 报道o 1 m m o l l 的葡萄糖可以完全转化为富含h 2 的合成气，而当浓度较高时， 在8 7 3 k 、3 4 5 0 m p a 的温度压力条件下，停留时间为3 4 s 时，葡萄糖不能完全 转化为气体，并且发现气体的收率和组成与反应器的器壁和反应物的浓度有关。 在后续研究中，x u 等发现活性炭和木炭是有效的催化剂，可以提高葡萄糖中 碳的气化效率。同时发现，3 4 5 0 m p a 时温度从8 7 3 k 降至7 7 3 k ，可使1 0 m o l l 葡萄糖的气化率从9 8 降至5 1 ，并且在高浓度时，气化率对反应条件很敏感。 最近，他们以玉米杆、土豆淀粉、木头粉末等生物质为原料，研究了它们在超 临界水中的分解反应【3 4 1 。在温度高达9 2 3 k 的超临界水中，生物质中的有机成 分分解为h 2 、c 0 2 、c o 、c h 4 和少量c 2 h 6 等气体，而冷却后的水无色、无有 害物质、p h 值在3 0 至8 0 之间变化，基本上不会污染环境。y u 等【3 2 】人的研究 表明只有在生物质浓度较低的超临界水里，才可以有效地将生物质转化为h 2 。 而在浓度较高时，生物质容易转化为聚合物。为了能将更多的生物质转化，x u 掣3 3 】人采用了活性炭催化的办法，虽然得到的h 2 收率较低，但生物质完全转化 为气体。 m i n o w a 3 5 】采用n i 催化剂在超( 近) 临界水中研究了纤维素的气化。他们 上海大学硕上学位论文 虽然提高了纤维素的气化速率，但同时也提高了甲烷的收率，抑制了h 2 的产生。 k r u s e 3 6 】及其合作者采用5 o 的k o h 作催化剂，使h 2 的收率提高了近3 倍， 认为k o h 加速了水气转化反应。最近，w a t a n a b e t 3 刀等以z r 0 2 为催化剂，以葡 萄糖和纤维素为原料，使h 2 的收率提高一倍。s i n a g 3 s 以0 5 的k 2 c 0 3 为催化 剂，在超i 临界水中转化纤维素和葡萄糖也提高了h 2 的收率。通过这些研究可以 得知，在超临界水中由生物质转化生产h 2 能源是一条有效、可行的环境友好的 方法但是欲将其推广应用，还需解决一些工程上的问题，目前这方面的研究还 很少。 日本科学家，y o s h i d a 等【3 9 】研究了纤维素、木聚糖、木质素混合物在6 7 3 k 、 2 5 0 m p a 的超临界水中的气化反应，气体主要成分为h 2 、c 0 2 、c h 4 和少量c 2 i - 1 4 。 研究得知，混合物中木质素的存在会降低气体的产量，尤其降低了h 2 的产量。 通过数值分析，他们建立了气体产量、组成与混合物中木质素含量间的关系式。 后来他们又在6 7 3 k 和2 5 0 m p a 的超临界水中，考察了镍催化剂和木质素结构 对纤维素和木质素混合物在超临界水中转化的影响【4 0 1 。 s a s a k i 等【4 i 】进行了纤维素在近临界水和超临界水中的分解反应研究，观测 了反应过程中的相态变化，评价了纤维素的分解速率和产物分布。在高温的近 临界和超i 临界水中，纤维素分子内和分子问的氢键断裂，使纤维素的溶解度和 溶解速率大为增加，从而纤维素的水解可以在均相的条件下进行，大大增加了 分解速率。葡萄糖是生物质在水中转化过程中最基本的中间产物，因此研究者 们常以它作为模型化合物研究生物质在超临界水中的转化动力学和分解机理。 l e e 等【4 2 】人采用管式反应器，在2 8 m p a 、7 5 3 1 0 2 3 k 的超临界水中，研究 了葡萄糖在1 0 5 0 s 时间内的分解气化反应，发现7 8 3 9 3 3 k 的温度范围内，产 物中c o 保持较高的浓度，并随温度升高而增加；在温度高于9 9 3 k 时，产物中 h 2 的收率随温度升高急剧增加，而c o 的收率则有所下降，认为水汽转化反应 导致了这一结果：温度达到9 7 3 k 时，碳的气化率几乎达到1 0 0 。这些结果对 于正确认识生物质中葡萄糖成分的气体转化具有重要的意义。 s i n a g 掣3 8 】研究了在6 7 3 k 和7 7 3 k ，压力为3 0 m p a 和5 0 m p a 的超临界水中， 0 5 w t1 k 2 c 0 3 催化剂对葡萄糖水热分解反应的影响。在所研究的条件下，葡 6 l ：海人学硕上学位论文 萄糖先转化为苯酚、对甲基苯酚、糠醛等中间产物，这些中间产物最终转化为 气体。催化剂的存在导致较高的c 0 2 和h 2 的收率和较少的c o 。 ( 2 ) 生物质水解为氨基酸、乙醇醛和( 不饱和) 脂肪酸等化工原料和产品 在超临界水中由生物质转化为化学物质的研究也是科学家们极为感兴趣的 课题。s a s a k i 等【4 3 】在无催化剂的条件下，7 2 3 k 、3 5 0 m p a 的超临界水中，用了 很短的反应时间( o 2 5 s ) ，水解葡萄糖得到收率高达6 4 2 0 的乙醇醛。这一成 果对运用环境友好的超临界水从以纤维素为原料的生物质生产有机化学品提供 了很好的方法，因此具有重要的意义。 朱宪等m 4 5 】人研究了在无催化剂条件下，近临界水中薯蓣皂苷水解成薯蓣 皂苷元的工艺，分别考察了反应温度、反应压力、反应时间等因素对薯蓣皂苷 元收率的影响以及反应动力学。研究结果表明，近临界水解法工艺简单，反应 时间短，对环境友好，在较佳工艺条件下：p = 2 5 0m p a ，t 三5 3 3 k ，t = 1 0m i n ， 薯蓣皂苷元收率为1 4 6 。在5 0 3 5 3 3 k ，2 5 m p a 条件下，薯