纖維素酒精生產(chǎn)過程中水稻秸稈處理工藝的研究

時 鋒 ，張 佳 ，王 智 ，耿中峰，呂惠生

（1.天津大學(xué)石油化工技術(shù)開發(fā)中心，天津 300072；2.天津九源化工工程有限公司，天津 300072）

水稻秸稈是一種豐富且廉價的可再生資源，為中國主要農(nóng)作物副產(chǎn)物之一。水稻秸稈年產(chǎn)量可達(dá)1.8 億t[1]，且其纖維素含量達(dá)40 %，可作為優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)原料生產(chǎn)纖維素酒精并用作燃料乙醇，緩解化石燃料緊缺的問題[2]。然而，目前水稻秸稈仍主要用于肥田、飼料和焚燒等，其資源利用率不足，且易造成環(huán)境污染[3]。因此，高效且環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化水稻秸稈資源是纖維素酒精產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。

纖維素酒精生產(chǎn)過程包括原料預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、酒精純化和廢水處理等工序[4]。預(yù)處理階段的目的是脫除原料中的半纖維素，使纖維素更多地暴露出來，從而提高后續(xù)酶解發(fā)酵效率[5]。因此，選擇高效且綠色的預(yù)處理工藝至關(guān)重要。

目前常用的預(yù)處理工藝包括物理[2]、化學(xué)和生化方法。蒸汽爆破技術(shù)的可適用性較強(qiáng)，可處理多種生物質(zhì)，但原料處理效率較低，不利于大規(guī)模生產(chǎn)[6]；稀酸水熱處理技術(shù)多采用稀硫酸等無機(jī)酸，反應(yīng)強(qiáng)度大，半纖維素脫除率較高，但反應(yīng)液腐蝕性較高，且無機(jī)酸的存在會抑制后續(xù)發(fā)酵過程，并增加廢水處理難度[7-9]；而水熱處理工藝是一種綠色、無毒且反應(yīng)條件較溫和的處理手段，具有腐蝕性小、對發(fā)酵影響低、廢液易處理等優(yōu)勢[10]。該工藝是利用了亞臨界條件下的水自發(fā)電離的H+催化原料水解，但其處理強(qiáng)度較低[11]，需要添加少量的酸以增強(qiáng)體系內(nèi)的處理強(qiáng)度[12]。為了避免無機(jī)酸導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕、發(fā)酵難和廢液處理難等問題，通常使用可生物降解的有機(jī)酸來增強(qiáng)水熱處理工藝，如醋酸和乳酸等[13]。作為水熱處理的副產(chǎn)物之一，醋酸和乳酸的加入不會引入其他雜質(zhì)，廢液處理難度較低，且可直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵。

本研究通過加入可生物降解的醋酸強(qiáng)化水稻秸稈水熱處理工藝，考察了pH 值、反應(yīng)時間以及溫度對水熱處理效果的影響，并通過酶解實驗，探究各因素對后續(xù)酶解收率的影響，并確定了水熱處理的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

水稻秸稈：由天津大韓偉業(yè)建筑工程有限公司提供。將風(fēng)干后的水稻秸稈粉碎，取40～60 目顆粒使用。水稻秸稈成分為：纖維素，39.88 %；半纖維素，24.36%；木質(zhì)素，17.48%；灰分，4.71%；可溶物，11.98%。

纖維素酶（CTec2）：由北京諾維信公司提供，活性為223 FPU/mL。

儀器設(shè)備：物料粉碎機(jī)（FW177），高壓滅菌鍋（YX280B），1000 mL 反應(yīng)釜（Parr4843），搖床（ZHWY-2102C），高效液相色譜儀（AGILENT-1100），真空干燥器（ZK-82A）等。

1.2 實驗方法

1.2.1 水熱處理

取20 g 水稻秸稈、400 mL 去離子水和一定濃度的醋酸加入1000 mL 高壓反應(yīng)釜中，密封并通入氮氣至反應(yīng)壓力達(dá)2 MPa，之后加熱至目標(biāo)溫度后開始計時及取樣。反應(yīng)結(jié)束后停止加熱，通過真空抽濾裝置進(jìn)行固液分離，液體產(chǎn)物通過高效液相色譜進(jìn)行檢測，固體烘干后用于后續(xù)的酶解反應(yīng)，每組實驗重復(fù)3次。

1.2.2 酶解反應(yīng)

緩沖液配制：取0.1 mol/L 醋酸和醋酸鈉溶液配制成pH4.8的緩沖溶液。

酶解反應(yīng)：取1 g 水熱處理后的固體樣品、0.1 g纖維素酶及30 g 緩沖溶液，于50 ℃下在120 r/min的恒溫?fù)u床中反應(yīng)72 h。反應(yīng)結(jié)束后用G3 型的砂芯漏斗進(jìn)行固液分離，并用高效液相色譜檢測酶解液中各組分含量，每組實驗重復(fù)3次。

1.2.3 分析方法

原料組分分析：纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等采用美國可再生能源實驗室的NREL 方法進(jìn)行測定[14]。

反應(yīng)產(chǎn)物組分分析：采用高效液相色譜儀分析葡萄糖含量。

色譜條件：選用Aminex HPX-87H 離子分離柱和示差折光檢測器；4 mmol/L H2SO4的流動相，以0.6 mL/min的流速，40 ℃柱溫；進(jìn)樣體積20 μ L。

標(biāo)準(zhǔn)曲線測定：分別配制0.01 g/L、0.02 g/L、0.04 g/L、0.06 g/L、0.08 g/L 和0.10 g/L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液并進(jìn)行分析測定，如圖1所示。

