纖維素在亞臨界水中催化水解制取葡萄糖的研究

章仁勐，徐明仙，林春綿

(1.浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院臨江學(xué)院，浙江 杭州310018)

纖維素在亞臨界水中催化水解制取葡萄糖的研究

章仁勐1，徐明仙2，林春綿1

(1.浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院臨江學(xué)院，浙江 杭州310018)

以纖維素為原料，在反應(yīng)溫度200～260 ℃、反應(yīng)時(shí)間0.5～5.0 h的條件下，研究了纖維素在亞臨界水中水解制取葡萄糖反應(yīng)及以金屬鹽類、H2CO3(CO2)等催化劑對(duì)水解過程的影響。結(jié)果表明：溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡萄糖收率起決定性作用；無催化劑時(shí)，在220 ℃，反應(yīng)1.5 h的條件下，葡萄糖收率達(dá)到最高的6.56%；200 ℃時(shí)，以葡萄糖收率衡量的各催化劑活性順序?yàn)椋現(xiàn)eCl3>CoCl2>AlCl3，F(xiàn)e(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3；充入CO2壓力(2 MPa、4 MPa和6 MPa)越大，葡萄糖收率越高；在以Fe(NO3)3為催化劑、溫度200 ℃、反應(yīng)時(shí)間0.5 h時(shí)，葡萄糖最大收率為21.45%。

纖維素 亞臨界水 水解

隨著人類對(duì)石油、煤炭等不可再生的化石燃料的需求不斷增加，開發(fā)可再生的新能源已經(jīng)得到各國(guó)科學(xué)家的重視，利用纖維素制取乙醇也成為研究熱點(diǎn)[1,2]。纖維質(zhì)是地球上資源量最豐富的可再生資源。除了農(nóng)產(chǎn)品外，秸稈、農(nóng)作物殼皮、樹枝、落葉、林業(yè)邊腳余料和城鄉(xiāng)固體垃圾等均含有大量的纖維素[3]。但是纖維素是數(shù)千個(gè)葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖，且分子間和分子內(nèi)有氫鍵作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[4]。目前的纖維素利用方法主要有酸催化水解和纖維素酶分解。王樹榮等研究了纖維素在低濃度硫酸下的水解，纖維素轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到70%左右，還原糖得率最高為46.55%[5]。張玉蒼等以稻草紙漿為原料研究纖維素酶解，當(dāng)酶用量150 U/g料，底物濃度2%，反應(yīng)溫度55 ℃，pH4.8，反應(yīng)時(shí)間8 h，酶解得率可高達(dá)到73.20%[6]。然而纖維素的酸催化水解存在著酸回收難、污染嚴(yán)重等問題，纖維素酶也有生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步完善[7]。超、亞臨界水因具有反應(yīng)速度快、溶解性好等優(yōu)點(diǎn),因此利用其進(jìn)行纖維素水解受到廣泛的關(guān)注[8,9]。呂秀陽(yáng)等研究了纖維素在近臨界水中的分解動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物分布[10]。鞏桂芬等以稻草秸稈、經(jīng)預(yù)處理的稻草秸稈、脫脂棉、微晶纖維素和定性濾紙為原材料進(jìn)行超臨界水解，對(duì)應(yīng)的最大還原糖產(chǎn)率分別為14.84%、18.10%、25.10%、36.02%和28.48%[11]。朱憲等研究了金屬氯化物對(duì)纖維素亞臨界水解的影響，結(jié)果顯示 ZnCl2、FeCl3、CuCl2及 AlCl3均能促進(jìn)纖維素的水解及葡萄糖的降解，AlCl3可使纖維素的水解速率常數(shù)大于葡萄糖的降解速率常數(shù)，有利于葡萄糖的生成[12]。

