稀硫酸預(yù)浸漬對(duì)玉米秸稈蒸汽爆破預(yù)處理的影響

趙鵬翔,吳 毅,趙正凱

(國網(wǎng)新源控股有限公司北京非糧醇電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心,北京100053)

稀硫酸預(yù)浸漬對(duì)玉米秸稈蒸汽爆破預(yù)處理的影響

趙鵬翔,吳 毅,趙正凱

(國網(wǎng)新源控股有限公司北京非糧醇電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心,北京100053)

為提高纖維素乙醇生產(chǎn)中傳統(tǒng)蒸汽爆破預(yù)處理的效果,以稀硫酸(質(zhì)量濃度0.2%)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)浸漬,再于190～210℃對(duì)其進(jìn)行汽爆預(yù)處理。結(jié)果表明:稀硫酸預(yù)浸漬有利于增強(qiáng)汽爆過程中半纖維素的水解程度,并能有效減少乙酸的生成;200℃預(yù)處理玉米秸稈經(jīng)過96 h同步糖化發(fā)酵,最終乙醇濃度為22.5 g·L-1,為理論值的76%,較預(yù)浸漬前(19.0 g·L-1)明顯提高。稀硫酸預(yù)浸漬能夠增強(qiáng)玉米秸稈的汽爆預(yù)處理效果。

硫酸預(yù)浸漬;蒸汽爆破;纖維素乙醇;玉米秸稈

纖維素乙醇是最具發(fā)展前景的可再生清潔能源之一,其生產(chǎn)原料——木質(zhì)纖維素,是世界上最為豐富、廉價(jià)的可再生資源。地球上每年光合作用形成的1000億t植物生物量中80%是木質(zhì)纖維素,其中89%未被利用[1-3]。按照每5 t木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)1 t乙醇的技術(shù)水平,這些原料能生產(chǎn)200億t燃料乙醇?？梢?開發(fā)纖維素乙醇對(duì)社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展有著極其重要的意義。

木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素構(gòu)成,三者相互結(jié)合在一起。纖維素由于被木質(zhì)素與半纖維素包裹在內(nèi)部,其水解糖化[4,5]受到阻礙。木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了必須通過預(yù)處理來破壞其完整的物理結(jié)構(gòu),以提高可水解性[6]。蒸汽爆破法(STEX)是最常用的預(yù)處理方法之一,通過高壓水蒸氣的瞬間釋放從內(nèi)部破壞木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)[7,8],同時(shí),水在高溫下作為酸性催化劑促進(jìn)半纖維素水解為木糖等單糖。由于水能提供的H+有限,通常需要較高的汽爆溫度,而木糖在高溫下會(huì)進(jìn)一步分解為糠醛、乙酸等發(fā)酵抑制物[9,10]。

作者對(duì)蒸汽爆破法進(jìn)行了改良,在蒸汽爆破(汽爆)前用稀硫酸對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)浸漬,使玉米秸稈在汽爆前便處于酸性環(huán)境中,促進(jìn)秸稈中半纖維素的水解,從而降低汽爆溫度,以避免單糖進(jìn)一步分解為乙酸等發(fā)酵抑制物,同時(shí),也能增強(qiáng)纖維素的酶水解性,提高玉米秸稈的利用率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

玉米秸稈,河北邯鄲。將玉米秸稈洗凈干燥后用錘式破碎機(jī)粉碎為2～10 mm的小段,在38℃烘箱中烘干,置于干燥處保存。

玉米秸稈組成成分采用NREL的相關(guān)方法進(jìn)行分析[11]:干玉米秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別為33.6%、22.8%、14.1%(表1);可提取物中主要含有一些油脂、蛋白質(zhì)、淀粉等易溶于水或有機(jī)溶劑的物質(zhì)。