酶解收率=酶解液中的葡萄糖含量/水稻秸稈中纖維素含量×162/180；

半纖維素脫除率=1-水熱處理后固體中半纖維素含量/水稻秸稈中半纖維素含量；

纖維素?fù)p失率=1-水熱處理后固體中纖維素含量/水稻秸稈中纖維素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱處理pH值的影響

在原料液中添加不同濃度的醋酸，測定其pH值，并在180 ℃下處理水稻秸稈30 min，取水熱處理后的固體進(jìn)行酶解反應(yīng)，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH值對水熱處理和酶解的影響

當(dāng)不添加醋酸時（pH7），半纖維素脫除率34.74 %，纖維素?fù)p失率1.02 %，酶解收率37.42%。使用醋酸增強(qiáng)后，酶解收率大幅度提升，在55.62%～73.04%。隨著醋酸濃度增大，原料液中pH 值由3.96 降為3.42，半纖維素脫除率增大，由77.62 %增至88.48 %。然而隨著pH 值降低，纖維素?fù)p失率也進(jìn)一步增大。當(dāng)pH＞3.7 時，纖維素?fù)p失率在4.34%～7.88%，損失率較低，變化較慢；當(dāng)pH 值進(jìn)一步降低，纖維素?fù)p失急劇增大，其中當(dāng)pH 為3.42 時，纖維素?fù)p失率為24.22 %，嚴(yán)重影響了后續(xù)酶解收率。

酶解收率隨pH 值降低呈先升后降的趨勢，當(dāng)pH＞3.7 時，酶解收率隨pH 值降低而逐漸增加，這主要是因為隨著酸濃度增加，半纖維素脫除率逐漸升高，增大了纖維素與酶的接觸面積，使得酶解反應(yīng)更容易進(jìn)行。相反，當(dāng)pH＜3.7 時，酶解收率隨pH 值降低而大幅度減少，降至59.81 %，這是由于在水熱處理過程中，纖維素?fù)p失率較高，雖然半纖維素的脫除提高了纖維素酶解的效率，但更多的纖維素在水熱處理中損失，導(dǎo)致后續(xù)的酶解收率較低。

綜上所述，醋酸可以增強(qiáng)水熱處理工藝并提高酶解收率。當(dāng)pH＞3.7 時，隨著醋酸濃度增大，水熱處理反應(yīng)強(qiáng)度增加，半纖維素脫除率增加，酶解收率增加，即提高醋酸濃度有利于后續(xù)酶解。當(dāng)pH＜3.7 時，進(jìn)一步提高醋酸濃度反而會大幅度降低酶解效率，不利于酶解。其中，當(dāng)pH3.7 時，半纖維素脫除率為85.02%，纖維素?fù)p失率為7.88%，酶解收率最高，為73.04%。

2.2 水熱處理時間的影響

在溫度180 ℃，pH3.7 的條件下水熱處理水稻秸稈10～60 min，取水熱處理后的固體進(jìn)行酶解實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 時間對水熱處理和酶解的影響

隨處理時間延長，半纖維素脫除率由77.32 %增加至91.26 %，纖維素?fù)p失率由3.34 %上升至21.35 %。當(dāng)處理時間低于40 min 時，酶解收率隨處理時間的延長而提高，由51.30 %增至75.71 %，這是因為隨著水熱反應(yīng)的進(jìn)行，半纖維素不斷被脫除，纖維素暴露出來的同時沒有進(jìn)一步被降解，使得后續(xù)的酶解收率提高。隨著處理時間進(jìn)一步延長，大部分半纖維素被脫除，暴露出的纖維素會開始被降解，導(dǎo)致酶解收率下降。當(dāng)處理時間為40 min時，半纖維素脫除率為85.20 %，纖維素?fù)p失率為9.34%，酶解收率最高為75.71%。

2.3 水熱處理溫度的影響

在pH3.7，溫度170～190 ℃下水熱處理水稻秸稈40 min，取水熱處理后的固體進(jìn)行酶解實驗，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對水熱處理和酶解的影響

當(dāng)溫度從170 ℃升至185 ℃時，半纖維素脫除率、纖維素?fù)p失率和酶解收率均增大。隨著溫度升高，反應(yīng)強(qiáng)度增大，半纖維素的脫除使更多纖維素暴露出來，雖然纖維素?fù)p失率有所提高，但總的酶解收率仍舊增大。然而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，纖維素?fù)p失較多，酶解收率略有下降。

綜上所述，溫度升高有助于半纖維素脫除，提高酶解收率，但溫度過高會導(dǎo)致水熱處理時纖維素?fù)p失率較高，降低酶解收率。最佳水熱處理溫度為185 ℃，半纖維素脫除率為88.92%，纖維素?fù)p失率為10.84%，此時酶解收率為76.67%。

3 結(jié)論

采用醋酸增強(qiáng)的水熱處理過程，可以有效提高半纖維素脫除效率，提升后續(xù)酶解效率，以提高酒精產(chǎn)率。降低原料液pH 值即提高醋酸濃度或升高溫度、延長反應(yīng)時間都可以提高反應(yīng)強(qiáng)度，促進(jìn)半纖維素脫除，但也會增加水熱處理過程中的纖維素?fù)p失率。當(dāng)pH＞3.7，溫度低于185 ℃，反應(yīng)時間不足40 min 時，降低pH 值、升高溫度和延長反應(yīng)時間均可促進(jìn)后續(xù)酶解收率的增加。其中當(dāng)pH3.7，溫度185 ℃，反應(yīng)時間為40 min 時，半纖維素脫除率和纖維素?fù)p失率分別為88.92%和10.84%，酶解收率最高為76.67%。