稀堿預(yù)處理棕櫚殘渣制備纖維乙醇

張海燕，周玉杰，李晉平，戴玲妹，劉德華，張建安，Yuen May Choo，Soh Kheang Loh

1 太原理工大學(xué)精細化工研究所，山西 太原 030024

2 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084

3 清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084

4 馬來西亞棕櫚油協(xié)會，馬來西亞 吉隆坡 50720

隨著不可再生能源的日益短缺，能源危機日趨嚴(yán)重，屬于生物質(zhì)能的纖維素乙醇由于以非糧作物為原料，具有環(huán)保、清潔并可大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)等特點而得到廣泛的青睞[1-4]。棕櫚是東南亞重要的經(jīng)濟作物，在其加工過程中，每年產(chǎn)生的棕櫚空果串，經(jīng)脫油、擠干、撕裂后產(chǎn)生的纖維(以下簡稱棕櫚殘渣)約400萬t，至今為止尚未找到合適的處理方法，絕大部分作填埋和焚燒處理，既浪費了資源，又污染了環(huán)境[5-8]。棕櫚殘渣原料密集，充分利用該資源制備生物乙醇及綜合利用，具有巨大的潛力和廣闊的發(fā)展前景。

利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇主要包括原料的預(yù)處理、酶解和發(fā)酵三個步驟，其中預(yù)處理是關(guān)鍵步驟之一，它會直接影響到后續(xù)酶解中纖維素的可消化性[9-10]。目前，木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法[11-13]。棕櫚資源由于分布較為集中，因此對其預(yù)處理以及乙醇發(fā)酵的研究并不多見，其中預(yù)處理方法的報道以化學(xué)法為主。如 Umikalsom等[14]用等濃度0.5%的NaOH、HNO3、HCl對棕櫚果殼串進行了預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)用NaOH處理過的棕櫚纖維酶解效率最高。Jung等[15]用氨水對棕櫚空殼串進行預(yù)處理，在60 ℃用21% (W/W)氨水浸泡12 h后41.1%的木質(zhì)素被脫除。Kim等[16]相繼用稀硫酸、NaOH對棕櫚殘渣進行預(yù)處理，用稀酸預(yù)處理完后 90%的半纖維素和 32%的木質(zhì)素被降解到液相中。Kassim等[17]用1% NaOH對棕櫚果殼串進行預(yù)處理，然后用 0.7% (V/V)H2SO4水解，得到13.38 g/L木糖和0.54 g/L葡萄糖，后進行分步糖化發(fā)酵乙醇最高得率為0.51 g/g葡萄糖。上述研究表明堿對棕櫚原料木質(zhì)素有較好的脫除效果，但沒有進一步對不同條件的堿預(yù)處理進行對比，并且利用棕櫚殘渣進行高底物濃度的乙醇同步糖化發(fā)酵還少有報道。

棕櫚殘渣的化學(xué)組成中木質(zhì)素約占 17%～20%，由于木質(zhì)素的存在不利于纖維素及半纖維素的酶解，因此對其進行脫木質(zhì)素預(yù)處理將有助于提高酶解率。侯麗芬等[18]通過對酸法、稀堿和堿性 H2O2三種預(yù)處理條件進行比較，發(fā)現(xiàn)通過堿性H2O2預(yù)處理玉米芯，其木質(zhì)素脫除率最高。本文比較了稀堿、堿/H2O2等預(yù)處理條件對棕櫚殘渣脫木質(zhì)素以及酶解的影響，確定了適宜的預(yù)處理條件；考察了底物濃度、酶載量對酶解效果的影響以及不同底物濃度的乙醇同步糖化發(fā)酵。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

1.1.1 原料

實驗用的棕櫚殘渣顆粒 (經(jīng)機械粉碎)，粒度20～40目，來自于馬來西亞。

1.1.2 試劑與藥品

高活力纖維素酶 (北京中紡化工股份有限公司提供)，是纖維素酶和半纖維素酶的混合酶，纖維素酶濾紙酶活100 FPU/mL，半纖維素酶活295 IU/mL；試驗所用其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.1.3 菌種

實驗過程中采用的菌種：釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae，編號為31014，來源于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心 (CICC)。

1.1.4 儀器

SHIMADZU高效液相色譜儀 (日本島津公司)，由 LC-20AD雙元泵、柱溫箱、工作站、RID-10A型示差折光檢測器 (RI)、SPD-20A 型紫外檢測器 (UV)組成。Tg16-W微量高速離心機。精密 pH計，PHS-3C型，上海科學(xué)精密儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 預(yù)處理條件