表1 玉米秸稈的組成成分/%Tab.1 Composition of corn stover/%

1.2 方法

1.2.1 預(yù)處理

首先在常溫下用0.2%(質(zhì)量濃度,下同)的硫酸對(duì)玉米秸稈以固液比1∶20(g∶m L)預(yù)浸漬2 h;之后以27 MPa的壓力將原料中的水分壓至50%左右;然后在預(yù)處理反應(yīng)器中分別以190℃(1.25 MPa)、200℃(1.55 MPa)、210℃(1.90 MPa)保持10 min后,瞬間(小于0.5 s)釋放壓力。每個(gè)汽爆溫度設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照組(以水代替硫酸)。

1.2.2 酶水解

以預(yù)處理后的玉米秸稈草漿(包括液體與固體部分)為底物進(jìn)行。其中,纖維素酶為Cellic Ctec2(諾維信,丹麥),酶用量為10 FPU·g-1底物,底物濃度為5%,在45℃、p H值為5的條件下酶水解96 h。

1.2.3 同步糖化發(fā)酵

底物濃度為10%,發(fā)酵溫度為35℃,p H值為5.5,發(fā)酵時(shí)間為96 h;每升發(fā)酵液釀酒酵母(J?stbolaget,瑞典)用量為3 g,纖維素酶為Cellic Ctec2,酶用量為10 FPU·g-1底物;培養(yǎng)液中(NH4)2HPO3的濃度為0.5 g·L-1,MgSO4·7H2O的濃度為0.025 g·L-1。

1.3 分析測(cè)試

1.3.1 纖維素酶活

纖維素酶活測(cè)定試管中放入1 cm×6 cm的濾紙(約50 mg)一條,加入0.5 m L適當(dāng)稀釋的纖維素酶液和1 m L檸檬酸緩沖溶液(p H值4.8),于50℃保溫振蕩30 min?？瞻讓?shí)驗(yàn)中酶液預(yù)先滅活,其余條件不變。

1個(gè)濾紙酶活力單位(FPU)定義為酶促反應(yīng)中每分鐘生成1.0μmol葡萄糖(以還原糖表示)所需的酶量[]。

1.3.2 糖及抑制物濃度分析

單糖、乙醇以及副產(chǎn)物用島津Prominence LC-20AT型高效液相色譜儀進(jìn)行定量分析,分析前所有測(cè)試樣品以0.20μm的微濾膜過濾。檢測(cè)器為折光檢測(cè)器。色譜柱為Aminex HPX-87 H(Bio-Rad,Hercules,CA,USA)。葡萄糖和木糖等單糖:柱溫85℃,流動(dòng)相為超純水,流速0.5 m L·min-1。乙醇、糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸:柱溫50℃,流動(dòng)相為0.5 mmol ·L-1硫酸,流速0.5 m L·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 組成成分分析

0.2 %硫酸預(yù)浸漬前后玉米秸稈經(jīng)不同溫度汽爆預(yù)處理后的組成成分見表2。

從表2可以看出,經(jīng)過汽爆預(yù)處理后,玉米秸稈中3種主要成分的含量均發(fā)生了較大變化,其中纖維素和木質(zhì)素含量得到了一定程度的提高,而半纖維素含量則有所下降;且隨著汽爆溫度的升高,各成分含量變化的程度加大。其中,硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈在汽爆溫度從190℃上升至210℃時(shí),纖維素含量從51.2%升至58.6%;半纖維素含量從6.7%降至3.6%;木質(zhì)素含量則從27.6%升至31.8%。表明,玉米秸稈經(jīng)硫酸預(yù)浸漬后,汽爆預(yù)處理對(duì)半纖維素的水解更為徹底。

表2 玉米秸稈預(yù)處理后的組成成分Tab.2 Composition of pretreated corn stover

2.2 葡萄糖和木糖回收率分析(表3)

表3 玉米秸稈預(yù)處理后的葡萄糖和木糖回收率Tab.3 Recovery of glucose and xylose of pretreated corn stover

