木質(zhì)纖維素制燃料乙醇的預(yù)處理研究

徐 超，關(guān)東明，朱漢青，吳 濤，陳超正

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題以及能源緊缺問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，尋找可再生能源已經(jīng)成為緩解化石燃料短缺和控制大氣中CO2濃度的重要途徑。作為一種清潔能源，有“綠色石油”和“液體黃金”之稱的乙醇有其獨(dú)特的優(yōu)越性。乙醇與汽油相比，能夠增加氧的含量，燃燒時(shí)使碳?xì)浠衔锔映浞盅趸瑥亩鴾p少排放到大氣中的芳烴類化合物及一氧化碳量[1]。同時(shí)將一些農(nóng)作物秸稈和含纖維素質(zhì)的作物通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換為人類所需的能源，也是一項(xiàng)變廢為寶的重大工程。其中通過(guò)稀酸水解木質(zhì)纖維素來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇已受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

2 燃料乙醇生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

纖維素制乙醇在19世紀(jì)即已提出，方法是把纖維素水解為單糖，再把單糖發(fā)酵成乙醇。但該工藝雖然原料價(jià)格便宜，生產(chǎn)成本卻很高，隨著以石油為原料的合成乙醇大量生產(chǎn)，這類工廠大都關(guān)閉。在20世紀(jì)石油危機(jī)后，西方國(guó)家又開始重視纖維素制乙醇的技術(shù)[2]。第一個(gè)燃料乙醇項(xiàng)目－ProAlcool于1975年誕生在巴西，1978年美國(guó)、加拿大也開展了類似的項(xiàng)目。目前開展此項(xiàng)目最為活躍的國(guó)家是美國(guó)和巴西，這兩個(gè)國(guó)家乙醇產(chǎn)量約占全球乙醇總產(chǎn)量的70%以上。歐洲各國(guó)也對(duì)發(fā)展生物燃料表現(xiàn)出極大興趣，開始加大力度進(jìn)行研究、推廣和使用乙醇汽油[3]。

有著豐富甘蔗資源的巴西，利用甘蔗作為原料發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，目前年產(chǎn)1 400t纖維素乙醇，幾乎全部作為汽車燃料使用[4]。美國(guó)已于2008年成為全球最大的纖維素乙醇生產(chǎn)國(guó)。美國(guó)政府發(fā)布多條目標(biāo)和激勵(lì)政策，用以促進(jìn)纖維素乙醇的生產(chǎn)，位于佛羅里達(dá)州的柑橘和亞熱帶產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室與其合作伙伴可再生醇類公司聯(lián)合研發(fā)了一種替代過(guò)程，采用酶催化將這類殘?jiān)D(zhuǎn)化成糖類，糖類再發(fā)酵生成乙醇[5]。

我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，2006年我國(guó)燃料乙醇的產(chǎn)量達(dá)到144萬(wàn)t，成為世界第3大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)。由于乙醇等生物燃料產(chǎn)量的大幅增加，已導(dǎo)致了世界糧食價(jià)格的大幅上漲。美國(guó)作為全球最大的糧食乙醇生產(chǎn)與應(yīng)用國(guó)，近年來(lái)加大了對(duì)纖維素乙醇發(fā)展的支持力度[3]。

3 木質(zhì)纖維素的預(yù)處理

木質(zhì)纖維素價(jià)廉、可再生、資源豐富[6]。將這物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖、木糖等可發(fā)酵性糖，被認(rèn)為是乙醇生產(chǎn)中極具前景的一個(gè)途徑。它經(jīng)過(guò)水解可以制得單糖，單糖經(jīng)微生物發(fā)酵可進(jìn)一步供生產(chǎn)低聚糖、單細(xì)胞蛋白、酒精和有機(jī)酸等有機(jī)原料和燃料，可以取代目前的淀粉原料發(fā)酵生產(chǎn)的各種產(chǎn)品，是化石資源等不可再生能源的有效替代品。木質(zhì)纖維素的開發(fā)利用早已引起人們的廣泛重視，但其利用率僅1%左右，木質(zhì)纖維素資源現(xiàn)多作為燃料、織物、飼料、食品、藥品、肥料等，這不僅利用率低而且造成環(huán)境污染，因此纖維素資源作為能源物質(zhì)開發(fā)具有很大前景。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。

