螺帶槳攪拌在木質(zhì)纖維素稀酸預處理反應器中的應用

何燕青，張龍平，張 建，鮑 杰

(華東理工大學 生物工程學院 生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237)

預處理是木質(zhì)纖維素生物煉制過程的一個關(guān)鍵步驟［1］，其中稀酸預處理是當前最主流的預處理方法之一［2－5］，在纖維乙醇的生產(chǎn)中大規(guī)模應用。傳統(tǒng)的稀酸預處理使用較多的稀H2SO4(m(稀酸)∶m(秸稈)=6∶1 ～10∶1)［6－7］，導致預處理后產(chǎn)生大量廢液。針對上述問題，開發(fā)一種“干法”稀酸預處理的方法［8］，即通過降低預處理過程中的稀H2SO4用量(m(稀 H2SO4)∶m(干秸稈)=1∶2)，使預處理后的物料不含游離水。但由于固體含量超高(接近70%)，勢必導致預處理反應器內(nèi)大量的氣液固三相難以混合均勻，影響預處理效果。先前的研究中，螺帶攪拌槳已被成功應用于高固體含量木質(zhì)纖維素同步糖化與發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過程［9］，因此也可被嘗試應用于干法預處理中。

筆者通過冷模實驗的方法考察螺帶槳反應器在處理高固體含量的秸稈和水的混合過程，初步驗證螺帶槳在處理高固體含量秸稈體系的良好性能;接著，研制螺帶槳攪拌預處理反應器，并通過熱模預處理實驗評價預處理效果。最后，通過計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法模擬預處理反應器中的氣固混合以驗證螺帶攪拌槳在反應器中的應用。

1 材料與方法

1.1 原材料與試劑

玉米秸稈產(chǎn)自河南新鄉(xiāng)，收獲于2011年秋季。秸稈經(jīng)過水洗除塵、烘干、機械粉碎后密封備用。所用化學試劑都購自上海凌峰化學試劑公司。纖維素酶為湖南尤特爾公司提供的Youtell#6固體纖維素酶，纖維素酶的濾紙酶活以及纖維二糖酶酶活分別為135 FPU/g和344 CBU/g。

1.2 流體力學冷模實驗

冷模實驗在圖1所示的3個帶有扭矩儀的反應器中進行。反應器A體積為5 L，直徑為170 mm;反應器B體積為50 L，直徑為384 mm;反應器C體積為500 L，直徑為786 mm。3個反應器中分別添加150 g、1.5 kg以及15 kg的干玉米秸稈，以自來水作為示蹤劑，自反應器頂部加入秸稈中，體系的含水量作為表征體系混合程度的指標。含水量通過差質(zhì)量法測定。

圖1 冷模反應器Fig.1 Reactor for mock-up experiments

1.3 預處理反應器

在冷模實驗的基礎上，預處理反應器的設計如圖2所示。反應器工作體積為20 L，為原先干式預處理反應器體積的2倍，直徑260 mm，高400 mm，螺帶槳是由反應器上方的電機驅(qū)動。

圖2 螺帶槳攪拌式預處理反應器Fig.2 Illustration of helical ribbon stir reactor for pretreatment

1.4 干式稀酸預處理

將1 400 g干基玉米秸稈與700 g質(zhì)量分數(shù)5%的稀H2SO4溶液攪拌均勻，在室溫下密封放置12 h。然后將預浸后的秸稈加入螺帶槳攪拌預處理反應器中進行預處理，在185℃、1.2 MPa、50 r/min的條件下維持3 min。

1.5 預處理后秸稈的酶解糖化

預處理效果評價通過預處理秸稈的酶解糖化實驗進行評價。酶解糖化條件:固含量5%、50℃、每克干固體纖維素酶用量15 FPU、pH 4.8的檸檬酸緩沖液體系、150 r/min攪拌轉(zhuǎn)速、持續(xù)72 h。酶解實驗在100 mL的三角瓶中進行，裝液量20 mL，每個實驗重復2次。