從表3可以看出,硫酸預(yù)浸漬對(duì)玉米秸稈中的葡萄糖回收率幾乎沒有影響。葡萄糖回收率高于理論值是由于秸稈中存在一定量的淀粉。相比纖維素,大部分半纖維素在汽爆預(yù)處理過程中發(fā)生水解。經(jīng)硫酸預(yù)浸過的秸稈在相對(duì)較低溫度下獲得較高的木糖回收率。當(dāng)汽爆溫度為190℃時(shí),未經(jīng)硫酸預(yù)浸漬秸稈固體中木糖回收率為57.3%,而硫酸預(yù)浸漬秸稈僅為24.2%;前者水解液中木糖回收率僅為47.7%,后者則為75.4%。這是因?yàn)?硫酸提供了更多的H+,H+作為催化劑促進(jìn)半纖維素的水解。隨著汽爆溫度的升高,水解液中的木糖回收率逐漸降低。這是因?yàn)?汽爆溫度的升高導(dǎo)致木糖分解為其它副產(chǎn)物。

2.3 抑制物分析

硫酸預(yù)浸漬前后玉米秸稈經(jīng)不同溫度汽爆預(yù)處理后,糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸的生成情況見圖1。

糠醛和羥甲基糠醛分別來源于木糖和葡萄糖的進(jìn)一步分解,而乙酸則是由半纖維素側(cè)鏈上的乙?；傻?。由圖1可知,相比未經(jīng)硫酸預(yù)浸漬,同溫度下硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈汽爆預(yù)處理后羥甲基糠醛產(chǎn)量幾乎沒有增加,糠醛產(chǎn)量少量增加,而乙酸產(chǎn)量明顯減少。這可能是因?yàn)?玉米秸稈經(jīng)硫酸預(yù)浸漬后,其pH值更低,H+濃度的增大抑制化學(xué)平衡向生成乙酸方向移動(dòng)。隨著汽爆溫度的升高,抑制物的產(chǎn)量也逐漸增加。

圖1 玉米秸稈預(yù)處理后各抑制物的產(chǎn)量Fig.1 Yieldsofinhibitorsofpretreatedcornstover

2.4 酶水解

2.4.1 葡萄糖產(chǎn)量分析(圖2)

圖2 酶水解后的葡萄糖產(chǎn)量Fig.2 Glucoseyieldafterenzymatichydrolysis

從圖2可以看出,未經(jīng)硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈于190℃、200℃以及210℃進(jìn)行汽爆預(yù)處理后,酶水解得到的葡萄糖產(chǎn)量為20.7g·(100g原料)-1、25.8g ·(100g原料)-1和28.4g·(100g原料)-1,分別低于0.2%硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈的21.1g·(100g原料)-1、26.6g·(100g原料)-1和29.4g·(100g原料)-1。這是因?yàn)?玉米秸稈經(jīng)過硫酸預(yù)浸漬后,秸稈中的半纖維素更容易在預(yù)處理過程中發(fā)生水解,使更多被包裹在內(nèi)的纖維素暴露出來,有利于纖維素與酶的接觸,從而提高了纖維素的酶水解性。

2.4.2 木糖產(chǎn)量分析(圖3)

圖3 酶水解后的木糖產(chǎn)量Fig.3 Xyloseyieldafterenzymatichydrolysis

從圖3可以看出,大部分木糖來源于預(yù)處理過程,只有小部分木糖來源于酶水解過程。這是因?yàn)?半纖維素較容易發(fā)生水解,在預(yù)處理過程中大部分半纖維素已經(jīng)被水解為木糖,而0.2%硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈更加明顯。從圖3還可以看出,0.2%硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈最終獲得的木糖產(chǎn)量要大于未經(jīng)硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈,兩者的木糖產(chǎn)量均在汽爆溫度為190℃時(shí)最大。

