從北方混合闊葉材制漿前綠液中提取半纖維素的酸預(yù)水解

前言

生物精煉與石油練制的概念相似，不同之處在于生物精煉是基于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化，而不是以原油為原料生產(chǎn)的。生物精煉在理論上是可以以多種生物質(zhì)形式為原料，形成一個(gè)靈活的產(chǎn)品組合，包括燃料、電力、熱量、化學(xué)品和材料。在生物精煉廠，生物質(zhì)將被轉(zhuǎn)化成更高價(jià)值的化學(xué)品和燃料 （包括氣體和液體）。一個(gè)國(guó)家只有具備了一定的生產(chǎn)技能，必要的基礎(chǔ)設(shè)施和一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模才可能擁有一個(gè)完整的林產(chǎn)工業(yè)。擁有足夠的生物質(zhì)可以加快生物燃料和生物技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。美國(guó)制漿和造紙工業(yè)每年可以持續(xù)收集和處理約108萬噸木材用于生產(chǎn)紙漿和紙張，每年從制漿工藝中可提取約700萬升松節(jié)油和塔爾油，這些提取物在生物柴油中可得到應(yīng)用。

木聚糖半纖維素在闊葉木中含量相對(duì)較大（15%～30%），在針葉木中含量較少（5%～10%）。 通常，半纖維素有單體的取代基，或在某些情況下，擁有低聚物分支鏈，這些取代基或分子鏈具有不同的組成和結(jié)構(gòu)。在闊葉木中半纖維素具有以β-1-4糖苷鍵合成的平均聚合度為100～200的直鏈木糖單體。目前，在硫酸鹽法造紙廠中，半纖維素這種副產(chǎn)品還沒有得到合理利用。通常，半纖維素的處理方法是在回收爐里焚燒以獲取部分熱量，但半纖維素具有相對(duì)低的熱值。如果在制漿操作之前對(duì)原料進(jìn)行一定程度的半纖維素糖類的提取，這樣不僅可以得到新產(chǎn)品，還可以保證硫酸鹽漿的質(zhì)量。原料經(jīng)過制漿前的預(yù)提取后減少了溶解的木材組成，最終在紙漿纖維得率上不會(huì)造成太大影響。在綠液中可以提取部分半纖維素，在這個(gè)過程中部分稀白液（未經(jīng)苛化）可以作為提取半纖維素的萃取溶劑。綠液中的鹽分起到了緩沖作用，以防止pH過低而導(dǎo)致過多提取及紙漿質(zhì)量的下降。制漿前的預(yù)提取物大多都是低聚糖。在這個(gè)過程中還可以得到一定量的醋酸。乙酰脂通常黏著在半纖維素上，另一些則附著在糖上。

所需要的發(fā)酵提取物如乙醇，它是低聚糖經(jīng)過水解后產(chǎn)生的單體成分。該水解反應(yīng)可以是通過酸或酶催化水解完成的。通過對(duì)闊葉木綠液中成分的提取，已證明酸解半纖維素已經(jīng)得到了很好地研究和有效的預(yù)測(cè)。但從給定的綠液中提取低聚物所需要的最佳酸量還不確定。酸化一個(gè)強(qiáng)緩沖溶液系統(tǒng)會(huì)增加酸的消耗，同時(shí)也會(huì)增加最后的中和工序和后期石膏出售的成本。本研究的目的是為了獲得最佳酸水解條件，這樣就可以有效地控制水解過程中反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，優(yōu)化整個(gè)水解過程。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

整個(gè)研究過程中所用的原料是由位于美國(guó)緬因州舊城區(qū)的紅盾硫酸鹽紙漿廠提供的東北混合闊葉材木片。該木片原料中50%為楓木，其余主要是櫸木和楊木。原料經(jīng)過機(jī)械振動(dòng)篩的篩選，篩子的篩徑為7/8～5/8（22.6～16.0 mm）。 篩選后的木片經(jīng)過空氣干燥后直接用于綠液的化學(xué)成分萃取研究。干燥后的木片經(jīng)過超微粉碎機(jī)研磨，然后用孔徑為0.595～0.42 mm的網(wǎng)進(jìn)行篩選，檢測(cè)水分和碳水化合物含量。根據(jù)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)分析和測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)υ辖M分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 東北混合闊葉材化學(xué)成分（以絕干計(jì)）