在植物組織中木質(zhì)素與半纖維素以共價(jià)鍵形式結(jié)合，并將纖維素分子包埋其中，形成一種堅(jiān)固的天然屏障，使一般微生物很難進(jìn)入使其降解。木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程主要包括預(yù)處理、糖化、發(fā)酵等，其預(yù)處理是生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟，影響整個(gè)纖維素酒精生產(chǎn)過(guò)程。因此高效、便捷的預(yù)處理技術(shù)是木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵所在。預(yù)處理的目的是使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離，使纖維素內(nèi)部氫鍵打開，使結(jié)晶纖維素成為無(wú)定型纖維素，以及進(jìn)一步打斷部分β－1，4－糖苷鍵，降低聚合度，改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)，破壞纖維素－木質(zhì)素－半纖維素之間的連接，降低纖維素的結(jié)晶度以及提高基質(zhì)的孔隙率.常用的預(yù)處理方法可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)結(jié)合法和生物法4大類[7]。本文主要介紹化學(xué)法中的酸水解法。

木質(zhì)纖維素來(lái)源于木材、干草、林業(yè)廢料、農(nóng)業(yè)廢料和紙制品廢料等，主要成分包括纖維素（40%～50%）、半纖維素（25%～30%）和木質(zhì)素（10～20%）[8]。在不同的原料中，這3種成分的組成不同。在農(nóng)作物廢料玉米芯中纖維素含量約占45%，半纖維素約占35%，木質(zhì)素約占15%[9]。

纖維素是D－葡萄糖以β－1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，分子式為（C6H10O5）n，其纖維聚合度n由200～2 000kDa不等。半纖維素是一種分子量較小的帶有支鏈的多聚糖，相對(duì)來(lái)說(shuō)聚合程度較低，一般不大于200kDa。其結(jié)構(gòu)單元包括戊糖基、己糖基、糖酸基和乙?；?，其中的戊糖主要為木糖和阿拉伯糖。除了半乳糖組成的半纖維素以β－1，3糖苷鍵連接，半纖維素的主要聚合方式也是β－1，4糖苷鍵[10]。木質(zhì)素是具有網(wǎng)狀空間立體結(jié)構(gòu)的高分子芳香族化合物，由4種醇單體（對(duì)香豆醇、松柏醇、5－羥基松柏醇、芥子醇）的苯丙烷基單元通過(guò)醚鍵和碳－碳鍵連接而成。

木質(zhì)纖維素經(jīng)過(guò)預(yù)處理（包括粉碎處理、水處理、堿處理、稀酸處理、蒸汽爆破處理和氨處理等方法），使其結(jié)構(gòu)變得松散，再通過(guò)水解產(chǎn)生可被微生物利用于發(fā)酵的單糖。木質(zhì)纖維素的水解方法包括化學(xué)法和生物法（酶法）等[11]，其中以稀酸水解法應(yīng)用得較為廣泛。稀酸水解法具有快速、廉價(jià)、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，但是會(huì)產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物[12]。通常，該方法是通過(guò)木質(zhì)纖維素原料與無(wú)機(jī)酸如硫酸、鹽酸混合，并經(jīng)120～200℃的高溫處理完成[13，14]。

4 實(shí)驗(yàn)方案

4.1 玉米芯半纖維素水解

4.1.1 玉米芯預(yù)處理

將玉米芯用機(jī)械粉碎法預(yù)處理得到20～30目的顆粒，烘干并測(cè)其含水量。

4.2 玉米芯含水量測(cè)定

測(cè)得試驗(yàn)所用玉米芯含水率為5.3%（表1）。

表1 玉米芯含水量

4.3 玉米芯水解

4.3.1 水解液的制備

稱取20.0g粉碎后的玉米芯顆粒，按固液比1∶10（w/v）比例加入到盛有 1% （v/v）稀硫酸的500mL三角瓶中，浸泡過(guò)夜，在120℃滅菌鍋中水解1.5h。

4.3.2 水解后玉米芯的處理方法

將玉米芯水解液冷卻液抽濾得半纖維素水解液至容量瓶中定容，用NaOH中和至pH值為7，用DNS法測(cè)定樣品中木糖含量，利用540nm光長(zhǎng)測(cè)其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算出樣品木糖濃度。

