玉米秸稈稀酸蒸汽爆破協(xié)同作用機(jī)制研究

賈天宇，廖克儉，佟名友，王 鑫, 李秀銘

（1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001; 2. 撫順石油化工研究院, 遼寧 撫順 113001)

玉米秸稈稀酸蒸汽爆破協(xié)同作用機(jī)制研究

賈天宇1，廖克儉1，佟名友2，王 鑫2, 李秀銘1

（1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001; 2. 撫順石油化工研究院, 遼寧 撫順 113001)

以玉米秸稈原料，進(jìn)行蒸汽爆破處理，比較了水蒸氣蒸爆、稀酸和稀酸蒸爆3種預(yù)處理方法，通過(guò)對(duì)3種預(yù)處理過(guò)程中米秸稈纖維組分變化、纖維素和半纖維素降解產(chǎn)物和玉米秸稈結(jié)構(gòu)分析以及酶解試驗(yàn)，探討稀酸蒸汽爆破的協(xié)同作用機(jī)制。結(jié)果表明，稀酸蒸爆協(xié)同作用包括稀酸的軟化和蒸汽爆破的活化兩種機(jī)制：一是通過(guò)稀酸脫除大部分的半纖維素破壞了半纖維素與木質(zhì)素間的相互作用，軟化了纖維組織；二是軟化的纖維通過(guò)蒸汽爆破凍結(jié)其活性纖維素超分子結(jié)構(gòu)，增加了纖維素與纖維素酶的接觸面積。

玉米秸稈；蒸汽爆破；預(yù)處理；木質(zhì)纖維素

由木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精滿足綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，是最有可能取代石油的新能源，具有巨大的發(fā)展前景[1]。木質(zhì)纖維素是多組分物料，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素通過(guò)共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其乙醇轉(zhuǎn)化須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，而處理最終目的在于提高酶解效率、原料利用率和總得糖率。蒸汽爆破作為一種預(yù)處理方法，能有效地實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素化學(xué)組分分離，并且不用或少用化學(xué)藥品，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，能耗較低，是近年來(lái)發(fā)展比較快、比較有效、低成本的木質(zhì)纖維素高效分離技術(shù)[2]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于稀酸蒸汽爆破的研究都是針對(duì)不同原料的工藝條件的報(bào)道，而很少涉及到作用機(jī)制等問題。本文以玉米秸稈原料，進(jìn)行蒸汽爆破處理，比較了水蒸氣蒸爆、稀酸和稀酸蒸爆3種預(yù)處理方法，通過(guò)對(duì)3種預(yù)處理過(guò)程中米秸稈纖維組分變化、纖維素和半纖維素降解分析以及酶解試驗(yàn)，探討稀酸蒸汽爆破的協(xié)同作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

玉米干秸稈（纖維素38.2%、半纖維素22.1%、木質(zhì)素20.2%、灰分3.9%），用粉碎機(jī)粉碎至顆粒大小為1~5 mm，待用；試驗(yàn)使用的試劑皆為分析純。

5 L蒸汽爆破機(jī)：北京化工大學(xué)和撫順石油化工研究院共同研制；1 L反應(yīng)釜：大連科茂實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備有限公司；秸稈擠壓器：實(shí)驗(yàn)室自制；Nicolet 6700紅外色譜：美國(guó)NICLOLET公司；waters717液相色譜（410示差檢測(cè)器）：色譜柱HPX-87P，沃特世科技（上海）有限公司；D/Max-2 500衍射儀，日本RIGAKU公司；CDR-4T熱分析儀：北京恒久科學(xué)儀器廠，試驗(yàn)氣氛為高純氮?dú)?，氣體流量為80 mL/min，試驗(yàn)從40 ℃開始，升溫速率為40 ℃/min，終溫為800 ℃[3]。

