楊木廢棄物濕氧化預(yù)處理提高酶解效率的工藝研究

房桂干　劉姍姍　沈葵忠

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，

生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210042；

2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)所，北京，100091；3. 齊魯工業(yè)大學(xué),山東濟(jì)南,250353)

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·楊木廢棄物·

楊木廢棄物濕氧化預(yù)處理提高酶解效率的工藝研究

房桂干1, 2劉姍姍3沈葵忠1, 2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，

生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210042；

2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)所，北京，100091；3. 齊魯工業(yè)大學(xué),山東濟(jì)南,250353)

摘要：對楊木廢棄物制生物燃料的濕氧化預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。研究表明,濕氧化預(yù)處理?xiàng)钅緩U棄物的最佳工藝為：初始pH值10,溫度195℃,最佳保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa。所得物料得率為51.7%。酶解優(yōu)化工藝條件為：酶解溫度49℃，酶解時間56 h,酶用量38 FPU/g。其他條件為：pH值4.8,固液比1∶50,酶解纖維素轉(zhuǎn)化率為96.4%。濕氧化預(yù)處理過程使原料中的半纖維素含量由18.7%降到1.43%,Klasson木素含量由23.6%降到13.5%；木素溶出率為43%,半纖維素溶出率為 92%。X射線衍射分析顯示原料的結(jié)晶度從57.4%降到了54.8%；掃描電鏡顯示濕氧化預(yù)處理后纖維的細(xì)纖維化程度增強(qiáng)；高效液相色譜顯示預(yù)處理分離液中木糖含量較高,并含有單糖降解產(chǎn)物如乙酸、甲酸和糠醛等單糖降解產(chǎn)物。濕氧化預(yù)處理可以較大幅度地降解或脫除原料中的木素和半纖維素,改變原料的結(jié)晶結(jié)構(gòu),增加了可酶解性,提高了物料中纖維素轉(zhuǎn)化率。

關(guān)鍵詞：楊木廢棄物；濕氧化預(yù)處理；預(yù)處理?xiàng)l件；可酶解性

Pretreatment of Poplar Wood Residues Using Wet Oxidation to Enhance Enzymatic Digestibility

由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)生物液化燃油或生物乙醇,是當(dāng)今世界生物質(zhì)高值化利用的主要途徑。開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù),是這一利用過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn),預(yù)處理的目標(biāo)是打破纖維素的致密結(jié)構(gòu)以及木素和半纖維素對纖維素的包裹,破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),或使纖維素、半纖維素與木素相對分離,從而提高后續(xù)液化的適應(yīng)性和催化效率,或酶解劑對纖維素的可及度,使碳水化合物易于轉(zhuǎn)變成可發(fā)酵糖。常用的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)一般可以分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法或其組合方法。本實(shí)驗(yàn)探討的濕氧化預(yù)處理技術(shù),屬于物理化學(xué)法預(yù)處理技術(shù)范疇。濕氧化法[1-2]是通過加熱、高壓、堿性環(huán)境、水和氧氣的共同作用處理纖維原料,降解木素和半纖維素,膨化纖維素,有利于提高水解效率或增加生物質(zhì)液化的適應(yīng)性。通常采用Na2CO3等弱堿性化學(xué)品來調(diào)節(jié)濕氧化預(yù)處理分離液的pH值呈堿性,在這種環(huán)境中可以防止纖維素的降解,還可以限制產(chǎn)生糠醛等副產(chǎn)物。有研究表明[3],在預(yù)處理溫度195℃、預(yù)處理時間15 min、Na2CO3含量2 g/L、氧壓1.2 MPa的條件下,對濃度為60 g/L的麥草進(jìn)行預(yù)處理,可以較大程度地提高纖維素酶解率。而且與其他預(yù)處理方法相比,濕氧化預(yù)處理過程中產(chǎn)生的糠醛、羥甲基糠醛及乙酸等抑制酶活性的物質(zhì)較少,因此有利于后續(xù)的生化處理[4]。但是在濕氧化預(yù)處理過程中,高溫高壓導(dǎo)致了投資和成本較高。本研究重點(diǎn)對楊木廢棄物濕氧化預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化,為開發(fā)生物乙醇或生物質(zhì)液化油工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