1.6 預處理后秸稈中可溶性組分以及寡糖的測定

稱取5 g預處理秸稈，加入50 g去離子水，在搖瓶中180 r/min洗脫2 h，經(jīng)過真空抽濾，吸取1 mL濾液測定可溶性組分。取5 mL濾液加入壓力試管中，并添加1 mL 72%H2SO4，再添加23 mL去離子水稀釋至4%(質(zhì)量分數(shù))稀酸濃度，于121℃反應60 min。反應結(jié)束后，用CaCO3粉末中和至pH 5.0，糖類損失通過校正曲線校正，中和后的試樣離心取上清液進行HPLC分析，測定葡萄糖和木糖濃度，計算寡糖含量。

1.7 纖維素和木聚糖含量的測定

經(jīng)過1.6節(jié)中真空抽濾后的固體用去離子水徹底水洗，并于105℃烘干12 h。稱取烘干后的玉米秸稈0.1 g于壓力試管中，并加入1 mL質(zhì)量分數(shù)72%的濃H2SO4，用玻璃棒在30℃水浴中每隔5～10 min攪拌1次，反應持續(xù)60 min，隨后添加28 mL去離子水，將酸濃度稀釋到4%，密封后放入滅菌鍋121℃反應60 min，反應結(jié)束后用CaCO3粉末中和至pH 5.0，離心后取上清液，進行HPLC分析，測定葡萄糖和木糖濃度，計算纖維素和木聚糖含量。高溫高壓反應后，糖類損失通過校正曲線進行校正。

1.8 計算流體力學(CFD)模擬

反應器設計使用Solidworks 2010軟件(Dassault Inc.，法國)，網(wǎng)格劃分使用網(wǎng)格生成器軟件ICEM CFD 11.0(Ansys Inc.，美國)，數(shù)學模型處理使用CFX 11.0(Ansys Inc.，美國)軟件。初始和邊界條件設定如下:①槳葉和軸區(qū)相對流變區(qū)域是靜止的;②沒有避免邊界條件;③殘留誤差設定為1×10－4;④本實驗的模擬中應用Eulerian-Eulerian和kε湍流模型。本模擬實驗中，秸稈被假設為假塑流體，蒸汽被假設為通入罐內(nèi)的惰性氣體。秸稈和水質(zhì)量比2∶1的預浸條件下，通過測定扭矩的方法，測得其表觀黏度為2.31 Pa·s，氣體的密度被設定為14.18 g/L，該值相當于250℃、3.0 MPa下的蒸汽密度，通入反應器的氣體流速設定為1.75 m/s，相當于在3 min內(nèi)通入700 g熱蒸汽時的氣速。保守氣含率用于表征模擬過程的氣液混合情況。

1.9 檢測方法

糖類和抑制物都使用HPLC(日本島津公司)檢測，檢測條件:Aminex HPX-87H柱(美國Bio-Rad公司)、RID-10A示差檢測器(日本島津公司)，柱溫65℃，流動相為 0.005 mol/L H2SO4，流速 0.6 mL/min。所有待測試樣都經(jīng)過稀釋和0.22 μm濾膜過濾處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺帶式攪拌對高固體含量秸稈的混合

為了考察螺帶式攪拌槳在處理高固體含量秸稈時的混合性能，筆者首先采用不同尺度的帶有螺帶攪拌槳的冷模反應器進行實驗。轉(zhuǎn)速50 r/min、含水量50%條件下玉米秸稈和水的混合時間的模擬實驗分別在5、50以及500 L反應器中進行，圖3為不同規(guī)模反應器中進行的秸稈和水的混合實驗結(jié)果。

圖3 螺帶式反應器中玉米秸稈和水的混合時間的模擬Fig.3 Mixing of corn stover and water in the helical ribbon stir reactor

圖1中的P1～P8表示冷模實驗的重復次數(shù)。由圖3可知:在冷模實驗中，水相的分布隨著攪拌時間的延長漸漸趨于穩(wěn)定，固液兩相均勻混合(即含水量穩(wěn)定在50%)，基本都在3 min左右完成。在不同規(guī)模的反應器中，其混合均勻的時間在2～3 min。因此，在螺帶槳攪拌器反應器中，固體秸稈和液體的混合可以在短時間內(nèi)完成，為真實預處理反應過程在螺帶攪拌槳反應器內(nèi)的可行性提供了基礎。