本實(shí)驗(yàn)以AlCl3、CoCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3及H2CO3（CO2）作為催化劑，探究纖維素在亞臨界水中水解制取葡萄糖的工藝條件，分別比較金屬陽(yáng)離子與酸根離子對(duì)纖維素亞臨界催化水解制取葡萄糖的影響，進(jìn)一步尋找可以提高葡萄糖收率的合適催化劑，為纖維素的資源化利用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用試劑包括微晶纖維素（平均粒徑50 μm）、葡萄糖、果糖、乙腈、氯化鈷、氯化鋁、氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵、CO2和去離子水。CO2為干冰級(jí)（99.5%），乙腈為色譜純?cè)噭ルx子水外其余均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)與分析方法

量取30 mL去離子水，準(zhǔn)確稱取2.4 g纖維素及催化劑（分別加入0.1、0.2、0.2、0.2和0.3 mmol的Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3、FeCl3、AlCl3和CoCl2）置于50 mL高壓反應(yīng)釜內(nèi)。當(dāng)以H2CO3（CO2）為催化劑時(shí)，分別充入一定壓力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）的CO2。升溫至所需反應(yīng)溫度，開始計(jì)時(shí)。恒溫反應(yīng)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，將高壓反應(yīng)釜放入冰水中迅速冷卻至室溫。冷卻后，反應(yīng)混合物經(jīng)抽濾定容后待分析。

樣品中葡萄糖的量用高效液相色譜HPLC（Water1525）進(jìn)行分析，色譜柱為Zorbax Carbohydrate analysis柱（4.6 mm×250 mm），柱溫為30 ℃，流動(dòng)相為乙腈和水（V乙腈:V水=7:3）。葡萄糖收率是指水解所得的葡萄糖質(zhì)量與加入的纖維素質(zhì)量之比。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素?zé)o催化水解

2.1.1 產(chǎn)物分析

纖維素在亞臨界水條件下的水解液一般為棕黃色，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)則顏色較深，反應(yīng)溫度越高顏色也越深。通常產(chǎn)物主要有葡萄糖、果糖、低聚糖（纖維三糖、纖維二糖等）、1,6-苷鍵葡萄糖、甘油醛、二羥基丙酮、丙酮醛、5-HMF及酸等[12]。纖維素在亞臨界水中的反應(yīng)主要有以下幾種：纖維素水解最先生成低聚物（纖維三糖、纖維二糖等）和葡萄糖；葡萄糖可以異構(gòu)化為果糖，它們可以分解生成赤蘚糖和乙醇醛，或分解生成甘油醛和二羥基丙酮；甘油醛可轉(zhuǎn)化為二羥基丙酮，二者均可脫水生成丙酮醛；丙酮醛、赤蘚糖和二羥基丙酮還可以進(jìn)一步分解為小分子物質(zhì)，主要為1~3個(gè)碳的酸、醛和醇[8]。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，主要產(chǎn)物為葡萄糖，果糖生成量極少，見圖1。

圖1 220 ℃時(shí)反應(yīng)1.5 h纖維素水解產(chǎn)物液相色譜圖Fig.1 HPLC of cellulose hydrolysate without catalysts at 220 ℃, 1.5 h

2.1.2 溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡萄糖收率的影響

溫度對(duì)葡萄糖收率有很大影響，不同溫度下，葡萄糖收率有明顯的差別，見圖2。200 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，葡萄糖收率逐漸提高，到2.5 h后，略有下降； 220 ℃時(shí)，在最初的1.5 h內(nèi)，葡萄糖收率隨反應(yīng)時(shí)間增加而提高，1.5 h后，葡萄糖收率快速下降，經(jīng)過3 h及更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，葡萄糖收率均為零；240 ℃，1.0 h還有少量葡萄糖存在，經(jīng)1.5 h及更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間后收率降為零；260 ℃時(shí)，產(chǎn)物中未檢出葡萄糖。220 ℃時(shí)，反應(yīng)1.5 h達(dá)到最高收率的6.56%。