堿預(yù)處理條件：稱取干重為 30 g的棕櫚殘渣，置于500 mL錐形瓶中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%和2%的NaOH溶液300 mL，即固液比為1∶10，待試樣充分浸潤后，置于40 ℃搖床中，轉(zhuǎn)速200 r/min，浸泡24 h；后置于121 ℃滅菌鍋中，保溫時間分別為5 min和30 min。反應(yīng)結(jié)束后將樣品通過抽濾進行固液分離，用蒸餾水將固體樣品洗滌至pH呈中性，測定其固體回收率及組分含量，濾液取樣用高效液相色譜測定其成分。

堿/H2O2預(yù)處理條件：稱取干重為30 g的棕櫚殘渣，置于500 mL錐形瓶中，加入NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、1%和2%的溶液300 mL，即固液比為1∶10，待試樣充分浸潤后，置于 40 ℃搖床中，轉(zhuǎn)速200 r/min，浸泡24 h。反應(yīng)結(jié)束后將樣品通過抽濾進行固液分離，用蒸餾水將固體樣品洗滌至pH呈中性，測定其固體回收率及組分含量，濾液取樣用高效液相色譜測定其成分。

1.2.2 酶解條件

稱取預(yù)處理后的棕櫚殘渣干重分別為1 g、2 g、3 g、4 g、5 g和6 g，置于50 mL錐形瓶中，加入pH值為4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液5 mL，添加蒸餾水至液體總體積為20 mL，即酶解時的底物濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%，酶載量為10～40 FPU/g，溫度為45 ℃，轉(zhuǎn)速為150 r/min，酶解結(jié)束后取上清液用高效液相色譜測定其還原糖含量。

酶解轉(zhuǎn)化率采用以下公式計算：

纖維素酶解轉(zhuǎn)化率 (%)= 酶解液中葡萄糖含量×100 / (底物中纖維素含量×1.11)；

半纖維素酶解轉(zhuǎn)化率 (%)= 酶解液中木糖含量×100 / (底物中半纖維素含量×1.13)；

其中，1.11是指1 g纖維素理論上產(chǎn)生1.11 g葡萄糖；1.13是指1 g半纖維素理論上產(chǎn)生1.13 g木糖。

1.2.3 同步糖化發(fā)酵條件

稱取預(yù)處理后的棕櫚殘渣干重分別為1 g、2 g、3 g、4 g、5 g和6 g，置于50 mL錐形瓶中，加入5 mL醋酸-醋酸鈉緩沖溶液 (pH 4.8)，添加蒸餾水至總體積為20 mL，即同步糖化發(fā)酵時的底物濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%，酶載量為30 FPU/g，接種量為5%，溫度為35 ℃，轉(zhuǎn)速為150 r/min，發(fā)酵結(jié)束后取上清液用高效液相色譜測定其還原糖含量及乙醇含量。

乙醇得率采用以下公式計算：

乙醇得率 (%)= 發(fā)酵液中乙醇含量×100/(底物中纖維素含量×0.56)；

其中，0.56是指1 g纖維素理論上產(chǎn)生0.56 g乙醇。

1.2.4 測定方法

棕櫚殘渣原料中三組分 (即纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)含量的測定方法見文獻[19]。葡萄糖、木糖、乙醇、乙酸等物質(zhì)的含量用高效液相色譜法進行測定。

高效液相色譜測定條件：色譜柱型號是Aminex? HPX-87H 柱 (Bio-Red美國)，柱溫65 ℃，流動相 0.005 mol/L H2SO4，流速為0.8 mL/min；RID-10A 檢測器(島津公司)；進樣量 20 μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理條件對原料組分的影響