1.2 玉米秸稈的預(yù)處理

玉米秸稈采用水蒸汽爆破、稀酸蒸汽爆破和稀酸處理三種方法。為了使三種處理方法之間更具可比性，反應(yīng)溫度和時(shí)間皆為190 ℃和5 min，固液比為1︰8。不同的是稀酸蒸汽爆破和稀酸處理皆使用2% H2SO4，而水蒸汽爆破直接使用水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)；稀酸蒸汽爆破和水蒸汽爆破使用蒸汽爆破反應(yīng)器，而稀酸處理使用高壓釜。經(jīng)過(guò)上述3種方法處理過(guò)的物料需要經(jīng)過(guò)固液分離，濾液即為半纖維素水解液，可用于水解糖的分析。濾渣通過(guò)纖維素酶的水解以進(jìn)一步評(píng)估預(yù)處理底物的酶解效率。

1.3 纖維素的酶解試驗(yàn)

向上述經(jīng)過(guò)擠壓過(guò)濾的玉米秸稈渣中加入NaOH調(diào)節(jié)pH至5.0，固液比保持在1︰5左右，然后加入山東澤生纖維素酶，50 ℃于搖床中酶解72 h，纖維素酶用量為20 FPU/g干基物料，將酶解液離心后取上清液，放置冰箱中，冷凍過(guò)夜，然后經(jīng)解凍、離心過(guò)濾取上清液分析測(cè)定單糖、寡聚糖（水溶性）以及醛酸等抑制物含量。

1.4 分析方法

纖維素和半纖維素含量的測(cè)定采用2006年NREL的方法[4]。半纖維素水解液中的水溶性寡聚糖的含量測(cè)定如下：取20 mL水解液并加入72% H2SO4溶液至水解液中H2SO4濃度為4%，在121 ℃ 水解1 h。經(jīng)過(guò)濾后，濾液中加入CaCO3中和至pH=5~6，離心取上清液并放入冰箱中冷凍過(guò)夜。取出解凍，再次離心得上清液，進(jìn)色譜分析。

葡萄糖和木糖的色譜條件：色譜柱HPX-87H（美國(guó)伯樂公司）、示差檢測(cè)器、進(jìn)樣體積20μL、流速0.6 mL/min、柱溫35 ℃、檢測(cè)溫度35 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈處理前后纖維組分分析

木質(zhì)纖維素原料中各種纖維結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致對(duì)物理化學(xué)作用抗性不同。通常情況下，半纖維素組分比纖維素組分更容易發(fā)生降解。很多報(bào)道證實(shí)，在任何給定的處理?xiàng)l件下，木糖的最高得率和葡萄糖的最高得率在不同的預(yù)處理時(shí)間，并且木糖比葡萄糖先達(dá)到最高得率。試驗(yàn)比較了水蒸氣爆破、稀酸蒸爆和稀酸處理3種方法對(duì)玉米秸稈纖維組分的影響（見圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于水蒸氣爆破，稀酸蒸爆能夠更有效地脫除半纖維素，而相對(duì)于稀酸處理，又能降低木質(zhì)素的含量。另外，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的物料纖維素含量可達(dá)到50%以上，而木質(zhì)素含量從初始的20.2%最高可增至50%左右。實(shí)際上，稀酸對(duì)木質(zhì)素的脫除作用并沒有堿那樣明顯，除了是由于半纖維素大量水解造成木質(zhì)素含量的增加外，水解過(guò)程產(chǎn)生的糠醛和羥甲基糠醛抑制物在酸性條件下聚合形成類似木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的假木質(zhì)素也是導(dǎo)致上述結(jié)果的重要因素[5]。

圖1 水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和預(yù)處理物料纖維組分比較Fig.1 Contrast of fiber components after three kinds of treatments

2.2 纖維素和半纖維素降解產(chǎn)物分析

正為了進(jìn)一步證實(shí)稀酸蒸爆對(duì)纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化的影響，我們對(duì)其降解產(chǎn)物進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 不同預(yù)處理對(duì)纖維素（A）降解的影響Fig.2 Effect of different pretreatments on cellulose(A) degradation