2.2 螺帶攪拌槳預處理反應器中的干式稀酸預處理

在靜置預處理反應器中，反應器體積10 L(直徑180 mm、高400 mm)，直筒型不帶攪拌槳，預處理條件為190℃、酸用量2%或2.5%，停留時間3 min，通過蒸汽加熱至190℃，升溫時間10 min。運用同樣的蒸汽發(fā)生器在20 L預處理反應器時，由于反應體積的增大造成了供氣不足，使得從185℃升至190℃耗時過長;而在同樣的升溫時間內(nèi)，預處理溫度最高達到了185℃。因此在新型預處理反應器過程中，反應條件定為185℃、酸用量2%或2.5%、停留時間3 min、攪拌轉(zhuǎn)速50 r/min。通過72 h的酶解糖化得率以及預處理秸稈中各組分的測定表征2種不同預處理方式的效率(圖4)。

圖4 螺帶攪拌槳預處理反應器與靜態(tài)預處理反應器中的預處理比較Fig.4 Comparison of the pretreatment efficiencies in the new and old reactors

圖4(a)為不同條件下酶解糖化的纖維素轉(zhuǎn)化率的比較，是最直觀評價預處理效率的指標。從圖4(a)中可以看出:在2%或2.5%酸用量下，螺帶式攪拌預處理反應器中玉米秸稈的纖維素轉(zhuǎn)化率分別達到了77.55%和87.11%，比靜置預處理反應器中得到的玉米秸稈(72.13%和85.12%)提高了7.6%和2.4%，值得一提的是，該反應中，預處理溫度因為反應器原因降低了5℃，而通常預處理的效率是隨著溫度的升高而逐漸增加的，但在攪拌式反應器中糖化效果反而略高，因此認為螺帶槳在過程中的持續(xù)攪拌對預處理有一定的促進作用。

除了最直接的纖維素轉(zhuǎn)化率之外，預處理秸稈中游離的糖類(圖4(b))和抑制物(圖4(c))也是評價預處理過程的重要指標。從圖4(b)中可以看出:在2%酸用量條件下，單糖相差并不大，但是寡糖含量相差較大，攪拌式處理秸稈中木寡糖含量較高，每克干固體中產(chǎn)生了84 mg木寡糖，比靜置預處理的秸稈高了10 mg左右。在稀酸預處理過程中，木聚糖非常容易降解為木糖以及木寡糖，隨后在稀酸高溫條件下，木糖和木寡糖會進一步降解為糠醛抑制物。從圖4可以看出:攪拌式預處理得到的秸稈木寡糖含量較高，而糠醛含量則遠小于靜置預處理的秸稈，說明木聚糖的進一步降解作用在帶有攪拌的預處理過程中被大大降低了，原因主要是攪拌作用能夠避免靜置預處理反應器中的部分過度預處理。同樣在葡聚糖的降解過程也體現(xiàn)了這一點，靜置預處理秸稈的葡寡糖以及葡萄糖含量都高于攪拌式預處理的秸稈;但靜置預處理的秸稈中，每克干固體中產(chǎn)生了 2.35 mg 5-羥甲基糠醛(5-HMF)，比新處理秸稈中的含量(0.90 mg)高了2倍多。因為在靜止的預處理過程中，堆積在底部的物料不斷地和熱蒸汽進行接觸并吸收蒸汽［10］，因此這一部分的處理強度大于上部的物料，造成了葡聚糖降解為5-HMF的現(xiàn)象;而在帶有攪拌的預處理過程中，玉米秸稈不停地被攪動，難以和蒸汽局部過度接觸，所以產(chǎn)生了較少的抑制物。

在2.5%酸用量下，該現(xiàn)象也同樣明顯。從圖4中還可以看出:新預處理秸稈中，每克干固體中產(chǎn)生了102 mg木糖，比靜置預處理秸稈高了20 mg，而每克干固體中所產(chǎn)生的糠醛和乙酸含量(6.28和8.12 mg)都低于靜置預處理秸稈(9.0和12.1 mg)，說明在攪拌作用下，木糖也得到了較多程度的保留。

從上述結(jié)果可以說明，螺帶式預處理攪拌槳在玉米秸稈干式稀酸預處理過程中起到了重要的作用，可以在185℃下，得到與原先190℃條件下相類似的預處理效果，并且大大降低了預處理后的抑制物濃度。