楊木廢棄物(以下統(tǒng)稱原料)取自山東晨鳴紙業(yè)P-RC APMP制漿生產(chǎn)線備料工段,含木屑、木節(jié)和木針,不含樹皮。風(fēng)干后密封保存,按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)分析原料的化學(xué)成分含量為： 水分9.63%,硝酸乙醇纖維素44.8%,聚戊糖18.7%，Klasson木素23.6%,灰分2.63%,苯-醇抽出物1.10%。

纖維素酶L-10(青島康地恩生物集團(tuán))； 氧氣(工業(yè)級)； Na2CO3， 固體、 H2SO4, 配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%的H2SO4溶液、 3, 5-二硝基水楊酸、 酒石酸鉀鈉、 無水亞硫酸鈉、 苯酚、 葡萄糖，以上均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

濕氧化預(yù)處理禾本科原料的研究表明[3,5-6],影響濕氧化預(yù)處理效果的主要因素為初始pH值、溫度、保溫時間和氧壓。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也選擇這4個因素對原料進(jìn)行單因素預(yù)處理實(shí)驗(yàn),各因素的變化范圍為：①初始pH值為3~10；②保溫時間為5~30 min；③氧壓為0.4~1.2 MPa；④溫度為165~205℃。

1.2.2濕氧化預(yù)處理

濕氧化預(yù)處理在6罐空氣浴蒸煮器(型號6×3L,AG Brown機(jī)械公司,Australia)中進(jìn)行。每罐加入60 g絕干原料,與1 L蒸餾水混合,用固體Na2CO3或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%的H2SO4溶液調(diào)節(jié)初始pH值。混勻后裝罐,通過蓋頂進(jìn)氣口通氧,密封后放入蒸煮器中進(jìn)行升溫和保溫處理。反應(yīng)結(jié)束后取出鋼罐,迅速用流水冷卻至室溫。開罐,過濾,分離固液，所得液體裝瓶留樣備測。所得固體(以下統(tǒng)稱物料)洗凈后放入聚乙烯袋中,密封、平衡和測定水分、備用。

1.2.3濕氧化預(yù)處理后物料的纖維素酶水解

在進(jìn)行預(yù)處理單因素條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)時,采用如下酶水解方法：將濕氧化預(yù)處理所得的物料用纖維素酶進(jìn)行水解,首先稱取2.00 g(絕干質(zhì)量)物料放入容積為250 mL的錐形瓶中,加入纖維素酶溶液,纖維素酶用量35 FPU/g,固液比1∶50,用1 mol/L的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值為4.8,酶解實(shí)驗(yàn)在恒溫培養(yǎng)振蕩器(ZH WY-200B型,上海智城分析儀器公司)中進(jìn)行。水解時間72 h,反應(yīng)完畢后經(jīng)過濾分離酶解液和殘?jiān)?分別供后續(xù)測試分析使用。取酶解液,測定其還原糖含量,從而計(jì)算出還原糖得率(Reducing Sugar Yield,RSY),計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中，RSY為還原糖得率,%；m0為絕干原料質(zhì)量,g；m為還原糖質(zhì)量,g；V為水解液總體積,L；n為測定還原糖濃度時稀釋的倍數(shù)；c為還原糖濃度,g/L。

1.2.4還原糖含量的測定

酶解液中的還原糖含量采用Miller G. L介紹的DNS法測定.[7]。主要包括DNS的配置,葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制,顯色實(shí)驗(yàn),還原糖含量的計(jì)算見公式(2)。吸光度測定使用紫外分光光度計(jì)(T6新世紀(jì),北京普析通用儀器公司)。

測量液體中的還原糖濃度時,將液體稀釋一定的倍數(shù),取0.5 mL放入25.0 mL帶刻度的具塞試管中,加入0.5 mL蒸餾水,并加入DNS試劑3.0 mL,于沸水浴中進(jìn)行顯色反應(yīng),用紫外分光光度計(jì)在波長550 nm處測量其吸光度。同時用0.5 mL蒸餾水做相應(yīng)的顯色實(shí)驗(yàn),作為空白調(diào)零點(diǎn)。根據(jù)液體在550 nm處的吸光度計(jì)算待測液的還原糖濃度,計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中，c為還原糖濃度,g/L；A為液體顯色后在波長550 nm處的吸光度；n為液體稀釋的倍數(shù)；0.0757和0.9744分別為本研究通過實(shí)驗(yàn)方法確定的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距和斜率。

