纤维素的水解

纤维素的水解

胥生杰，40907002

（2009级化学一班，[1**********],[email protected]）

一、 实验原理：

纤维素在一定温度和酸性催化剂条件下，能够发生水解，最终生成葡萄糖：

(C6H10O5)n（纤维素） + nH2O ＋△ nC6H12O6（葡萄糖）

葡萄糖为多羟基醛，分子中含有醛基，具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制得的氢氧化铜悬浊液还原为砖红色Cu2O沉淀，也能和银氨溶液发生银镜反应。

二、 实验操作过程与实验现象：

（一） 纤维素的水解：（滤纸）

按浓硫酸与水7:3（体积比）的比例配置H2SO4溶液20mL于50mL的小烧杯中，待溶液冷却后，取一张滤纸，将其对折，取四分之一张，撕碎，加入小烧杯H2SO4溶液中，边加边用玻璃棒搅拌，使其变成无色粘稠状液体，然后将烧杯放入水浴（约60℃）中加热约10min，直到溶液变成棕色为止。取出小烧杯，冷却后倒入另一个盛有约20mL蒸馏水的烧杯中，用量筒量取1mL该溶液注入一

支试管，用NaOH固体中和至pH约为5～６，再用Na2CO3调节溶液的pH至9。

（二）银镜反应：

取一支用酸和碱溶液清洗过的干净试管，配制银氨溶液：取3mLAgNO3溶液，向其中滴加氨水，看到有沉淀生成，继续滴加，直到沉淀刚好完全消失，为配制好的银氨溶液。向银氨溶液中加入２～３mL纤维素的水解液，水浴（60-80℃）加热15min左右，试管壁附积一层银镜，银镜反应结束。

CH2OH-(CHOH)4-CHO+2Ag(NH3)2OH→H2O+2Ag↓+3NH3+CH2OH-(CHOH)4-CO

ONH4

（三）葡萄糖与氢氧化铜悬浊液的反应：

配制Cu(OH)2悬浊液：取2mLCuSO4溶液，向其中滴加NaOH溶液，直到溶液的pH＞11。配制好悬浊液后在酒精灯上加热片刻，看到溶液变为绿色，有黑色测定生成。

C6H12O6(葡萄糖)+2Cu(OH)2→CH2OH(CHOH)4COOH+Cu2O↓+H2O

三、实验应注意的事项：

1.浓硫酸有强烈的腐蚀性，在取浓硫酸时一定要戴上橡皮手套，注意自身及他人的安全。

2.滤纸加入硫酸溶液后水浴加热，水温不能过高，防止纤维素在浓硫酸中炭化。 3.配制银氨溶液前，试管要绝对干净，要用酸和碱分别清洗，再用大量自来水清洗，再用蒸馏水清洗，若有微量杂质，则会影响银镜的生成。

4.配制银氨溶液时，氨水不能过量，沉淀刚刚完全消失就停止加氨水。 5.配制Cu(OH)2悬浊液时，pH必须大于11。

四、相关文献与重点文献综述：

纤维素水解方法简介：

纤维素制燃料乙醇的难点在于纤维素的水解, 目前已有的水解方法包括浓酸水解法、稀酸水解法和酶水解法。

1、浓酸水解:

浓酸水解指在浓度为41% ~ 42% 的盐酸、65%~ 72% 的硫酸或80% ~ 85% 的硝酸中将生物质水解成单糖的方法。

浓酸水解的原理

结晶纤维素在较低的温度下可完全溶解于72%的硫酸或42% 的盐酸中, 转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖(主要是纤四糖)。把此溶液加水稀释并加热, 经一定时间后就可把纤四糖水解为葡萄糖, 且产率较高。

浓酸水解的特点

①糖的回收率高, 最高可达90% 以上;②所需时间长; ③所用的酸必须回收;④对设备的腐蚀严重, 环境污染大。

浓硫酸水解的研究比较早, 技术较为成熟。但由于浓酸的使用及酸的回收较为困难, 限制了该方法的发展。

2、酶水解

酶水解始于20世纪50年代的生化反应, 是较新的生物质水解技术。它主要利用纤维素酶对生物质中的纤维素进行水解进而发酵生成乙醇。

酶水解原理

纤维素酶不是单一物质, 其主要成分为内切葡萄糖酶、外切葡萄糖酶和β-葡萄糖苷酶。其中内切葡萄糖酶的作用是随机地切割β- 1, 4葡萄糖苷键, 使纤维素长键断裂; 外切葡萄糖酶的作用是从纤维素长链的还原端切割下葡萄糖和纤维素二糖; β-葡萄糖苷酶的作用是把纤维二糖和短链低聚糖分解成葡萄糖。

酶水解的特点

酶水解的优点是:①在常温下进行, 过程能耗较低;②酶的选择性高, 糖产率高, 可大于95%;③提纯过程简单, 无污染。酶水解的缺点是: ①所需时间长, 一般需要几天;②酶的成产成本高, 水解原料须经预处理。

可以看出酶水解有着较多的优点, 但要实现大规模应用, 必须极大地降低酶

的生产成本。所以, 目前还没有得到较大地推广。

3、稀酸水解

稀酸水解指用10%以内的硫酸或盐酸等无机酸为催化剂将纤维素、半纤维素水解成单糖的方法。目前有两条研究路线: 一是作为生物质水解的方法, 二是作为酶水解最经济的预处理方法。

稀酸水解的机理

在纤维素的稀酸水解中, 水中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合, 使其变得不稳定, 容易和水反应, 使纤维素长链在该处断裂, 同时又放出氢离子。但是, 所得的葡萄糖还会进一步反应, 生成副产品乙酰丙酸和甲酸。

该过程可以表示为: 纤维素→葡萄糖→降解产物。

稀酸水解的特点

①反应温度较高, 条件剧烈;②会得到对发酵有害的副产物;③影响因素较多, 包括原料粉碎度、液固比、反应温度、时间、酸种类和浓度等;④糖产率较低, 约为50% ~ 70% 。

稀酸水解是研究最广泛的纤维素水解方法, 因为其使用酸的浓度较低, 因此可以不用回收。且随着新型抗腐蚀材料的开发, 设备的腐蚀问题也基本得到解决。因此, 目前企业大多采用该法进行纤维素水解。

这次实验室实验用的是浓酸水解。

五、参考文献：

1.段玉峰.综合训练与设计.科学出版社.北京：源海印刷厂，2001.214-218.

2. 王玉高,赵炜,贡士瑞,许文娟,盛晨. 纤维素水解的研究进展[J]. 化工时刊,2009,05:70-73.