CN104655773A

CN104655773A - 一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法

Info

Publication number: CN104655773A
Application number: CN201510044267.5A
Authority: CN
Inventors: 胡会超; 陈礼辉; 黄六莲; 何婷婷; 杨雪芳
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-01-28
Also published as: CN104655773B

Abstract

本发明公开一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，涉及乙酸含量的检测。本方法往生物质预处理液中加入非挥发性酸溶液得到待测溶液，使待测溶液的氢离子浓度为10^-4mol/L～5.0mol/L；分别取待测溶液和若干不同浓度的乙酸标准溶液于不同的顶空瓶中，密封后得到待测顶空瓶，所述待测顶空瓶中溶液的体积不超过0.55mL/mL顶空瓶容积；采用全挥发顶空气相色谱技术将乙酸传输至气相色谱仪中检测乙酸气相色谱信号值；最后计算出生物质预处理液中的乙酸含量。本发明所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法具有制样简单、快速、测定准确度高和重现性好等优点，可广泛应用于生物质预处理液中乙酸浓度的检测。

Description

一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法

技术领域

本发明涉及乙酸含量的检测，更具体地，涉及一种生物质精炼及相关领域中预处理液中乙酸含量的检测方法。

背景技术

乙酸是一种简单的羧酸，由一个甲基一个羧基组成，是一种重要的化学试剂。在化学工业中，它被用来制造聚对苯二甲酸乙二酯，后者即饮料瓶的主要部分。乙酸也被用来制造电影胶片所需要的醋酸纤维素和木材用胶粘剂中的聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纤维和织物。家庭中，乙酸稀溶液常被用作除垢剂。食品工业方面，在食品添加剂列表E260中，乙酸是规定的一种酸度调节剂。每年世界范围内的乙酸需求量在650万吨左右。其中大约150万吨是循环再利用的，剩下的500万吨是通过石化原料直接制取或通过生物发酵。近年来，随着全球石化原料的日趋缺乏，以世界上最丰富的可再生原材料——木质生物质为原料，采用稀酸、热水、绿液、乙醇等药剂在提取半纤维素的过程中获得乙酸的技术已经得到广泛的关注。显然，生物质预处理液中乙酸含量的快速测定方法，对于提高相关科学研究和产业的效率和效益具有重要的作用。

目前，液相样品中乙酸含量的检测方法主要有酸碱滴定法、电位滴定法、紫外可见光谱法、高效液相色谱和气相色谱技术进行检测。生物质预处理液成分的复杂性（甲酸、乙酰丙酸、多元弱酸等干扰）使得酸碱滴定和电位滴定法通常极大地高估了生物质预处理液中的乙酸含量，而紫外可见光谱对色值较高的预处理液通常无法进行测定。尽管高效液相色谱和气相色谱技术可通过色谱技术将乙酸与其它干扰物质分离；但是，生物质预处理液含有大量的固体颗粒物和非乙酸类溶解性物质（高沸点物质和无机盐等），这些将对气相色谱的进样口、色谱柱和色谱分离产生很大的危害。固然，较大的固体颗粒物可通过离心和过滤的方法去除，但难以去除的小颗粒固体颗粒常常会阻塞液相色谱柱；另外，液相中的溶液性物质或附着于气相/液相色谱柱上、或影响乙酸的色谱分离效果，也会在气相色谱的进样口或色谱柱前端生成焦化物；大大降低了检测的速度和增加了测定成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有乙酸含量测定方法的不足，提供一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法。所述方法采用全挥发顶空气相色谱技术测定生物质预处理液中乙酸含量的方法。所述方法可有效克服样品中细小固体颗粒物、无机盐和高沸点物质造成的障碍和干扰，具有简单、快速的特点，适用于生物质(针叶木、阔叶木、禾本科植物及其它生物质废弃物等)预处理液中乙酸的批量化检测。