2.5 同步糖化發(fā)酵

0.2 %硫酸預(yù)浸漬前后的玉米秸稈在200℃下汽爆預(yù)處理后進(jìn)行96 h的同步糖化發(fā)酵,發(fā)酵液中各成分的濃度見圖4。

圖4 發(fā)酵液中各成分的濃度Fig.4 Concentration of components in the fermentation broth

從圖4可以看出,未經(jīng)硫酸預(yù)浸漬的玉米秸稈發(fā)酵獲得的最終乙醇濃度為19.0 g·L-1,相當(dāng)于每100 g原料產(chǎn)生12.1 g乙醇,為理論值的60.1%;0.2%硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈在相同發(fā)酵條件下可獲得22.5 g· L-1的最終乙醇濃度,相當(dāng)于每100 g原料產(chǎn)生15.0 g乙醇,為理論值的76%,較硫酸預(yù)浸漬前明顯提高。這是因?yàn)?0.2%硫酸預(yù)浸漬玉米秸稈中半纖維素在預(yù)處理過程中的水解程度更大、發(fā)酵過程中的乙酸濃度更低。此外,由于未采用具有戊糖發(fā)酵能力的菌種,發(fā)酵過程中的木糖濃度始終保持在10 g·L-1左右,若使用具有較好戊糖發(fā)酵能力的菌種,可以提高最終乙醇得率,從而進(jìn)一步提高原料利用率。

3 結(jié)論

(1)稀硫酸預(yù)浸漬可以增強(qiáng)玉米秸稈的汽爆預(yù)處理效果。稀硫酸預(yù)浸漬一方面可以降低預(yù)處理溫度,減少能耗;另一方面可以增大半纖維素的水解程度及其回收率,增加纖維素的酶水解性。200℃預(yù)處理玉米秸稈經(jīng)過96 h同步糖化發(fā)酵,最終乙醇濃度為22.5 g·L-1,為理論值的76%,較預(yù)浸漬前(19.0 g·L-1)明顯提高。

(2)木糖在酸性條件下更容易繼續(xù)分解為糠醛,而硫酸預(yù)浸漬會(huì)使玉米秸稈在預(yù)處理過程中產(chǎn)生更多的糠醛,但不會(huì)促進(jìn)葡萄糖進(jìn)一步分解為羥甲基糠醛。此外,稀硫酸預(yù)浸漬可以減少乙酸的生成,減輕了乙酸對(duì)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的抑制作用,從而提高了乙醇產(chǎn)量。

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The Effect of Dilute Sulfuric Acid Impregnation on Steam Explosion Pretreatment of Corn Stover

ZHAO Peng-xiang,WU Yi,ZHAO Zheng-kai
(State Grid Xinyuan Beijing Bio-Ethanol Energy R&D Center,Beijing 100053,China)

To improve the effect of traditional steam explosion pretreatment in lignocellulosic ethanol production,the corn stover was impregnated with 0.2%sulfuric acid before steam explosion pretreatment at 190～210℃.The results showed that dilute sulfuric acid impregnation was beneficial to enhance the hydrolysis of hemicellulose and decreased the generation of acetic acid.In the following simultaneous saccharification and fermentation(SSF),a final ethanol concentration of 22.5 g·L-1was obtained,corresponding to 76%of the theoretical maximum ethanol yield,which was obviously higher than that obtained without dilute sulfuric acid impregnation(19.0 g·L-1).It is proved that dilute sulfuric acid impregnation can improve the effect of steam explosion pretreatment of corn stover.

sulfuric acid impregnation;steam explosion;lignocellulosic ethanol;corn stover

TQ 351.3

A

1672-5425(2013)05-0067-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.019

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGKJKJ〔2010〕848)

2013-02-22

趙鵬翔(1975-),男,遼寧沈陽人,博士,高級(jí)工程師,從事生物質(zhì)能源方面的研究,E-mail:pengxiang-zhao@sgxy.sgcc. com.cn;通訊作者:趙正凱,工程師,E-mail:williamzzk@163.com。