PAM預處理玉米秸稈中半纖維素水解動力學分析

呂 謙 譚玉鳳 張 慧 林 昊 肖衛(wèi)華

(中國農業(yè)大學工學院, 北京 100083)

0 引言

玉米秸稈是量大面廣的重要生物質資源,蘊藏著可持續(xù)生產清潔生物燃料和高價值化學品的巨大潛力,釋放這種潛力需要開發(fā)高效、可持續(xù)和具有經濟效益的技術路線[1-4]。秸稈植物細胞壁中木質素、纖維素和半纖維素互相交聯形成結構穩(wěn)定、難降解的網狀結構,是生物質轉化為生物燃料和增值產品的主要障礙[5-7]。開發(fā)一種快速、簡單的木質纖維素組分分離技術對玉米秸稈高價值利用至關重要[8-10]。

本課題組的前期研究表明[11],過氧乙酸復合馬來酸(PAM)可以在環(huán)境友好、溫和的條件下溶解玉米秸稈中87.77%的木質素和88.21%的半纖維素,保留86.83%的纖維素,實現對纖維素的富集。該方法可以有效打破木質纖維生物質的頑固結構,使纖維素充分暴露,在后續(xù)酶解糖化過程中獲得90%的葡萄糖得率。半纖維素作為玉米秸稈的主要組分之一,含量僅次于纖維素,也是一種以木糖為主的多糖[12-13]。從生物合成的角度看,木糖可以轉化為糠醛和木糖醇等高附加值的化學品,在生產化學品和燃料方面潛力巨大[14]。在PAM預處理中,半纖維素主要的水解產物為木糖,其水解規(guī)律尚不清楚,制約了半纖維素中有用組分的生產與應用,限制了PAM預處理在生物煉制中的可持續(xù)性和經濟可行性。為了提高半纖維素資源的利用效率,為PAM預處理的實際應用奠定基礎,探討半纖維素在PAM預處理過程中的水解機制十分必要。半纖維素大分子的不均一性使得其水解過程復雜、水解產物差異大,增加了了解水解反應機制的難度[15]。而動力學模型則可以用來描述水解的動力學特性,對于研究水解反應機制有很大優(yōu)勢,因此可以通過建立動力學模型來研究半纖維素的水解反應規(guī)律[16]。

半纖維素的水解反應通常被假設為擬均相一級不可逆的反應,使用水解動力學模型來研究其水解反應歷程。關于半纖維素水解動力學模型的建立,最早用來描述半纖維素動力學的是Saeman模型[17],該模型由兩個連續(xù)的一級反應組成,半纖維素水解為木糖,隨后木糖降解為降解產物。它是至今為止應用最廣泛和最簡單的半纖維素水解動力學模型[15]。SCHWIDERSKI等[18]使用Saeman模型擬合木聚糖在不同酸催化下的水解過程,研究表明該模型可以很好地描述木聚糖的水解及其降解產物的生成過程。KOBAYASHI等[19]發(fā)現木聚糖的轉化率達到70%以后,其水解反應速率顯著下降,提出雙相模型闡釋半纖維素由兩種類型的木聚糖組成,一種是快速水解的木聚糖,另一種是慢速水解的木聚糖。該模型與Saeman模型均遵循一階動力學。一些學者使用該模型對稀酸預處理中半纖維素水解成木糖進行了研究,結果表明通過該模型可以確定半纖維素水解成木糖的最佳反應條件,并且在低溫條件下半纖維素的水解以雙相反應為主[20-21]。不同研究者使用動力學模型的假設也不盡相同,并且動力學模型的變化與試驗條件相關,因此有必要對具體的原料和工藝進行專門的動力學研究[22]。研究表明,PAM預處理的反應溫度低于150℃,且半纖維素的主要降解產物為木糖[11]。本文使用雙相模型來研究PAM預處理玉米秸稈過程中半纖維素水解的反應歷程以及動力學特性,研究不同預處理條件對玉米秸稈中半纖維素含量的影響,建立PAM預處理過程中半纖維素水解的反應動力學模型,基于半纖維素水解的動力學參數,計算PAM預處理中半纖維素水解的表觀活化能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈取自河北省懷安縣,玉米秸稈風干后使用RT-34型粉碎機進行粉碎并過40目篩,粉碎的樣品使用自封袋置于室溫保存,玉米秸稈的主要組成為:纖維素36.12%、半纖維素21.89%、木質素18.99%、灰分1.72%。