为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：

本发明所述的一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）样品酸化：往生物质预处理液中加入非乙酸类酸溶液或非乙酸盐类碱溶液调节pH值，混合均匀后得到待测溶液，所述待测溶液的氢离子浓度为10^-4mol/L～5.0mol/L；

（2）样品制备：分别取步骤（1）所得的待测溶液和若干不同浓度的乙酸标准溶液于不同的顶空瓶中，并将顶空瓶密封后得到待测顶空瓶，所述待测顶空瓶中待测溶液和乙酸标准溶液的体积不超过0.55mL/mL顶空瓶容积；

（3）样品平衡和检测：将步骤（2）所得的待测顶空瓶置于自动顶空进样器进行平衡处理，然后采用配有火焰离子化检测器的气相色谱仪进行测定，分别记录不同待测顶空瓶的乙酸气相色谱信号值A；

自动顶空进样器的条件为：炉箱温度为40～200^oC、平衡时间为2～60min；

（4）根据步骤（3）中得到的乙酸气相色谱信号值A计算得到待测溶液中乙酸的含量；

步骤（1）中所述待测溶液的氢离子浓度为2.5×10^-4mol/L～1.0mol/L。

步骤（1）还包括将待测溶液超声处理0～10min。

步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件为：炉箱温度为40～170^oC、平衡时间为3～15min。

步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件还包括：辅助气压力高于0.5bar，载气压力高于0.25bar，定量环体积0.5～3mL，加压时间、定量环气体填充时间和/或气体传输至气相色谱仪中的时间不低于5s。

步骤（3）中气相色谱仪的条件为：进样口采用不分流或分流比在0.1:1至250:1，进样口压力为5～150psi，柱箱温度为20～260℃，保留时间为1～25min，检测器温度为150～300℃，载气流速为5～30mL/min。

步骤（3）中气相色谱仪采用极性色谱柱。

步骤（4）中根据若干不同浓度的乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值A绘制标准工作曲线，并根据标准工作曲线计算得到待测溶液中乙酸的浓度。

步骤（2）中采用不与乙酸发生反应、且不吸附乙酸的隔垫和盖子对顶空瓶进行密封。

步骤（1）还包括将待测溶液中的固体颗粒物去除。

为实现本发明的目的，所采用的具体技术方案是:

所述的一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，包括如下步骤：

自动顶空进样器的条件为：炉箱温度为90～200^oC、平衡时间为2～60min；

本发明首先采用非乙酸类酸溶液将生物质预处理液的氢离子浓度为10^-4mol/L～5.0mol/L，将乙酸盐全部转化为乙酸、并保证不至因为酸度过大而发生干扰反应；然后在顶空瓶中加入特定量的待测溶液，控制顶空瓶中超低的液-气比(每毫升的顶空瓶容积加入量不超过0.55mL的待测溶液)，在自动顶空进样器进行平衡处理，在高温下将顶空瓶液相中的乙酸全部挥发至气相，从而消除了样品的基质效应；气相中的乙酸采用配有火焰离子化检测器气相色谱仪进行测定；最后，利用标准工作曲线将生物质预处理液中的乙酸计算出来。

优选地，所述非乙酸类酸溶液为硫酸、磷酸、草酸和甲酸等，所述非乙酸盐类碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和甲酸钠等，采用非乙酸类酸溶液或非乙酸盐类溶液可以避免对生物质预处理液中乙酸含量的测定造成干扰。

优选地，步骤（1）中所述待测溶液的氢离子浓度为2.5×10^-4mol/L～1.0mol/L。由此，可将乙酸根全部转化为乙酸的形态，但也不会因为氢离子浓度过高而导致乙酸在检测过程中与其它有机物发生化学反应。

优选地，步骤（1）还包括将待测溶液超声处理0(大于0)～10min。利用超声波震荡将待测溶液中的气泡去除，以避免大量气泡造成的取样精确度较差的问题。

优选地，步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件为：炉箱温度为90～170^oC、平衡时间为3～15min。基于此条件，样品中的乙酸将在尽量避免产生干扰化学反应的前提下全部挥发至气相。