1.2.5纖維素轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對酶水解的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化,采用的因素和水平為：酶水解溫度45℃、50℃和55℃,酶水解時間24 h、48 h和72 h,酶用量25 FPU/g、35 FPU/g和45 FPU/g,以纖維素轉(zhuǎn)化率為考核指標(biāo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果用設(shè)計(jì)軟件Design Expert 7.1分析計(jì)算。采用DNS法測定其中的還原糖質(zhì)量。按照式(3)計(jì)算纖維素轉(zhuǎn)化率。

(3)

式中，Yc為纖維素轉(zhuǎn)化率,%；mrs為預(yù)處理分離液的還原糖質(zhì)量,g；YT為還原糖的理論產(chǎn)率,%；纖維水解得到葡萄糖時,YT=111.1%,半纖維素水解得到木糖時,YT=113.6%,計(jì)算時YT根據(jù)物料和水解液纖維素和半纖維素的比例進(jìn)行取值；mc為物料中纖維素和半纖維素的質(zhì)量,g；

1.2.6高效液相色譜(HPLC)測定糖及單糖降解產(chǎn)物

將待測液體稀釋至一定的倍數(shù),用帶有0.45 μm孔徑聚四氟乙烯微孔濾膜的注射過濾器進(jìn)行過濾后,進(jìn)行HPLC檢測。測試條件為：采用Agilent 1100色譜儀,Aminex HPX-87H色譜柱進(jìn)行分離,柱溫63℃,流量0.6 mL/min,進(jìn)樣量10 μL,4 mmol/L的H2SO4作為流動相,示差折光檢測器(RI)進(jìn)行檢測。根據(jù)各種單糖和單糖降解產(chǎn)物在HPLC圖譜中的峰面積計(jì)算液體中各種單糖和單糖降解產(chǎn)物的濃度。

1.2.7纖維素酶活的測定

纖維素酶活按照Ghose T介紹的方法進(jìn)行測試[8]。本實(shí)驗(yàn)所用纖維素酶活為149.73 FPU/mL。

1.2.8物料的分析

(1)化學(xué)成分分析：物料纖維素、半纖維素、Klasson木素、灰分和苯-醇抽出物的含量按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

(2)X射線衍射(XRD)分析：物料首先采用梯度乙醇(乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、50%、70%、80%、90%)逐級脫水,每級脫水時間15 min,再用100%的乙醇脫水兩次,每次15 min,然后再進(jìn)行低溫真空干燥和研磨。所得樣品的結(jié)晶度用X射線衍射儀(D8-FOCUS,德國布魯克公司)采用分峰法測定。利用Cu,Ka,Ni,λ=15.4×10-2nm,電壓10 kV,測角儀的移動速度2°/min，固定時間3 s。結(jié)晶度計(jì)算由X光衍射圖上002晶面產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度與非結(jié)晶區(qū)背景的散射強(qiáng)度相除獲得,見式(4)。在XRD衍射曲線上2θ=22°附近的極大峰值即為002晶面的衍射強(qiáng)度,在2θ=18°附近存在一個峰谷,為非結(jié)晶背景的散射強(qiáng)度。

(4)

式中，Icr為結(jié)晶度指數(shù),%；I002為002晶面的最大衍射強(qiáng)度；Iam為非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度。