1.2 預處理試驗

取2.0 g玉米秸稈置于聚四氟反應罐中,加入一定量的反應溶液后放入微波反應器中,設定在指定溫度下的預處理時間,每組試驗重復兩次。玉米秸稈水解動力學研究的試驗條件如表1所示。

表1 PAM預處理玉米秸稈的試驗條件Tab.1 Experimental parameters of PAM pretreatment on corn stover

待預處理結束之后,將反應罐取出置于冰水中降溫,反應混合物用布氏漏斗進行真空抽濾,過濾后的固體用去離子水洗滌至中性,洗滌后的固體放入105℃干燥箱中干燥至質量恒定,用于后續(xù)木質纖維組分含量的測定。

1.3 分析方法

玉米秸稈以及不同預處理后的樣品中木質纖維組分的測定是采用美國國家可再生能源實驗室(NREL)的NREL/TP-510-42618標準方法[23]。

1.4 動力學模型

半纖維素在低溫下可以看作是擬均相反應,研究表明,在PAM預處理過程中,半纖維素主要的水解產物是木糖,木糖可以在預處理液體中穩(wěn)定存在,沒有進一步降解[11]。以此為研究基礎,故本試驗采用雙相動力學模型來分析木聚糖的水解,該模型考慮了木聚糖的水解包含快速反應和慢速反應兩個階段,即

——降解產物

(1)

(2)

(3)

對式(1)～(3)進行積分可得

(4)

其中

式中Hx——慢速反應的木聚糖與原料中木聚糖質量分數的比值

H0——原料中木聚糖質量分數

Hr——殘余在固體原料中的木聚糖質量分數

Hf——殘余在固體原料中快速反應的木聚糖質量分數

Hs——殘余在固體物料中慢速反應的木聚糖質量分數

kf、ks——快速反應和慢速反應的速率常數

HR——殘余在固體原料中木聚糖質量分數與原料中木聚糖質量分數的比值

H——木糖單體的質量分數

1.5 表觀活化能

根據Arrhenius方程,一般化學反應速率和反應溫度存在的關系為

(5)

對式(5)兩邊取對數可得

(6)

式中ki——反應速率常數,min-1

T——開氏溫度,K

A0——指前因子

Ea——表觀活化能,kJ/mol

R——理想氣體常數,取8.314×10-3kJ/(mol·K)

2 結果與討論

2.1 不同預處理條件下木聚糖含量變化

不同預處理溫度下玉米秸稈中木聚糖含量隨時間的變化如圖1所示,在PA(單獨過氧乙酸)預處理中,當處理溫度低于110℃時,木聚糖含量隨反應時間延長基本保持不變,溫度升高至120℃時,木聚糖含量隨著處理溫度的升高顯著降低;在120℃時,處理時間在10 min以內,木聚糖含量無明顯變化,繼續(xù)延長時間至40 min時,木聚糖含量快速下降,降低至12%。相比之下,PAM預處理中木聚糖的水解受溫度的影響更顯著,隨著處理溫度的升高,PAM預處理水解木聚糖的效果顯著增強,當處理溫度為120℃,處理時間為40 min時,木聚糖質量分數快速降低至6%,這主要歸因于高溫加速了氫離子的電離,增強了酸水解的作用[24]。由于玉米秸稈中半纖維素是一種無定形態(tài)、以木聚糖為主的不均勻聚合物,相較于纖維素,半纖維素的無定形態(tài)結構在酸性條件容易發(fā)生水解[17],所以PAM預處理在120℃條件下可以水解86%的木聚糖。與PA預處理相比,PAM預處理在溫度為120℃、處理時間為10 min的條件下,即可將木聚糖質量分數降低至9%,可見PAM預處理對木聚糖的水解效果顯著。