优选地，步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件还包括：辅助气压力高于0.5bar，载气压力高于0.25bar，定量环体积0.5～3mL，加压时间、定量环气体填充时间和/或气体传输至气相色谱仪中的时间不低于5s。

优选地，步骤（3）中气相色谱仪的条件为：进样口采用不分流或分流比在0.1:1至250:1，进样口压力为5～150psi，柱箱温度为20～260℃，保留时间为1～25min，检测器温度为150～300℃，载气流速为5～30mL/min。

进一步优选地，步骤（3）中气相色谱仪的条件为：进样口采用不分流或分流比在10:1至150:1，进样口压力为10～50psi，柱箱温度为80～250℃，保留时间为1～15min，检测器温度为250～300℃，载气流速为10～25mL/min。

优选地，气相色谱仪采用的载气为氮气或氦气，燃气为氢气、助燃气为空气。

优选地，步骤（3）中气相色谱仪采用极性色谱柱。所述极性色谱柱为HP-5、HP-INNOWAX、DB-5和HP-FFAP等极性色谱柱。

优选地，步骤（4）中根据若干不同浓度的乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值A绘制标准工作曲线，并根据标准工作曲线计算得到待测溶液中乙酸的浓度。

优选地，步骤（2）中采用不与乙酸发生反应、且不吸附乙酸的隔垫和盖子对顶空瓶进行密封。

优选地，步骤（1）还包括将待测溶液中的固体颗粒物去除。本发明使用离心沉淀分离或过滤的方法去除样品中的固体颗粒物，防止阻塞微量注射器针头或移液枪枪头，并可避免固体颗粒物继续发生酸水解而导致检测量偏高的问题。

优选地，步骤（2）中不同浓度的乙酸标准溶液的浓度范围包括待测溶液的乙酸浓度，以提高检测的精度和准确度。本发明中所述不同浓度的乙酸标准溶液的个数为3～8个，其浓度变化的梯度均匀。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

（1）本发明所述的方法采用全挥发顶空气相色谱技术，具有制样简单、样品需要量少、检测快速和适于批量检测的优点。

（2）本发明所述的方法有效克服了生物质预处理液中无机盐、细小固体颗粒和非挥发性高沸点物质对气相色谱的影响。

（3）本发明所述的方法有效消除了生物质预处理液中非乙酸类物质的基质效应，避免了采用标准加入法所造成的工作量过大的问题。

（4）本发明所述的方法具有检测精确度和准确度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一中所使用的标准工作曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下各个实施例中使用的相同的仪器和药品如下：

自动顶空进样器：DANI 86.50 Plus

气相色谱仪-火焰离子化检测器：Agilent 7890B

实施例一

（1）用移液枪准确量取1mL的竹子乙醇预处理液置于干燥的顶空瓶中，加入50mL硫酸溶液（0.2mol/L），剧烈摇晃至混合均匀得到待测溶液，待测溶液的氢离子浓度为10^-2mol/L，并置于超声波振荡器中超声5分钟去除待测溶液中的气泡。

（2）采用0.45mm水相滤头将（1）中的待测溶液过滤，使用微量注射器准确量取5mL过滤后的待测溶液加入到干燥的顶空瓶（20mL）中，并用配有聚四氟乙烯/丁基橡胶垫的铝盖将顶空瓶密封，得到待测顶空瓶。

（3）将（2）中的待测顶空瓶置于自动顶空进样器中进行平衡处理，平衡结束后顶空瓶气相中的乙酸采用顶空-气相色谱-火焰离子化检测器进行测定，并记录乙酸气相色谱信号值A₀=151.7。其中自动顶空进样器的条件为：炉箱温度设定为70^oC，平衡时间为55min，进样间隔3min，辅助气压力为1.5bar，载气压力为0.5bar，定量环体积0.5mL，加压时间、定量环气体填充时间和气体传输至气相色谱仪中的时间为5s；