水蒸汽爆破玉米秸桿僅使10%的半纖維素轉(zhuǎn)化成木糖，更多以木聚糖的形式存在，同時(shí)有少量糠醛產(chǎn)生；而稀酸蒸爆和稀酸處理能夠明顯提高糖收率，木糖收率在50%左右，但伴隨著糠醛的產(chǎn)生以及損失率的增加，損失率最高接近40%。纖維素的降解也有著相似的規(guī)律。通過(guò)以上結(jié)果的分析，半纖維素和纖維素的降解程度在很大程度上取決于酸含量而不是蒸汽爆破處理。實(shí)際上，在未加酸的處理過(guò)程中，高溫液態(tài)水自身具有的酸催化能力使纖維中的C—O鍵變得不穩(wěn)定并發(fā)生斷裂，從而實(shí)現(xiàn)纖維長(zhǎng)鏈的連續(xù)解聚，分解的單元糖能進(jìn)一步發(fā)生閉環(huán)脫水反應(yīng)生成糠醛和羥甲基糠醛，只不過(guò)加入稀酸能進(jìn)一步提高這種轉(zhuǎn)化速率。另外，實(shí)驗(yàn)所選取的反應(yīng)條件是出于比較的考慮而非最佳條件，因?yàn)檫@種強(qiáng)度過(guò)高處理?xiàng)l件可使纖維素和半纖維素同時(shí)發(fā)生降解。

圖3 不同預(yù)處理對(duì)半纖維素（B）降解的影響Fig.3 Effect of different pretreatments to hemicellulose (B) degradation

2.3 玉米秸稈處理前后的IR分析

玉米秸稈的IR測(cè)試結(jié)果見圖4。與原料相比，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玉米秸稈在1 731 cm-1處的C=O峰明顯減弱，而1 510 cm-1苯環(huán)伸展振動(dòng)峰有所增強(qiáng)，說(shuō)明半纖維素都不同程度發(fā)生降解，而木質(zhì)素含量有所提升，這與2.1結(jié)果一致。另外，經(jīng)預(yù)處理后的玉米秸稈在1 050~1 160 cm-1范圍的峰變多變窄，其中稀酸蒸爆變化得最明顯，由于此范圍主要是纖維素和半纖維素的C—O—C和C=O伸展振動(dòng)，說(shuō)明纖維素和半纖維素的鍵合作用發(fā)生變化。根據(jù)圖1纖維組分的變化可知，半纖維素的脫除可能使得纖維素結(jié)構(gòu)的自由度有了進(jìn)一步增加。

圖4 不同物料的IR譜Fig.4 IR Spectrum of different materials

2.4 玉米秸稈處理前后的XRD分析

圖5是經(jīng)預(yù)處理和未處理玉米秸稈的XRD譜圖。由圖可知，經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈XRD峰變得更為尖銳，特別是在2θ衍射角16°、22°和35°處3個(gè)衍射峰變得特變明顯，這說(shuō)明在預(yù)處理過(guò)程有部分結(jié)晶生成或結(jié)晶重定向。為了進(jìn)一步證實(shí)上述結(jié)論，對(duì)物料的結(jié)晶度進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理玉米秸稈的結(jié)晶度與原料相比有所提高，結(jié)晶度大小依次是汽爆秸稈>稀酸處理秸稈>酸爆秸稈>原料。具體的結(jié)晶度為：汽爆秸稈65.2%、稀酸處理秸稈62.5%、酸爆秸稈61.3%、秸稈原料49.4%。

圖5 不同物料的XRD譜Fig.5 XRD spectrum of different materials

2.5 稀酸蒸爆玉米秸稈的熱性質(zhì)分析

一般認(rèn)為玉米秸稈的熱解行為是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種主要成分熱解行為的綜合表現(xiàn)[6]。其中，半纖維素是最不穩(wěn)定的，其熱解溫度范圍是250~350 ℃,纖維素的熱解溫度范圍是300~430 ℃，木質(zhì)素的熱解溫度范圍是250~550 ℃[7]。由此可知，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玉米秸稈由于組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，與未經(jīng)處理的玉米秸稈相比有一定的區(qū)別。由圖6和圖7可知，未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理玉米秸桿的熱解行為各有所不同。