這些數(shù)據(jù)是分析東北混合闊葉材（50%的楓木、櫸木、楊木）得出的平均結(jié)果。

1.2 綠液

綠液是從硫酸鹽制漿中部分回收得到的。它是由黑液在燃燒爐里經(jīng)過煅燒后得到的燃燒物 （硫化鈉，碳酸鈉和一些雜質(zhì)）溶解于水中得到的。實(shí)驗(yàn)中所用藥品均為分析純，純度為65%的硫化鈉，純度為99.5%的碳酸鈉，純度為99.2%的硫酸鈉，純度為98.5%的氫氧化鈉。綠液的化學(xué)組分如表2所示。

表2 用于提取工藝的綠液的化學(xué)組分

1.3 萃取

緬因州立大學(xué)工藝開發(fā)中心使用20L回轉(zhuǎn)式蒸煮器對(duì)半纖維素進(jìn)行提取。蒸煮器的不銹鋼籃中裝有2千克尺寸為16mm×22.6 mm×4 mm的風(fēng)干木片。風(fēng)干木片中殘留水份的多少用于計(jì)算需要加入綠液的量，每公斤絕干木材添加4 L的液體：0.55 L的綠液與6.35 L的水混合，加入到3.1 kg含水量為36.1%的木材中。整個(gè)過程中蒸煮器不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)速為2 r/min），持續(xù)升溫至溫度達(dá)到160℃，保溫110 min，然后冷卻，保持H因子為800。H因子是一個(gè)溫度影響因素，表示為反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，如方程式1所示。

式中：t——時(shí)間，單位為min；

T——溫度，單位為K。

1.4 蒸發(fā)

采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 （德國(guó)GmbH和Co KG制造）濃縮從蒸煮器中得到的約0.5 L半纖維素萃取液。大約40 min后從蒸發(fā)器中取出樣品。蒸發(fā)器轉(zhuǎn)速為150 r/min，水浴溫度為30℃。根據(jù)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定程序第002號(hào)和012號(hào)分別對(duì)糖和固體含量進(jìn)行分析檢測(cè)。綠液固含量濃縮至5.78%后用于后期的水解實(shí)驗(yàn)。

1.5 二次酸水解

在密封的管狀反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)器示意圖如圖1所示。反應(yīng)器為長(zhǎng)150 mm，直徑為10mm的316不銹鋼管，它的一端和內(nèi)部容積為12 cm3的世偉洛克管相連接。用10 ml的半纖維素提取物進(jìn)行酸水解實(shí)驗(yàn)，酸水解的條件為：反應(yīng)溫度為（100～160）℃，硫酸濃度為 2%～6%，反應(yīng)時(shí)間為 2～258 min。容器的溫度是通過浸泡在充滿有機(jī)熱載550的油浴中來調(diào)節(jié)的。容器最初浸入設(shè)定50℃的油浴中，來快速升至預(yù)熱所需的反應(yīng)溫度。然后容器快速轉(zhuǎn)移至第二個(gè)設(shè)定在所需反應(yīng)溫度的油浴中。由插入反應(yīng)器內(nèi)的熱電偶進(jìn)行容器內(nèi)反應(yīng)物溫度的檢測(cè)。反應(yīng)完成以后，將容器置于冰浴中冷卻10min。