气相色谱仪的条件为：进样口不分流，进样口压力为20psi，进样口温度为250^oC，柱箱温度为180^oC，保留时间为2.9min，检测器温度为300℃，载气流速为12mL/min，载气为氮气，燃气为氢气、助燃气为空气，采用HP-5色谱柱。

（4）配制七个不同浓度的乙酸标准溶液，即：1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L、5.0g/L、7.5g/L、10.0g/L，按照步骤（1）～（3）的方法检测乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值。以装有乙酸标准溶液的顶空瓶中的乙酸溶液浓度为自变量、其对应的气相色谱信号值为因变量，采用线性拟合将得到以下标准工作曲线。将步骤（3）中待测溶液的乙酸气相色谱信号值，代入获得乙酸标准工作曲线中，得到该竹子热水预处理液中乙酸的浓度c₀为5.36g/L。

为了说明该结果的可靠性，分别在待测溶液中加入五个浓度的乙酸溶液（1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L、5.0g/L），并按照上述步骤（1）～（4）进行测定，测得的结果表明本方法的回收率在95.6%～103.9%之间；进一步，将该检测结果与液相色谱的检测结果作对比，结果表明本专利所述方法的相对标准偏差为3.9%。这说明本方法对测定生物质乙醇预处理液中乙酸浓度具有很高的准确度。

实施例二

（1）用移液枪准确量取1mL的桉木稀酸预处理液置于干燥的顶空瓶中、加入100mL草酸溶液（0.1mol/L）、剧烈摇晃至混合均匀得到待测溶液，待测溶液的氢离子浓度为10^-3mol/L，并置于超声波振荡器中超声1分钟去除待测溶液中的气泡。

（2）采用0.45mm水相滤头将（1）中的待测溶液过滤，使用微量注射器准确量取11mL过滤后的待测溶液加入到干燥的顶空瓶（20mL）中，并用配有聚四氟乙烯/丁基橡胶垫的铝盖将顶空瓶密封，得到待测顶空瓶。

（3）将（2）中的待测顶空瓶置于自动顶空进样器中进行平衡处理，平衡结束后顶空瓶气相中的乙酸采用顶空-气相色谱-火焰离子化检测器进行测定，并记录乙酸气相色谱信号值A₀=231.2。其中自动顶空进样器的条件为：炉箱温度设定为120^oC、平衡时间为10min、进样间隔3min，辅助气压力为2bar，载气压力为1bar，定量环体积1mL，加压时间、定量环气体填充时间和气体传输至气相色谱仪中的时间为6s；

气相色谱仪的条件为：进样口不分流、进样口压力为10psi、进样口温度为250^oC，柱箱温度为80^oC，保留时间为9min，检测器温度为300℃，载气流速为20mL/min，载气为氮气，燃气为氢气、助燃气为空气，采用HP-FFAP色谱柱。

（4）配制4个不同浓度的乙酸标准溶液，即：3.0g/L、5.0g/L、7.5g/L、10.0g/L，按照步骤（1）～（3）的方法检测乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值。以装有乙酸标准溶液的顶空瓶中的乙酸溶液浓度为自变量、其对应的气相色谱信号值为因变量，采用线性拟合将得到以下标准工作曲线。将步骤（3）中待测溶液的乙酸气相色谱信号值，代入获得乙酸的标准工作曲线中，得到该桉木稀酸预处理液中乙酸的浓度c₀为8.25g/L。

为了说明该结果的可靠性，分别在待测溶液加入五个浓度的乙酸溶液（1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L、5.0g/L），并按照上述步骤（1）～（4）进行测定，测得的结果表明本方法的回收率在94.3%～105.2%之间；进一步，将该检测结果与液相色谱的检测结果作对比，结果表明本专利所述方法的相对标准偏差为-4.5%。这说明本方法对测定生物质稀酸预处理液中乙酸浓度具有很高的准确度。