圖6 未經(jīng)處理和處理過(guò)玉米秸稈的TG（A）曲線Fig.6 The TG（A）curve of untreated and treated corn stalks

圖7 未經(jīng)處理和處理過(guò)玉米秸稈的DTA（B）曲線Fig.7 The DTA（B） curve of untreated and treated corn stalks

未經(jīng)處理玉米秸稈的熱解包括240~350 ℃、350~480 ℃和480~540 ℃ 3個(gè)失重區(qū)間，對(duì)應(yīng)的DTA曲線有放熱現(xiàn)象出現(xiàn)，主要是纖維素和半纖維素的分解；而經(jīng)過(guò)處理的玉米秸稈在250~350 ℃的失重現(xiàn)象有所減弱，特別是稀酸蒸爆和稀酸處理玉米秸稈尤為明顯，進(jìn)一步證實(shí)預(yù)處理酸度對(duì)半纖維素的脫除作用。另外，經(jīng)過(guò)處理玉米秸稈的DTA曲線幾乎沒有明顯的放熱現(xiàn)象。這可能是由于高溫高壓下部分纖維素結(jié)晶區(qū)發(fā)生重排引起結(jié)晶度增加，導(dǎo)致纖維素分解溫度提高，進(jìn)而使纖維素分解放熱和木質(zhì)素分解吸熱相互抵消所致[3]。

2.6 水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和稀酸預(yù)處理及酶解

試驗(yàn)比較

水蒸汽爆破、稀酸蒸爆和稀酸預(yù)處理及酶解結(jié)果見圖8和圖9。由圖可知，稀酸蒸爆預(yù)處理階段木糖收率超過(guò)50%，纖維素酶解率接近80%；與之相比，水蒸氣爆破預(yù)處理階段木糖收率不到15%，纖維素酶解率不超過(guò)40%；使用稀酸處理木糖收率有所改善。

圖8 不同預(yù)處理對(duì)葡萄糖和木糖收率的影響Fig.8 Effects of different pretreatment to yield of glucose and xylose

圖9 不同預(yù)處理對(duì)纖維素酶解的影響Fig.9 Effect of Different pretreatments on cellulose enzymolysis

雖然經(jīng)過(guò)處理的物料結(jié)晶度差別不大，但預(yù)處理階段糖收率和纖維素酶解率差別很明顯，這說(shuō)明物料結(jié)晶度不是影響纖維素水解決定性因素，還可能與終產(chǎn)物抑制、物料表面性質(zhì)、孔隙度、纖維素分子鏈的長(zhǎng)度以及粒度等有關(guān)[8]。根據(jù)預(yù)處理玉米秸稈的IR、XRD和熱分析數(shù)據(jù)推斷，纖維素結(jié)構(gòu)在預(yù)處理過(guò)程中發(fā)生重排，部分無(wú)定形區(qū)域轉(zhuǎn)變成結(jié)晶區(qū)，這可能破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的相互作用[9]。進(jìn)一步通過(guò)纖維組成變化和酶解結(jié)果分析，木質(zhì)素可能是影響纖維素酶解的重要因素之一，只不過(guò)這種阻礙并不取決于其含量，而是木質(zhì)素的空間分布情況，即木質(zhì)素對(duì)纖維素的包裹程度。我們認(rèn)為稀酸和蒸爆的協(xié)同作用能夠有效地破壞纖維素超分子結(jié)構(gòu)，減少木質(zhì)素對(duì)纖維素的束縛，增加了纖維素的可及度，從而提高纖維素酶解效率。

