氧化甲基嗎啉預(yù)處理玉米秸稈的工藝研究*

徐友海，張立弟，高玉玲，岳 軍，王繼艷，金 剛，胡世洋，惠繼星

(中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是儲(chǔ)量最為豐富的可再生生物質(zhì)資源，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量超過7億t/a，是大規(guī)模生產(chǎn)生物燃料的可靠原料來源。這類生物質(zhì)的主要成分為碳水化合物和木質(zhì)素等[1]，其中的碳水化合物被纖維素酶降解后所產(chǎn)生的多糖能夠被微生物利用，可用來生產(chǎn)燃料乙醇和丁醇等生物燃料，以替代日益稀缺的化石燃料。在生產(chǎn)生物燃料過程中將秸稈原料中的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖是關(guān)鍵步驟之一，但由于其組成成分復(fù)雜、纖維素與木質(zhì)素、半纖維素纏繞在一起，使得水解過程難以迅速進(jìn)行[2]。因此，必須通過預(yù)處理來破壞其完整的物理結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度和聚合度，以提高可水解性。

現(xiàn)有預(yù)處理方法以堿法、稀酸、蒸汽爆破等方法為主，已經(jīng)取得了較好的研究成果[3-5]，但總體上存在能耗和成本高、效率低和規(guī)?；щy等問題[6]。其中，稀酸法雖已經(jīng)規(guī)模化，但要求較高酸濃度和反應(yīng)溫度，增加了反應(yīng)器的成本，殘余化學(xué)添加物與原料分離困難，對環(huán)境的友好性較差，產(chǎn)物中的有害副產(chǎn)物影響進(jìn)一步生物轉(zhuǎn)化利用[7]。堿法預(yù)處理在脫木質(zhì)素的同時(shí)半纖維素也被分解，有效成分損失較多，另外所產(chǎn)生的堿廢液難以處理，造成了較大的環(huán)境負(fù)擔(dān)。汽爆預(yù)處理工藝除使用蒸汽外無其它化學(xué)物質(zhì)的添加，副產(chǎn)物產(chǎn)生量較小，費(fèi)用較低，但處理后物料的酶解糖收率較低，最優(yōu)條件下要求壓力偏高，處理品質(zhì)不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。近年來，環(huán)胺氧化物尤其是氧化甲基嗎啉(NMMO)被認(rèn)為是相對比較有前途的預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的有機(jī)溶劑。研究表明，NMMO可以與水混溶且其N—O具有很強(qiáng)的極性，可破壞木質(zhì)纖維素的氫鍵網(wǎng)絡(luò)并與纖維素形成新的氫鍵，降低其結(jié)晶度，從而有效地提高木質(zhì)纖維素原料的糖化效果。

作者利用NMMO對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，以水解還原糖收率和秸稈回收率為主要指標(biāo)，考察預(yù)處理溫度、處理時(shí)間和w(NMMO)等因素對玉米秸稈預(yù)處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

玉米秸稈：來自吉林市周邊某玉米產(chǎn)地；纖維素酶：Celluclast 1.5 L，諾維信生物技術(shù)有限公司；冰醋酸、醋酸鈉、3，5-二硝基水楊酸、鹽酸、硫酸、NMMO：均為分析純，市售。

CL-32L高壓滅菌鍋：日本ALP公司；TGL-16G高速臺(tái)式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；THZ-98AB恒溫振蕩器、DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-1FD潔凈工作臺(tái)：蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；SSY-H不銹鋼恒溫水浴鍋：上海三申醫(yī)療器械廠；SBA-40X生物質(zhì)傳感分析儀：山東省科學(xué)院生物研究所；T01-15實(shí)驗(yàn)室蒸煮器：咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司；6202小型高速粉碎機(jī)：北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司；MS-70快速水分測定儀：日本AND公司；PLUS微孔板光譜儀：美國Molecular Devices。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料的準(zhǔn)備

玉米秸稈自然風(fēng)干后剪成1～2 cm小段，用6202小型高速粉碎機(jī)粉碎后再在 70 ℃ 下干燥 24 h，過0.85 mm 篩，裝袋密封于干燥器中備用。

1.2.2 玉米秸稈的預(yù)處理

w(NMMO)=85%的水溶液中加入玉米秸稈混合，置于一定溫度油浴中，處理一定時(shí)間后取出，加入等體積蒸餾水，繼續(xù)攪拌10 min，抽濾分離處理試樣與溶液，處理試樣用去離子水洗滌至中性后在 70 ℃ 下干燥至質(zhì)量恒定，作為酶水解糖化實(shí)驗(yàn)的原料，秸稈回收率按下式計(jì)算(秸稈質(zhì)量為干重)。

1.2.3 預(yù)處理樣品的酶水解

準(zhǔn)確稱取預(yù)處理后的玉米秸稈置于三角瓶中，加入四環(huán)素及醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(0.050 mol/L，pH =4.8)，使最終ρ(秸稈)=20 g/L，φ(四環(huán)素)=4 mL/L，纖維素酶添加量為每g底物30FPU?？焖倩旌虾笥?0 ℃恒溫?fù)u床中反應(yīng)，每隔一定時(shí)間取樣300～500 μL，離心取上清液，測定ρ(還原糖)。還原糖收率按下式計(jì)算。