2.3 螺帶攪拌槳預處理反應器中氣固兩相CFD模擬

在2.2部分中，螺帶式攪拌槳對預處理過程的促進作用非常明顯，主要是促進了兩相的混合，避免蒸汽在某個部位過度加熱。因此，借助計算流體力學方法，對預處理過程中的兩相混合做了簡單的模擬。模擬中，將預浸后的秸稈假設為假塑流體，其表觀黏度在先前的冷模實驗中使用扭矩儀進行了測定，為2.31 Pa·S，而蒸汽被假設成為通入反應器的惰性氣體，其氣速根據(jù)高溫高壓下蒸汽密度進行計算，為1.75 m/s。

圖5為保守氣含率表征蒸汽在反應器中的分布情況。從圖5可以看出:隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提升，蒸汽的分布逐漸趨于均勻，分布到整個反應器中;當轉(zhuǎn)速增大到50 r/min之后，蒸汽的分布基本相同。在沒有攪拌的過程中，蒸汽的分布集中于靠近蒸汽入口的部分，使得那一部分與蒸汽過分接觸，導致預處理強度的不均一以及過高的抑制物濃度，該CFD模擬簡單說明了帶有螺帶式攪拌器的反應器在預處理反應過程中起到氣固兩相的混合作用，這也可能是帶有螺帶攪拌的預處理整體效果強于靜態(tài)預處理的原因。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下預處理反應器中蒸汽的分布Fig.5 Gas fraction of steam in helically agitated reactor

3 結(jié)論

通過冷模實驗方法驗證了螺帶攪拌槳混合高固體含量秸稈和水的良好性能，并設計制造了20 L螺帶槳預處理反應器。研究發(fā)現(xiàn):在帶有攪拌的預處理過程中，較低的處理溫度下卻得到了更高效的預處理效果，該條件下預處理秸稈的酶解糖化得率、單糖產(chǎn)生以及抑制物的生成等方面都優(yōu)于靜態(tài)預處理過程得到的秸稈。CFD模型簡單解釋了反應過程中氣相與固相的混合情況，在帶有攪拌的過程中，氣相的分布更加均勻，達到更均勻的預處理效果，這也可能是預處理效果增強的原因。本研究為預處理過程的有效放大奠定了基礎，為干式稀酸預處理方法運用于工業(yè)化纖維乙醇生產(chǎn)提供了有益的參考。

［1］ Galbe M，Zacchi G.Pretreatment:the key to efficient utilization of lignocellulosic materials［J］.Biomass and Bioenergy，2012，46:70-78.

［2］ Torget R，Werdene P，Himmel M，et al.Dilute acid pretreatment of short rotation woody and herbaceous crops［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，1990，24-25:115-126.

［3］ Wyman C E，Dale B E，Elander R T，et al.Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies［J］.Bioresource Technology，2005，96(18):1959-1966.

［4］ Chiaramonti D，Prussi M，F(xiàn)errero S，et al.Review of pretreatment processes for lignocellulosic ethanol production，and development of an innovative method［J］.Biomass and Bioenergy，2012，46:25-35.

［5］ Alvira P，Tomas-PejoE，BallesterosM，etal.Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis:a review［J］.Bioresource Technology，2010，101(13):4851-4861.

［6］ Lloyd T A，Wyman C E.Combined sugar yields for dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover followed by enzymatic hydrolysis of the remaining solids［J］.Bioresource Technology，2005，96(18):1967-1977.

［7］ Saha B C，Iten L B，Cotta M A，et al.Dilute acid pretreatment，enzymatic saccharification and fermentation of wheat straw to ethanol［J］.Process Biochemistry，2005，40(12):3693-3700.

［8］ 張建，楚德強，于占春，等.低水用量約束條件下的高固體含量纖維乙醇生物加工技術(shù)策略［J］.生物工程學報，2010，26(7):950-959.

［9］ Zhang J，Chu D Q，Huang J，et al.Simultaneous saccharification and ethanol fermentation at high corn stover solids loading in a helical stirring bioreactor［J］.Biotechnology and Bioengineering，2010，105(4):718-728.

［10］ Zhang J，Wang X S，Chu D Q，et al.Dry pretreatment of lignocellulose with extremely low steam and water usage for bioethanol production［J］.Bioresource Technology，2011，102(6):4480-4488.