圖1 裝有熱電偶的水解容器示意圖

初始糖濃度的測(cè)定也可通過酸水解實(shí)現(xiàn)，根據(jù)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室第002號(hào)標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)行，其水解條件為4%的硫酸濃度，120℃下反應(yīng)60 min。這些條件的設(shè)定都是為了在水解過程中對(duì)降解的糖的校正，以便準(zhǔn)確分析原料的組成。在后面進(jìn)行的水解實(shí)驗(yàn)中可以得到糖的最佳產(chǎn)量，該數(shù)據(jù)沒有對(duì)水解過程中糖的降解進(jìn)行校正。

1.6 高效液相色譜法

高效液相色譜法可以對(duì)糖類化合物進(jìn)行定量分析。用于碳水化合物測(cè)量的該高效液相色譜儀由日本島津公司生產(chǎn)，該色譜儀有一根HPX-87H（300 mm×7.8 mm）的分析柱和一個(gè)陽離子保護(hù)柱（30 mm×4.6 mm）。該柱子保持在60℃下，用5mMol H2SO4作為洗脫劑，流速為0.6 ml/min。所有的糖峰由一個(gè)RI檢測(cè)器在紫外吸收（280 nm）處進(jìn)行檢測(cè)，并與正品確定的標(biāo)準(zhǔn)保留時(shí)間進(jìn)行量化比較。該儀器的分析柱允許同時(shí)分析糖、短小鏈有機(jī)酸和糖的降解產(chǎn)物，但它不能區(qū)分木糖、甘露糖和半乳糖，因此報(bào)告中為三種單糖的總和（XMG）。先前的研究已經(jīng)表明，使用高效液相色譜儀對(duì)綠液提取物中總糖的定量和其他方法一樣是一種有效的分離方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取

從混合闊葉材綠液中萃取所得到的碳水化合物的濃度如表3所示。在以上提到的萃取條件下，萃取量約為木材的質(zhì)量11.4%。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)所用的綠液（3%以氧化鈉計(jì)，對(duì)木材）的濃度有要求，這是由于先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明在該濃度下木片在萃取后可以確保硫酸鹽漿的數(shù)量和質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明較高的綠液濃度可以得到較低濃度的碳水化合物，而綠液濃度較低的時(shí)候就可以得到較高的糖得率，但紙漿的質(zhì)量和數(shù)據(jù)稍差些。

表3 提取物經(jīng)過兩次水解后各組分的分析結(jié)果

為了增加糖的餾分，半纖維素的提取，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中進(jìn)行，其條件為：（1）在150 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌，溫度為30℃；（2）提取過程中的蒸發(fā)時(shí)間為0、30、40 min。

2.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

另外，從表3中亦可以查到通過蒸發(fā)濃縮后的碳水化合物的濃度。在本實(shí)驗(yàn)中用于水解測(cè)試的半纖維素提取物是部分蒸發(fā)提取物，這部分提取物包含了0.6 g/L的葡聚糖、9.5 g/L的木聚糖和1.7 g/L的阿拉伯聚糖，從而總糖含量為11.8 g/L。從收集到的數(shù)據(jù)中可以看出，易于揮發(fā)的組分在蒸發(fā)的過程中優(yōu)先揮發(fā)掉。半纖維素碳水化合物中提取的葡聚糖、XMG和阿拉伯聚糖的比例分別為 0.06∶1∶0.18。這些比例的大小意味著XMG組分主要來自阿拉伯糖基葡萄糖醛酸的降解。少量的葡萄糖可能也是由半乳糖葡萄甘露糖分解得到的。在稀釋和較濃的提取物濃度中優(yōu)先蒸發(fā)得到的乙?；壤龔?.93減少至0.83的微妙的變動(dòng)在表3中也被記錄下來。

2.3 稀酸的二級(jí)水解

對(duì)從各種酸水解條件和過程中得到的糖產(chǎn)量進(jìn)行了比較，這樣簡(jiǎn)化了因子Ro的使用，例如用于制漿的H因子、時(shí)間和溫度。反應(yīng)縱軸由下式給出：

式中：t——保留時(shí)間，單位為min；

T——反應(yīng)溫度，單位為K。

用Ro因子表示酸水解的溫度和反應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如表4所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括三個(gè)范圍的Ro：低（Ro=59～64），中（Ro=234～256）和高（Ro=935～993）。