不同預(yù)處理條件下的固體回收率及濾液組分分析如表1所示，在只有一步低溫預(yù)處理條件下，NaOH濃度越大，固體回收率越低，NaOH濃度為0.5%時預(yù)處理后固體回收率為84.01%，而當(dāng) NaOH濃度增加至 2%時固體回收率卻為76.59%。在兩步預(yù)處理條件下，高溫處理時間越長，固體回收率越低，最低為 72.67%，相應(yīng)的濾液中葡萄糖和木糖濃度就越高，但都在 1 g/L之下，乙酸含量也有了明顯提高，最高可以達到8.72 g/L，這是由于預(yù)處理強度越大，棕櫚纖維原料中木質(zhì)素脫除率就越高，纖維素和半纖維素也有少量的降解，但總的來說，纖維素和半纖維素主要存在于固相中。在堿/ H2O2預(yù)處理條件中，隨著 H2O2濃度的增大，固體回收率有所降低，但基本保持在 76.17%～79.14%范圍內(nèi)，液相中木糖含量比其他預(yù)處理條件高，這是由于 H2O2對半纖維素也有一定的降解作用。由表1可以看出，液相中乙酸含量最高的是2% NaOH高溫處理30 min的結(jié)果，乙酸濃度可以達到8.72 g/L，結(jié)合圖1進行分析，2% NaOH高溫處理30 min之后，木質(zhì)素含量也最低，說明經(jīng)過NaOH高溫預(yù)處理之后，棕櫚纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有更強的改變，木質(zhì)素脫除率也就越高。由于預(yù)處理液中成分較為簡單，可以考慮補加適量堿后循環(huán)利用。

不同預(yù)處理條件對棕櫚殘渣預(yù)處理后的固體組分含量測定結(jié)果如圖1所示，隨著NaOH濃度的增大，棕櫚殘渣中的纖維素和半纖維素含量逐漸增大，木質(zhì)素含量逐漸減少。本文測定未處理的棕櫚原料中纖維素含量為 32.52%，半纖維素含量為 21.25%，木質(zhì)素含量為 17.57%。用0.5% NaOH預(yù)處理后三組分含量變化不大，當(dāng)預(yù)處理條件中NaOH濃度為1%時，棕櫚殘渣中的纖維素含量可以達到45%，半纖維素含量可達到 26%，木質(zhì)素含量降為 13%，與原料相比有較為明顯的變化；2% NaOH與1% NaOH預(yù)處理后棕櫚殘渣中的三組分含量變化不大。用NaOH和 H2O2處理后，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量也可分別達 43%、28%和 15%，較原料也有明顯變化。但隨著 H2O2濃度的增大，三組分含量卻不再改變。總之，預(yù)處理時間和H2O2用量對組分含量變化的影響不如 NaOH濃度和溫度顯著，因此，選擇用1% NaOH高溫預(yù)處理條件比較合適。

2.2 預(yù)處理條件對酶解的影響

對不同預(yù)處理條件下的棕櫚殘渣固體樣品以底物濃度5%、酶載量30 FPU/g酶解72 h，結(jié)果如圖2所示，隨著NaOH濃度和預(yù)處理強度的增大，纖維素和半纖維素酶解率依次增大。濃度為 1% NaOH預(yù)處理后纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別可達 80%以上，而濃度為 0.5%NaOH預(yù)處理后纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別只有44.04%和38.65%。但是當(dāng)NaOH濃度增加至2%時，纖維素酶解率和半纖維素酶解率較1% NaOH卻不再增加，因此，本實驗預(yù)處理條件中NaOH 適宜濃度為1%。

表1 預(yù)處理后固體回收率及液相組分分析Table 1 Effects of different pretreatment conditions on the solid recovery and the liquid composition

圖1 不同預(yù)處理條件對棕櫚殘渣固體組分含量的影響Fig. 1 Effects of different pretreatment conditions on the contents of solid composition in palm residues. 1: untreated EFB; 2: 0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 3: 0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 4: 0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃,30 min; 5: 1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 6: 1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 7: 1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 30 min;8: 2% NaOH, 40 ℃, 24 h; 9: 2% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 10: 2% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 30 min; 11:1% NaOH+0.6% H2O2, 40 ℃, 24 h; 12: 1% NaOH+1% H2O2, 40 ℃, 24 h; 13: 1% NaOH+2% H2O2, 40 ℃, 24 h.

圖2 不同預(yù)處理條件對棕櫚殘渣酶解的影響Fig. 2 Effects of different pretreatment conditions on enzymatic hydrolysis for palm residues. 1: untreated EFB; 2:0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 3: 0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 4: 0.5% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 30 min; 5:1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 6: 1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 7: 1% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121℃, 30 min; 8: 2%NaOH, 40 ℃, 24 h; 9: 2% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 5 min; 10: 2% NaOH, 40 ℃, 24 h; 121 ℃, 30 min; 11: 1%NaOH+0.6% H2O2, 40 ℃, 24 h; 12: 1% NaOH+1% H2O2, 40 ℃, 24 h; 13: 1% NaOH+2% H2O2, 40℃, 24 h.