(3)掃描電鏡(SEM)分析：物料進(jìn)行梯度乙醇逐級脫水后,由掃描電鏡(S-3400,日本東芝公司)觀察表面形貌并照相,加速電壓15.2 kV。

1.2.9濕氧化預(yù)處理分離液的分析

濕氧化預(yù)處理后所得的液體部分稀釋一定的倍數(shù)后,采用HPLC進(jìn)行分析,測定其單糖組分及含量,以及單糖降解物的成分及含量。

2結(jié)果與討論

2.1濕氧化預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.1.1初始pH值

圖1　初始pH值對濕氧化預(yù)處理的影響

對濕氧化預(yù)處理的初始pH值進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)條件為：溫度195℃,保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa,設(shè)定初始pH值的變化范圍為3~10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見圖1),在酸性和堿性條件下,物料的得率較低；中性預(yù)處理?xiàng)l件的物料得率較高,初始pH值為7時,物料得率最高為52.0%,高于酸性和堿性條件。原料在酸性或堿性條件下的濕氧化預(yù)處理反應(yīng)更加劇烈,溶出的物質(zhì)較多,而在近中性條件原料的降解溶出較少。但從不同初始pH值條件下所得物料酶解還原糖得率可以看出,在酸性或堿性條件下物料的酶解還原糖得率較高。由圖1可知，預(yù)處理初始pH值為3時,還原糖得率為42.0%；初始pH值為10時,還原糖得率為43.6%；而當(dāng)初始pH值為7時,還原糖得率僅為38.4%?？赡艿脑蚴?在酸性或堿性環(huán)境下的濕氧化預(yù)處理可以更劇烈地破壞纖維結(jié)構(gòu),提高纖維素酶對物料的可及度,從而改善酶解效率,提高還原糖得率；而近中性條件下的濕氧化處理雖然也溶出了半纖維素和木素,但對物料的纖維素酶解可及度改善并不多。

2.1.2保溫時間

固定初始pH值10,溫度195℃,氧壓1.2 MPa,保溫時間的變化范圍為5~30 min,對保溫時間進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,保溫時間是影響濕氧化預(yù)處理的一個重要因素,對物料得率和還原糖得率的影響結(jié)果不相同,存在一個適宜的保溫時間。隨著保溫時間的延長,物料得率呈逐漸降低的趨勢,特別是在保溫5~15 min內(nèi)下降速度最快,然后趨于緩和。從物料得率來看,保溫時間為15 min時物料得率為52.1%,進(jìn)一步延長保溫時間至30 min,物料得率降低為49.8%。從物料酶解還原糖得率來看,在保溫時間5~15 min范圍內(nèi)還原糖得率迅速升高,進(jìn)一步延長時間后還原糖得率增加趨緩；保溫時間為5 min時還原糖得率為33.6%,延長保溫時間到15 min時還原糖得率增加到39.0%,但延長保溫時間到30 min時還原糖得率為40.3%,僅比15 min時的得率提高了1.3個百分點(diǎn)。綜合考慮物料得率和物料酶解還原糖得率的變化規(guī)律,濕氧化預(yù)處理適宜的保溫時間為15 min,此時有接近1/2的物質(zhì)溶出,纖維的致密結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,物料的酶解率較高。

圖2　保溫時間對濕氧化預(yù)處理的影響

2.1.3氧壓

氧氣在堿性條件下可以產(chǎn)生較好的脫木素作用,但在一定堿度和較高的溫度作用下,原料中半纖維素及部分纖維素也會發(fā)生較強(qiáng)的降解反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)預(yù)處理?xiàng)l件選擇為：固定初始pH值10、溫度195℃、保溫時間15 min,氧壓變化范圍為0.4~1.2 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　氧壓對濕氧化預(yù)處理的影響

從圖3可知，隨著氧壓在0.4~1.2 MPa范圍內(nèi)增加,物料得率幾乎呈線性降低。氧壓為0.4 MPa時物料得率為57.0%,升高氧壓至0.8 MPa時物料得率降低為55.1%,進(jìn)一步升高為1.2 MPa時物料得率降低為49.4%,較0.4 MPa時降低7.6個百分點(diǎn)?？梢钥闯鲭S著氧壓的提高,濕氧化預(yù)處理的效果逐漸增強(qiáng),原料中溶出的物質(zhì)也逐漸增多。從物料的酶解還原糖得率來看,隨著氧壓的升高,得率也幾乎呈線性升高趨勢。氧壓為0.4 MPa時還原糖得率為34.5%,升高氧壓到0.8 MPa時還原糖得率為37.4%,進(jìn)一步升高氧壓到1.2 MPa時得率增至42.1%,較0.4 MPa時提高了7.6個百分點(diǎn)。這說明隨著氧壓的升高,溶出的物質(zhì)增多,使得纖維的結(jié)構(gòu)變得松散,增加了纖維素酶對物料的可及性,改善了酶解效率,提高了酶解還原糖的產(chǎn)率。

2.1.4溫度

固定初始pH值10,保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa,溫度的變化范圍為165~205℃,探討了不同溫度對濕氧化預(yù)處理的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　溫度對濕氧化預(yù)處理的影響