表4 在一定操作條件下使用管狀反應(yīng)器酸化后的各組分含量

2.4 稀酸二級(jí)水解：反應(yīng)強(qiáng)度的影響

圖2 北方混合闊葉材綠液經(jīng)兩次酸水解后XMG（木糖、甘露糖、半露糖）、乙酸、糠醛產(chǎn)量和溫度之間的關(guān)系

表4列出了半纖維素提取物水解試驗(yàn)中酸水解條件和可溶性糖的濃度。對(duì)半纖維素的水解條件溫度（100～160）℃，稀硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2%、4%、6%）,反應(yīng)時(shí)間（2～256）min進(jìn)行了評(píng)估。圖2中的數(shù)據(jù)表明，糖、乙酸和糠醛的得率不能完全由反應(yīng)的程度決定，這是由于相同反應(yīng)程度不同反應(yīng)溫度下可得到不同濃度的水解產(chǎn)物。反應(yīng)程度決定得率的這種預(yù)測(cè)中所產(chǎn)生的偏差可明顯的從糖降解到糠醛的過程中觀測(cè)到，如圖2a、2c中所示。從圖中可以看出，反應(yīng)程度的影響低于反應(yīng)溫度的影響：隨著溫度的升高，反應(yīng)速率的增加超過了補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)程度的時(shí)溫等效。這一結(jié)果與先前預(yù)測(cè)降解產(chǎn)物的累積的適用性一致。在條件為4%的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、140℃、反應(yīng)時(shí)間16 min中等反應(yīng)程度下，可得到最高得率為9.1 g/L的木糖 （圖2a）。乙酸的得率如圖2b所示。在多數(shù)的測(cè)試中，醋酸鹽在130℃到140℃的之間的溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)峰值。累計(jì)乙酸較為平滑的曲線是一種比反應(yīng)程度更有效地預(yù)測(cè)函數(shù)。木糖的分解產(chǎn)物糖醛，隨著溫度和高Ro因子的增加而增加（圖2c）。這清楚地表明，戊糖（木糖和阿拉伯糖）來自于半纖維的進(jìn)一步降解。然而，在水解產(chǎn)物中沒有檢測(cè)到羥甲基糠醛（HMF）。其主要原因可能是在綠液的提取物中出現(xiàn)了少量的葡萄糖和葡聚糖。然而，這些微量成分的數(shù)據(jù)由于數(shù)量小而導(dǎo)致了小的錯(cuò)誤的發(fā)生。

圖3 北方混合闊葉材綠液經(jīng)兩次酸水解后XMG（木糖、甘露糖、半露糖）、乙酸、糠醛產(chǎn)量和停留時(shí)間之間的關(guān)系

圖3和圖2由相同數(shù)據(jù)繪制，圖3縱坐標(biāo)軸是時(shí)間。對(duì)每一個(gè)時(shí)間和酸濃度的組合進(jìn)行了從2～256 min之間的一系列的反應(yīng)時(shí)間的研究。如圖3a所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用二水平因子研究反應(yīng)程度和東北混合闊葉材的預(yù)水解停留時(shí)間在木糖中所占的最大百分比的影響。當(dāng)反應(yīng)條件為中等反應(yīng)程度和4%的硫酸（pH值為0.85）時(shí)，在二次水解產(chǎn)物中可得到最大量為6.8 g/L乙酸和9.1 g/L木糖。最大量的提取是在等溫反應(yīng)16 min后得到的。由于較短的反應(yīng)時(shí)間被認(rèn)為是不切實(shí)際的，因而認(rèn)為這些反應(yīng)條件是接近最優(yōu)的綠液預(yù)制漿提取中二次酸水解的。將在接近最佳條件下提取得到的糠醛和乙酸的產(chǎn)量繪制成停留時(shí)間的函數(shù)，結(jié)果如圖3b、3c所示。從圖3b中可以看到，最大量下，在條件為高反應(yīng)程度、4%的硫酸（pH=0.85）和停留時(shí)間為16 min下可檢測(cè)到8.3 g/L潛在的糠醛，這意味著大部分的木糖組分已經(jīng)通過水解損失掉了。更高的反應(yīng)程度可能會(huì)在一定程度上減少剩余提取物中木聚糖的損失。測(cè)試的反應(yīng)時(shí)間要足夠長(zhǎng)，目的是降低木糖得率，以確保至少在括號(hào)內(nèi)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的溫度和pH值可得到最大糖得率。