用1% NaOH在121 ℃對棕櫚殘渣高溫預(yù)處理之后酶解轉(zhuǎn)化率比40 ℃低溫處理后的轉(zhuǎn)化率高，說明高溫預(yù)處理之后棕櫚纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更為明顯的變化，增加了酶與底物的可及度，促進了纖維素和半纖維素的酶解。當(dāng)NaOH濃度為1%時，隨著高溫預(yù)處理反應(yīng)時間的增加，纖維素和半纖維素酶解率不斷增大，121 ℃下反應(yīng)5 min后，纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別只有 62.07%和 64.98%，當(dāng)反應(yīng)時間為 30 min時，纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別可達84.44%和89.28%，較5 min時有了明顯的提高，說明高溫下的反應(yīng)時間對酶解率影響顯著。因此，本實驗預(yù)處理條件中121 ℃下反應(yīng) 30 min較為合適。用NaOH和H2O2低溫預(yù)處理后的固體樣品，酶解率明顯優(yōu)于采用NaOH低溫預(yù)處理的樣品，但隨著 H2O2濃度的增大，酶解率變化不大，纖維素和半纖維素酶解率分別為 57%和67%，效果不如堿高溫處理效果明顯。由圖2可以看出，7號樣品的酶解效果最好，因此，本實驗中適宜的預(yù)處理條件為：NaOH濃度為1%，先在40 ℃浸泡24 h后置于121 ℃保溫30 min。

2.3 酶用量對酶解的影響

用1% NaOH以固液比1∶10對棕櫚殘渣進行預(yù)處理，先在 40 ℃下浸泡 24 h，然后置于121 ℃下保溫30 min，對預(yù)處理后的固體以不同酶用量 (10～40 FPU/g)進行酶解，酶解時底物濃度為5%，酶解72 h后結(jié)果如圖3所示。隨著酶用量的增大，酶解所得的葡萄糖濃度和木糖濃度也逐漸增大。當(dāng)酶用量為10 FPU/g時，酶解72 h后葡萄糖濃度和木糖濃度分別為 15.91 g/L和10.42 g/L，纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別為 65.71%和 72.72%，但是當(dāng)酶用量增加至30 FPU/g時，酶解72 h后所得的葡萄糖濃度和木糖濃度分別為20.59 g/L和12.61 g/L，相應(yīng)的纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別可以達到84.44%和89.28%，達到最大值，之后隨著酶用量的增大，葡萄糖和木糖濃度不再增加。預(yù)處理后固體樣品中的木質(zhì)素含量仍較高，這也可能是需要較高酶用量的原因。

圖3 不同酶用量對酶解的影響Fig. 3 Effects of different enzyme dosage on enzymatic hydrolysis. (A)Relationship between glucose concentration and hydrolysis time. (B)Relationship between xylose concentration and hydrolysis time.

2.4 底物濃度對酶解的影響

用1% NaOH以固液比1∶10對棕櫚殘渣進行預(yù)處理，先在 40 ℃下浸泡 24 h，然后置于121 ℃下反應(yīng) 30 min，預(yù)處理后的固體樣品以30 FPU/g加酶量對不同濃度 (5%～30%)底物進行酶解，酶解72 h后結(jié)果如圖4所示。隨著底物濃度的增大，纖維素和半纖維素酶解率逐漸減小，而葡萄糖濃度和木糖濃度卻逐漸增大。底物濃度為5%時纖維素和半纖維素酶解率最大，分別為84.44%和89.28%，葡萄糖濃度為20.47 g/L，木糖濃度為12.63 g/L。當(dāng)?shù)孜餄舛忍岣咧?0%時，纖維素和半纖維素酶解率分別為 66.55%和75.89%，此時葡萄糖和木糖濃度分別可以達到29.27 g/L和 20.89 g/L。而當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾又?5%時，葡萄糖濃度和木糖濃度不再隨著底物濃度的增加而增大，分別為47.44 g/L和31.43 g/L，相應(yīng)的纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別為43.13%和50.29%，這可能是由于底物濃度越大時，酶解體系中的木質(zhì)素含量也就越高，因此影響了酶的活性及穩(wěn)定性，導(dǎo)致酶解率降低。

