步琦近紅外助力再循環
ProxiMate 快速檢測秸稈糖
近紅外應用
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簡介
秸稈是一種豐富且廉價的可再生資源，主要成分包括纖維素、半纖維素和木質素。隨著全球對可再生能源和綠色化學品需求的增加，秸稈作為生物質資源的利用越來越受到關注。通過微生物發酵技術，秸稈中的纖維素和半纖維素可以轉化為糖液，進一步用于生產生物燃料、生物塑料等。這一過程不僅能有效利用農業廢棄物，還能減少環境污染，具有重要的生態和經濟意義。
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工業利用秸稈類物質的主要步驟
1、預處理
在微生物發酵之前，秸稈需要經過預處理。預處理的目的是打破秸稈的復雜結構，使纖維素和半纖維素暴露出來，更易于后續的微生物降解。
常見的預處理方法有以下幾種：
物理預處理：通過機械粉碎、蒸汽爆破等方法增加秸稈的表面積，破壞其結構
化學預處理：使用酸、堿或其他化學試劑處理秸稈，溶解部分木質素，增加纖維素的可及性
生物預處理：利用特定的微生物或酶來降解秸稈中的木質素和半纖維素，增強纖維素的可發酵性
2、發酵
預處理后的秸稈將被送入發酵罐中，與特定的微生物（如酵母菌、乳酸菌或細菌）混合。微生物在適宜的溫度、pH值和營養條件下，分泌酶類分解纖維素和半纖維素，產生單糖（如葡萄糖、木糖等）。這個過程稱為酶解發酵。為了提高效率，發酵過程常常在厭氧條件下進行，并定期監測和調節發酵環境。
3、提取和純化
發酵結束后，生成的糖液需要從發酵液中提取出來。
常用的提取和純化方法包括：
過濾：通過物理過濾將固體殘渣與糖液分離
離心：利用離心力分離發酵液中的固體和液體部分
膜分離：使用半透膜進行精細分離，去除雜質，提高糖液的純度
4、后處理
提取出的糖液可直接用于生產生物燃料（如乙醇）或進一步加工成其他化學品。后處理步驟可能包括濃縮、蒸發和干燥等，以滿足不同應用的需求。
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相關儀器
在發酵結束后進行提取純化，一方面是為了提高產品的純度，另一方面也是要延長產品的保質期，通常在純化前后要對產品中的各個有效組分進行檢測，對于大規模生產的企業來說，其日常分析肯定是一項非常繁重的任務。而近紅外分析技術就能很好的幫助使用者快速無損地檢測產品中多個組分的含量。
下面介紹的一則實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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實驗內容
27 個濃縮糖液樣品使用 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 A、B、C、D 四種成分建模的結果如下表所示：
糖液樣品四種指標模型評價表：
指標 | 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 個外部樣品進行驗證，近紅外預測結果和色譜分析結果如下：
▲外部獨立驗證近紅外與色譜結果分布圖
外部獨立驗證近紅外與色譜結果對比誤差表：
序號 | 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 |
從上述驗證結果不難看出，ProxiMate 對糖液四種組分的建模預測效果良好，說明近紅外可以對秸稈糖液進行快速分析。
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實驗結論
上述案例中使用的是 BUCHI 的 ProxiMate 近紅外光譜儀，具有 IP69 的高防護等級及 FDA 認證的外殼設計，能夠勝任各種復雜條件下的測量工作，固定陣列光柵也無懼振動環境的干擾，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的測量需求。
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