圖1 不同預處理溫度下玉米秸稈中木聚糖含量隨 時間的變化規(guī)律Fig.1 Content of xylan on pretreated solid fractions at different temperatures

2.2 反應動力學模型構建

2.2.1木聚糖水解動力學模型建立

以玉米秸稈中殘余木聚糖與原料中木聚糖質量分數的比值HR來描述木聚糖在預處理過程中的水解程度。其中HR為木聚糖在預處理過程中的保留率,與木聚糖的水解率之和為100%。不同溫度下,HR的試驗值及模型預測曲線如圖2、3所示。由圖2可知,在PA預處理中,隨著處理溫度的升高,木聚糖水解程度不斷增加,HR則不斷降低;在溫度為90℃時,處理40 min后HR為0.88,即僅可水解12%的木聚糖;當處理溫度升高至120℃,反應40 min時71%的木聚糖被水解。圖3顯示,PAM預處理與PA預處理呈相似的趨勢,與PA預處理相比,PAM水解木聚糖的能力明顯高于PA預處理。PAM預處理在處理溫度為120℃、處理時間為10 min的條件下,HR為0.22,即可水解78%的木聚糖,是同樣條件下PA預處理水解的木聚糖的2.5倍。從圖2、3中可以看出,隨著處理時間的變化,殘余木聚糖的含量在較短的反應時間(≤6 min)內快速下降,隨著反應時間延長(>6 min),殘余木聚糖含量的下降趨于緩慢。根據反應速率的不同,玉米秸稈中木聚糖的水解明顯分為兩個階段,即快速反應階段和慢速反應階段。

圖2 不同溫度下PA預處理中殘余木聚糖的HR擬合曲線Fig.2 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PA pretreatment

圖3 不同溫度下PAM預處理中殘余木聚糖HR的擬合曲線Fig.3 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PAM pretreatment

2.2.2水解動力學參數擬合

將HR代入式(4)中,用Origin 2018軟件對雙相動力學模型進行擬合,得到的動力學參數列于表2,其中R2是決定系數。該模型的預測結果與試驗結果吻合良好,R2≥0.98,證明了該模型可以有效模擬木聚糖的水解過程,證實了模型的有效性。結果顯示,在PA預處理和PAM預處理中慢速反應速率ks和快速反應速率kf均隨著處理溫度的升高不斷升高,同時,同一溫度下kf比ks高至少一個數量級,說明慢速反應是木聚糖水解的限速步驟,在兩階段水解過程中,快速反應部分的木聚糖更容易發(fā)生水解。這是由于木聚糖結構的非均一性、木質纖維原料中半纖維素的空間分布以及木聚糖與其他組分結合而導致不同的反應速率[25]。在PAM預處理中慢速反應速率ks和快速反應速率kf均顯著高于PA預處理中ks和kf,證實馬來酸的添加會加快木聚糖水解的反應速率,促進木聚糖的水解。

表2 不同預處理條件下木聚糖水解動力學參數的 擬合結果Tab.2 Fitted kinetic constants during hydrolysis under different pretreatment conditions

在PAM預處理和PA預處理中Hx均隨著處理溫度的升高不斷下降,當處理溫度從90℃升高至120℃時,在PAM預處理中,Hx從0.86降低至0.29,在PA預處理中,Hx從0.93降低至0.87。Hx是由不同反應條件下確定的值的平均值所確定[26],在PAM預處理中,不同預處理溫度的條件下Hx平均值為0.62,在PA預處理中,Hx平均值為0.90?？梢娫赑AM預處理和PA預處理中均是以慢速反應部分木聚糖為主,表明慢速反應階段決定木聚糖的水解進程。另外,PAM預處理中的Hx明顯低于PA預處理中的Hx,與之對應,在PAM預處理中快速反應木聚糖的比例則顯著高于PA預處理中快速反應木聚糖的比例。這可能是由于PAM預處理中添加了馬來酸,而馬來酸作為一種二元羧酸,其結構具有一定的特異性[27]。過氧乙酸可以有效溶解植物細胞中層的木質素,還可以有效地斷裂木質素與半纖維素的連接鍵[28],使得碳水化合物暴露在酸性介質中;在PAM預處理中,額外添加了馬來酸,引入了大量的H+,強化了糖苷鍵的水解反應[21],同時,兩個馬來酸分子很容易形成類似于糖苷酶的活性位點,進而會遵循糖苷酶催化斷裂糖苷鍵的原理使得木聚糖中糖苷鍵斷裂[29-30];并且馬來酸是一種二元羧酸,在水溶液中H+不會完全電離,未解離的H+與糖環(huán)上的羥基互相作用,使得木聚糖變得更易水解[31],因此PAM預處理水解木聚糖的效率明顯高于PA預處理。