從圖4可以看出,隨著預(yù)處理溫度的升高,物料得率迅速降低。在溫度為165℃時物料得率為74.9%,升高溫度到185℃時物料得率降低至54.9%,195℃時物料得率為51.7%,進(jìn)一步升高溫度到205℃時物料得率降低為42.7%,較165℃時降低了32.2個百分點(diǎn),在溫度由165℃升高到205℃時物料得率下降幅度較大?？梢钥闯鰷囟葘ξ锪系寐视兄匾绊?。較低溫度時物質(zhì)溶出量有限,當(dāng)升高至較高溫度后,原料中碳水化合物發(fā)生大量降解而溶出。從物料酶解的還原糖得率也可以看出,隨著溫度的升高,還原糖得率呈逐漸上升的趨勢。預(yù)處理溫度為165℃時還原糖得率為15.9%,升高溫度至185℃時得率為39.1%,進(jìn)一步升高溫度到195℃時得率增加到46.8%,再繼續(xù)升高溫度還原糖得率增加幅度較小。經(jīng)分析可以得出,隨著溫度的升高,纖維原料得到更好的破解,阻礙酶解反應(yīng)的木素和半纖維素組分大量溶出,使得纖維素的酶解效率大幅升高,濕氧化預(yù)處理適宜的預(yù)處理溫度為195℃。

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，較優(yōu)的濕氧化預(yù)處理工藝條件為：初始pH值10,保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa,溫度195℃,此時物料得率為51.7%,還原糖得率為46.8%。

2.2濕氧化預(yù)處理后物料的分析

采用優(yōu)化工藝條件對原料進(jìn)行預(yù)處理,對預(yù)處理后物料的化學(xué)組成分進(jìn)行分析,并采用XRD分析手段比較預(yù)處理前后結(jié)晶度的變化。

2.2.1組分分析

濕氧化預(yù)處理前后化學(xué)組分變化見表1。由表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),濕氧化預(yù)處理顯著改變了原料化學(xué)組分所占的比例。預(yù)處理過程纖維素發(fā)生了一定程度的降解,經(jīng)過預(yù)處理后由纖維素含量原來的44.3%降到32.7%。聚戊糖含量由原料的18.7%降到1.43%，約92%的半纖維素降解溶出,說明在濕氧化預(yù)處理過程中,原料中大部分半纖維素經(jīng)過溶解除去,與文獻(xiàn)[9]中的結(jié)論一致。從表1木素的含量可以看出,物料中的木素含量相當(dāng)于原料中的13.5%,說明溶出了近43%的木素,還有相當(dāng)一部分的木素保留在物料中。物料的灰分及苯-醇抽出物含量都有所降低。通過對預(yù)處理前后原料的化學(xué)成分分析可以得出結(jié)論：濕氧化預(yù)處理過程中,半纖維素成分大量溶出,并溶出了部分木素,這些化學(xué)組分的溶出,大大改善了物料酶解時物理空間阻隔效應(yīng),有利于纖維素酶解反應(yīng)的順利進(jìn)行。

表1　原料濕氧化預(yù)處理前后化學(xué)組分變化　%

2.2.2XRD分析

為了研究經(jīng)過濕氧化預(yù)處理后物料纖維結(jié)晶區(qū)的變化情況,采用XRD對原料和物料進(jìn)行了分析,所得XRD圖譜如圖5所示。

圖5　原料和物料的XRD圖譜

由圖5可以看出，原料的XRD譜圖呈現(xiàn)典型的纖維結(jié)構(gòu)特征。使用式(3)對物料的結(jié)晶度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,原料的結(jié)晶度為57.4%,物料的結(jié)晶度為54.8%,降低了2.7%,表明原料經(jīng)過濕氧化預(yù)處理后結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變,有利于增加纖維物料的酶與纖維素分子的接觸程度,從而提高酶解反應(yīng)效率。

2.3濕氧化預(yù)處理分離液的特征

對優(yōu)化條件下得到的濕氧化預(yù)處理分離液進(jìn)行了HPLC液相色譜分析,對預(yù)處理分離液中的糖組分和單糖降解成分進(jìn)行了分析,結(jié)果如表2所示。