2.7 稀酸蒸爆的協(xié)同作用機(jī)制

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，單獨(dú)的水蒸氣爆破因?yàn)槿狈?qiáng)水解因子（酸）導(dǎo)致半纖維素脫除率不高，影響了爆破對(duì)纖維的破壞程度，雖然結(jié)晶度提高，但并不能消除木質(zhì)素對(duì)纖維素的纏繞，影響纖維素酶解。稀酸處理雖然能脫除大部分的半纖維素，但高溫稀酸溶液體系形成的大量假木質(zhì)素不僅使纖維組成發(fā)生重大變化，而且這種變化阻礙纖維素酶與纖維素的接觸。

相比之下，稀酸蒸爆則是結(jié)合了上述兩種處理方法的功效。我們認(rèn)為稀酸蒸爆協(xié)同作用包括稀酸的軟化和蒸汽爆破的活化兩種機(jī)制。稀酸能脫除大部分的半纖維素破壞了半纖維素與木質(zhì)素間的相互作用，軟化了纖維組織。蒸汽爆破利用瞬間的瀉壓過(guò)程能將高溫高壓條件下活化的纖維素超分子結(jié)構(gòu)“凍結(jié)”，進(jìn)而有利于纖維素酶的接觸。推測(cè)的具體過(guò)程：首先稀酸分子在高溫高壓蒸汽的作用下能夠迅速滲入纖維孔隙中，加速了半纖維素的降解和纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞程度，進(jìn)而在爆破作用下纖維能夠更容易破碎。瞬間的泄壓使得纖維素被急速冷卻至室溫，使得纖維素超分子結(jié)構(gòu)被“凍結(jié)”，當(dāng)然也有部分的氫鍵重組。這樣很容易使溶劑分子進(jìn)入纖維素片層間，進(jìn)一步與纖維素大分子鏈進(jìn)行作用，并引起殘留分子內(nèi)氫鍵的破壞，加速了葡萄糖環(huán)基的運(yùn)動(dòng)，最后導(dǎo)致其它晶區(qū)的完全破壞，直至完全溶解

3 結(jié) 論

通過(guò)比較水蒸氣爆破、稀酸蒸汽爆破和稀酸處理3種方法的預(yù)處理效果及對(duì)酶解影響來(lái)探討稀酸蒸爆的作用機(jī)制。結(jié)果表明，稀酸蒸爆能夠更有效實(shí)現(xiàn)纖維素和半纖維素的糖轉(zhuǎn)化率。這是因?yàn)橄∷嵴舯Y(jié)合了稀酸的軟化和蒸汽爆破的活化兩種作用機(jī)制，這種協(xié)同作用既保證了半纖維素充分降解轉(zhuǎn)化成木糖，又能凍結(jié)活性纖維素超分子結(jié)構(gòu)，增加了纖維素與纖維素酶的接觸面積。

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Research on Synergism of Acid-catalyzed Steam Explosion of Corn Stalk

JIA Tian-yu1,LIAO Ke-jian1,TONG Ming-you2,WANG Xing2,LI Xiu-ming1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；
2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ,Liaoning Fushun 113001，China）

Using corn stalk as raw material, three pretreatments including water vapor steam explosion, dilute acid catalysis and dilute acid-catalyzed steam explosion were carried out in order to investigate synergy effect of steam explosion and dilute acid catalysis. For the purpose, effects of acid-catalyzed steam explosion on corn stalk were analyzed and characterized, such as composition, structure, property of the matter, forming degradable products after pretreatments and enzymatic hydrolysis. The results show that the positive effect of acid-catalyzed steam explosion attributes to the synergistic interactions of acid-softening and steam activation. First, the hemicellulose removal with acid can break the interaction between cellulose and ligin, and soften lignocellulosic structure. Second, steam explosion of acid- softened matter can lead to the forming of an active supramolecular structure, which can increase the accessibility of cellulase to celluloses.

Corn stalks; Steam explosion; Pretreatment; Lignocellulose

TQ 560

A

1671-0460（2011）12-1224-05

2011-10-09

賈天宇（1986-），男，遼寧錦州人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向：主要從事纖維素預(yù)處理技術(shù)研究工作。E-mail：bixia45@163.com。