同一反應(yīng)溫度下，葡萄糖收率隨反應(yīng)時(shí)間增加，先增大后減小，這是因?yàn)槔w維素的水解產(chǎn)物葡萄糖的穩(wěn)定性較差，會(huì)在亞臨界條件下分解[9]。較短的反應(yīng)時(shí)間（0.5 h）內(nèi)，葡萄糖收率隨反應(yīng)溫度的增大而增大，證明溫度升高促進(jìn)了纖維素水解；隨著反應(yīng)時(shí)間增加（1.0~2.0 h），葡萄糖收率隨反應(yīng)溫度增加，先增大后減少，較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間（2.5 h及以上），葡萄糖收率隨溫度增加反而降低，說明溫度升高也同時(shí)促進(jìn)了葡萄糖分解，且分解速度超過了纖維素水解的速率。

2.1.3 葡萄糖的分解

為了考證葡萄糖在亞臨界水中的穩(wěn)定性，用葡萄糖代替纖維素，按照2.2的方法進(jìn)行亞臨界分解，研究葡萄糖在亞臨界水中停留一定時(shí)間的殘留百分率。結(jié)果顯示，在本實(shí)驗(yàn)的亞臨界水條件下，葡萄糖并不穩(wěn)定，自身分解速率比較快，反應(yīng)速率隨溫度增加而增加。如圖3，200 ℃時(shí)，葡萄糖在1 h時(shí)已只剩余49.7%，隨時(shí)間推延，葡萄糖進(jìn)一步分解，殘留率也越來越低。220 ℃時(shí)，葡萄糖分解明顯加快，1 h殘留率只有12.6%。240和260 ℃時(shí)，1 h內(nèi)葡萄糖基本已經(jīng)全部分解，殘留率接近0。

圖2 不同溫度和反應(yīng)時(shí)間的葡萄糖收率Fig.2 The glucose yield at different temperatures and reaction time

圖3 葡萄糖亞臨界水分解曲線Fig.3 Decomposition curve of glucose by subcritical water treatment

2.2 金屬鹽類催化劑對(duì)葡萄糖收率的影響

2.2.1 金屬離子對(duì)葡萄糖收率的影響

Fe3+、Al3+等金屬離子可以促進(jìn)纖維素水解[12,13]。實(shí)驗(yàn)中分別加入0.2、0.2和0.3 mmol的FeCl3、AlCl3和CoCl2，使得這三份催化劑含有等量Cl-，以消除其影響，均在200 ℃下水解纖維素，結(jié)果見圖4。以AlCl3為催化劑，單糖收率隨時(shí)間增加先增加后快速下降，直至為零；以FeCl3和CoCl2為催化劑，單糖收率隨時(shí)間增加，先增加后略微減少。因此可以得知AlCl3可以極快的促進(jìn)纖維素水解速率和葡萄糖分解速率，F(xiàn)eCl3和CoCl2也能促進(jìn)纖維素水解和葡萄糖分解，葡萄糖收率相對(duì)無催化均有所提高。以葡萄糖收率衡量的催化劑活性順序?yàn)镕eCl3>CoCl2>AlCl3。

圖4 200 ℃時(shí)金屬離子對(duì)葡萄糖收率的影響Fig.4 Effect of metal ions on the glucose yield at 200 ℃

圖5 200 ℃時(shí)酸根離子對(duì)葡萄糖收率的影響Fig.5 Effect of radical ions on the glucose yield at 200 ℃

2.2.2 酸根離子對(duì)葡萄糖收率的影響

實(shí)驗(yàn)中分別加入0.1、0.2和0.2 mmol 的Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3和FeCl3,使得這三份催化劑含有等量的Fe3+，以消除其影響，均在200 ℃下水解纖維素。見圖5，以Fe(NO3)3為催化劑，單糖收率先快速升高后逐漸下降；以FeCl3和Fe2(SO4)3為催化劑，單糖收率隨時(shí)間增加，先增加后略有減少。因此Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3和FeCl3均促進(jìn)纖維素水解和葡萄糖分解，葡萄糖收率都有提高；其中Fe(NO3)3效果最為明顯，最大收率為21.45%。以葡萄糖收率衡量的催化劑活性順序?yàn)镕e(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3。