1.3 分析方法

1.3.1 玉米秸稈成分測定

采用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)方法定量分析木質(zhì)纖維素原料中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素纖維素[8]。

1.3.2 ρ(還原糖)測定

采用DNS 法(3，5-二硝基水楊酸法)測定水解過程中的ρ(還原糖)[9]。

所謂體制機(jī)制改革，說到底是權(quán)力的問題，是到底誰說了算的問題。學(xué)校在教育和管理的過程中，處于什么樣的地位，權(quán)力是核心。如何擴(kuò)大學(xué)校辦學(xué)自主權(quán)涉及三個(gè)方面：一是權(quán)力分配，二是賦權(quán)，三是以校長為首的管理團(tuán)隊(duì)能不能很好地使用權(quán)力，既高效又規(guī)范。分權(quán)的關(guān)鍵在于明確政府的權(quán)力邊界，賦權(quán)的關(guān)鍵在于明確社會(huì)中介機(jī)構(gòu)的邊界，用權(quán)的關(guān)鍵在于明確校長的權(quán)力邊界。因此，程序建制、明確權(quán)力邊界很關(guān)鍵。

1.3.3 電鏡分析

利用SEM觀察和分析處理前后的纖維素物料，獲取樣品的微觀形貌。將噴金處理后的樣品放于鋁制樣品臺(tái)上，于20 kV電壓下獲取樣品的圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈樣品組分分析

對玉米秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要成分(干基)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 玉米秸稈主要成分

2.2 溫度對預(yù)處理效果的影響

將干燥的玉米秸稈按固液比(g/mL)為1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分別于90～150 ℃預(yù)處理1 h。預(yù)處理結(jié)束后，加入一定體積蒸餾水，攪拌10 min，抽濾，并洗滌3次。70 ℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定，稱量，計(jì)算秸稈回收率。

稱取一定量的處理后秸稈按1.2.3的方法進(jìn)行水解糖化，用DNS法測定ρ(還原糖)，計(jì)算其還原糖收率，其中總還原糖收率為還原糖收率與秸稈回收率的乘積，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

t/℃圖1 不同預(yù)處理溫度對糖化效果的影響

由圖1可見，在處理時(shí)間一定的條件下，隨著溫度的提高，處理強(qiáng)度的增強(qiáng)，還原糖收率不斷提高，但秸稈回收率逐步降低。在溫度120 ℃以下時(shí)，這種變化幅度不是很顯著，但溫度在120 ℃以上時(shí)，還原糖收率快速提升，同時(shí)秸稈回收率迅速下降，使得相對于初始秸稈的總還原糖收率(還原糖收率與秸稈回收率的乘積)呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，拐點(diǎn)出現(xiàn)在130 ℃。因此，在處理時(shí)間為1 h的條件下，采用130 ℃進(jìn)行預(yù)處理較為合理。

2.3 處理時(shí)間對預(yù)處理效果的影響

將干燥的玉米秸稈按固液比(g/mL)為1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分別于90～150 ℃預(yù)處理1 h。預(yù)處理結(jié)束后，加入一定體積蒸餾水，攪拌10 min，抽濾，并洗滌3次。70 ℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定，稱量，計(jì)算秸稈回收率。

稱取一定量的處理后秸稈按1.2.3的方法進(jìn)行水解糖化，用DNS法測定ρ(還原糖)，計(jì)算其還原糖收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

t/h圖2 處理時(shí)間對糖化效果的影響

由圖2可見，在一定溫度條件下，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，處理強(qiáng)度增強(qiáng)，還原糖收率逐步提高，秸稈回收率逐步降低。相對于初始秸稈的總還原糖收率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在130 ℃條件下處理時(shí)間1 h總還原糖收率最高。

2.4 處理前后秸稈的電鏡分析

未處理物料和利用NMMO在130 ℃處理1 h后的秸稈在放大倍數(shù)為1 000倍時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)見圖3。

a 未處理

b NMMO預(yù)處理圖3 處理前后玉米秸稈掃描電鏡照片

電鏡分析結(jié)果可以直觀地看到，未經(jīng)處理的玉米秸稈結(jié)構(gòu)規(guī)整、致密，表面比較光滑，而經(jīng)過NMMO預(yù)處理后秸稈的表面變得粗糙，膨脹，失去了原有的緊密結(jié)構(gòu)，這使得纖維表面或內(nèi)部有更多的接觸位點(diǎn)暴露出來，更易于纖維素酶的吸附及酶解，從而提高了纖維素的水解率。

3 結(jié) 論

在溫度130 ℃條件下預(yù)處理1 h，既能保證較高的秸稈回收率，又能得到較好的水解糖化效果，秸稈回收率達(dá)到71.5%，還原糖收率為0.51 g/g。電鏡結(jié)果分析表明，預(yù)處理后的玉米稈結(jié)構(gòu)變得疏松，失去了原有的緊密結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)酶解階段酶與纖維素成分的有效結(jié)合。

NMMO可以在相對溫和的預(yù)處理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)對玉米秸稈的高效預(yù)處理，是一種非常有前景的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)預(yù)處理的方法。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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