表2　濕氧化預(yù)處理分離液的HPLC譜分析

由表2可以看出,在濕氧化預(yù)處理分離液中,木糖含量最高,濃度為3.081 g/L,其次為木糖醇,濃度為1.260 g/L,兩者均來自原料中戊糖組分,為葡萄糖含量的6.05倍；預(yù)處理分離液中基本不含纖維二糖和阿拉伯糖。在預(yù)處理分離液中的單糖降解物中,乙酸和糠醛降解物主要由木糖降解得到,來自原料中的戊糖組分；甲酸和羥甲基糠醛,主要由葡萄糖降解得到,來自原料中纖維素組分。表2結(jié)果表明,濕氧化預(yù)處理過程中半纖維素降解溶出較多,纖維素降解溶出較少,與表1中預(yù)處理前后原料化學(xué)組分分析結(jié)果一致。

2.4濕氧化預(yù)處理后物料的酶解反應(yīng)

2.4.1酶水解工藝的優(yōu)化

表3　酶水解響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表4　纖維素酶水解液的HPLC分析

2.4.2物料酶水解液的特征

對優(yōu)化酶水解條件下得到的纖維素酶水解液進(jìn)行了HPLC分析,測定其單糖及單糖降解物的組分及含量,分析結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出,纖維素酶水解液中只檢測出了葡萄糖和木糖兩種單糖組分,其中葡萄糖含量最多,濃度為13.443 g/L,占到了總糖量的97.54%,木糖含量較少,濃度僅為0.339 g/L。表明所采用的纖維素酶L-10的選擇性很強(qiáng),只針對纖維素進(jìn)行有效地水解。單糖降解物中僅有乙酸這一種物質(zhì),而且含量較高,為5.176 g/L,從濃度上看,水解液中的乙酸不是由纖維素降解產(chǎn)生的,而是在調(diào)節(jié)水解液pH值時加入的乙酸-乙酸鈉緩沖液引入的；酶水解液中未檢出糠醛、羥甲基糠醛等抑制酶活性的物質(zhì)。

2.4.3酶解前后SEM的形貌觀察

采用SEM對酶水解前物料和酶解后殘?jiān)谋砻嫘蚊策M(jìn)行觀察,如圖6所示。由圖6(a)可以看出,原料經(jīng)濕氧化預(yù)處理后,物料的細(xì)纖維化程度明顯增加,單根纖維或纖維束表面出現(xiàn)了大量的凹陷和裂痕,這在一定程度上可以增加物料的比表面積,有助于纖維素酶與物料的接觸,改善酶解環(huán)境,從而提高酶解效率。物料與酶解后殘?jiān)腟EM照片進(jìn)行比較可以看出,經(jīng)過纖維素酶水解處理,纖維結(jié)構(gòu)變化明顯,纖維表面和內(nèi)部出現(xiàn)了許多孔洞和縫隙,表明有較多的碳水化合物在水解中降解溶出(見圖6(b))。

2.5討論

Schmidt A. S.等人[3]在使用濕氧化預(yù)處理麥草原料時,30%的木素和60%的半纖維素降解溶出,原料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,其酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%。本實(shí)驗(yàn)使用優(yōu)化的濕氧化預(yù)處理?xiàng)l件,木素溶出43%,半纖維素溶出 92%,酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到了96.4%。濕氧化預(yù)處理由于大部分的半纖維素組分及部分木素的溶出,增加了酶水解時酶與纖維素大分子的接觸,提高了物料的酶解反應(yīng)效率。但濕氧化預(yù)處理也造成了大約相當(dāng)于原料中約26%纖維素組分的溶出,有待今后進(jìn)一步優(yōu)化,以降低預(yù)處理過程纖維素的損失。濕氧化預(yù)處理液中含有大量的半纖維素和部分纖維素溶出組分(見表2),對這部分糖組分的綜合利用將有助于改善整個預(yù)處理工藝的經(jīng)濟(jì)性。

圖6　物料和酶水解后殘?jiān)腟EM照片

楊木廢棄物濕氧化預(yù)處理?xiàng)l件為：初始pH值10,保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa,溫度195℃,此時預(yù)處理物料得率為51.7%,所使用的預(yù)處理?xiàng)l件需要較高的溫度和壓力,這將導(dǎo)致較高的投資和使用成本,需要進(jìn)一步探討降低預(yù)處理溫度的可能性,以便能夠利用制漿工廠閑置的蒸煮設(shè)備,提高其工程適應(yīng)性且降低投資成本。