2.2.3 H2CO3對(duì)葡萄糖收率的影響

由于H2CO3是一種弱酸，可以電離出H+，因而可以促進(jìn)纖維素水解[14]。向高壓釜中充入壓力為4 MPa的CO2，研究H2CO3對(duì)葡萄糖收率的影響，結(jié)果如圖6所示。同一溫度下，葡萄糖收率隨反應(yīng)時(shí)間增加先增加后減少；反應(yīng)溫度越高，單糖最大收率越低。H2CO3促進(jìn)了纖維素水解，葡萄糖收率有明顯提高。在200 ℃、2 h達(dá)到最高收率14.07%。

200 ℃時(shí)，通過充入不同壓力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）的CO2，研究H2CO3的量對(duì)纖維素水解制取單糖的影響。由圖7可以得知，隨著壓力增加，葡萄糖收率也增加。其中在6 MPa、2 h時(shí)出現(xiàn)最高收率19.56%。

圖6 H2CO3對(duì)葡萄糖收率的影響Fig.6 Effect of H2CO3 on the glucose yield

圖7 200 ℃時(shí)CO2壓力對(duì)葡萄糖收率的影響Fig.7 Effect of CO2 pressure on the glucose yield at 200 ℃

3 結(jié) 論

通過纖維素亞臨界水解產(chǎn)物分析得知：溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡萄糖收率起決定性作用；無催化劑時(shí)，葡萄糖收率在220 ℃的條件下，反應(yīng) 2 h達(dá)到最高的 6.56%。通過研究 AlCl3、CoCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3及H2CO3等催化劑，發(fā)現(xiàn)這些催化劑均可以提高纖維素水解速率，但是對(duì)葡萄糖收率有較大區(qū)別：200 ℃時(shí)，以葡萄糖收率衡量的各催化劑活性順序?yàn)?，F(xiàn)eCl3>CoCl2>AlCl3，F(xiàn)e(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3；充入CO2壓力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）越大，葡萄糖收率越高；在以Fe(NO3)3為催化劑、溫度200 ℃、反應(yīng)時(shí)間0.5 h時(shí)，葡萄糖最大收率為21.45%。

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Study on Obtaining Glucose from Cellulose Hydrolysis in Subcritical Water

Zhang Renmeng1，Xu Mingxian2，Lin Chunmian1
(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Hangzhou Vocational and Technical College, Hangzhou 310018, China)

In this experiment, the cellulose hydrolysis in subcritical water was studied at the temperature of 200-260 ℃ and reaction time of 0.5-5.0 h, and the influences of temperature, reaction time and catalysts(metal salt and carbonic acid) on hydrolysis process were investigated. The results showed that temperature and reaction time played a crucial role in the yield of glucose. Without catalysts, under the condition of 220 ℃ and 1.5 h, the glucose yield reached the highest 6.56%. Under 200 ℃, the order of catalyst activity measured by the glucose yield is FeCl3>CoCl2>AlCl3and Fe(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3. Charged the higher CO2pressure (2 MPa, 4 MPa,6 MPa) into reacting system at 200 ℃，got the higher glucose yield. Using Fe (NO3)3as a catalyst, at 200 ℃ and reaction time 0.5 h, the maximum glucose yield reached 21.45%.

Cellulose; subcritical water; hydrolysis

TQ323.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1001—7631 ( 2012) 01—0092—05

2011-11-28;

2011-12-23

章仁勐(1987-)，男，碩士研究生；林春綿(1962-)，男，教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:lcm@zjut.edu.cn