圖4 北方混合闊葉材綠液經(jīng)酸水解后XMG、總糖產(chǎn)量和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.5 稀酸水解結(jié)果：酸濃度的影響

由于較高的酸性條件下糖可降解為呋喃，因而我們?cè)u(píng)估了稀硫酸水解條件下酸劑量在低、中和高三個(gè)反應(yīng)程度范圍內(nèi)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)的影響結(jié)果。使用5.87%的提取物，酸劑量為4%，中等反應(yīng)強(qiáng)度條件下得到的最大產(chǎn)量為9.1 g/L的XMG，這意味著96%為可用的XMG?？傮w而言，約91%的半纖維素轉(zhuǎn)化為單體糖（總的XMG和阿拉伯糖為10.2 g/L），只有50%的葡聚糖（3 g/L）被轉(zhuǎn)換為葡萄糖，如圖4中所示。有趣的是，對(duì)于較高和較低酸濃度的測(cè)試中，最佳糖濃度分別是在較低和較高的強(qiáng)度指數(shù)下得到的，而整體的最佳的糖產(chǎn)量是在中等強(qiáng)度指數(shù)和中等酸濃度條件下得到的。在較低和較高的酸濃度條件下，用2%H2SO4和6%H2SO4分別在140℃和130℃下保持64 min和8 min，總糖的最大收率可分別達(dá)到9.4 g/L和9.7 g/L。此外，由于在每個(gè)酸濃度下，都有大量的碳水化合物，試驗(yàn)過程中（試驗(yàn)號(hào)5，8，和18）有小分子的糠醛產(chǎn)生。

總的硬度函數(shù)已經(jīng)被用來整合酸的影響，硬度成為一個(gè)變量，并被定義為下式：

式中：CS——總的硬度指數(shù)；

Ro 由（2）式給出。

表4中的數(shù)據(jù)被表示為相對(duì)于最大可能的糖濃度的產(chǎn)品產(chǎn)率并與總的硬度指數(shù)一起作圖，作圖結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，該數(shù)據(jù)很好地沿著一個(gè)連續(xù)的總硬度指數(shù)變化，最佳條件的出現(xiàn)是在CS=1.7附近。

3 結(jié)論

在優(yōu)化條件下保持預(yù)得率和質(zhì)量，利用綠液從去皮木材中提取出約占木材質(zhì)量11.4%的組分，進(jìn)而導(dǎo)致了較低的半纖維糖的濃度。為提高提取的糖的濃度，在水解前進(jìn)行蒸發(fā)萃取。蒸發(fā)萃取作為一種方法來研究稀硫酸水解轉(zhuǎn)換所提取的可發(fā)酵單糖的低聚物。部分蒸發(fā)提取的可發(fā)酵的糖的最大濃度為10.7 g/L，占最大可能得率的90.7%。在水解結(jié)果中應(yīng)用生物預(yù)處理的硬度函數(shù)可提供一個(gè)相對(duì)較低的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的相互作用。包括反應(yīng)時(shí)間、溫度和酸的濃度在內(nèi)的總的硬度函數(shù)證明是可提供一個(gè)有用手段，用于協(xié)調(diào)這三個(gè)變量對(duì)總糖產(chǎn)量的綜合作用。

杜芳 編譯自：Appl Biochem Biotechnol(2009 153：127-138