2.5 底物濃度對同步糖化發(fā)酵的影響

用1% NaOH以固液比1∶10對棕櫚殘渣進行預(yù)處理，先在 40 ℃下浸泡 24 h，然后置于121 ℃下反應(yīng)30 min，預(yù)處理后的固體樣品以酶載量30 FPU/g、接種量5%對不同濃度 (5%～30%)底物進行同步糖化發(fā)酵，發(fā)酵72 h后結(jié)果如圖5所示。隨著底物濃度的增大，發(fā)酵所得的乙醇濃度逐漸增大，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?5%時乙醇濃度達到最大，為35.25 g/L，生產(chǎn)強度為0.49 g/(L·h)，乙醇得率為理論得率的56.96%。在5%～30%范圍內(nèi)，底物濃度越大，發(fā)酵所得的乙醇得率越低。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?%時發(fā)酵72 h后乙醇得率為理論得率的79.07%，而當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾又?0%時乙醇得率僅為理論得率的 44.91%。這是由于隨著底物的增加，導(dǎo)致機械攪拌和傳質(zhì)的困難，造成有害抑制物的積累，使得乙醇的得率有所降低。在整個發(fā)酵過程中，葡萄糖含量一直很低，濃度基本在5 g/L以下，只是在12 h有一些短暫的累積，發(fā)酵72 h結(jié)束時葡萄糖含量幾乎為零，這表明酶解糖化得到的葡萄糖能很快地被酵母利用，這也是同步糖化發(fā)酵過程的主要特征。由于本實驗所用的酵母菌不能利用木糖，所以隨著發(fā)酵的進行木糖含量隨之增加，發(fā)酵至72 h時底物濃度為25%的木糖濃度可以達到25.75 g/L，達到最大值。

圖4 不同底物濃度對酶解的影響Fig. 4 Effects of different substrate concentration on enzymatic hydrolysis. (A)Relationship between sugar concentration and substrate concentration. (B)Relationship between enzymatic hydrolysis conversion and substrate concentration.

圖5 不同底物濃度的同步糖化發(fā)酵過程Fig. 5 Simultaneous saccharification and fermentation of different substrate concentration. (A)Relationship between ethanol concentration and fermentation time. (B)Relationship between Ethanol yield and substrate concentration. (C)Relationship between glucose concentration and fermentation time. (D)Relationship between xylose concentration and fermentation time.

3 結(jié)論

本實驗研究表明，堿處理棕櫚殘渣的較適宜預(yù)處理條件為：NaOH濃度為1%，固液比1∶10，先在40 ℃時浸泡24 h，然后置于121 ℃下保溫30 min。在該預(yù)處理條件下，棕櫚殘渣固體樣品中纖維素含量由32.52%變?yōu)?4.08%，半纖維素含量由 21.25%變?yōu)?25.74%，木質(zhì)素含量由17.57%變?yōu)?3.89%，這說明大部分纖維素和半纖維素依然存在于固體中，而部分木質(zhì)素被降解在液體中，NaOH對木質(zhì)素的降解作用明顯。對該預(yù)處理條件下的固體樣品以底物濃度為5%進行酶解，纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別為84.44%和89.28%，而未經(jīng)預(yù)處理的棕櫚殘渣原料纖維素酶解率和半纖維素酶解率分別只有22.07%和18.39%。考察了酶載量和底物濃度對酶解的影響以及不同底物濃度的乙醇同步糖化發(fā)酵，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?%時，發(fā)酵72 h后乙醇的濃度為9.76 g/L，達到理論得率的79.09%，生產(chǎn)強度為0.14 g/(L·h)；當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾又?5%時，發(fā)酵72 h后乙醇的濃度為35.25 g/L，達到理論得率的56.96%，生產(chǎn)強度為0.49 g/(L·h)。Jung等[15]對 21%氨水處理過的棕櫚空殼串以 5%纖維素底物量進行同步糖化發(fā)酵，168 h后乙醇濃度為18.6 g/L，達到理論得率的65.6%，生產(chǎn)強度為0.11 g/(L?h)。常春等[20]考察了不同工藝的高底物濃度對纖維乙醇同步糖化發(fā)酵的影響，當(dāng)原料濃度為30%時，采用預(yù)酶解補料同步糖化發(fā)酵耦合真空分離工藝的乙醇得率最高，可以達到44.98%，生產(chǎn)強度為 0.4 g/(L·h)。因此，后續(xù)的實驗可以探討通過進一步改善浸泡過程以及預(yù)酶解補料等手段來進一步提高酶解率和乙醇得率。

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