PAM預處理和PA預處理的Hx均高于稀酸預處理、水熱預處理以及乙酸預處理[22, 26, 32],可能是PAM預處理和PA預處理中處理溫度較低(<150℃),影響了H+的電離,進而影響了木聚糖的水解,導致PAM預處理和PA預處理的Hx偏高。研究表明,快速反應和慢速反應木聚糖的比例并不是木聚糖內部的屬性,該比例只是適用于動力學模型的一個概念參數[32],它受很多因素的影響,如原料、預處理條件、水解產物的擴散,這也可以解釋PAM預處理和PA預處理中Hx比文獻中的報道偏高。玉米秸稈中木聚糖的雙相水解行為主要受以下因素影響:首先,半纖維素的空間分布決定了與催化劑的可及度,部分被鑲嵌在纖維素和木質素鏈中的木聚糖較難與催化劑接觸;其次,一部分木聚糖與木質素以共價鍵的方式連接形成木質素-碳水化合物(LCC)嵌入或附著在木質素上,導致其反應緩慢;此外,乙?；吞侨┧崤c木糖比例的變化會導致木聚糖結構的變化,引起水解速率的差異[33-34]。

2.2.3表觀活化能分析

圖4顯示了PA預處理和PAM預處理中木聚糖水解的速率常數和1/T的Arrhenius曲線,斜率為反應活化能,并將本研究的反應活化能與其它文獻中木聚糖水解活化能結果列于表3。在本研究中,木聚糖的慢速水解反應需要更多的能量,因為其活化能高于木聚糖快速水解反應的活化能,與表3中文獻結果一致。通過對比得知,不同原料和預處理條件導致木聚糖水解所需要的活化能不同[35],PAM預處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能均較低,可能是預處理條件的差異所導致。PAM預處理中木聚糖水解的活化能不僅低于單獨的馬來酸預處理[21],也低于單獨的PA預處理,可見PAM預處理對玉米秸稈中木聚糖的水解具有一定的優(yōu)勢,能降低木聚糖水解反應的能壘。因此,PAM預處理中過氧乙酸復合馬來酸有共同增強木聚糖水解的作用。這可能是過氧乙酸脫木質素的作用,打開了植物細胞壁中觸及碳水化合物的通道,而馬來酸雙羧酸結構的特異性則可以加速木聚糖的水解,使得因脫木質素而暴露的木聚糖更易水解。

圖4 不同預處理中速率常數與溫度的擬合曲線Fig.4 Arrhenius plots of rate constants and temperature for different pretreatment of corn stover

表3 不同預處理下木聚糖水解活化能的比較Tab.3 Comparison of activation energies for xylan hydrolysis in different pretretatments

3 結束語

以PA預處理為對照,通過動力學模擬分析,研究了PAM預處理玉米秸稈過程中半纖維素的水解規(guī)律。結果表明,玉米秸稈中半纖維素的水解在90～120℃下符合雙相動力學模型,由快速反應和慢速反應兩個階段構成,并且慢速反應部分的比例隨著處理溫度的升高而下降。使用Arrhenius方程得到了不同預處理中木聚糖水解的活化能,在PA預處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分別為75 kJ/mol和139.1 kJ/mol,在PAM預處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分別為71.4 kJ/mol和79.1 kJ/mol。PAM預處理可以顯著降低木聚糖水解反應的活化能并提高木聚糖水解反應速率,表明馬來酸的添加可以有效促進木聚糖的水解。該動力學模型與試驗數據顯示出良好的一致性,驗證了該模型可以有效模擬PAM預處理玉米秸稈中半纖維素的水解過程。