4.3.3 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

木糖吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1，不同濃度的木糖溶液對(duì)540nm光長(zhǎng)的吸光值見表2。

圖1 木糖吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

表2 不同濃度的木糖溶液對(duì)540nm光長(zhǎng)的吸光值

4.4 玉米芯水解后木糖得率的計(jì)算

通過(guò)對(duì)玉米芯半纖維素水解液中木糖含量進(jìn)行測(cè)定，確定每克干重玉米芯木糖得率，即木糖g/干重玉米芯g。

4.5 玉米芯半纖維素水解條件正交優(yōu)化試驗(yàn)

在一定的粒徑條件下，玉米芯中半纖維素的水解主要受水解溫度、時(shí)間、酸濃度、固液比4個(gè)因素的影響。所以本課題從水解溫度、時(shí)間、硫酸濃度、固液比4個(gè)因素做正交試驗(yàn)研究其對(duì)玉米芯半纖維素水解的影響。玉米芯半纖維素水解產(chǎn)物中木糖為主要單糖產(chǎn)物，因此以下試驗(yàn)主要以其中木糖含量為主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 玉米芯半纖維素水解條件正交優(yōu)化試驗(yàn)

5 結(jié)果與討論

稀酸水解木質(zhì)纖維素的工藝較簡(jiǎn)單，原料處理時(shí)間短，污染小，技術(shù)相對(duì)成熟[15]。通過(guò)稀酸對(duì)玉米芯半纖維素進(jìn)行水解可以使半纖維素水解的比較徹底，并且經(jīng)稀酸水解處理后，纖維素的平均聚合度下降，對(duì)后續(xù)的纖維素的酶解有明顯的促進(jìn)作用。但稀酸水解的溫度較高，水解過(guò)程中，生成了較多的對(duì)發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物極大地影響了半纖維素水解液的發(fā)酵性能，導(dǎo)致乙醇發(fā)酵總成本的居高不下。因此對(duì)半纖維素進(jìn)行有效的預(yù)處理對(duì)于提高半纖維素水解液的發(fā)酵性能至關(guān)重要[16]。

本研究表明：玉米芯半纖維素酸水解制備木糖，影響木糖產(chǎn)率的主要因素有液固比、硫酸濃度、水解溫度和水解時(shí)間。為了確定適宜的玉米芯半纖維素酸水解工藝，取20～30目的玉米芯顆粒與不同濃度的硫酸溶液混合，在不同溫度下水解反應(yīng)不同時(shí)間，設(shè)計(jì)L16（44）正交試驗(yàn)場(chǎng)，以水解液中木糖濃度為指標(biāo)考察玉米芯半纖維素酸水解工藝。表3結(jié)果表明，以上4個(gè)因素對(duì)木糖產(chǎn)量的影響大小順序?yàn)椋核鈺r(shí)間＞硫酸濃度＞水解溫度＞液固比。最優(yōu)水解條件為溫度120℃、時(shí)間90min、硫酸濃度1%、固液比1∶5，在此條件下玉米芯半纖維素水解液中木糖得率為0.30g/g。

在正交試驗(yàn)考察的酸水解4因素中，水解時(shí)間對(duì)木糖產(chǎn)率影響最大，其主要原因是：在玉米芯半纖維素酸水解的過(guò)程中，隨著水解的進(jìn)行，半纖維素中的戊聚糖逐步水解成木糖，但隨著水解生成的木糖的量的增多，再延長(zhǎng)水解反應(yīng)時(shí)間，則水解生成的木糖又會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)降解成糠醛等副產(chǎn)物，導(dǎo)致最終木糖的量的減少，所以采用水解時(shí)間90min是合適的。

表3中正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合中固液比為1∶5，但在實(shí)際操作中較大的固液比會(huì)產(chǎn)生大量濾渣且需要多次洗滌濾渣造成水解液中木糖濃度降低，這會(huì)增加下一步半纖維素水解液濃縮動(dòng)能消耗，故在實(shí)際操作中選擇液固比1∶10更為合適。綜上所述玉米芯適宜的水解條件為溫度120℃、時(shí)間90min、硫酸濃度1%、固液比1∶10。

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