实施例三

（1）用移液枪准确量取1mL的南方松绿液预处理液置于干燥的顶空瓶中、加入300mL磷酸溶液（2mol/L）、剧烈摇晃至混合均匀得到待测溶液，待测溶液的氢离子浓度为0.1 mol/L，并置于超声波振荡器中超声3分钟去除待测溶液中的气泡。

（2）采用0.45mm水相滤头将（1）中的待测溶液过滤，使用微量注射器准确量取8mL过滤后的待测溶液加入到干燥的顶空瓶（20mL）中，并用配有聚四氟乙烯/丁基橡胶垫的铝盖将顶空瓶密封，得到待测顶空瓶。

（3）将（2）中的待测顶空瓶置于自动顶空进样器中进行平衡处理，平衡结束后顶空瓶气相中的乙酸采用顶空-气相色谱-火焰离子化检测器进行测定，并记录乙酸气相色谱信号值A₀=73.8。其中自动顶空进样器的条件为：炉箱温度设定为190^oC、平衡时间为3min，进样间隔3min，辅助气压力为1.5bar，载气压力为1.5bar，定量环体积3mL，加压时间、定量环气体填充时间和/或气体传输至气相色谱仪中的时间为7s；

气相色谱仪的条件为：进样口不分流，进样口压力为30psi，进样口温度为150^oC，柱箱温度为220^oC，保留时间为25min，检测器温度为300℃，载气流速为30mL/min，载气为氮气，燃气为氢气、助燃气为空气，采用HP-5色谱柱。

（4）配制七个不同浓度的乙酸标准溶液，即：1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L、5.0g/L、7.5g/L、10.0g/L，按照步骤（1）～（3）的方法检测乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值。以装有乙酸标准溶液的顶空瓶中的乙酸溶液浓度为自变量、其对应的气相色谱信号值为因变量，采用线性拟合将得到以下标准工作曲线。将步骤（3）中待测溶液的乙酸气相色谱信号值，代入获得乙酸的标准工作曲线中，得到该南方松绿液预处理液中乙酸的浓度c₀为2.53g/L。

为了说明该结果的可靠性，分别在待测溶液加入五个浓度的乙酸溶液（0.5g/L、1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L），并按照上述步骤（1）～（4）进行测定，测得的结果表明本方法的回收率在98.8%～104.7%之间；进一步，将该检测结果与液相色谱的检测结果作对比，结果表明本专利所述方法的相对标准偏差为6.1%。这说明本本方法对测定桉木绿液预处理液中乙酸浓度具有很高的准确度。

Claims

1.一种测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（4）根据步骤（3）中得到的乙酸气相色谱信号值A计算得到待测溶液中乙酸的含量。

2.根据权利要求1所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（1）中所述待测溶液的氢离子浓度为2.5×10^-4mol/L～1.0mol/L。

3.根据权利要求1所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（1）还包括将待测溶液超声处理0～10min。

4.根据权利要求1所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件为：炉箱温度为40～170^oC、平衡时间为3～15min。

5.根据权利要求1所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（3）中所述自动顶空进样器的条件还包括：辅助气压力高于0.5bar，载气压力高于0.25bar，定量环体积0.5～3mL，加压时间、定量环气体填充时间和/或气体传输至气相色谱仪中的时间不低于5s。

6.根据权利要求1所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（3）中气相色谱仪的条件为：进样口采用不分流或分流比在0.1:1至250:1，进样口压力为5～150psi，柱箱温度为20～260℃，保留时间为1～25min，检测器温度为150～300℃，载气流速为5～30mL/min。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（3）中气相色谱仪采用极性色谱柱。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（4）中根据若干不同浓度的乙酸标准溶液的乙酸气相色谱信号值A绘制标准工作曲线，并根据标准工作曲线计算得到待测溶液中乙酸的浓度。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（2）中采用不与乙酸发生反应、且不吸附乙酸的隔垫和盖子对顶空瓶进行密封。

10.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述测定生物质预处理液中乙酸含量的方法，其特征在于，步骤（1）还包括将待测溶液中的固体颗粒物去除。