3結(jié)論

3.1通過濕氧化預(yù)處理?xiàng)钅緩U棄物,可以較高程度地溶出木素,降解半纖維素,從而提高預(yù)處理后物料的酶解性,得到較高的還原糖得率。濕氧化預(yù)處理?xiàng)钅緩U棄物的最佳工藝條件為：初始pH值10,保溫時間15 min,氧壓1.2 MPa,溫度195℃。在此條件下,物料得率為51.7%,還原糖得率為46.8%。

3.2在最佳工藝條件下得到的物料纖維含量為63.26%。原料經(jīng)處理后木素溶出43%,半纖維素溶出 92%。濕氧化預(yù)處理過程中大部分半纖維素和部分木素被降解溶出,大大改善了物料酶解時物理空間阻隔效應(yīng)。濕氧化預(yù)處理后物料結(jié)晶度由原料的57.4%降低到54.8%,且纖維細(xì)纖維化程度較明顯。

3.3對楊木廢棄物濕氧化預(yù)處理后物料采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了酶水解工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。酶解優(yōu)化工藝條件為：酶解溫度49℃,酶解時間56 h,酶用量38 FPU/g,其他條件為：pH值4.8,固液比1∶50,此時酶解轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.4%。濕氧化預(yù)處理方法在提高物料的酶解效率方面具有一定的優(yōu)勢。如果能夠在提高物料得率、降低投資成本和生產(chǎn)成本等方面取得突破,濕氧化預(yù)處理工藝將具有一定產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：常青)

推進(jìn)林業(yè)生態(tài)建設(shè)加快發(fā)展林紙循環(huán)經(jīng)濟(jì)

FANG Gui-gan1,2，*LIU Shan-shan3SHEN Kui-zhong1,2

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestryProducts,CAF;NationalEngineeringLabforBiomassChemicalUtilization;KeyLab

onForestChemicalEngineering,SFA,KeyLabofBiomassEnergyandMaterial,Nanjing,JiangsuProvince, 210042；

2.InstituteofNewTechnologyofForestry,CAF,Beijing,100091； 3.QiluUniversityofTechnology,Ji′nan,ShandongProvince, 250353)

(*E-mail: fangquigang@icifp.cn)

Abstract：Nowadays production of renewable fuels, especially boil-oil or bio-ethanol,is the main way for efficient utilization of lingo cellulosic biomass in the world. This paper carried out the study to optimize wet oxidation pretreatment conditions for utilizing poplar residues from the preparation sector of paper mill, to produce bioethanol. The research results showed that the optimal conditions of wet oxidation pretreatment for poplar residues were as follows: initial pH value 10, temperature 195℃, time at 195℃ 15 min, oxygen pressure 1.2 MPa. The yield of the obtained material of wet oxidation pretreatment was 51.7%. The optimal enzymatic hydrolysis conditions were: temperature 49℃, time 56 h, enzyme charges 38 FPU/g at the pH of 4.8 and the ratio of substance to liquor was 1∶50. The cellulose conversion rate was 96.4% on the pretreated substance. After wet oxidation pretreatment, hemicelluloses content of the substance decreased from 18.7% to 1.43%, Klasson lignin content decreased from 23.6%% to 13.5%, which mean that almost 43% of lignin and 92% hemicelluloses were degraded and solved from the raw material. XRD analysis indicated that the crystallinity decreased from 57.4% to 54.8%. The obvious fibrilization of the pretreated fiber was found by SEM. HPLC analysis results showed that pretreatment liquid contained higher content of xylose, and monosaccharide degradation products, such as acetic acid, formic acid and furfural. Wet oxidation pretreatment was able to greatly degrade or remove lignin and hemicellulose significantly, reduce the crystallinity of

the lingo cellulosic material, which could improve enzymatic degradability and increase reduce sugar yield and cellulose conversion rate.

Key words：poplar wood residues; wet oxidation pretreatment; pretreatment conditions; enzymatic degradability

項(xiàng)目基金：國家十二五科技支撐項(xiàng)目“櫟類淀粉與秸稈生物質(zhì)煉制生物柴油及其綜合利用產(chǎn)業(yè)化示范(項(xiàng)目編號：2014BAD02B02)”。

收稿日期：2014- 09- 17(修改稿)

中圖分類號：TQ35

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)01- 0006- 07

作者簡介：房桂干先生，研究員；主要從事制漿造紙、環(huán)境保護(hù)及生物質(zhì)高值化利用技術(shù)研究。